DE102007029919A1 - Durch eine monolithische Antenne angeregter Schallwandler - Google Patents

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Abstract

Ein durch eine monolithische Antenne angeregter Schallwandler (Monolithic Antenna Excited Acoustic Transduction, MAEAT) wird durch fotolithografisches Abscheiden einer metallischen Antenne auf einer Seite eines piezoelektrischen Kristallsubstrats hergestellt.

Description

  • Hintergrund der Erfindung
  • Diese Erfindung betrifft allgemein Schallvorrichtungen und insbesondere eine Schallwellenvorrichtung mit einem piezoelektrischen Substrat, das eine monolithische Antenne verwendet, um Schallwellen im Substrat anzuregen.
  • Piezoelektrische Materialien wie z. B. kristalliner Quarz erzeugen ein elektrisches Feld oder eine elektrische Spannung, wenn sie mechanischer Spannung ausgesetzt werden, und umgekehrt eine mechanische Spannung, wenn sie einem elektrischen Feld oder einer elektrischen Spannung ausgesetzt werden. Entsprechend haben sich Piezoelektrische Materialien bei vielen verschiedenen Technologien als nützlich erwiesen. Typischerweise werden Elektroden auf der Oberfläche des Kristalls abgeschieden und eine Wechselspannung wird an die Elektroden angelegt, um im Kristall ein elektrisches Feld zu erzeugen. Das elektrische Feld wiederum erzeugt im Kristall mechanische Spannungen. Wenn die angelegte Wechselspannung bei oder nahe der Resonanzfrequenz des Kristalls oder den Harmonischen der Resonanzfrequenz liegt, werden im Kristall Resonanzschallwellen angeregt. Die Resonanzfrequenzen werden durch den Schnittwinkel, die Dicke, Länge, Breite und Masse des Kristalls bestimmt und es erfolgt eine Ausbreitung und ein Mitschwingen der Resonanzschallwellen im Kristall bei sehr geringem Verlust.
  • Das Maß dafür, wie schmal das Frequenzband sein kann, das ein bestimmter piezoelektrischer Kristall bei minimaler Dämpfung bezüglich der Resonanzfrequenz des Kristalls durchlassen kann, wird als der Q-Wert des Kristalls bezeichnet. Der Q-Wert des Kristalls, welcher eine Funktion der kristallografischen Ausrichtung des Kristalls ist, bestimmt die spezifische Verwendung des Kristalls. Kristalle mit sehr niedrigem Q-Wert vermögen z. B. breite Frequenzbänder mechanischer Energie in elektrische Energie und umgekehrt breite Frequenzbänder elektrischer Energie in mechanische Energie umzuwandeln. Materialien mit niedrigem Q-Wert werden demgemäß oft als Schallwandler in Mikrofonen oder Lautsprechern benutzt, weil der niedrige Q-Wert die Erzeugung zahlreicher Töne ermöglicht. Bei einem Material mit sehr hohem Q-Wert wird nur ein sehr schmales Band Frequenzen durch den Kristall gelassen. Ein Material mit hohem Q-Wert wird daher typischerweise in Vorrichtungen verwendet, die eine äußerst genaue Frequenzsteuerung erfordern, wie z. B. Oszillatoren.
  • Piezoelektrische Materialien mit hohem Q-Wert werden auch in Sensoren verwendet. Mit modernen Herstellungsverfahren können Präzisionskristalle aus Quarz oder einem anderen ähnlichen Material mit sehr hohem Q-Wert so hergestellt werden, dass sie mit einer Frequenz schwingen, die bis auf einige Teile pro Million (ppm) oder weniger genau ist. Während der Herstellung solcher Quarzresonatoren können Schichten aus leitfähigem Elektrodenmaterial mit einer Genauigkeit von einigen Atomschichten abgeschieden werden. Die Resonanzfrequenz der resultierenden Resonatoren reagiert auf äußerst kleine Veränderungen der Masse der Elektroden empfindlich. Diese charakteristische Empfindlichkeit piezoelektrischer Materialien mit hohem Q-Wert auf Änderungen der Masse hat zu mehreren verschiedenen Sensoranwendungen geführt. Ein Quarzresonator kann z. B. mit einem Sorptionsmittel beschichtet sein, das bezüglich einer bestimmten Verbindung selektiv ist. Die Menge oder Konzentration der Verbindung kann dann durch Überwachen der Änderung der Resonanzfrequenz des Quarzkristalls bestimmt werden, während die Verbindung durch das Sorptionsmittel absorbiert wird, da die Masse des Sorptionsmittels und daher die Gesamtmasse der schwingenden Struktur zunimmt, während die Verbindung absorbiert wird. Weil das Hinzufügen oder Entfernen von Masse zum bzw. vom piezoelektrischen Material zu einer Änderung der Resonanzfrequenz des Kristalls führt, werden solche Vorrichtungen allgemein als Quarzkristall-Mikrowaagen (Quartz Crystal Microbalance; QCM) bezeichnet und in weitem Umfang bei Anwendungen verwendet, bei denen eine Änderung der Masse, Dichte oder Viskosität überwacht wird, wie z. B. bei Erfassungsanwendungen.
