CN105675096A - 多通道石英晶体微天平芯片的制作装置 - Google Patents
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Abstract
一种多通道石英晶体微天平芯片的制作装置，包括电极加工部件和芯片固定部件，电极加工部件由共用电极加工板和可拆卸固定于其上部的功能电极加工板构成，芯片固定部件位于共用电极加工板和功能电极加工板之间；共用电极加工板上有至少一个用于加工共用电极的共用电极孔，功能电极加工板上与每个共用电极孔对应的区域处开有至少两个用于加工功能电极的功能电极孔；芯片固定部件可将芯片固定于共用电极加工板和功能电极加工板之间，并覆盖每个共用电极孔；所述功能电极加工板的上部还设置有可遮挡部分功能电极孔的遮挡部件。该装置可通过离子刻蚀方法一次性在石英晶片上加工不同深度的反台面结构，制作多通道石英晶体微天平芯片，成本低、效率高。
Description
技术领域
本发明涉及一种多通道石英晶体微天平芯片的制作装置，属于石英晶体微天平的微加工领域。
背景技术
石英晶体微天平(QuartzCrystalMicrobanlance，QCM)是一种声波厚度剪切模式传感器，由一块具有压电效应的石英晶体片和成对的电极组成。根据外部物理载荷的特点，QCM分为重量载荷和粘弹性载荷两类。重量载荷是沉积在电极表面的附着物，其引起QCM谐振频率变化，主要应用在物理蒸发沉积过程的厚度监测；粘弹性载荷是QCM处于粘弹性介质环境中产生的载荷，液体的粘度和密度导致谐振频率变化，其主要应用于生物和化学传感。QCM在传感领域具有高灵敏度、高稳定性、低成本、快速响应和免标记检测等特点，应用还包括：电化学、分析化学和免疫分析、病毒检测、蛋白质互相作用监测等多个领域。
单个QCM面临的主要技术缺陷为测量参数受环境变量如温度、粘度、传导率影响较大，AT石英具有较低的温度系数，其应用虽然能减弱温度的影响，但温度和其他影响因素仍不能消除。多通道石英晶体微天平(MultichannelQuartzCrystalMicrobanlance，MQCM)是在一块石英晶体上阵列多个QCM，选用一个QCM通道作为参照，放置于其他通道相同的环境变量中，其测量的频率变化即为环境引起，再通过作差的方法消除环境变量的影响。另外，还可通过在MQCM不同通道上修饰不同的传感层，实现多成分分析。此外，MQCM还具有匹配性好、集成化程度高、成本低、样品需求少的优势，提供了一个高稳定性、多功能的传感器平台。然而，在MQCM系统中，单个QCM诱导的声波沿石英晶片侧向传播一定距离，如果另一个QCM位于此声场附近，声波干涉便形成，只有当相邻QCM间距足够大时，干扰问题才能消除。因此，MQCM技术面临着声波干扰问题，其不仅影响其性能和测量结果的准确性，而且约束其小型化。通过在电极区域加工凹孔形成反台面结构是一种减小MQCM中相邻QCM干扰的方法。根据QCM固有谐振频率反比于电极区域晶片厚度，反台面结构凹孔的加工使得反台面结构使得电极区域谐振频率大于非电极区域谐振频率，从而加大电极区域和非电极区域的固有谐振频率的差异，厚度剪切声波的能量更好的限制在电极区域、减小向相邻QCM传播的能量，最终有效的减小MQCM的声波干扰。
带有反台面结构的QCM的加工方法分为两类：传统的化学刻蚀方法和离子刻蚀方法。传统的化学刻蚀方法是利用氢氟酸能与石英晶体反应，而光刻胶或部分金属膜不与氢氟酸发生反应的原理加工反台面结构。即首先在晶体表面涂覆不与氢氟酸发生反应的光刻胶或金属膜，然后通过曝光、显影方法去除电极区域对应的光刻胶、金属膜，暴露出其下的晶片，再将晶片直接与含刻蚀剂HF、缓冲剂NH4F的溶液反应。没有光刻胶或金属膜保护的电极区域与刻蚀剂反应，其他部分不与刻蚀液反应，即形成具有一定深度的凹孔。加工MQCM时则是通过反复上述的操作，加工出多个反台面结构，最后镀电极形成MQCM芯片。通过化学刻蚀方法制作MQCM存在以下缺点：1)工序复杂；2)HF毒性大，操作危险；3)由于HF与接触的石英晶片都会反应，导致得到的凹孔尺寸不规则；4)涂布光刻胶、金属膜容易引起晶片污染。
