CN1269885A - Qcm(石英晶体微量天秤)传感器 - Google Patents
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Abstract
一种QCM传感器,在晶体前面和背面上相对地配置电极的传感器装置的电极浸没在试料气体或试料溶液时,根据主谐振频率或阻抗的变化检测和定量分析试料成分的。传感器装置作成在晶体基片10的前面、背面上设置4个对置电极(11A－14A,12B－14B)的多通道构造,并且作成在各电极上能够固定对要检测和定量分析的各试料成分不同的接收器的构造,用一个样品一次检测和定量分析各电极上的各种成分。
Description
本发明涉及晶体振子的电极表面浸没在试料气体或试料溶液时根据晶体振子的振荡频率变化或阻抗变化来检测和定量分析试料成分的QCM传感器，尤其是涉及适合于同时检测和定量分析上述同一试料的多个成分的多通道QCM传感器。
在化学和生物化学领域，定量分析反应量和生成物质量是重要的，然而，对极微量的反应量获得足够的检测灵敏度是很困难的。
近年来，使用AT切割晶体振子并用微量天秤原理的化学和生物化学传感器得到很大发展并受到广泛注意。
AT切割晶体振子的主谐振频率与振子片的厚度成反比。在这种情况下，当试料成分在晶体振子的电极表面形成膜时或者在电极表面发生物质的吸附时，则对应于表面存在的单位面积的物质重量发生频率偏移现象。
QCM传感器是上述频率偏移现象的一种应用。因为AT切割晶体振子在广泛的温度范围内其频率特性是稳定的，所以可以期望稳定的检测灵敏度。如果条件齐备，用QCM传感器实时检测1-10ng的吸附物质是可能的。
以下将描述吸附物质量与频率偏移量之间的关系。
首先，AT切割晶体振子的谐振频率用图12所示的式(1)和式(2)表示。
其中，f0表示晶体振子的主谐振频率，υ表示晶体内的声速，tq表示晶体的厚度，μg表示剪切弹性模量，以及ρq表示晶体的密度。
在具有主谐振频率f0的晶体振子表面产生的质量变化Δm，通过展开主谐振频率和晶体厚度之间的关系式用图13示出的式(3)表示。
在式(3)中，Δf表示由于质量附加量引起的频率变化，Apiezo表示电气的有效面积，Cf表示整体灵敏度。当晶体振子在液体中使用时，因为Δf也受液体粘度和密度影响，所以式(3)改写成图14所示的式(4)。
必须注意：η表示溶液的粘度，ρL表示溶液的密度，并且ω0＝2πf0。此外整体灵敏度Cf用图15的式(5)表示。
正如从上式(5)所看到的那样，为了提高整体灵敏度，提高主谐振频率f0是重要的。此外，因为整体灵敏变度Cf本身也是频率的函数，所以实际上频率的偏移量Δf是与主谐振频率f0的3/2次方有关。
因此，当用作传感器的晶体振子的主谐振频率上升时，则可以使用高灵敏度传感器。例如，图16示出浸在15重量％葡萄糖溶液内的晶体振子的频率偏移量Δf对主谐振频率f0的变化所作出的图。如果主谐振频率f0上升，可以看到对相同的电极表面吸附量，谐振频率的偏移增大。
如上所述，因为AT切割的晶体振子使用了厚度滑移模式，所以主谐振频率f0与其厚度tg成反比。此外，为了获得足够的γ值(γ表示在晶体振子的等效电路内并联电容和串联电容之比，通常在AT切割晶体振子的情况下约为250，γ越小越好)。根据以上的理由，高频用晶体振子必须用电极面积小而且晶体厚度薄的晶体振子。
另一方面，为了实现QCM传感器，把QCM传感器安排如下：如图17所示，把晶体振子保持在容器2内，只露出浸没在试料中的振子表面，用O型密封环3等对其表面的周边密封，而且晶体振子1的电极1A和1B经导线连接到振荡电路或阻抗测量电路。
因为上述安排的QCM传感器具有晶体基片，高频用晶体振子要求该晶体基片较薄，由于加在其密封部分的应力使基片常常变形(有应变)或裂纹，因此很难使高频传感器装置投入实用化。然而，LinZuxuan等提出用蚀刻技术只使单个单元上的基片中央变薄的制作QCM传感器装置的方法。在这种情况下，相当于晶体振子框的晶体振子部分具有相当于传统方式应用的5-6MHz(0.3mm程度)的厚度并且不会发生因密封引起的大变形。此外，因为变薄部分有足够小的电极面积以便产生能量阱，不易受框的影响。
虽然用上述方法能够实现提高其灵敏度的QCM传感器，但是任何的传统的QCM传感器都以下述方式安排，即：在1个单元内只配置一个传感器。因此，任何传统的QCM传感器一次只能测量一个样品的一种成分。
例如为了检测和定量分析包含多个成分的试料溶液的各成分，要准备好能对各种成分分别检测和定量的单元，这种测量为受所谓1单元1样品制约的测量。因此，测量多个成分要花费较长时间，而且测量开销也较大。
为了缩短测量时间，提出了多通道型QCM传感器。这种多通道型QCM传感器安排如下：多个石英晶体振子安装在基板托上，在各晶体振子上移动操作探头，每一晶体振子得到样品的每一成分的数据。
