CN1751234B - 压电谐振器 - Google Patents

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Abstract

一种用于检测或测量介质中分析物的传感器配置中的压电谐振器，包括具有第一晶体表面和第二晶体表面的石英晶体板。第一晶体表面提供有具有小于15mm2的表面积的第一电极，第二晶体表面提供有第二电极。第一电极可以具有矩形的表面形状。一种用于检测或测量介质中分析物的设备中的流通池，包括与谐振器一起形成检测室的壁，和用于引导流体经过检测室的入口和出口开口。所述谐振器的一部分构成检测室壁之一，并且被设置成使得第一电极位于检测室内部。

Description

压电谐振器
技术领域
本发明适于压电谐振器、包含压电谐振器的流通池以及包含压电谐振器的传感器配置。
背景技术
石英晶体微量天平(QCM)传感器配置利用石英晶体的压电效应。这样的系统中，如果交流电压的频率接近于石英晶体振荡模式的谐振频率时，被置于与交流电压连接的两个电极之间的石英晶体开始振荡。
典型的QCM传感器配置包括厚度剪切模式压电传感器单元、样品插入单元、频率计数器、信号显示装置、缓冲器以及废物容器。通过样品插入单元，可包含任何感兴趣的能与传感器电极相互作用的化学物质的样品被导入传感器单元。传感器单元包括压电谐振器、检测室、流入和流出检测室的通道以及振荡电路。样品引起与压电传感器表面的相互作用，这种相互作用反过来可以通过监测晶体板的振荡特性而被观察到，也就是通过测量压电谐振器频率的变化而被观察到，典型地谐振频率为5～50MHz。传感器单元采用的谐振器包括晶体板，晶体板在其表面上提供有用于电极的电接触区和其表面上的对置电极，对置电极可与信号源(例如交变电压源)以及测量设备进行连接。为了进行测量，压电晶体板的一边与待检测样品相接触。通过电极表面上附加质量的增加或电极上附加质量的减少(也就是与晶体一起振荡的质量的变化)，晶体对待检测物质或样品物理性质的变化产生响应。附加质量的这种变化引起谐振器的谐振频率和/或振幅的变化。
压电传感器可被用于分析液体样品的粘性，特别适合于研究化学和生物化学的反应。
压电谐振器采用的晶体板通常是小的振荡石英晶体板。Schweyer等在1997年IEEE国际频率控制会议(IEEE International FrequencyControl Symposium)上的“A Novel Monolithic Piezoelectric Sensor”中公开了一种可以用于测量目的的压电传感器。在QCM传感器配置中谐振器典型地被配置到检测室中，检测室中样品与谐振器的电极(检测电极)之一发生接触。EP 0 453 820 A2中公开了这种传感器配置。检测室通常被设计为流通池(参见例如US 6 196 059)，从而使得样品流程在检测室的一端具有入口并且在另一端具有出口，因此样品可被引导通过检测室，而且同时在样品通过检测室的过程中它与检测电极发生反应。对于具有提高的灵敏度的QCM传感器的需求不断增加。
本发明的目的是提供一种用于具有提高的灵敏度的传感器配置的谐振器和流通池。
发明内容
通过权利要求中描述的厚度剪切模式谐振器实现本发明的目的。
因此本发明涉及一种用于检测或测量介质中分析物的传感器配置中的厚度剪切模式压电谐振器。该谐振器包含具有第一晶体表面和第二晶体表面的石英晶体板，所述第一晶体表面提供有第一电极，所述第二晶体表面提供有第二电极，其特征在于第一电极具有小于15mm2的表面积。该谐振器具有提高的灵敏度。
在一个具体实施方式中，谐振器的第一电极具有小于10mm2的表面积。在另一个具体实施方式中，谐振器的第一电极具有至少0.05mm2，优选为1～5mm2的表面积。这些具体实施方式的谐振器具有甚至提高更多的灵敏度。第一电极的表面积有利地小于第一晶体表面积，第一电极优选为具有晶体面积0.1～90％的表面积。从检测电极边缘到晶体边缘的距离合适地为至少0.2mm，优选为1mm，更优选为2mm。
