CN218036572U - 一种易于液相检测的新型qcm结构 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种针对液相检测的新型石英晶体微天平(QCM)传感器结构。所述结构包括石英晶片(21)，上下两面分别有金属电极(22)和(23)及一个带挡板(33)的配套测试夹具。区别于传统QCM晶片结构的是所述石英晶片(21)是边缘厚、中间薄的凹形，形成一个反台阶状结构，该结构可以通过深腐蚀技术(MESA)或光刻石英晶片(21)的中心来实现。反台阶结构与挡板(33)利用液体的表面张力一起将液体限制在石英晶片(21)的中间而不会出现外漏并减小了不同待测液体与晶片接触角不同带来的湿润性干扰。挡板(33)与石英晶片(21)无直接接触，避免了胶圈等方法带来的QCM阻抗增加甚至停振的问题。所述新型QCM结构配合夹具一起使用，方便快捷。
Description
技术领域
本实用新型涉及传感器领域，特别是石英晶体微天平(Quartz CrystalMicrobalance，QCM) 传感器。
背景技术
石英晶体微天平(Quartz Crystal Microbalance，QCM)是一种在20世纪60年代兴起的新型微小质量传感器，其基础是石英晶体谐振器。QCM是一种非常灵敏的质量传感器，它的质量检测可以达到纳克级，已经被广泛的运用在了物理、化学、生物、医学、农业和工程等学科领域。在一定的外界条件下，当QCM晶片表面刚性吸附其它物质时，QCM的谐振频率变化与晶体表面的所吸附质量变化成正比。石英晶体谐振器因为压电效应会在外界的电激励下以它的谐振频率振荡，QCM质量传感器就是利用石英晶体谐振器这一特性，把待测物质的质量信号转化为电信号。QCM所需成本低廉，而且测试装置简单、易于实现现场连续实时检测等众多优点，所以受到了世界各国科学家的高度重视。
早期QCM因为Sauerbrey方程适用条件的限制和QCM无法实现在液相环境下的稳定振荡而主要应用在气相环境下，直到上个世纪八十年代Nomura和Konash首次实现了QCM在液相环境下的稳定振荡，使得QCM液相传感成为可能。随后在1985年，Kanazawa发现在 QCM一面电极接触液体的情况下谐振频率的变化与液体的粘度和密度乘积的平方根成线性关系，关系方程如下所示：
η和ρ为液体粘度和密度，μq和ρq为石英晶体的剪切模量和密度。目前实际上各领域的检测环境主要还是以液相为主，因此QCM主要应用在分析化学、电化学、医学、免疫传感等领域。Sauerbrey方程要求传感层需要均匀的刚性吸附在电极表面，在多数情况下这一条件很难得到满足。
Kanazawa方程的使用需要QCM晶片单面浸没在液体当中，实际上此种方法有着诸多不便。首先，虽然QCM目前能够稳定的在液体中起振，但是晶片在这种环境下损耗很大，Q值很低，这导致单面浸没法的检测有一定困难，甚至最终导致QCM停振，检测无法进行下去。其次，这种方法需要精密的仪器配合且晶片安装复杂，大大增加了实验的复杂度和结果的不确定性。另外，在某些领域例如生物医学上，某些试剂价格极其昂贵，此种检测手段至少需要毫升量级的液体量才能展开测试，这会带来很大经济压力和材料浪费。因此有研究者在液相使用中用胶圈等将QCM晶片一面或者两面封装起来，然后将液体试剂加到晶片表面。此种方法不仅安装繁琐，且使用上也很不方便，更重要的是胶圈等工具对晶片的封装可能会导致晶片阻抗急剧增加造成振荡不稳定甚至停振，非常不利于QCM的实际应用。同时测试液体和晶片材料的接触面根据具体材料和液体的不同，其接触角理论上可以是0-180度中任意角度(如图4所示)，即它们接触面可以是完全润湿、部分润湿和完全不润湿。而根据QCM液相的检测原理
(Qingsong Bai，Xianhe Huang.Using QuartzCrystal Microbalance for Field Measurement of Liquid Viscosities[J].Journalof Sensors，2016，2016： 1-8)，频率的变化正比于QCM的质量灵敏度，而且正比于液体在晶片上分布半径的平方。根据已有的知识(Lisa A.Theisen，Stephen J.Martin，A.RobertHillman.A model for the quartz crystal microbalance frequency response towetting characteristics of corrugated surfaces[J]. Analytical chemistry，2004，76：796-804)，待测试液体在晶片上引起的频率变化只与接触面的有效质量层有关，超过有效质量层厚度的液体质量不引起频率变化，有效质量层的厚度根据液体种类和晶片材料不同而不同，数值大约是微米量级。这样由于润湿性的影响使液体在晶片上微米量级的扩散难以准确测量，而液体在晶片上最终分布半径的平方正比于频率的变化。
实用新型内容
1.要解决的技术问题
(1)单面浸没法导致操作繁琐，液量需求大。大液量会导致QCM谐振很不稳定。
(2)胶圈封装安装繁琐，同时胶圈封装压力可能会导致QCM停振。
(3)润湿性的影响使液体在晶片上扩散后的最终半径难以准确测量。
为了解决上述缺陷，本实用新型基于反台阶结构提出了一种的新型QCM检测装置。反台阶结构QCM晶片边沿凸起的台阶和夹具所提供挡板利用液体的表面张力将待测试液体蓄在晶片中央固定的位置，以尽量减小润湿性的影响。夹具挡板只靠近却不接触QCM晶片，很好的避免了传统QCM晶片使用胶圈等工具的不利影响，使得QCM的液相检测更加方便快捷，也更为准确。