然而，在上述多通道型QCM传感器内加电场是由于探头移动引起的。探头对每一晶体振子的相对位置的偏移引起振荡频率和阻抗变化。因此，传统的多通道QCM传感器很难实际地安排以正确地维持晶体振子的谐振频率等的测量条件。其结果不能指望通过传统的QCM传感器实现稳定的测量。
因此本发明的目的是提供一种QCM传感器，该QCM传感器通过把传感器多通道化能够稳定测量样品的每一成分，而且通过把传感器部分的主谐振频率高频化能够实现高精度测量。
本发明的传感器装置作成使电极相邻并且设置在多个位置上的多通道结构，而且作成能够把要检测、定量分析样品每种成分的不同接收器固定在各电极上的结构。通过这种结构用1个样品对每一电极能够一次检测和定量分析不同的成分。此外，因为不要传统的多通道型QCM传感器的探头移动操作，所以能够作稳定测量而不变动测量条件。
本发明的传感器装置具有如下构造：如果多通道结构的电极是圆形的，则晶体基片的厚度t和相邻电极的间距L之间的比率L/t等于或大于20。根据上述结构，为了用一个样品一次检测和定量分析电极的各种成分，能够没有相邻电极间的相互干涉而进行高精度测量，并且可以把传感器装置的整体尺寸减少到最小。
本发明的传感器装置的晶体基片设置一分离沟，用于降低相邻电极间振动能的耦合。通过这种构造，在分离沟内衰减掉电极间振动能的漏泄，并且允许进行稳定的测量，同时缩短电极间距离。
本发明的传感器装置的晶体基片具有电极形成部分比周边部分还薄的结构。通过这种构造，提高了基片的机械强度以确保其支撑，而且通过减小电极部分的厚度能够把它用在高频范围。
本发明的传感器装置包括传感器主体(其中应用高频薄晶体基片的电极形成部分比周边部分的厚度还薄)，和由晶体基片或石英基片制成的基片支撑(其厚度小于传感器装置主体，并且其上粘结了传感器装置主体)。
在本发明的传感器装置内可以用具有大机械耦合系数的Langasite(镧镓硅系)晶体取代晶体基片。
图1a和1b分别表示本发明第1实施例的传感器装置的俯视图和侧视图。
图2是表示对谐振频率f0(该f0与从电极一端到相邻电极一端的距离L对晶体厚度t之比L/t有关)可得到足够机械振动衰减的距离所列出的表。
图3是本发明第3实施例的传感器装置的侧视图。
图4是在设置分离沟情况下测量的频率偏离特性图。
图5是本发明第4实施例的传感器装置的侧视图。
图6是用于电极间相互干涉实验的传感器装置的俯视图。
图7是在电极间相互干涉实验中使用的银沉淀的装置。
图8是表示在电极间相互干涉实验中每一通道的频率变化ΔF的特性图。
图9是表示在电极间相互干涉实验中的每一通道的串联谐振电阻的特性图。
图10是表示在电极间相互干涉实验中水滴放置在每一通道上时对频率和串联谐振电阻变化所列出的表。
图11是本发明第5实施例的传感器装置的侧视图。
图12是有关AT切割的晶体振子的谐振频率的式(1)和式(2)。
图13是表示借助晶体所产生的频率变化的数字式(3)。
图14是表示晶体振子在液体中使用情况下频率变化的数字式。
图15是表示整体灵敏度的数字式。
图16是表示传感器装置的灵敏度与频率关系的特性图。
图17是QCM传感器的装置构成例。
(第1实施例)
图1a和1b分别示出本发明第1实施例的多通道QCM传感器装置结构的俯视图和侧视图。
晶体基片由呈四方形具有均匀厚度的AT切割晶体构成。晶体基片10的前面和背面通过溅射法分别形成圆形电极11A，12A，13A，14A和11B，12B，13B，14B(每一电极由金或铂构成)，各电极11A-14A，11B-14B分别用引线15A-18A，15B-18B引出到围绕晶体基片的相应的接线端。
另外，晶体基片10的厚度按照主谐振频率f0(5MHz到10MHz)由式(1)和式(2)决定。此外，每一电极的面积作为决定前式(3)-(5)灵敏度的因素被决定。
为了用这种构造传感器装置构成QCM传感器，采用与前述图17同一方式，前面或背面之一浸没在试料内。浸没在该试料内的一侧电极11A-14A的前面或背面之一上形成与从试料要检测和定量分析的成份相应的各不相同的接收器。例如，把用来检测和定量分析麻疹病毒的“抗麻疹病毒抗体”固定在电极11A上，把用来检测和定量分析流感抗体的流感抗原固定在对置的电极11B上。
此外，各电极11A-14A，11B-14B的引出端连接到个别的振荡电路或阻抗测量电路上，或者以时分模式换接到一个振荡电路或阻抗测量电路，因此当电极浸没在试料内时振荡频率或阻抗的变化要逐个测量。
在上述安排的传感器装置以及使用该传感器装置的QCM传感器中，各电极11A-14A浸没在同一试料内，然而，可以用一个样品一次检测和定量分析各电极的不同的成分。在图1a和图1b所示构成的情况下，可以检测和定量分析一个样品的四种成分。
而且因为不需要传统的多通道型QCM传感器的探头移动操作，所以能够实现不改变测量条件的稳定测量。此外，装置结构就归结成仅仅连接传感器装置和测量装置的简单结构。
(第2实施例)