在一个优选的具体实施方式中，第一电极表面具有矩形的形状，矩形具有第一边和第二边。这种表面形状能够对被检测物质获得更多的立即响应。当被用于流通池中时，电极的矩形形状还致使能够获得提高的流通和传感器特性。矩形的第一边优选为至少是第二边的0.1～10倍。
优选地，谐振器的第一晶体表面提供有连接到第一电极的第一接触区。该接触区使得容易记录谐振器谐振频率的变化。这种情况下，使用矩形电极，第一接触区优选为连接到第一电极的第二边。因此该接触区将不会扰乱流体经过电极的流动。
在一个具体实施方式中，石英晶体的第一和第二表面是平面。平表面的晶体容易制造，因此制造成本低。
在另一个具体实施方式中，石英晶体是反台面形状，也就是晶体具有至少位于第一边上的第一凹槽，该凹槽内提供有第一电极。与其它晶体相比，反台面形状提高了振荡性能，因此提高了QCM传感器配置的灵敏度。第一凹槽具有壁和底表面。底表面的面积大于第一电极，而且第一电极被设置在凹槽内使得没有被电极掩盖的底表面部分在各边上围绕着电极。电极和凹槽壁之间的这种距离确保对晶体振荡的衰减得以避免，从而确保灵敏度得到提高。从电极边缘到凹槽壁的最短距离预选为至少0.01mm。
本发明还涉及一种用于检测或测量介质中分析物的设备中的流通池，包括与上述谐振器一起形成检测室的壁和用于引导流体通过检测室的入口和出口开口，其特征在于谐振器的一部分构成检测室壁之一，而且被设置成第一电极位于检测室的内部。这种流通池增强了流体样品通过检测室的流动特性。与流动方向垂直的检测室的截面积有利地小于入口和出口开口截面积的2.5倍，最优选地与入口和出口开口截面积相同。检测室优选为具有小于2μl的体积。
在优选的具体实施方式中，流通池包括流通池元件，流通池元件包括具有底表面和壁的向外开口的凹槽，从而所述底和壁构成检测室的壁，而不通过谐振器提供壁，而且其中的谐振器为可替换的部件，该谐振器通过压力固定在流通池元件上，从而覆盖所述凹槽并形成流通池。这种流通池仅仅包括少量部件，易于组装；而且谐振器易于分离，使得使用新的谐振器替换用过的变得容易，因此这是有利的。流通池元件优选为包括接触表面，谐振器被固定在接触表面上，该接触表面与所述凹槽的底部面平行并围绕所述凹槽，并且其中该凹槽具有对应于第一电极的几何形状。该接触表面确保流通池元件与晶体表面之间的流体紧密接触，而且凹槽的几何形状还提高了检测室内的流通特性。在另一个具体实施方式中，流通池包括流通池元件，流通池元件包括具有底表面和壁的向外开口的凹槽，从而所述底和壁构成检测室的壁，而不通过谐振器提供壁，而且其中谐振器由粘合剂附加到流通池元件上，从而覆盖凹槽并形成流通池。这种流通池非常容易操控，因为整个流通池是预先组装好的可替换的部件，在插入QCM传感器配置中不需要任何技术。在上述两个具体实施方式中，从电极边缘到凹槽壁的最短距离优选为至少0.01mm，从而保证了流通池元件不会扰乱谐振器的振荡。
本发明还涉及一种用于检测或测量介质中分析物的传感器配置，其特征在于包括上述的流通池。该配置具有提高的灵敏度。
附图说明
图1所示为典型压电QCM传感器配置的结构图。
图2所示为沿图3a的线II-II本发明的压电谐振器的横截面视图。
图3a所示为本发明的具体实施方式的压电谐振器的从检测电极一边，也就是与样品相接触的一边看的斜视图。
图3b所示为图3a中的谐振器从对置电极一边看的斜视图。
图4所示为本发明的另一个具体实施方式的压电谐振器的从检测电极一边看的斜视图。
图5所示为本发明的仍然另一个具体实施方式的压电谐振器的横截面斜视图。
图6所示为设置了本发明的压电谐振器的流通池的横截面视图。
图7所示为包含流通池元件和本发明的压电谐振器的流通池的横截面斜视分解图。
图8所示为改进电极和标准电极的对比曲线图。
图9所示为对图8的曲线图下部的放大。
具体实施方式