  • Nunmehr sei auf die Zeichnungen verwiesen, in denen in den 1 und 2 ein allgemein mit 10 gekennzeichneter typischer bekannter QCM-Sensor dargestellt ist. Der Sensor 10 enthält ein scheibenförmiges Substrat 12 aus Quarz mit einem Durchmesser von ca. 25 mm. Die verwendete standardmäßige kristallografische Ausrichtung ist ein AT-Schnitt, da sie eine temperaturstabile Ausrichtung ist, bei der nur eine transversale Scherungsschwingung (Transverse Shear Mode (TSM)) angeregt werden kann. Andere Ausrichtungen im Quarz, bei denen nur eine TSM angeregt werden kann, können ebenfalls verwendet werden. 1 zeigt die Bezugsoberfläche 14 des Substrats, während 2 die Erfassungsoberfläche 16 des Substrats 12 zeigt, die der Bezugsoberfläche 14 gegenüberliegt. Eine aus einem elektrisch leitfähigen Material gebildete scheibenförmige Bezugselektrode 18 mit einem Durchmesser von ca. 6 mm ist auf der Mitte der Bezugsoberfläche 14 abgeschieden. Die Elektrode 18 besteht aus einem elektrisch leitfähigen Material. Die Bezugselektrode 18 ist durch einen ersten Streifen 20 aus leitfähigem Material mit einem bogenförmigen Bezugselektrodenabgriff 22 verbunden. Der Bezugselektrodenabgriff 22 ermöglicht eine elektrische Verbindung mit einer externen Erfassungsschaltung (nicht dargestellt). Die elektrische Verbindung ist durch eine Drahtleitung 24 angedeutet; die Leitung 24 soll jedoch beispielhaft sein und andere Arten herkömmlicher elektrischer Verbindungen können verwendet werden.
  • Wie aus 2 zu ersehen ist, ist eine aus einem elektrisch leitfähigen Material gebildete scheibenförmige Erfassungselektrode 26 mit einem Durchmesser von ca. 13 mm auf der Mitte der Erfassungsoberfläche 16 abgeschieden. Ein zweiter Streifen aus leitfähigem Material 28 erstreckt sich von der Erfassungselektrode 26 zur Kante der Erfassungsoberfläche 16 quer über die Seite des Substrats 12 und auf die Bezugsoberfläche 14, wie in 1 gezeigt, wo er in einem bogenförmigen Erfassungselektrodenabgriff 30 endet. Ähnlich wie der Bezugselektrodenabgriff 22 ermöglicht der Erfassungselektrodenabgriff 30 eine elektrische Verbindung zur externen Erfassungsschaltung (nicht dargestellt), wie durch die Drahtleitung 32 dargestellt. Außerdem sind Haftschichten 33 und 34 typischerweise zwischen den Elektroden 18 und 26 und der entsprechenden Substratoberfläche 14 bzw. 16 abgeschieden, um die Haftung der Elektroden an der Substratoberfläche zu verbessern. Schließlich kann je nach Anwendung ein selektiver Sorptionsmittelfilm (nicht dargestellt) die Erfassungsoberfläche 16 bedecken.
  • Während des Betriebs des Sensors 10 ist ein Oszillator (nicht dargestellt) mit variabler Frequenz elektrisch mit dem Bezugs- und dem Erfassungselektrodenabgriff 22 und 30 verbunden, und die Erfassungsoberfläche 16 ist in eine Umgebung eingeführt, die entweder ein Gas oder eine Flüssigkeit sein kann, während die Bezugsoberfläche 14 Luft ausgesetzt bleibt. Die Umgebung enthält eine Messgröße, die eine spezifische Eigenschaft der Umgebung ist, die von Sensor erfasst wird, wie z. B. die Konzentration einer bestimmten Substanz in einem Gas oder einer Flüssigkeit. Wenn die Erfassungsoberfläche 16 in eine Umgebung eingeführt ist, ist die Erfassungsoberfläche daher einem in der Umgebung enthaltenen spezifischen Messgröße ausgesetzt. Sollte die Erfassungsoberfläche mit einem Sorptionsmittelfilm bedeckt sein, ist der Sorptionsmittelfilm ebenfalls in die Umgebung getaucht. Der Oszillator legt eine veränderliche Spannung an die Elektroden 18 und 26 an, die dann im Substrat 12 Schallwellen erzeugen. Eine solche Betriebsart wird als Thickness Field Excitation (TFE; Dickenfeldanregung) bezeichnet. Bevor die Erfassungsoberfläche 16 der Messgröße ausgesetzt wird, wird der Sensor 10 kalibriert, indem die Oszillatorfrequenz so variiert wird, dass sie den Sensor 10 in Resonanz bringt. Die Resonanzfrequenz wird detektiert und in einer herkömmlichen Vorrichtung oder Schaltung (nicht dargestellt) gespeichert. Nach der Kalibrierung wird die Erfassungsoberfläche in die zu überwachende Umgebung eingebracht. Die Wirkung mechanischer Belastungseigenschaften der Messgröße wie z. B Masse, Dichte und Viskoelastizität auf die Erfassungsoberfläche 16 bewirkt, dass sich die Resonanzfrequenz des Sensors verschiebt. Die Verschiebung der Resonanzfrequenz kann so kalibriert werden, dass sie die Größe einer spezifischen mechanischen Belastungseigenschaft der Messgröße angibt.
  • Alternative Ausführungsformen des QCM-Sensors 10 mit verschiedenen Erfassungselektroden sind in den 3 bis 5 dargestellt. 3 zeigt eine kleine Elektrodengeometrie mit einer sehr kleinen kreisförmigen Erfassungselektrode 35. Ein typischer Durchmesser der Erfassungselektrode 35 würde ca. 0,8 mm betragen. In 4 ist eine Erfassungselektrode 36 mit einer geschlossenen Ringgeometrie gezeigt, die eine durch die Mitte der Elektrodenscheibe ausgebildete Öffnung hat, während 5 eine Erfassungselektrode 38 mit einem offenen Ring zeigt. Die Elektrode 38 mit offenem Ring ist der Elektrode 36 mit geschlossenem Ring sehr ähnlich, außer dass die Elektrode 38 mit offenem Ring einen Schlitz 40 hat, der sich durch den Ring erstreckt, der der Abgriffzone der Bezugselektrode entspricht. Die Elektroden 36 und 38 mit geschlossenem und offenem Ring haben einen Außendurchmesser von ca. 13 mm und einen Innendurchmesser von ca. 11 mm. Sämtliche in den 4 bis 5 dargestellten Sensoren haben eine Bezugsoberflächenkonfiguration, den der des in 1 dargestellten Sensors 10 ähnlich ist.