因为如图1a和1b所示的多通道结构的传感器结构内可以充分设想会在相邻的电极之间引起振动能的耦合，因此每个电极之间必须充分隔离。有关由晶体振子上形成的电极产生的能量约束条件，William Shokley等曾进行过详细的分析。
在第2实施例，电极膜厚取足够厚，以便不会产生相邻电极之间相互干涉，使主振荡充分约束在电极上，相邻电极之间的距离限制为大于图2所列表的数值。
另外，在图2的表上L/t的比值是从电极一端到相邻电极一端的距离L对晶体的厚度t的比值，并且规定该距离为可获得足够机械振动衰减的距离。在第2实施例，在圆形电极情况下上述L/t比等于或大于20。
在这个条件下使用传感器装置的QCM传感器，可以实现在相邻电极间无相互干涉的高精度测量，而且可以使传感器装置整体尺寸降低到最小。
(第3实施例)
如上所示，为了消除第1实施例所示多通道QCM传感器装置情况下的相互干涉，在各电极之间必须提供足够的极间距离。因此使传感器装置整体尺寸变大，此外，尽管距离降低到最小，尺寸的限制仍然处于第2实施例所述的范围内。
图3示出本发明第3实施例传感器的侧视图。
在第3实施例，在电极之间设置了约束振动能的各分离沟20。因此可以降低各通道之间机械振动的的漏泄。
通过设置各分离沟20可实现被测频率的稳定。图4示出对于没有分离沟和带有分离沟20的传感器装置，反复测量被测频率的偏差。可以看到具有分离沟的传感器装置的偏差降低。
因此，由于每一分离沟20起着强制地使机构振动衰减的作用，所以与第1和第2实施例的传感器装置相比可以缩短电极间距离，可以实现传感器尺寸的小型化。
此外，QCM传感器在溶液系统内应用的情况下，对晶体基片用图17所示的O型环实施防水处理。存在晶体基片变形的可能性，使得由于O型环对无分离沟的晶体基片的压力引起振荡频率(向着更高频率)偏移。然而在第3实施例指出每一分离沟能够有效地对如上所示这种现象起作用，使得不产生频率偏移。
必须注意：虽然本实施例可以用于第1实施例的多通道结构，然而通过第3实施例结构与第2实施例中所述条件的组合能够确保减小相互干涉。
(第4实施例)
在上述第1实施例和第3实施例，传感器具有约5MHz的主谐振频率。
原因是在第3实施例所示情况下实施了屏蔽使试料环境气体与测量电路部分隔离。在这种情况下要求基片厚度至少为0.25mm，以减小晶体基片的裂纹和变形(畸变)。
另一方面，如发明背景中所述，为了获得高灵敏度传感器必须使用具有较小厚度的高频振荡器。
在第4实施例，作为适合于多通道工作的传感器，晶体基片10的周边部分做得厚些以确保机械强度，而形成电极21A，21B，21C，21D的振子部分做得薄些，以便能适合高频应用，整体结构如图5所示。
例如，把主谐振频率5MHz的1平方英寸的形成各电极膜的基片部分腐蚀到这样一种厚度，即，使其主谐振频率等于或大于10MHz。这时的极间距离更加缩短，以便使传感器装置微型化，因为电极部分的厚度做得薄，所以能够更进一步降低电极间的相互干涉，且电极间距进一步缩短，可实现小型化。
作为振子部分频率范围从10到150MHz的样机，制作了第4实施例的QCM传感器装置。电极间距离缩短到等于第2实施例所示值或者小于第2实施例所示值。例如即使设定从电极端到相邻电极端的距离L对晶体基片厚度t之比L/t等于或小于16，也不会从10MHz振荡频率的传感器装置观测到频率的相互干涉。
为了检验本实施例的传感器装置能够用于测量频率变化以及在通道之间无相互干涉的串联谐振电阻，进行了实验。
本实验用的传感器装置由4个通道CH1-CH4形成，如图6所示。该传感器装置具有用2片金电极夹入晶体基片的结构。基片尺寸为20mm见方并且厚度为267μm。在相应的正面或背面围绕每一金电极的部分借助蚀刻，以便刻出直径8.0mm和深度50μ的刻痕。各电极部分的厚度为167μm，具有主谐振频率10MHz。
对每一金电极，首先把铬放置在晶体基片上，以便把晶体基片粘接到金上，并蒸发厚度1000埃、直径4.5mm的金。每根金引线的宽度为0.5mm。
如图7所示，该传感器装置安置在容器A的底部，并浸没作为容器的支持盐的含0.2摩尔的高氯酸(HClO4)的1×10-3摩尔硝酸银(AgNO3)的水溶液中。这种类型的传感器装置构成多通道晶体振子电解池，它的工作电极包含铂镍对置电极和银线参考电极。
用该电解池，在传感器的各个电极上分别进行1μA恒定电流电解。沉淀出银，测量在各电极上沉淀出银时通道CH1的频率变化ΔF(Hz)和串联谐振电阻R(Ω)。频率变化如图8所示，当银在通道CH1上沉淀时其频率变化大，而银在每个其它通道CH2到CH4的沉淀时频率变化极小。
图9示出了串联谐振电阻的变化。在这种情况下，当银沉淀在通道CH1上时，电阻R1的变化大。然而在银沉淀在其它通道CH2到CH4时电阻变化极小。
从这些事实出发，可以看到4通道传感器装置的各通道彼此独立，对各通道可分别进行检测和定量分析而不会引起相互干涉。
作为检验可消除通道间相互干涉的其它实验，在70μl(微升)的水滴单独处在图6所示4通道传感器装置的每一通道上时测量通道CH1上的频率变化ΔF和串联谐振电阻R1，可以得到在图10的表所示的结果。