本发明基于令人惊奇的发现：较小的检测电极面积导致压电谐振器灵敏度大大增加。本发明的压电谐振器打算用于如图1示意图中所示的QCM系统的传感器配置，用于检测流体或其它流动介质中的化学物质和/或化学反应。这样的QCM传感器系统包括用于控制和数据显示的计算机(PC)1、频率计数器2、样品插入单元3、传感器配置4、缓冲溶液容器5和废物容器6。使用中，从缓冲溶液容器5导入液体或气体底流，通过传感器配置并跨过谐振器，该谐振器设置在传感器配置4的检测室内并使之在其谐振频率上振荡，例如通过交变电压源。样品可以是液体或气体，被注入到传感器配置4中，并借助于底流被强制向前到检测室。因此样品进入检测室作为样品塞(sampleplug)。当样品通过压电谐振器时，样品中的分析物与谐振器上提供的电极相互作用，因此导致谐振器的谐振频率改变。通过频率计数器2记录频率的改变。然后样品被引导到废物容器中。
用于QCM传感器配置中的典型的谐振器包括圆形石英晶体，在其两边提供有电极。这种谐振器具有石英晶体在中间的三明治结构。石英晶体的厚度由要求的谐振频率决定，反之亦然。在晶体的两边可以是例如钛、铬、镍、铝或它们的合金的粘合层。在可选的粘合层的顶部设置电极。该电极为导电材料，实际的材料选择依赖于应用，但通常为金、银、钛、铬、镍、铝、铂、钯或金属合金。在晶体的每个边上的电极材料可以不同。传统上电极一直是圆形的，其直径小于使用晶体的直径。
被检测物质常常被结合到电极的表面。在一些应用中暴露于样品的电极被提供有特殊的表面覆层，然后被检测物质与覆层相互作用。这样的表面覆层具有特殊的结合位置，被检测的物质结合到该结合位置上。在一些情况中待检测物质可能与表面覆层发生替代作用，使得从表面覆层去除材料。在一些应用中，待检测物质并不化学地结合到电极上，但仍与电极(具有或没有覆层)发生作用，结果使得谐振器的振荡特性发生变化。不管待检测物质如何与电极发生作用，检测或测量操作导致电极的附加质量发生变化(也就是与晶体一起振荡的质量改变)。附加质量的这种变化导致振荡特性发生变化，例如谐振器的振荡频率和/或振荡幅度。本说明书中下文的“结合”这个词应该进行如下解释，使其还包含待检测物质与电极的反应，这里物质并不化学地结合到电极上，而是与电极发生反应，结果使得谐振器的振荡特性发生变化。
谐振器中使用的晶体通常是AT切割的，并具有大约8～25mm直径的圆形或正方形(quadratic shape)。AT切割晶体以剪切运动进行振荡。这在液体和气体应用中是有利的，因为它最小化到周围介质中的能量损失。其它晶体类型如厚度扩展振动模式或纵向模式晶体较不适合于在检测/测量操作，因为能量损失太大。AT切割晶体上的电极在两边常常是金的，但是如上所述，也可以使用其它材料。与石英晶体板相比，电极非常薄。该技术中已知的电极典型地具有20～400mm2的面积。
作为检测/测量操作过程中电极的附加质量变化的结果，晶体板的谐振频率将或者降低或者增加，因此可以测量谐振频率的变化用以检测电极附加质量的变化。在一些应用(例如真空中气体分析)中，QCM传感器配置的质量分辨率可以低至1pg/cm2，相当于小于氢单层的1％。
石英晶体的谐振频率是多个参数的函数，除附加质量的变化之外，还包括例如温度、压力、晶体的切割角度、机械压力以及晶体的厚度。谐振频率与晶体厚度的平方根成反比，并可以通过Saurbrey公式Δf＝-2f2·Δm/ρv·A获得，其中f为谐振频率，ρ是石英的密度，v是石英中的剪切波速，A是电极面积，Δm是样品的质量。在液体应用中使用的典型谐振频率处于1MHz到50MHz的范围内。
在液体应用中使小的晶体板振荡在技术上是困难的。为了在传感器配置中可以应用，谐振器必须能够经受住夹持装置施加的压力，通过夹持装置谐振器被固定在传感器配置的检测室内。还必须经受住由被引导通过检测室的液体样品施加的负载。谐振器还必须具有当夹持在检测室内也能振荡的振荡特性，而且晶体板必须具有允许夹持的尺寸和形状。
已经发现用于QCM传感器应用的传统谐振器的灵敏度不足的一个原因与检测电极(也就是与样品接触的电极)的尺寸有关。例如在神经系统科学和健康诊断中需要高灵敏度。