  • Die Verwendung herkömmlicher QCM-Sensoren wie der in den 1 und 2 gezeigte ist auf Anwendungen beschränkt, bei denen nur die oben aufgeführten mechanischen Eigenschaften gemessen werden. Außerdem ist die Resonanzfrequenz der Vorrichtung auf die Grundfrequenz der Vorrichtung beschränkt, was die Empfindlichkeit der Vorrichtung einschränkt. Bei vielen Anwendungen ist die Messung von Änderungen der elektrischen Eigenschaften kritisch. Bei herkömmlichen QCM-Sensoren wie dem in den 1 und 2 gezeigten hat die Erfassungselektrode 26, die mit der Messgröße in Kontakt ist, die gleiche oder eine größere Größe als die Bezugselektrode 18, die mit Luft in Kontakt ist. Wegen ihrer Größe schirmt die Erfassungselektrode 26 das elektrische TSM-Feld größtenteils ab und verhindert dabei das Einfließen des Felds in die Messgröße. Ein herkömmlicher QCM-Sensor hat daher eine minimale Empfindlichkeit auf Änderungen elektrischer Eigenschaften der Messgröße. Die in den 3 bis 5 gezeigten modifizierten Erfassungselektrodengeome trien verringern die Größe der Erfassungselektrode. Folglich kann eine kleine Verschiebung der Resonanzfrequenz der modifizierten QCM-Sensoren als die elektrischen Eigenschaften der Messgrößenänderungen detektiert werden.
  • Um elektrische TSM-Felder (TSM: Transverse Shear Mode = transversale Scherungsschwingung) eindringen zu lassen, sollte eine Erfassungsoberfläche eines AT-Schnitt-Quarzsubstrats, die einer Flüssigkeit oder einem Gas ausgesetzt ist, freiliegen. Eine solche freiliegende Erfassungsoberfläche lässt sich erreichen, indem beide Elektroden auf einer Bezugsoberfläche angeordnet werden, die der Erfassungsoberfläche gegenüberliegt, um einen durch das laterale Feld angeregten (Lateral Field Excited; LFE) Sensor bereitzustellen. Die Einzelheiten bezüglich eines solchen LFE-Sensors und die Anwendung dieses Sensors zum Detektieren von Phosmet und E. coli sind im Patent Nummer 7,075,216 beschrieben, das hiermit einbezogen wird.
  • Im Gegensatz zu QCM- und LFE-Sensoren ist auch die Verwendung einer spiralförmigen Spule als die Anregungsquelle zur Bildung zweier anderer Schallwellensensoren bekannt, nämlich eines magnetischen Schallresonanzsensors (Magnetic Acoustic Resonant Sensor, MARS) 41, wie in 6 gezeigt, und eines elektromagnetischen piezoelektrischen Wandlersensors (Electromagnetic Piezoelectric Acoustic Transduction Sensor, EMPAS) 42, wie in 7 gezeigt.
  • Der MARS 41 arbeitet mit der gleichen Grundkonfiguration und den gleichen Funktionsprinzipien wie ein elektromagnetischer Schallwandler (Electromagnetic Acoustic Transducer, EMAT), eine Technologie, die seit mehr als 50 Jahren im Makromaßstab angewendet wird, um die strukturelle Unversehrtheit metallischer Gegenstände wie z. B. eines Metallblechs und die Materialcharakterisierung zu prüfen, aber er wendet sie im Mikromaßstab an, um eine Schallwelle anzuregen. Bei der Konfiguration des in 7 gezeigten MARS 41 ist eine elektrisch angeregte handgewickelte spiralförmige Spule 43 in die Nähe eines nicht piezoelektrischen Substrats 44, einer metallisierten nicht leitfähigen Beschichtung oder Metallschicht 45, die auf der neben der Spule 43 liegenden Oberfläche des Substrats 44 angeordnet ist, aber davon beabstandet angeordnet. Ein Luftspalt trennt so die Spule 43 von der Oberfläche der Metallschicht 45. Das Substrat 44 ist einem Dauermagnetfeld ausgesetzt, das durch einen benachbarten Dauermagneten 46 erzeugt wird. Die gewickelte spiralförmige Spule 43 erzeugt elektromagnetische Felder, die auf der am Substrat 44 angebrachten dünnen Metallschicht 45 Wirbelströme induzieren. Der Dauermagnet 46 erzeugt statische Magnetfelder, die sich mit den zeitlich veränderlichen Wirbelströmen verbinden, um in der Metallschicht 45 zeitlich veränderliche Lorentz-Kräfte zu erzeugen. Diese zeitlich veränderlichen Lorentz-Kräfte erzeugen zeitlich veränderliche mechanische Spannungen und daher Schallwellen im Substrat 44. Wie bei anderen Schallwellensensoren verschiebt sich die Resonanzfrequenz des MARS 41 mit Änderungen auf seiner Erfassungsoberfläche. Im Gegensatz zu anderen Schallwellensensoren hat die MARS-Konfiguration jedoch den Vorteil der Verwendung nicht piezoelektrischer Substrate wie z. B. Aluminium, Quarzglas, Saphir und Siliziummembrane mit hohem Q-Wert.
  • Der in 11 gezeigte EMPAS 42 verwendet einen piezoelektrischen Kristall als Substrat 47 und eine handgewickelte spiralförmige Spule 43, die durch einen kleinen ca. 30 mm breiten Luftspalt vom Substrat getrennt ist. Ein dünner O-Ring (nicht dargestellt) aus Kunststoff ist zwischen der Spule 43 und dem Substrat 47 angeordnet, was in dem kleinen Luftspalt zwischen der Spule und dem Kristall resultiert. Die spiralförmige Spule 43 erzeugt elektrische Felder, die in das piezoelektrische Material eindringen, um im Substrat 47 Schallwellen anzuregen. Es wurde gezeigt, dass der EMPAS 42 bei Frequenzen bis zu 700 MHz arbeitet.