正如从该表所看到的那样，当水滴只处在通道CH1上时，频率变化和谐振电阻变化是明显的。与此相反，当水滴处在其它通常CH2-CH4之一时，通道CH1的频率变化为1％或小于1％，所以频率和电阻几乎不发生变化。
该结果表明每一通道各自独立，可进行检测和定量分析而不发生相互干涉。
必须注意：虽然第4实施例的传感器装置可适用于第1实施例的多通道结构，但可以作成与第3实施例的每个分离沟组合的构造。
(第5实施例)
在第4实施例的QCM传感器装置内为了高频应用的目的，常常通过对约6MHz的晶体基片进行腐蚀加工、减薄。然而如果频率变成大于50MHz，则因为腐蚀量也达到244μm，所以腐蚀时间变得非常长，同时，预期在各通道之间和各传感器之间会因腐蚀的偏差产生频率误差。
在本实施例，如图11所示，对具有80μm量级厚度的高频用薄晶体基片30A进行腐蚀，在通过少量腐蚀，蚀刻到预定厚度的部分上形成电极30B。传感器装置主体粘接到具有250μm的晶体基片31(或石英基片)上，以便作为基片支托构成晶体基片31。
必须注意，为了使在电极部分和其周边部分尽可能少地产生应力，把传感器装置主体30粘接到晶体基片上的粘接剂最好用具有低弹性率的柔性材料。
在第5实施例，只对较薄的晶体基片进行腐蚀，以制造高频用传感器装置，可以缩短腐蚀时间并消除腐蚀量的偏差。
必须注意，第5实施例可以用于第4实施例，并且传感器主体的结构可以具有第3实施例的分离沟。
在每一优选实施例中，每一电极用的材料是由金制成。然而为了提高晶体基片和金电极的粘着强度可以用金铬电极作电极材料，该金铬电极是在晶体基片和金电极之间具有50-500埃厚铬层。此外，可以用钛或镍来取代铬。
此外，在每一实施例中，电极数为4，通道数也为4。但是现在的直径100mm人工晶体是通过在特殊钢制的细长形的高压锅内用高压、高温的环境下的水热合成法育成种晶后长成的。因此，各实施例的QCM传感器装置可采用具有例如直径10mm的大尺寸晶体基片，所以不论电极多少都能够配置。
此外，电极形状用椭圆形，四方形等，也可获得相同的工作效果。此外，在晶体基片的前面和背面对置形成的电极中，未暴露于试料的一侧的电极作为公共电极，也可以取集中于一个的构造。而电极前面和背面的电极面积不必作成相同的。作为基片，不限于石英基片，可用机械耦合系数大的Langasite(镧镓硅系)晶体。
如上所述，本发明的QCM传感器适于用作稳定测量和高频测量的传感器，通过把传感器装置浸没在试料气体或溶液里，用来检测和定量分析样品的成分，并且用来实现用一个样品一次检测和定量分析成分的多通道传感器装置。
Claims (6)
1、一种QCM传感器，其中包含在其晶体基片的前面和背面上相对地配置有一对电极的传感器装置，该QCM传感器根据在该传感器装置的电极表面浸没在试料气体或试料溶液中时，主谐振频率的变化或阻抗的变化来检测和定量分析试料的成分，其特征在于：前述传感器装置作成多通道构造，其中分别成对地设置在晶体基片的前面和背面上的电极对被设置为使彼此相邻，并且前述各电极设置为可以固定因符检测和定量分析的各试料成分不同而不同的接收器。
2、根据上述权利要求1所述的QCM传感器，其特征在于：前述传感器装置的各电极为圆形时，晶体基片厚度t与同一面上的相邻电极间距L之比L/t≥20。
3、根据上述权利要求1或2所述的QCM传感器，其特征在于：前述传感器装置的晶体基片设置有分离沟，用于减少前述相邻电极间振动能的耦合。
4、根据上述权利要求1或3所述的QCM传感器，其特征为：前述电极的形成部分比其周边部分还薄。
5、根据上述权利要求3或4所述的QCM传感器，其特征在于包括：应用了高频用薄晶体基片、使前述电极形成部分比其周边部分的厚度还要薄的传感器装置主体，以及具有比传感器主体厚度更厚的、传感器主体粘结在其上的、由晶体基片或石英基片制成的基片托架。
6、根据上述权利要求1、2、3、4或5所述的QCM传感器，其特征在于：用机械耦合系数大的镧镓硅系晶体取代晶体基片。
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Cited By (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101163957B (zh) * | 2004-09-15 | 2011-07-13 | 新加坡科技研究局 | 表面等离子体共振和石英晶体微天平传感器 |
| CN102209890B (zh) * | 2008-11-07 | 2013-02-20 | 独立行政法人产业技术综合研究所 | 检测传感器、检测传感器的振子 |
| CN103471950A (zh) * | 2013-09-23 | 2013-12-25 | 东南大学 | 多通道石英晶体微天平检测装置 |