影响被选电极尺寸选择的一个参数就是电极表面上活性点的需要数量。所述活性点的数量是指表面上分析物能够结合的可能位置的数量。在研究蛋白质在未涂覆金属表面上的吸附的情况中，活性点的数量仅仅由金属表面的面积和蛋白质的尺寸控制。对于研究涂覆金属表面上抗原-抗体相互作用，活性点的数量依赖于能够在表面上被固定的抗原的数量。传感器表面上可能的活性点数量反过来决定传感器配置的灵敏度范围。
谐振器的Q值也是必需考虑的重要参数。在较早披露的谐振器中，高的Q值被认为是高的理想性能。Q值是一种与由于振荡损失的能量相关的存储在系统中的能量数量的量度。这意味着使用具有高Q值的振荡器，将需对晶体供给少量能量以确保晶体振荡，因此晶体更容易振荡。而且，测量频率时，具有高Q值的晶体将提供高的信噪比。高Q值可以通过大的电极面积得以实现，这是为何以前技术的谐振器提供有相对大的电极面积。当电极面积变得更小，Q值减小，直到晶体不再振荡。对电极面积大小的选择也必须仔细考虑Q值。
晶体附加到流通系统内也对晶体的负载产生影响，因为附加可能导致晶体上的衰减。晶体负载还依赖于涂覆在电极上的介质(例如抗体、分子拓印聚合物)的种类(如果有)和样品和底流的流体种类(空气、水、油等)。晶体上负载增加，这种增加可以由于表面涂覆、夹持或者流体的粘滞性，使得操作时晶体的Q值更低，从而可能需要更大的电极面积以维持振荡。
谐振频率变化的大小依赖于附加质量的变化大小。目前发现较小的电极面积导致较高的灵敏度，由于谐振频率的变化依赖于电极质量的变化，电极质量变化是由于电极与待检测/测量物质之间的相互作用引起的。如果电极面积较小，附加质量在绝对测量值上发生一定的变化构成较大的对于整个附加质量的相对变化，因此对于较小的电极面积，电极重量的相对变化将较大。反过来这将导致谐振频率的更大的变化。然而，必须考虑需要的活性点数量、Q值以及晶体的负载对电极的面积进行选择。已发现为了在用于检测或测量液体或气体介质中分析物的检测应用中获得令人满意的灵敏度，检测电极应该具有位于0.05到15mm2之间的表面积，优选为1～5mm2。
本发明的压电谐振器，在图2中示出，包括具有第一晶体表面8和第二晶体表面9的石英晶体板7。第一晶体表面提供有第一电极10，检测电极，该电极具有小于15mm2优选为小于10mm2的表面积。第二晶体表面9提供有第二电极11，对置电极。检测电极10应该优选具有至少0.05mm2的表面积，而且应该最优选地为1和5mm2之间。如图2所示，检测电极具有比晶体表面积更小的表面积。围绕检测电极的周围区域被打算用于附加到流通池或用于将晶体固定在测量池中的任何其它夹持装置，因为操作中检测电极必须不被任何夹持方式扰乱。检测电极的表面积应该覆盖晶体表面积的0.1～90％。从检测电极边缘到晶体边缘的距离应该为至少0.2mm，优选为1mm，更优选为2mm。
第二晶体表面上的对置电极11应该优选为完全覆盖至少位于第一晶体表面8上的检测电极表面。然而，对置电极应该优选为比检测电极大，以保证全部检测电极是活性的。对于制造这也是有利的，因为它使电极可以彼此稍有移动，因此制造不需要非常精确。
已经发现影响QCM传感器配置的灵敏度的另一个参数是流体样品在流通池内的流动特性。当样品通过检测电极时在检测室发生的样品流体内的流动扰动可能导致灵敏度的降低。在具有流经池的QCM传感器配置中，样品通常从谐振器晶体的一个侧面或者从上面供给到检测室。在样品从侧面进入室中的情况下，样品在谐振器晶体的相反侧面离开，因此在电极表面上方平行流动。在样品从上面(垂直地或以一个角度)进入的情况下，样品可以平行于电极表面或以一个角度向上离开室。
在迄今为止已知的流经池QCM传感器中，与供给样品到检测室的样品流通通道的宽度相比，检测室的宽度非常大。因此当样品流被引导通过检测室时，样品在电极表面上扩展，结果导致不明确的流动特征。流动条件的变化可以包括降低的流动速率、增加的扰动、压力变化和混合。这些情况导致样品塞的分散和稀释，这反过来导致更少的明显频率变化。在许多应用中，例如检测应用和动力学测量中，在QCM传感器配置的检测室内具有低的样品分散是非常重要的。大检测室的另一个缺点是可能在电极表面上方发生压力变化，结果使得频率信号中的噪声水平增加。