  • Beim MARS 41 und EMPAS 42 sind die Sensorkonfigurationen nicht monolithisch und sie enthalten mehrere Komponenten, die in einer schlechten Reproduzierbarkeit von Sensoreigenschaften von Sensor zu Sensor resultieren können. Außerdem sind in den MARS- und EMPAS-Sensoren die spiralförmigen Spulen handgewickelt und durch eine Isolierschicht aus Luft vom Substrat getrennt. Obwohl gezeigt wurde, dass diese Sensoren bei Frequenzen von ca. 700 MHz arbeiten, ist die Wiederholgenauigkeit der Sensoreigenschaften von Vorrichtung zu Vorrichtung problematisch. Weil eine höhere Genauigkeit von Sensoren wünschenswert ist, wäre es von Vorteil, eine Vorrichtung mit einer verbesserten Geometrie zu entwickeln.
  • Kurze Zusammenfassung der Erfindung
  • Diese Erfindung betrifft einen durch eine monolithische Antenne angeregten Schallwandler (Monolithic Antenna Excited Acoustic Transduction; MAEAT).
  • Die vorliegende Erfindung sieht einen monolithischen Spiralspulen-Schallwandler-(Monolithic Spiral Coil Acoustic Transduction, MSCAT-)Sensor vor, der ein Beispiel für eine MAEAT-Vorrichtung ist und der die positiven Merkmale von akustischen Volumenwellen-(Bulk Acoustic Wave-, BAW-)Sensoren wie z. B. die Quarzkristall-Mikrowaagen- (QCM-) und anderen Schallsensoren kombiniert und verbessert. Der MSCAT-Sensor enthält ein aus einem piezoelektrischen Material gebildetes Substrat und eine auf einer Oberfläche des Substrats gebildete Anregungsantenne. Die MSCAT-Vorrichtung hat als Sensor viele Vorteile. Die Anregungselektrodenkonfiguration des MSCAT-Sensors ist nicht dem Erfassungsfilm oder der Umgebung ausgesetzt wie im Fall der meisten Schallwellensensoren.
  • Die vorliegende Erfindung sieht auch ein Verfahren zum Bilden eines MSCAT-Sensors vor, das den Schritt des Bereitstellens eines piezoelektrischen Kristalls und dann des Schneidens des Kristalls zum Bilden eines Substrats mit parallelen Bezugs- und Erfassungsflächen aufweist. Anschließend wird eine Antenne auf der Bezugsoberfläche des Substrats abgeschieden.
  • Die vorliegende Erfindung sieht ferner ein Prüfgerät vor, das eine Schallwellenvorrichtung mit einer Anregungsantenne, die auf einer Oberfläche eines Substrats gebildet ist, das aus einem piezoelektrischen Material besteht, wobei die Antenne mit einem Oszillator mit variabler Frequenz verbunden ist, der mit der Anregungsantenne verbunden ist. Das Gerät enthält auch eine mit dem Oszillator verbundene Erfassungsschaltung und eine mit dem Oszillator und der Erfassungsschaltung verbundene Steuerung. Die Steuerung wird aktiviert, um den Oszillator einen Bereich von Frequenzen durchlaufen zu lassen, die die Eigenfrequenz der Schallvorrichtung enthalten, während sie einen Parameter der Schallvorrichtung überwacht.
  • Verschiedene Aufgaben und Vorteile dieser Erfindung erschließen sich dem Fachmann aus der folgenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform in Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist eine perspektivische Ansicht der Bezugsoberfläche eines bekannten Quarzkristall-Mikrowaagen-(QCM-)Sensors.
  • 2 ist eine perspektivische Ansicht der Erfassungsoberfläche des in 1 gezeigten bekannten QCM-Sensors.
  • 3 ist eine perspektivische Ansicht einer alternativen Ausführungsform der Erfassungsoberfläche des in 2 gezeigten bekannten QCM-Sensors.
  • 4 ist eine perspektivische Ansicht einer anderen alternativen Ausführungsform der Erfassungsoberfläche des in 1 gezeigten bekannten QCM-Sensors.
  • 5 ist eine perspektivische Ansicht einer anderen alternativen Ausführungsform der Erfassungsoberfläche des in 1 gezeigten bekannten QCM-Sensors.
  • 6 stellt einen bekannten magnetischen Schallresonanzsensor (MARS) dar.
  • 7 stellt einen bekannten elektromagnetischen piezoelektrischen Schallsensor (EMPAS) dar.
  • 8 ist eine perspektivische Ansicht der Bezugsoberfläche eines monolithischen Spiralspulen-Schallwandler-(MSCAT-)Sensors gemäß der Erfindung.
  • 9 ist eine perspektivische Ansicht der Erfassungsoberfläche des in 8 gezeigten MSCAT-Sensors.
  • 9A bis 9E stellen andere Ausführungsformen des in den 8 und 9 gezeigten Sensors dar.
  • 10 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung des in den 6 und 7 gezeigten MSCAT-Sensors.
  • 11 ist ein Blockdiagramm eines Erfassungsgeräts, das den in den 8 und 9 gezeigten MSCAT-Sensor enthält.
  • 12 stellt die Geometrie eines monolithischen Spiralspulen-Schallwandler-(MSCAT-)Sensors dar.
  • 13 zeigt den Frequenzgang eines MSCAT-Sensors bei der TSM-Grundfrequenz (TSM: transversale Scherungsschwingung) mit deionisiertem Wasser auf der Oberfläche des Sensors.
  • 14 zeigt den Frequenzgang eines MSCAT-Sensors bei der 3. TSM-Harmonischen mit deionisiertem Wasser auf der Oberfläche des Sensors.
  • 15 zeigt den Frequenzgang eines EMPAS-, eines MSCAT- und eines QCM-Sensors auf Änderungen von Maisstärkesirup-Viskositäten.
  • 16 zeigt den Frequenzgang des Sensors auf Änderungen der NaCl-Konzentration bei einem QCM-Sensor (Grundfrequenz) und einem MSCAT-Sensor (11. Harmonische).
  • 17 stellt den MSCAT-Frequenzgang nach aufeinander folgenden Zugaben von Biotin, Blocker, NeutrAvidin, Anti-E. coli und gesättigten Konzentrationen von E. coli.
  • 18 zeigt den Frequenzgang eines MSCAT-Sensors, der bei der 63. Harmonischen betrieben wird.
  • Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen monolithischen Spiralspulen-Schallwandler-(MSCAT-)Sensor, der ein Typ einer durch eine monolithische Antenne angeregten Schallwandler-(MAEAT-)Vorrichtung ist, die die positiven Merkmale anderer bereits entwickelter Schallwellensensoren kombiniert und verbessert. Es sei erneut auf die Zeichnungen verwiesen, in den stellen die 8 und 9 einen MSCAT-Sensor 50 gemäß der Erfindung darstellen. Der Sensor 50 enthält einen scheibenförmigen Wafer oder ein scheibenförmiges Substrat 52. Bei der bevorzugten Ausführungsform ist ein AT-Schnitt-Quarzkristall für das Substrat 52 verwendet. Obwohl der bei der bevorzugten Ausführungsform beschriebene spezielle piezoelektrische Kristall ein AT-Quarz ist, können andere kristallografischen Quarzausrichtungen wie z. B. BT, SC, CT und DT oder Ausrichtungen in anderen piezoelektrischen Kristallen abhängig von der spezifischen Anwendung verwendet werden. Beispiele für andere piezoelektrische Kristalle umfassen Lithiumtantalat, Lithiumniobat, Kaliumniobat, Galliumphosphat und Mitglieder der Langasit-Kristallfamilie sowie zugehörige Ausrichtungen. Wie ferner in 8 gezeigt ist, weist das Substrat 52 eine Dicke von ca. 0,5 mm und einen Durchmesser von 25 mm auf. Die Erfindung kann jedoch mit Substraten angewendet werden, die andere Dicken und/oder andere Durchmesser aufweisen. Die Erfindung sieht z. B. vor, dass die Substratdicke in einem Bereich von ca. 0,3 mm bis 1,0 mm liegen würde. Außerdem kann das Substrat 52 eine andere Form haben als die in den 8 und 9 dargestellt, z. B. eine quadratische, rechteckige, vieleckige oder elliptische, wie durch die Strichlinien in 9A angedeutet ist. Eine kreisförmige Oberfläche des Substrats 52 ist die Bezugsoberfläche 54 des Sensors 50, während die gegenüberliegende kreisförmige Oberfläche die Erfassungsoberfläche 56 ist. Die Bezugs- und Erfassungsoberflächen 54 und 56 sind eben und parallel. Der Erfinder hat festgestellt, dass die Erfindung ihre Aufgabe besser erfüllt, wenn die Oberflächen poliert und innerhalb einer Toleranz von vier Lichtbändern parallel sind.
  • Eine Antenne 60 wird durch einen herkömmlichen Fotolithografie-Prozess auf der Bezugsoberfläche 54 des Substrats 52 abgeschieden. Die Antenne 60 besteht aus einem elektrisch leitfähigen Material wie z. B. einem Metall. Der Erfinder verwendete ein Edelmetall wie z. B. Gold, Palladium oder Platin für die Antenne 60, weil Edelmetalle nicht oxidieren und daher ihre Leitfähigkeit beibehalten. Andere Metalle wie z. B. Platin, Silber, Kupfer, Zirkon, Aluminium, Zink, Blei, Palladium, Chrom usw. könnten jedoch ebenfalls zur Herstellung der Antenne 60 verwendet werden. Die verwendeten speziellen Metalltypen würden von der Anwendung abhängen. Außerdem kann die spezifische Geometrie der Spule hinsichtlich Abmessungen und Struktur variieren. Insbesondere kann die Spule eine veränderliche Anzahl Windungen haben und andere Dicken und Breiten aufweisen. Da die Spule als eine Antenne zur Anregung von Schallwellen im piezoelektrischen Kristall dient, können ferner andere Konfigurationen als eine spiralförmige Spule verwendet werden. Wie in 8 dargestellt ist die Antenne 60 als eine kreisförmige spiralförmige Spule geformt. Die Antenne kann jedoch eine nicht kreisförmige spiralförmige Form haben, wie z. B. eine ovale Spirale sein, wie in 9A dargestellt, eine ellipsenförmige Spirale wie in 9B gezeigt, eine polygonförmige, wie in 9C gezeigt, eine dreieckförmige Spirale wie in 9D gezeigt oder eine vierseitige Spirale wie in 9E gezeigt. Wie oben beschrieben kann das Substrat für jede der obigen nicht kreisförmigen Antennen die gleiche allgemeine Form aufweisen, wie durch die Strichlinien in den 9A bis 9E angedeutet ist. Alternativ hat die Substratform möglicherweise nicht die gleiche allgemeine Form (nicht dargestellt), d. h. eine Antenne mit einer ovalen Spirale kann auf einem kreisförmigen Substrat (nicht dargestellt) abgeschieden sein. Obwohl die Antennendicke für den in 6 gezeigten Sensor gewöhnlich zwischen 1500 und 2500 Å beträgt, kann die Antennendicke jedoch weniger als 1500 Å oder mehr als 2500 Å betragen.
  • Zwischen der Antenne 60 und der Bezugsoberfläche 54 des Substrats ist eine Haftschicht 66 abgeschieden. Die Haftschicht 66, die bei der bevorzugten Ausführungsform eine ca. 100 Å dicke Schicht aus Chrom ist, verbessert die Haftung der Antenne 60 an der Oberfläche des Substrats 52. Alternativ können auch andere Materialien wie z. B. Zirkon oder Titan oder Legierungen von Aluminium, Zirkon oder Titan, was durch das Antennenmaterial und die Sensoranwendung vorgegeben wird, zur Bildung der Haftschicht 66 verwendet werden. Die Haftschicht 66 wird durch ein herkömmliches Verfahren auf das Substrat 52 aufgebracht, bevor die Antenne 60 darauf abgeschieden wird. Obwohl die in 6 gezeigte Haftschicht 66 eine Dicke von ca. 100 Å hat, kann die Erfindung auch mit einer Haftschichtdicke verwirklicht werden, die im Bereich von 50 bis 150 Å liegt.