| CN103991837A (zh) * | 2014-03-07 | 2014-08-20 | 中山大学 | 一种基于压电基底薄片的微纳米有序通孔阵列金属薄膜传感器及其制造方法 |
| CN104422630A (zh) * | 2013-09-10 | 2015-03-18 | 河南圣玛斯光电科技有限公司 | 多通道石英晶体微天平阵列以及基于该阵列的测量系统 |
| CN104541148A (zh) * | 2012-08-10 | 2015-04-22 | 富士通株式会社 | Qcm传感器及其制造方法 |
| CN104535449A (zh) * | 2015-01-21 | 2015-04-22 | 山东师范大学 | 监测强腐蚀性气体的非接触电极压电传感器装置与方法 |
| CN104729945A (zh) * | 2013-12-23 | 2015-06-24 | 河南天钧实业有限公司 | 基于多通道石英晶体微天平阵列的测量系统 |
| CN108169051A (zh) * | 2017-12-29 | 2018-06-15 | 东南大学 | 多参数在线检测的石英晶体微天平系统 |
| CN108627413A (zh) * | 2017-03-17 | 2018-10-09 | 太阳诱电株式会社 | 检测元件和检测装置 |
Families Citing this family (29)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3933340B2 (ja) * | 1999-03-30 | 2007-06-20 | 昇 小山 | マルチチャンネルｑｃｍセンサデバイス |
| US7055377B2 (en) * | 2000-08-08 | 2006-06-06 | Akubio Limited | Quartz crystal sensor cell |
| US6835552B2 (en) * | 2000-12-14 | 2004-12-28 | The Regents Of The University Of California | Impedance measurements for detecting pathogens attached to antibodies |
| US20030022361A1 (en) * | 2001-02-22 | 2003-01-30 | Kenneth Houston | Smart culture vessel |
| WO2002099765A1 (en) * | 2001-06-01 | 2002-12-12 | Joergensen Poul Richter | Resonance circuit |
| CA2357522A1 (en) * | 2001-09-20 | 2003-03-20 | Michael Thompson | Enhancement of acoustic wave sensor response by electrode modification |
| US7052622B2 (en) * | 2001-10-17 | 2006-05-30 | Applied Materials, Inc. | Method for measuring etch rates during a release process |
| AT414274B (de) * | 2002-11-07 | 2006-10-15 | Avl List Gmbh | Verfahren zur bestimmung physikalischer oder chemischer parameter einer dünnen materialschicht |
| JP4213061B2 (ja) * | 2003-03-28 | 2009-01-21 | シチズンホールディングス株式会社 | Ｑｃｍセンサーおよびｑｃｍセンサー装置 |
| JP4477364B2 (ja) * | 2004-01-13 | 2010-06-09 | 日本電波工業株式会社 | 水晶振動子 |
| US7993584B1 (en) | 2004-06-01 | 2011-08-09 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army | Caustic, corrosive or conductive liquid/gas sensor using lateral-field-excited resonator |
| US7335336B1 (en) | 2004-06-01 | 2008-02-26 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army | Sensor array using lateral field excited resonators |