因此本发明的一个优选的具体实施方式的进一步的目标是发现一种谐振器，这种谐振器在用于流通池时提供改善的流动特性。该优选的具体实施方式涉及具有电极的谐振器，所述电极的几何形状被调整到适合于QCM传感器配置的流动通道。然后电极被成形为对着样品入口的电极的边缘等于或者稍小于样品入口的宽度。这对于所有尺寸的电极都是有利的。在使用圆形电极的情况中(如图3a和3b所示)，电极的直径应该稍小于样品入口的直径。具有允许流通池的横截面积接近于入口和出口横截面积的尺寸的谐振器，大大地提高传感器配置的流动特性。反过来，这将减少分散并提高传感器配置的灵敏度。
图3a和3b所示为图2中所示的压电谐振器的斜视图。图3a中谐振器是从检测一侧看的，也就是打算与样品相接触的一侧。图3b中谐振器是从对置电极一侧看的。谐振器的晶体板7上提供有小的圆形电极10，也就是第一侧8上的检测电极。谐振器提供有位于第二侧9上的对置电极11，如图3b所示。电极10、11两个都优选具有用于连接QCM传感器配置中电接触的接触区12、13。
然而，检测电极表面的一种甚至更优选的几何形状为矩形或方形。图4所示为具有晶体板107的谐振器，晶体板107上在第一侧108(检测侧)上提供有矩形电极110。当图4中所示的这样一个谐振器被安装在流通池时，电极110将具有朝流通池的样品入口和引入的样品塞取向的直边14。被注入并通过底流进行传输的样品的样品塞的流动图案不可避免成为抛物线形状，因为靠近流动通道壁的流动速率总是小于通道中间的速率。与流动方向垂直的直的电极边缘14将导致更即时的传感器响应，还导致更明显的频率变化，因为电极的整个宽度立即并同时与样品塞相接触。此外，样品的全部平行流动部分将与传感器电极相互作用相同的时间，因为在通过检测室的路线中每个平行的流动部分将通过相同的电极长度。当对于电极使用矩形形状时(如图4所示)，矩形被定义为具有第一边15和与所述第一边15垂直的第二边16。矩形本身具有两对平行的边。为了简化说明，只对每一对的一边讨论，也就是第一边15和第二边16，它们属于不同对的边。这些第一和第二边可以是这样的对中的任何一个边。当谐振器被安装到流通池时，第一边15将朝样品入口取向，与流动方向相垂直，第二边16将沿平行于样品流动的方向延伸。第一边15和第二边16的比优选为一边的长度是另一边长度的0.1～10倍。因此第一边可以比第二边短(如图4中所示的实例)，从而样品按纵向通过电极，但是第一边15可以选择为比第二边16长，从而样品按横向通过电极。图4所示的实例中，第二边为第一边的4.3倍。无论电极尺寸大小，矩形或方形电极对于所有电极都是有利的。
如图3a、3b和4中所示，第一晶体表面8、108提供有连接到第一电极10、110(检测电极)的第一接触区12、112，第二晶体表面9提供有连接到第二电极11(对置电极)的第二接触区13。接触区可以容易地连接到QCM传感器配置中的电接触上，从而谐振频率的变化以及检测电极上的质量变化可以被记录。在图4所示的具体实施方式中，第一接触区12、112被连接到第一电极10的第二边16上，也就是与样品流的流动方向相平行的一边。因此接触区不会扰乱流通池内的样品流，因为它将被置于检测室的外面。
在一些具体实施方式中(如图2、3a、3b和4中)，用于谐振器的石英晶体7、107具有平的表面。由于形状简单，平的晶体比其它晶体更容易制造，并因此更便宜。
另一个具体实施方式中(图5中所示)，用于谐振器的石英晶体207为反台面形状，也就是晶体具有薄的中心区域17，该中心区域17被更厚的周围区域18围绕。因此反台面可以很好地经受住在流通池内的固定，并且同时具有优异的振荡特性，因为在薄的中心区域材料厚度小。电极210、211位于薄的中心区域17。反台面在两侧或一侧可以具有凹槽。凹槽具有平的底并且壁是倾斜的或直的。因此反台面的薄的中心区域17构成凹槽的平底。图5所示为在两侧具有凹槽19、20的反台面。第一电极210被提供到第一晶体表面208上的第一凹槽19中，第二电极211被提供到第二晶体表面209上的第二凹槽20中。两个凹槽都具有平底21、22和倾斜的壁23、24。反台面结构被用于获得具有更高谐振频率从而更高灵敏度的更薄的晶体。晶体的机械稳定性也通过反台面结构得以保证，因为晶体的周围区域18具有比薄的中心区域17更高的机械强度。