2.技术方案
一种易于液相检测的新型QCM检测装置，包括石英晶片(21)，上下两面分别有金属电极(22)和(23)。区别于传统QCM晶片结构的是所述石英晶片(21)的边沿是凸起的，从而形成中间凹陷边沿突起的反台阶结构，中间的凹陷可以通过深腐蚀技术(MESA)或光刻技术来实现。配合反台阶结构设计了配套夹具，包括为QCM晶片提供支撑的金属支架(32)，阻挡液体扩散的挡板(33)以及外壳(31)。石英晶片(21)边沿凸起的台阶(27)配合挡板 (33)利用液体的表面张力能够很好的将液态物质限制在QCM晶片的中间而不会出现外漏。
相对的，图1中传统QCM晶片两面只有石英晶片(11)，下电极(12)和上电极(13) 的存在。石英晶片(11)厚度为几十微米到几百微米，电极(12)和(13)很薄(约100nm)。整体上QCM晶片两面为光滑的平面，因此液体无法固定在晶片表面，会因为一些外部因素而流出晶片表面。传统方法会在石英晶片(11)边沿加封胶圈等工具，但这一定程度上会降低QCM晶片的稳定性，甚至会导致晶片停振。
我们基于高基频石英晶片的反台阶结构，提出了通过挡板配合反台阶结构的方式来固定液体。挡板(33)靠近凸起的台阶(27)内侧，这也可以视为对凸起台阶(27)的延升。如此便可以将液体很好的限制在了石英晶片(21)中心，很好的解决了QCM液相检测中液体的固定问题，并有效减小润湿性的影响。同时此种方法所需液量为微升量级，很好的解决了传统方法所需液量大的问题。配合夹具快捷安装，解决了传统方法操作繁琐的问题。
附图说明
图1是传统QCM晶片结构，(11)为石英晶片，(16)为金属电极，分别在石英晶片(11)两面，(12)为下金属电极，(13)为上金属电极，(14)为上金属电极引线，(15)为下金属电极引线。
图2是反台阶QCM结构，(21)为石英晶片，(26)为金属电极，分别在石英晶片(21)两面，(22)为下金属电极，(23)为上金属电极，(24)为上金属电极引线，(25)为下金属电极引线。(27)为石英晶片(21)边沿凸起的台阶。
图3为配套夹具示意图，(31)为夹具外壳，(32)为金属支架给QCM晶片提供机械支撑， (33)为挡板，配合石英晶片(21)边沿凸起的台阶(27)将液体限制在石英晶片(21)的中心。
图4是液体与电极表面接触角示意图，θ表示的是液体与固体表面接触所形成的接触角，理论上可以是0-180度。
具体实施方式
下面结合附图对新型QCM结构的具体实施进一步说明。
将新型QCM晶片放置在金属支架(32)上，注意电极引线与金属支架(32)接触。金属支架(32)能够提供良好的机械支撑。挡板(33)位于石英晶片(21)边沿凸起台阶(27) 的内部且两者只靠近且不接触。挡板(33)具有一定的高度且末端靠近石英晶片(21)表面但不接触。此时只需将一定量液体滴入石英晶片(21)表面即可。挡板(33)和石英晶片(21) 边沿凸起的台阶(27)会挡住液体向外扩散。
Claims (3)
1.一种易于液相检测的新型QCM结构，包括石英晶片(21)、上金属电极(23)、下金属电极(22)，配套夹具外壳(31)，配套支架(32)和配套挡板(33)；其特征在于，石英晶片(21)边沿较中间部分凸起成台阶(27)，整体成中间薄边缘厚的反台阶结构，台阶(27)与挡板(33)一起将液体蓄在石英晶片(21)中间。
2.根据权利要求1所述的一种易于液相检测的新型QCM结构，其特征在于，所述石英晶片(21)的外形为圆片和矩形片。
3.根据权利要求1所述的一种易于液相检测的新型QCM结构，其特征在于，所述下金属电极(22)和上金属电极(23)的形状为圆形、环形、和矩形。
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| CN202122748454.5U CN218036572U (zh) | 2021-11-11 | 2021-11-11 | 一种易于液相检测的新型qcm结构 |
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Country Status (1)
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| CN (1) | CN218036572U (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN118316414A (zh) * | 2024-06-05 | 2024-07-09 | 西安电子科技大学 | 一种具有矩形双环电极结构的石英晶体谐振器 |
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2021
- 2021-11-11 CN CN202122748454.5U patent/CN218036572U/zh active Active
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| CN118316414A (zh) * | 2024-06-05 | 2024-07-09 | 西安电子科技大学 | 一种具有矩形双环电极结构的石英晶体谐振器 |
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