| CN100458425C (zh) * | 2005-05-12 | 2009-02-04 | 复旦大学 | 特高频双晶振混频式气体传感单元 |
| JP4530361B2 (ja) * | 2005-06-29 | 2010-08-25 | 日本碍子株式会社 | 物質検出素子の製造方法 |
| JP2011252932A (ja) * | 2005-09-15 | 2011-12-15 | Nippon Dempa Kogyo Co Ltd | 水晶発振器及び感知装置 |
| JP4897408B2 (ja) * | 2005-09-15 | 2012-03-14 | 日本電波工業株式会社 | 水晶発振器 |
| JP4707104B2 (ja) * | 2005-10-31 | 2011-06-22 | 日本碍子株式会社 | 振動素子の製造方法 |
| US7715743B2 (en) * | 2007-02-16 | 2010-05-11 | Xerox Corporation | Charger with a probe and controller |
| JP2009229353A (ja) * | 2008-03-25 | 2009-10-08 | Seiko Epson Corp | 気体センサデバイス及び気体センサシステム |
| JP5066551B2 (ja) * | 2008-05-20 | 2012-11-07 | 日本電波工業株式会社 | 圧電センサ及び感知装置 |
| CN101435836B (zh) * | 2008-12-17 | 2011-01-26 | 重庆大学 | 采用文氏桥振荡电路测量液体电导率的频率检测器 |
| JP4792098B2 (ja) * | 2009-04-16 | 2011-10-12 | 日本電波工業株式会社 | 感知装置 |
| US8718956B2 (en) | 2010-09-29 | 2014-05-06 | Phillip 66 Company | High-pressure quartz crystal microbalance |
| JP6199128B2 (ja) * | 2012-12-17 | 2017-09-20 | セイコーインスツル株式会社 | Ｑｃｍセンサ |
| FR3048776B1 (fr) | 2016-03-09 | 2020-02-07 | Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives | Dispositif de detection d'au moins un compose chimique dans un fluide |
| CN107917955B (zh) * | 2017-12-07 | 2019-12-03 | 江苏大学 | 新型光辅助石英晶体微天平及其检测方法 |
| EP3547088B1 (en) * | 2017-12-27 | 2021-03-24 | Shenzhen Goodix Technology Co., Ltd. | Noise detection method and electronic device |
| EP3924296A4 (en) * | 2019-02-11 | 2022-10-19 | California Institute of Technology | HIGHLY MULTIPLEXED NEMS ARRAY READOUT SYSTEM BASED ON SUPERCONDUCTIVE CAVITY OPTOMECANICS |
| EP3978916A1 (en) * | 2020-09-30 | 2022-04-06 | Nokia Technologies Oy | Oscillator apparatus |
Family Cites Families (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5201215A (en) | 1991-10-17 | 1993-04-13 | The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy | Method for simultaneous measurement of mass loading and fluid property changes using a quartz crystal microbalance |
| JP3499277B2 (ja) * | 1993-12-27 | 2004-02-23 | 東京電波株式会社 | 匂い物質センサと匂い測定装置 |