  • In 8 ist ein Paar elektrisch leitfähiger Drähte 24 und 32 elektrisch mit den Enden der Antenne 60 verbunden dargestellt. Obwohl die elektrische Verbindung durch ein Paar Drähte 24 und 32 dargestellt ist, sind die elektrischen Verbindungen als beispielhaft zu verstehen, und andere Typen herkömmlicher elektrischer Verbindungen können verwendet werden, wie z. B. Drahtbondierungen. Die Drähte 24 und 32 repräsentieren elektrische Verbindungen zur externen Erfassungsschaltung, wie nachstehend erläutert wird.
  • Nunmehr wird die Funktionsweise des Sensors 50 erläutert. Wie aus 7 ersichtlich ist, sind auf der Erfassungsoberfläche 56 keine Elektroden abgeschieden. Wenn durch einen Oszillator Spannung an die spiralförmige Spule 60 angelegt wird, wirkt die spiralförmige Spule 60 als Antenne, die ein zeitlich veränderliches elektrisches Feld abstrahlt, das in den AT-Schnitt-Quarzwafer/das Substrat 52 eindringt. Als eine Folge der piezoelektrischen Wirkung erzeugt das zeitlich veränderliche elektrische Feld eine zeitlich veränderliche mechanische Spannung im Wafer/Substrat 52, die eine transversale Scherungsschwingung (TSM) im Substrat 52 erzeugt. Die Frequenz der Anregung wird so gewählt, dass sie im Substrat 52 Resonanzschallwellen mit der TSM-Grundfrequenz und mit Oberschwingungsfrequenzen höherer Ordnung anregt. Die Resonanzfrequenz für das Substrat 52 ist eine Funktion der Dicke des Wafers und der Geschwindigkeit von Schallwellen im speziellen Substrat. Die Schallwelle enthält mechanische Versetzungen und elektrische Felder, die auf der Erfassungsoberfläche 56 des Substrats erscheinen. Das Fehlen von Elektroden auf der Erfassungsoberfläche 56 ermöglicht den durch die transversale Scherungsschwingung (TSM) erzeugten mechanischen und elektrischen Feldern das Eindringen in eine Umgebung, die ein neben der Erfassungsoberfläche 56 angeordnetes interessierendes Messmittel enthält. Das Eindringen der mechanischen und elektrischen Felder in die Umgebung resultiert in einer erhöhten Empfindlichkeit auf Änderungen mechanischer und elektrischer Eigenschaften.
  • Der MSCAT-Sensor 50 kann durch die effiziente Anregung hoher Oberschwingungen mit dem Anlegen eines hochfrequenten Hochfrequenz(HF-)Signals auf die spiralförmige Spule 60 bei hohen Frequenzen arbeiten. Der MSCAT-Sensor kann durch die effiziente Anregung hoher Oberschwingungen mit der Anwendung eines Hochfrequenz(HF-)Signals auf die spiralförmige Spule potentiell auch bei sehr hohen Frequenzen (über 1 GHz) arbeiten. Der Erfinder hat festgestellt, dass Resonanzschallwellen bis zur Oberschwingung der 63. Ordnung effizient angeregt werden können. Wie nachstehend erläutert wird, wurde der MSCAT-Sensor 50 zur Messung der Viskosität einer Lösung aus Maisstärkesirup in deionisiertem Wasser verwendet. Beim Vergleich mit der Leistung eines standardmäßigen Quarzkristallsensors (Quartz Crystal Monitor, QCM) vom Stand der Technik wurde festgestellt, dass der MSCAT-Sensor 50 über drei Mal empfindlicher auf Viskositätsänderungen und fünf Mal empfindlicher bei der Detektion von E. coli war. Es wurde auch nachgewiesen, dass der MSCAT-Sensor 50 fähig war, Leitfähigkeitsänderungen in Flüssigkeiten zu detektieren.
  • Wie oben beschrieben ergibt sich ein MSCAT-Sensor, wenn die Antenne im Funktionsblock 76 als eine kreisförmige Spirale geformt ist. Im Allgemeinen kann jeder durch eine Antenne angeregte Sensor ungeachtet der Form der Antenne als ein durch eine monolithische Antenne angeregter Schallwandler-Sensor (Monolithic Antenna Excited Acoustic Transduction Sensor, MAEAT-Sensor) bezeichnet werden. Folglich ist der oben beschriebene MSCAT-Sensor tatsächlich ein Beispiel für einen MAEAT-Sensor. Obwohl die vorliegende Erfindung hinsichtlich eines MSCAT-Sensors dargestellt und beschrieben worden ist, dürfte es auf der Hand liegen, dass die Erfindung auch mit MAEAT-Sensoren verwirklicht werden kann. Abgesehen davon, dass die Erfindung auf Sensoren angewendet werden kann, kann sie auch bei einer MAEAT-Vorrichtung eingesetzt werden, die als eine unabhängige Grundkomponente eines Hochfrequenz-Signalprozessors wie z. B. eines Filters Anwendung findet.
  • Der in den 8, 9 und 12 dargestellte monolithische Spiralspulen-Schallwandler-(MSCAT-)Sensor hat keine durch einen Luftspalt vom Substrat getrennte Spule wie für MARS- und EMPAS-Sensoren vom Stand der Technik oben beschrieben. Wie ebenfalls oben beschrieben worden ist, verwendet der MSCAT-Sensor nur eine fotolithografisch abgeschiedene spiralförmige Spule auf der Bezugsoberfläche, wodurch er den gesamten Sensor zu einem Teil oder Monolithen macht. Der MSCAT-Sensor ist neuartig, weil im Gegensatz zu den mehreren anregenden Elektroden, die auf QCM-Sensoren verwendet werden, die einzelne Spule auf dem MSCAT-Sensor eine Antenne ist, die ein zeitlich veränderliches elektrisches Feld abstrahlt, das in den AT-Quarzwafer eindringt.