提供有检测电极210(第一电极)的第一凹槽19的平底21的表面积大于电极210的表面积。电极210被设置在凹槽19中，使得没有被电极掩盖的底表面部分围绕在电极的周围。因此在电极周围从电极边缘25到凹槽的壁23将存在距离。从电极边缘到凹槽壁的最短距离应该为至少0.01mm。这样的距离确保对晶体振荡的衰减得以避免。
本发明还涉及用于检测或测量介质中分析物的配置中的流通池。图6所示为这样的流通池的横截面视图。该流通池包括形成检测室26的壁、用于引导流体通过检测室并经过上述任一具体实施方式中的谐振器29的入口和出口开口27、28。谐振器29被设置在流通池中，构成检测室26的壁之一并被设置成使第一(检测)电极310位于检测室的内部。谐振器可以通过任何适当的方法接合到流通池中，例如紧固螺丝、挤压或粘合。流通池可以是传感器配置的整体结构部件，或者可以是可插入传感器配置的独立可分离部件。
与流通方向垂直的检测室的横截面积小于入口和出口开口27、28横截面积的2.5倍，从而流通池内的流动特性得以改善。最好优选为所述横截面积与入口和出口开口横截面积相同，使得样品流完全不受流经样品室的影响。特定的流通通道尺寸，也就是在圆形管的情况下入口和出口的直径优选为0.75mm或更小。这使得样品的分散更低，反过来引起更明显的频率变化。
流通池并不由谐振器29构成的壁30、31可以由不同部件组装而成。然而，在优选的具体实施方式中(图7中所示)，流通池包括流通池元件32，流通池元件32朝外开口的凹槽33。凹槽具有底表面34和壁35，从而所述底和壁构成检测室中没有通过谐振器29提供的壁。该具体实施方式中，谐振器是可替换部件，谐振器通过压力固定在流通池元件上，从而覆盖凹槽并因此形成流通池的一个壁。作为选择，可以通过粘合剂将谐振器粘合在流通元件上。这种情况下，整个流通池是可替换部件。流通池元件包括接触表面36，谐振器固定在该表面36上。接触表面36面平行于凹槽33的底部34并围绕着凹槽。为了改善凹槽的流动特性，凹槽具有与检测电极410的几何形状相对应的几何形状。从电极边缘425到凹槽壁35的最短距离优选为至少0.01mm，从而确保电极410的自由振荡。如果谐振器是反台面的，谐振器29可以优选设置在流通池中，从而使平的接触表面36紧靠谐振器的厚的周围区域18。在一些应用中，使接触表面36紧靠谐振器的底部21是合适的。
与反台面谐振器一起使用的流通池元件可以选择为具有与如上所述的流通池元件32相同的形状，但是没有凹槽。因此流通池将具有打算用于紧靠谐振器厚周围区域18上的平表面，并具有用于样品的入口和出口开口。平的流通池元件表面、谐振器平的底部21和壁24将构成检测室26。
本发明还涉及用于检测或测量介质中分析物的传感器配置，包括如上所述之一的流通池。这样使用的流通池包括本发明的谐振器。
本发明的谐振器可以用于QCM传感器配置中以分析液体样品的粘性，并特别适用于研究化学和生物化学相互作用。如果压电传感器被用于后者目的，则待暴露于样品的电极提供有特殊的表面覆层，该覆层将与样品相互作用。这种表面覆层的压电传感器可被用于例如表面科学、生物技术研究以及药品开发。其它的应用可以是作为用于检测危险气体或者物质的传感器，这些危险气体或者物质如环境污染物、生物化学战争制剂以及非法药品，例如麻醉物质或者性能提高的毒品(添加剂)。本技术的第三应用领域是健康诊断，所述传感器可通过分析人体血液或其它体内流体而被用于检查不同疾病患者。
实例
对具有1mm×4mm小矩形检测电极的压电圆形石英晶体(10MHZ AT切割)，应用1小滴(20μl)1mg/ml磷酸盐缓冲盐(PBS)的牛血清蛋白(BSA)溶液，并允许溶液在室温干燥。然后晶体被插入到由Attana AB，Stockholm，Sweden提供的Attana 100QCM系统中，该系统中具有与所述电极的形状相应的矩形(5mm×1.5mm)几何形状的流通室。电极和流通室的方向放置为电极的短边与流通方向垂直。