离子刻蚀的方法是指将Ar、Kr或Xe之类的惰性气体或可与芯片材料反应的HF气体电离形成离子，射向晶片表面，产生碰撞，使原子抛离晶体表面，便形成反台面结构，再镀电极形成QCM芯片。但目前这种方法主要用于制作单个反台面结构QCM，并未推广到MQCM的制作。
发明内容
本发明的发明目的是提供一种多通道石英晶体微天平芯片的制作装置。该装置不仅可以通过离子刻蚀方法一次性在石英晶片上加工多个不同深度的反台面结构，还可同时在石英晶片上镀电极，制作多通道石英晶体微天平芯片，节约了制作成本、提高了制作效率。
本发明实现其发明目的所采取的技术方案是：一种多通道石英晶体微天平芯片的制作装置，包括电极加工部件和芯片固定部件，其特征在于：所述电极加工部件由位于下部的共用电极加工板和通过可拆卸方式固定于共用电极加工板上部的功能电极加工板构成，所述共用电极加工板上有至少一个用于加工共用电极的共用电极孔，功能电极加工板上与所述每个共用电极孔对应的区域处开有至少两个用于加工功能电极的功能电极孔；所述芯片固定部件可将芯片固定于共用电极加工板和功能电极加工板之间，并覆盖每个共用电极孔；所述功能电极加工板的上部还设置有可遮挡部分功能电极孔的遮挡部件，用于加工反台面结构。
本发明的工作过程是：将芯片通过芯片固定部件固定于共用电极加工板和功能电极加工板之间，然后组装固定共用电极加工板和功能电极加工板，整体置于真空腔中进行离子刻蚀，在芯片加工功能电极的区域加工凹孔形成反台面结构。在离子刻蚀过程中，还可通过机械手之类的自动装置控制遮挡部件遮挡部分功能电极孔继续刻蚀，从而可加工出不同深度的反台面结构。然后分别在加工功能电极的区域和加工共用电极的区域镀电极，形成功能电极和共用电极，即完成多通道石英晶体微天平的制作。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明配合离子刻蚀方法可以一次性在石英晶片上加工多个同深度或不同深度的反台面结构，制作多通道石英晶体微天平。相比于化学刻蚀方法，本发明避免了操作过程中接触毒性大的化学物质和晶片污染，制作的台面形状规则，工艺简单。而且，本发明装置在完成刻蚀之后不须拆卸可直接镀电极，节约了制作成本，提高了制作效率，有利于大量的工业化应用。
进一步，本发明所述芯片固定部件的具体结构是：在所述共用电极加工板上表面的共用电极孔处设置有下芯片固定槽。
或者，在所述功能电极加工板下表面的功能电极孔处设置有上芯片固定槽。又或者，在所述共用电极加工板上表面的共用电极孔处设置有下芯片固定槽，在功能电极加工板下表面的功能电极孔处设置有上芯片固定槽，所述共用电极加工板上表面的下芯片固定槽与功能电极加工板下表面的上芯片固定槽大小相同，位置对应，共同将芯片固定于共用电极加工板和功能电极加工板之间。
这样，通过简单的方式达到了固定芯片的目的，制作工艺简单，成本低。
进一步，本发明所述共用电极加工板和功能电极加工板之间通过可拆卸方式固定的一种具体方式是：共用电极加工板和功能电极加工板的边缘对应位置处设置有带磁性的材料，共用电极加工板和功能电极加工板通过磁性吸引力结合固定。
这样，通过简单的方式完成了共用电极加工板和功能电极加工板的快速可拆卸固定，提高了多通道石英晶体微天平的制作效率。
再进一步，本发明所述共用电极加工板和功能电极加工板上设置有对准装置，用于共用电极加工板和功能电极加工板通过磁性吸引力结合时，共用电极孔和功能电极孔位置对准。所述对准装置的一种具体结构是：共用电极加工板的上表面设置有至少一个凸起，功能电极加工板的下表面对应位置处设置有与所述凸起配合的凹槽，共用电极加工板和功能电极加工板通过磁性吸引力结合时，通过共用电极加工板上的凸起和功能电极加工板上的凹槽配合对准。
所述对准装置的另一种具体结构是：功能电极加工板的下表面设置有至少一个凸起，共用电极加工板的上表面对应位置处设置有与所述凸起配合的凹槽，共用电极加工板和功能电极加工板通过磁性吸引力结合时，通过功能电极加工板下表面的凸起和共用电极加工板上表面的凹槽配合对准。