  • Da Quarz ein piezoelektrisches Material ist, erzeugt das zeitlich veränderliche elektrische Feld eine zeitlich veränderliche mechanische Spannung im Wafer. Je nach der Waferdicke und der Frequenz der Anregung werden Resonanzschallwellen mit der TSM-Grundfrequenz und Frequenzen höherer Ordnung angeregt, wie in den 13 und 14 dargestellt ist. Die Frequenzen dieser Resonanzmoden ändern sich, wenn ein Zielanalyt zur Erfassungsoberfläche des Sensors hinzugefügt oder daraus entfernt wird. Eine Änderung oder Verschiebung der Resonanzfrequenz des Sensors ist daher ein direktes Maß für die Analytkonzentration. Da die Empfindlichkeit von akustischen Volumenwellen-(Bulk Acoustic Wave, BAW-)Vorrichtungen zunimmt, wenn die Betriebsfrequenz zunimmt, ist der MSCAT-Sensor bei Betrieb bei hohen Harmonischen der Resonanzfrequenz wesentlich empfindlicher als standardmäßige QCM-Sensoren, die nur bei ihrer Grundfrequenz betrieben werden können.
  • Außerdem erbringt der MSCAT-Sensor bessere Leistungen als die MARS- und EMPAS-Sensoren, denn:
    • (1) Die Spule des MSCAT-Sensors ist in direktem Kontakt mit dem AT-Quarzsubstrat oder der auf dem AT-Quarzsubstrat abgeschiedenen Haftschicht, wobei etwaige Übertragungsverluste wegen eines Spalts zwischen der Spule und dem Sensorsubstrat eliminiert werden.
    • (2) Die Spule des MSCAT-Sensors ist wegen der fotolithografischen Abscheidung der Spule reproduzierbar.
    • (3) Die fotolithografische Abscheidung der Spule eliminiert jegliche Schallwelle, die bei den MARS- und EMPAS-Sensoren vom Stand der Technik auftreten; und
    • (4) der MSCAT-Sensor ist ein monolithischer Einkomponentensensor, wohingegen die MARS- und EMPAS-Sensoren Mehrkomponentensensoren sind, die dadurch anfälliger für Beschädigungen sind.
  • Zusammenfassend hat der MSCAT-Sensor die positiven Merkmale einer fotolithografisch abgeschiedenen Spulenantenne, die gegen die Erfassungsumgebung isoliert ist und die Fähigkeit hat, Änderungen mechanischer und elektrischer Eigenschaften auf Grund eines Zielanalyts zu detektieren. Die neuartige Vorrichtung erzeugt einen zuverlässigen, reproduzierbaren Sensor in einem einfach herzustellenden Gehäuse.
  • Die vorliegende Erfindung sieht auch ein Verfahren zur Herstellung des Sensors 50 vor. Das Verfahren ist durch das Flussdiagramm in 10 dargestellt. Im Funktionsblock 70 wird ein kristallines piezoelektrisches Material als Substrat gewählt. Wie oben beschrieben, wird das Material unter einem piezoelektrischen Kristall wie z. B. Quarz, Lithiumtantalat, Lithiumniobat, Kaliumniobat, Galliumphosphat und Mitgliedern der Langasit-Kristallfamilie ausgewählt. Im Funktionsblock 72 wird der ausgewählte Kristall in Winkeln bezüglich seiner Kristallachsen, die der vorgesehenen Verwendung und Resonanzfrequenz entsprechen, geschnitten. Je nach vorgesehener Verwendung kann ein Schnitt bezüglich einer einzigen Kristallachse, zwei der Achsen oder allen drei Achsen verwendet werden. Dann wird das Substrat zu seiner endgültigen Größe und Form geformt, die auch bezüglich der gewünschten Resonanzsensorfrequenz gewählt werden.
  • Im Funktionsblock 74 wird die Bezugsoberfläche des Kristallsubstrats optional poliert, um sicherzustellen, dass die Oberflächen ausreichend parallel und glatt sind, und eine Haft schicht durch herkömmliche Verfahren auf der Bezugsoberfläche abgeschieden. Dann wird im Funktionsblock 76 durch herkömmliche Fotolithografie-Verfahren die Antenne auf der Haftschicht abgeschieden. Wenn wie oben beschrieben die Antenne im Funktionsblock 76 als eine kreisförmige Spirale geformt ist, ergibt sich ein MSCAT-Sensor, und wenn die Antenne mit einer nicht kreisförmigen Form geformt ist, ergibt sich ein MAEAT-Sensor.
  • Wie in 10 gezeigt, werden im Funktionsblock 78 elektrische Leitungen an der Antenne befestigt. Dieser Schritt ist jedoch optional und seine Aufnahme hängt vom Verfahren zum elektrischen Verbinden des Sensors mit anderen Komponenten ab. Es kann z. B. Draht-Bonden angewendet werden. In diesem Fall würden keine elektrischen Leitungen benötigt.
  • Die Erfindung sieht auch ein Gerät 80 zum Messen elektrischer Eigenschaften einer Umgebung vor, die einen MAEAT-Sensor 81 mit einer auf einem Substrat 82 angeordneten Antenne enthält. Ein Blockdiagramm des Geräts 80 ist in 11 dargestellt, wo die Erfassungsoberfläche des Sensorsubstrats 82 in eine Umgebung 83 eingetaucht ist, die eine interessierende Messgröße enthält. Obwohl die Messgröße als in der Umgebung enthalten beschrieben worden ist, versteht es sich, dass die Messgröße auch eine Eigenschaft der Umgebung sein kann, wie z. B. die Leitfähigkeit einer Flüssigkeit. Obwohl die Umgebung 83 in 11 als eine Flüssigkeit dargestellt ist, versteht es sich, dass die Umgebung auch ein Gas (nicht dargestellt) sein kann. Das Gerät 80 enthält einen handelsüblichen Oszillator 85, der den MAEAT-Sensor 81 über einen Frequenzbereich ansteuert, der sich über alle Resonanz- und Antiresonanzfrequenzen erstreckt.