| US5706840A (en) | 1995-03-03 | 1998-01-13 | Sandia Corporation | Precision cleaning apparatus and method |
| US5684276A (en) * | 1995-12-12 | 1997-11-04 | The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration | Micromechanical oscillating mass balance |
| US6033852A (en) * | 1996-09-27 | 2000-03-07 | University Of Maine | Monolithic piezoelectric sensor (MPS) for sensing chemical, biochemical and physical measurands |
-
1998
- 1998-11-02 CN CNB988023350A patent/CN1289900C/zh not_active Expired - Fee Related
- 1998-11-02 IL IL13088998A patent/IL130889A/xx not_active IP Right Cessation
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- 1998-11-02 AU AU96518/98A patent/AU737757B2/en not_active Ceased
- 1998-11-02 EP EP98950487A patent/EP1058109A4/en not_active Withdrawn
Cited By (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101163957B (zh) * | 2004-09-15 | 2011-07-13 | 新加坡科技研究局 | 表面等离子体共振和石英晶体微天平传感器 |
| CN102209890B (zh) * | 2008-11-07 | 2013-02-20 | 独立行政法人产业技术综合研究所 | 检测传感器、检测传感器的振子 |
| CN104541148A (zh) * | 2012-08-10 | 2015-04-22 | 富士通株式会社 | Qcm传感器及其制造方法 |
| CN104422630A (zh) * | 2013-09-10 | 2015-03-18 | 河南圣玛斯光电科技有限公司 | 多通道石英晶体微天平阵列以及基于该阵列的测量系统 |
| CN103471950A (zh) * | 2013-09-23 | 2013-12-25 | 东南大学 | 多通道石英晶体微天平检测装置 |
| CN104729945A (zh) * | 2013-12-23 | 2015-06-24 | 河南天钧实业有限公司 | 基于多通道石英晶体微天平阵列的测量系统 |
| CN103991837A (zh) * | 2014-03-07 | 2014-08-20 | 中山大学 | 一种基于压电基底薄片的微纳米有序通孔阵列金属薄膜传感器及其制造方法 |
| CN103991837B (zh) * | 2014-03-07 | 2016-10-12 | 中山大学 | 一种基于压电基底薄片的微纳米有序通孔阵列金属薄膜传感器的制造方法 |
| CN104535449A (zh) * | 2015-01-21 | 2015-04-22 | 山东师范大学 | 监测强腐蚀性气体的非接触电极压电传感器装置与方法 |
| CN104535449B (zh) * | 2015-01-21 | 2017-02-22 | 山东师范大学 | 监测强腐蚀性气体的非接触电极压电传感器装置与方法 |
| CN108627413A (zh) * | 2017-03-17 | 2018-10-09 | 太阳诱电株式会社 | 检测元件和检测装置 |
| CN108169051A (zh) * | 2017-12-29 | 2018-06-15 | 东南大学 | 多参数在线检测的石英晶体微天平系统 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| IL130889A0 (en) | 2001-01-28 |
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| CA2282703C (en) | 2002-10-29 |
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
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