对准装置可保证芯片的准确安装，并可在微天平制作过程中使共用电极加工板和功能电极加工板的位置不变，确保加工的微天平的电极位置精确，保证多通道微天平电极的加工质量。
进一步，本发明所述共用电极加工板和功能电极加工板的边缘对应位置处设置的磁性材料的一种布置方式是：共用电极加工板边缘的上表面设置有磁性凸起，功能电极加工板的下表面对应位置处设置有与所述磁性凸起配合的磁性凹槽。
进一步，本发明所述共用电极加工板和功能电极加工板的边缘对应位置处设置的磁性材料的另一种布置方式是：功能电极加工板边缘的下表面设置有磁性凸起，共用电极加工板的上表面对应位置处设置有与所述磁性凸起配合的磁性凹槽。
这样，既通过简单的方式完成了共用电极加工板和功能电极加工板的快速可拆卸固定，提高了多通道石英晶体微天平的制作效率，同时可在微天平制作过程中使共用电极加工板和功能电极加工板的位置不变，确保加工的微天平的电极位置精确，保证多通道微天平电极的加工质量。
更进一步，本发明所述共用电极加工板和功能电极加工板之间通过可拆卸方式固定的另一种具体方式是：共用电极加工板和功能电极加工板的边缘对应位置处均开有螺栓通孔，螺栓依次通过功能电极加工板上的螺栓通孔和共用电极加工板上的螺栓通孔，与螺母配合固定。
这样，通过简单的方式实现共用电极加工板和功能电极加工板的可拆卸方式固定，且可同时确保微天平制作过程中共用电极加工板和功能电极加工板的位置不变、加工的微天平的电极位置精确，保证多通道微天平电极的加工质量。
附图说明
图1为本发明实施例一的整体结构爆炸图。
图2为本发明实施例一共用电极加工板的俯视示意图。
图3为本发明实施例一共用电极加工板的仰视示意图。
图4为本发明实施例一功能电极加工板的俯视示意图。
图5为本发明实施例一功能电极加工板的仰视示意图。
图6为本发明实施例一遮挡部件遮挡部分功能电极孔的功能电极加工板俯视示意图。
图7为本发明实施例一遮挡部件遮挡部分功能电极孔的功能电极加工板俯视示意图。
图8为本发明实施例二功能电极加工板的仰视示意图。
图9为本发明实施例二共用电极加工板的俯视示意图。
图10为本发明实施例三的整体结构爆炸图。
图11为本发明实施例三共用电极加工板的俯视示意图。
图12为本发明实施例三共用电极加工板的仰视示意图。
图13为本发明实施例三功能电极加工板的俯视示意图。
图14为本发明实施例三功能电极加工板的仰视示意图。
具体实施方式
实施例一
图1-5示出，本发明的一种具体实施方式是：一种多通道石英晶体微天平芯片的制作装置，包括电极加工部件和芯片固定部件，其结构特点是：所述电极加工部件由位于下部的共用电极加工板10和通过可拆卸方式固定于共用电极加工板10上部的功能电极加工板20构成，所述共用电极加工板10上有至少一个用于加工共用电极的共用电极孔11，功能电极加工板20上与所述每个共用电极孔11对应的区域处开有至少两个用于加工功能电极的功能电极孔21；所述芯片固定部件可将芯片固定于共用电极加工板10和功能电极加工板20之间，并覆盖每个共用电极孔11；所述功能电极加工板20的上部还设置有可遮挡部分功能电极孔21的遮挡部件。
本例中，共用电极加工板10和功能电极加工板20为圆盘形设计，共用电极孔11和功能电极孔21的布置如图中所示，遮挡部件为两个直径不同的环形，小直径环形61可遮挡功能电极加工板20的最内圈功能电极孔21，如图6所示；大直径环形62可遮挡功能电极加工板20的中间一圈功能电极孔21，如图7所示。
本例中，所述芯片固定部件的具体结构是：在所述共用电极加工板10上表面的共用电极孔11处设置有下芯片固定槽12，在功能电极加工板20下表面的功能电极孔21处设置有上芯片固定槽22，所述共用电极加工板10上表面的下芯片固定槽12与功能电极加工板20下表面的上芯片固定槽22大小相同，位置对应，共同将芯片固定于共用电极加工板10和功能电极加工板20之间。