第一电极暴露于以100μl分钟流速连续流动的PBS溶液。通过由Scantec lab，Partille，Sweden提供的Vici色谱8向注入阀，将50μl去离子水样品塞插入到流体中。插入水样品之后对频率变化进行监测，数据用虚线显示在图8和图9中。
接下来，对具有4.5mm直径的圆形传感器电极的标准圆形晶体(10MHZ AT切割)应用1小滴(20μl)1mg/ml PBS的BSA溶液进行类似处理。然后将该晶体插入到Attana 100QCM系统中，该系统中具有与第一电极相应的圆形(5mm直径)几何形状的流通室。电极被暴露于以100μl分钟流速连续流动的PBS溶液和如上所述的50μl去离子水样品塞中。插入水样品之后对频率变化进行监测，数据用实线显示在图8和图9中。
可以观察到两个明显的表现差异：(1)传感器灵敏度的极大差异和(2)由于两种设计的流体学和分散现象的差异引起频率响应曲线形状的差异。
图8的曲线图显示标准电极的频率响应峰值出现在36Hz，而小电极的峰值出现在430Hz。因此小(4mm2)电极测量PBS溶液和去离子水之间差异的灵敏度比标准(15.9mm2)电极的灵敏度高得多，灵敏度提高超过10倍。
图8和9还显示矩形电极的峰与圆形电极的峰在形状上不同。这主要是由于不同电极几何形状而产生的。
在有样品塞流经通道和传感器室的理想传感器系统中，响应的形状应该是完全方形的，开始于在时间为0时的频率台阶上升，结束于30s之后频率台阶减小。这样的理想系统并不存在，因为在薄片状系统中流动将采取抛物线形状，与径向和轴向扩散一起不可避免地引起样品塞和持续运行的缓冲剂之间的界面混合。这种混合主要发生在样品塞的开始和结束阶段，导致使那些区域内样品浓度变稀薄。这种现象通常被称为分散。
对于矩形和圆形电极的两个曲线图的比较显示使用矩形电极的系统比使用圆形电极的系统更接近于理想系统。曲线图的详细分析显示因样品到检测表面引起的差别十分微不足道。然而，样品塞离开室时的行为差异却十分重要。到理想的样品塞应该已经离开室的时间，即30s，矩形系统显示大约最大频率1％偏移的信号。同样的时间，圆形系统的响应保持在最大频率39％的偏移，因此具有大幅度的滞后，这种滞后可以相当大地影响测量的质量。
这些分析系统中可能发生的其它现象是局部紊乱和不规则流动方式。不规则流动可能在流体暴露到特征流动尺寸(例如横截面积)迅速变化的区域产生，例如将在流体进入圆形流通室时发生。横截面积的变化将导致传感器室局部压力下降，可能导致局部微涡流和通常的不规则流动，这反过来将增加与上述理想条件的偏差。圆形系统的不规则响应形状说明这种现象发生在圆形系统中。对于采用矩形电极的传感器系统横截面积的变化大大地减小，因此来自该系统的响应不包含预料之外的不规则。

Claims (30)

1.一种用于传感器装置中的AT切割厚度剪切模式压电谐振器，该传感器用于检测或测量液体介质中的分析物，所述谐振器包括具有第一晶体表面(8，108，208)和第二晶体表面(9，209)的石英晶体板(7，107，207)，所述第一晶体表面提供有第一电极(10，110，210)，所述第二晶体表面提供有第二电极(11，211)，其特征在于该第一电极具有小于15mm2的表面积。
2.权利要求1的谐振器，其中所述谐振器在使用时以剪切运动进行振荡，从而最小化到周围介质中的能量损失。
3.权利要求1的谐振器，其中所述第一电极的表面积小于10mm2。
4.权利要求1的谐振器，其中所述第一电极的表面积至少为0.05mm2。
5.权利要求4的谐振器，其中所述第一电极的表面积为1～5mm2。
6.权利要求1的谐振器，其中所述第一电极的表面积小于所述第一晶体表面的表面积。
7.权利要求6的谐振器，其中所述第一电极的表面积是所述第一晶体表面的表面积的0.1-90％。
8.权利要求1-7中任一项所述的谐振器，其中从检测电极边缘到晶体边缘的距离至少为0.2mm。