本例中所述共用电极加工板10和功能电极加工板20之间通过可拆卸方式固定的具体方式是：共用电极加工板10和功能电极加工板20的边缘对应位置处设置有磁性材料30，共用电极加工板10和功能电极加工板20通过磁性吸引力结合固定。
本例中，所述共用电极加工板10和功能电极加工板20的边缘对应位置处设置的磁性材料30的布置方式是：共用电极加工板10边缘的上表面设置有磁性凸起31，功能电极加工板20的下表面对应位置处设置有与所述磁性凸起41配合的磁性凹槽32。
实施例二
图8-9示出，本发明的另一种具体实施方式是：一种多通道石英晶体微天平芯片的制作装置，包括电极加工部件和芯片固定部件，其结构特点是：所述电极加工部件由位于下部的共用电极加工板10和通过可拆卸方式固定于共用电极加工板10上部的功能电极加工板20构成，所述共用电极加工板10上有至少一个用于加工共用电极的共用电极孔11，功能电极加工板20上与所述每个共用电极孔11对应的区域处开有至少两个用于加工功能电极的功能电极孔21；所述芯片固定部件可将芯片固定于共用电极加工板10和功能电极加工板20之间，并覆盖每个共用电极孔11；所述功能电极加工板20的上部还设置有可遮挡部分功能电极孔21的遮挡部件。
本例中，所述共用电极加工板10和功能电极加工板20为圆盘形设计，共用电极孔11和功能电极孔21的布置如图中所示。
本例中，所述芯片固定部件的具体结构是：在所述共用电极加工板10上表面的共用电极孔11处设置有下芯片固定槽12，在功能电极加工板20下表面的功能电极孔21处设置有上芯片固定槽22，所述共用电极加工板10上表面的下芯片固定槽12与功能电极加工板20下表面的上芯片固定槽22大小相同，位置对应，共同将芯片固定于共用电极加工板10和功能电极加工板20之间。
本例中所述共用电极加工板10和功能电极加工板20之间通过可拆卸方式固定的具体方式是：共用电极加工板10和功能电极加工板20的边缘对应位置处设置有磁性材料30，共用电极加工板10和功能电极加工板20通过磁性吸引力结合固定。
本例中所述共用电极加工板10和功能电极加工板20的边缘对应位置处设置的磁性材料30的布置方式是：共用电极加工板10和功能电极加工板20的边缘部分均为磁性材料30。
本例中所述共用电极加工板10、功能电极加工板20还设置有对准装置，用于共用电极加工板10和功能电极加工板20通过磁性吸引力结合时，共用电极孔11和功能电极孔21位置对准。所述对准装置的具体结构是：共用电极加工板10的上表面设置有至少一个凸起41，功能电极加工板20的下表面对应位置处设置有与所述凸起41配合的凹槽42，共用电极加工板10和功能电极加工板20通过磁性吸引力结合时，通过共用电极加工板10上的凸起41和功能电极加工板20上的凹槽42配合对准。
实施例三
图10-14示出，本发明的另一种具体实施方式是：所述电极加工部件由位于下部的共用电极加工板10和通过可拆卸方式固定于共用电极加工板10上部的功能电极加工板20构成，所述共用电极加工板10上有至少一个用于加工共用电极的共用电极孔11，功能电极加工板20上与所述每个共用电极孔11对应的区域处开有至少两个用于加工功能电极的功能电极孔21；所述芯片固定部件可将芯片固定于共用电极加工板10和功能电极加工板20之间，并覆盖每个共用电极孔11；所述功能电极加工板20的上部还设置有可遮挡部分功能电极孔21的遮挡部件。
本例中，共用电极加工板10和功能电极加工板20为圆盘形设计，共用电极孔11和功能电极孔21的设计如图中所示，遮挡部件为两个直径不同的环形，小直径环形61可遮挡功能电极加工板20的最内圈功能电极孔21；大直径环形62可遮挡功能电极加工板20的中间一圈功能电极孔21。
本例中所述芯片固定部件的具体结构是：在所述功能电极加工板20下表面的功能电极孔21处设置有上芯片固定槽22。
本例中，所述共用电极加工板10和功能电极加工板20之间通过可拆卸方式固定的具体方式是：共用电极加工板10和功能电极加工板20的边缘对应位置处均开有螺栓通孔，螺栓依次通过功能电极加工板20上的螺栓通孔和共用电极加工板10上的螺栓通孔，与螺母配合固定。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (9)
1.一种多通道石英晶体微天平芯片的制作装置，包括电极加工部件和芯片固定部件，其特征在于：所述电极加工部件由位于下部的共用电极加工板(10)和通过可拆卸方式固定于共用电极加工板(10)上部的功能电极加工板(20)构成，所述共用电极加工板(10)上有至少一个用于加工共用电极的共用电极孔(11)，功能电极加工板(20)上与所述每个共用电极孔(11)对应的区域处开有至少两个用于加工功能电极的功能电极孔(21)；所述芯片固定部件可将芯片固定于共用电极加工板(10)和功能电极加工板(20)之间，并覆盖每个共用电极孔(11)；所述功能电极加工板(20)的上部还设置有可遮挡部分功能电极孔(21)的遮挡部件。
2.根据权利要求1所述的一种多通道石英晶体微天平芯片的制作装置，其特征在于：所述芯片固定部件的具体结构是：在所述共用电极加工板(10)上表面的共用电极孔(11)处设置有下芯片固定槽(12)。
3.根据权利要求1所述的一种多通道石英晶体微天平芯片的制作装置，其特征在于：所述芯片固定部件的具体结构是：在所述功能电极加工板(20)下表面的功能电极孔(21)处设置有上芯片固定槽(22)。
4.根据权利要求1所述的一种多通道石英晶体微天平芯片的制作装置，其特征在于：所述芯片固定部件的具体结构是：在所述共用电极加工板(10)上表面的共用电极孔(11)处设置有下芯片固定槽(12)，在功能电极加工板(20)下表面的功能电极孔(21)处设置有上芯片固定槽(22)，所述共用电极加工板(10)上表面的下芯片固定槽(12)与功能电极加工板(20)下表面的上芯片固定槽(22)大小相同，位置对应，共同将芯片固定于共用电极加工板(10)和功能电极加工板(20)之间。
5.根据权利要求1-4任一所述的一种多通道石英晶体微天平芯片的制作装置，其特征在于：所述共用电极加工板(10)和功能电极加工板(20)之间通过可拆卸方式固定的具体方式是：共用电极加工板(10)和功能电极加工板(20)的边缘对应位置处设置有磁性材料(30)，共用电极加工板(10)和功能电极加工板(20)通过磁性吸引力结合固定。
6.根据权利要求5所述的一种多通道石英晶体微天平芯片的制作装置，其特征在于：所述共用电极加工板(10)和功能电极加工板(20)上设置有对准装置，用于共用电极加工板(10)和功能电极加工板(20)通过磁性吸引力结合时，共用电极孔(11)和功能电极孔(21)位置对准。
7.根据权利要求5所述的一种多通道石英晶体微天平芯片的制作装置，其特征在于：所述共用电极加工板(10)和功能电极加工板(20)的边缘对应位置处设置的磁性材料(30)的布置方式是：共用电极加工板(10)边缘的上表面设置有磁性凸起(31)，功能电极加工板(20)的下表面对应位置处设置有与所述磁性凸起(31)配合的磁性凹槽(32)。
8.根据权利要求5所述的一种多通道石英晶体微天平芯片的制作装置，其特征在于：所述共用电极加工板(10)和功能电极加工板(20)的边缘对应位置处设置的磁性材料(30)的布置方式是：功能电极加工板(20)边缘的下表面设置有磁性凸起(31)，共用电极加工板(10)的上表面对应位置处设置有与所述磁性凸起(31)配合的磁性凹槽(32)。
9.根据权利要求1-4任一所述的一种多通道石英晶体微天平芯片的制作装置，其特征在于：所述共用电极加工板(10)和功能电极加工板(20)之间通过可拆卸方式固定的具体方式是：共用电极加工板(10)和功能电极加工板(20)的边缘对应位置处均开有螺栓通孔，螺栓依次通过功能电极加工板(20)上的螺栓通孔和共用电极加工板(10)上的螺栓通孔，与螺母配合固定。
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