9.权利要求8的谐振器，其中从检测电极边缘到晶体边缘的距离为1mm或2mm。
10.权利要求1的谐振器，其中所述第一电极(110)具有矩形的表面，该矩形具有第一边(15)和第二边(16)。
11.权利要求10的谐振器，其中所述第一边是所述第二边的0.1-10倍。
12.权利要求1的谐振器，其中所述第一晶体表面(8，108，208)提供有与所述第一电极(10，110，210)连接的第一接触区域(12，112，212)，所述第二晶体表面(9，209)提供有与所述第二电极(11，211，311)连接的第二接触区域(13)。
13.权利要求10的谐振器，其中所述第一晶体表面(8，108，208)提供有与所述第一电极(10，110，210)连接的第一接触区域(12，112，212)，所述第二晶体表面(9，209)提供有与所述第二电极(11，211，311)连接的第二接触区域(13)。
14.权利要求13的谐振器，其中所述第一接触区域(12，112，212)与所述第一电极的第二边(16)连接。
15.权利要求1的谐振器，其中所述石英晶体板(7，107)的第一和第二表面(8，108；9)是平整的。
16.权利要求1的谐振器，其中所述石英晶体板(207)为反台面形状，并且具有在其中提供第一电极(210)的薄中心区域。
17.权利要求10的谐振器，其中所述石英晶体板(207)为反台面形状，并且具有在其中提供第一电极(210)的薄中心区域。
18.权利要求17的谐振器，其中所述石英晶体板(207)的第一边具有至少一个在其中提供第一电极(210)的第一凹槽(19)，所述第一凹槽(19)具有第一壁(24)和底表面(21)，该底表面的面积大于第一电极(210)，并且，其中所述第一电极被设置在凹槽中，使得电极边缘(25)和所述第一壁(24)之间有一个距离。
19.权利要求18的谐振器，其中从所述电极边缘(25)到所述第一壁(24)的最短距离为至少0.01mm。
20.一种用于检测或测量介质中的分析物的设备中的流通池，包括形成检测室(26)的壁以及权利要求1-19中任一项所述的谐振器(29)，和用于引导流体经过检测室的入口和出口开口(27，28)，其特征在于所述谐振器(29)的一部分构成检测室壁之一，并且被设置成使得第一电极(310，410)位于检测室内部。
21.权利要求20的流通池，其中所述检测室在垂直于流动方向上的截面积小于所述入口和出口开口截面积的2.5倍。
22.权利要求21的流通池，其中所述检测室在垂直于流动方向上的截面积与入口和出口开口的截面积相同。
23.权利要求20的流通池，其中所述检测室具有小于2μl的体积。
24.权利要求20的流通池，其中所述流通池包括流通池元件(32)，该流通池元件包括具有底表面(34)和第二壁(35)的、向外的开口凹槽(33)，从而所述底表面和壁构成检测室壁，并且，其中所述谐振器是可替换的部件，该谐振器由压力固定在流通池元件上，从而覆盖所述凹槽并形成流通池。
25.权利要求20的流通池，其中流通池包括流通池元件(32)，该流通池元件包括具有底表面(34)和第二壁(35)的、向外的开口凹槽(33)，从而所述底表面和壁构成检测室壁，并且，其中所述谐振器由粘合剂附加到流通池元件上，从而覆盖所述凹槽并形成流通池。
26.权利要求24或25的流通池，其中所述流通池元件包括接触表面(36)，所述谐振器被固定在其上，该接触表面位于与所述凹槽(33)的底表面(34)平行的平面并围绕所述凹槽，并且其中所述凹槽具有对应于所述第一电极(410)的几何形状。
27.权利要求24的流通池，其中从电极边缘到所述第二壁(35)的最短距离为至少0.01mm。
28.一种用于检测或测量介质中的分析物的传感器装置，其特征在于包括权利要求20-26中任一项所述的流通池。
29.权利要求1-19中任一项所述的厚度剪切模式谐振器用于检测或测量目的。
30.权利要求29的用途，其中所述谐振器被用于检测或测量液体样品。
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