  • Eine Erfassungsschaltung 86 ist ebenfalls mit dem MAEAT-Sensor 81 verbunden. Die Erfassungsschaltung 86 ist wirksam, während der Oszillator 85 ein schmales Frequenzband in der Nähe einer Reihen-Resonanzfrequenz, fs, für den MAEAT-Sensor 81 durchläuft. Verschiedene bekannte analoge oder digitale Schaltungen wie z. B. ein elektrischer Frequenzzähler können als die Erfassungsschaltung 86 verwendet werden.
  • Die Erfassungsschaltung 86 ist mit einem Computer 87 verbunden, der Verschiebungen der Resonanzfrequenz fs als Reaktion darauf bestimmt, dass die Erfassungsoberfläche des Sensors der in der Umgebung 83 enthaltenen Messgröße ausgesetzt ist. Der Computer 87 kann ein Personal Computer, ein Mikroprozessor oder eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (Application Specific Integrated Circuit, ASIC) sein. Der Computer 87 kann auch mit dem Oszillator 85 verbunden sein, wie in 11 durch die Strichlinie angedeutet ist. Bei dieser Konfiguration fungiert der Computer 87 als Steuerung für das Gerät und liefert Steuersignale, um die Frequenzdurchläufe des Oszillators 85 einzuleiten. Der Computer 87 vergleicht auch die erfassten kritischen Frequenzen mit gespeicherten Bezugsfrequenzen, um Änderungen der Messgröße zu bestimmen.
  • Das Gerät 80 enthält ferner eine mit dem Computer 87 verbundene Anzeigeeinheit 90. Die Anzeigeeinheit 80 zeigt durch den Computer 87 erzeugte Prüfergebnisse an. Es versteht sich, dass das in 11 gezeigte Gerät 80 als beispielhaft zu sehen ist und andere Geräte verwendet werden können.
  • Nunmehr wird der Betrieb des Geräts 80 mit dem MAEAT-Sensor 83 als ein MSCAT konfiguriert beschrieben. Wie oben beschrieben, überstreicht der Oszillator 82 ein schmales Frequenzband, das die Resonanzfrequenz fs des Sensors oder die interessierende Oberschwingung der Resonanzfrequenz des Sensors enthält. Die durchlaufenen Frequenzen können z. B. bei einem MSCAT-Sensor mit einer Reihen-Resonanzgrundfrequenz fs von ca. 5,00 MHz wie beim oben beschriebenen Sensor 50 zwischen 4,95 MHz und 5,05 MHz betragen. Während der Oszillator 82 das Frequenzband überstreicht, überwacht oder misst die Erfassungsschaltung 86 Werte der Resonanzfrequenzen und Größen und/oder Phasen der Sensorimpedanz über dem Frequenzbereich. Die Erfassungsschaltung 86 kann abhängig von der speziellen Schaltung Größen und/oder Phasen des Sensorleitwertes über dem Frequenzbereich erfassen oder messen, um zum Leitwerte gehörige Antiresonanzfrequenzen zu bestimmen. Der Computer 86 korreliert Verschiebungen der Resonanzfrequenz mit gespeicherten Daten. Außerdem kann der Computer die erfasste Impedanzgröße und/oder Phase zum Verfeinern der Korrelation verwenden. Die Unterschiede oder Ähnlichkeiten der erfassten Daten zu bzw. mit den gespeicherten Daten geben elektrische Eigenschaften der Messgröße an. Die Ergebnisse der Korrelation werden dann auf der Anzeigeeinheit 90 angezeigt.
  • Obwohl die angeregte Schallwelle oben als in einer transversalen Scherungsschwingung (Transverse Shear Mode, TSM) wirkend beschrieben wurde, können im MSCAT-Sensor auch andere Schallwellen angeregt und verwendet werden. Beispiele solcher anderen Typen von Schallwellen sind u. a. longitudinale Wellentypen, andere Scherungsschwingungen, Anodenschwingungen und Membranschwingungen. Obwohl ferner die oben beschriebene spezielle Vorrichtung eine blanke Erfassungsoberfläche 56 hat wie in 7 gezeigt, kann eine leitfähige Schicht (nicht dargestellt) wie z. B. ein Metall auf die Erfassungsoberfläche 56 aufgebracht werden. Die leitfähige Schicht hindert das durch die Antenne 60 erzeugte elektrische Feld daran, in die Erfassungsumgebung einzudringen, und ermöglicht daher nur die Messung der Änderung mechanischer Eigenschaften. Obwohl die vorliegende Erfindung oben hinsichtlich eines Sensors beschrieben worden ist, ist außerdem klar, dass die vorliegende Erfindung in Anwendungen verwendet werden kann, die sich auf eine unabhängige oder grundlegende Komponente einer Hochfrequenzsignal-Verarbeitungsvorrichtung wie z. B. ein Filter beziehen.
  • Versuchsergebnisse
  • Ein MSCAT-Sensor wurde durch fotolithografisches Abscheiden einer metallischen spiralförmigen Spule auf einer Seite eines AT-Quarzwafers verwirklicht wie in 12 gezeigt. Die metallische spiralförmige Spule bestand aus 10 Windungen aus einem Goldfilm mit einer Chromhaftschicht. Um sicherzustellen, dass der TSM im MSCAT-Sensor effizient angeregt werden kann, wurde ein HF-Signal an die Spule der monolithischen Antenne angelegt, wobei die Erfassungsoberfläche in deionisiertes Wasser gelegt wurde. Der in 13 gezeigte Grundfrequenzgang und der in 14 gezeigte Frequenzgang der dritten Oberschwingung des MSCAT-Sensors wurden durch ein System RITEC Advanced Measurement (RAM) 5000 detektiert. Das RAM-System wurde zum Erzeugen und Empfangen von Schallwellen im Sensor verwendet. Das RAM-System nutzt eine Generatorbetriebsart zum Erzeugen von schmalbandigen HF-Signalfolgen, die an den Sensor angelegt werden, und schaltet dann auf eine Empfängerbetriebsart um, um das zurückgegebene Signal zu messen. Wenn der Ausgang auf die Resonanzfrequenz einer Vorrichtung eingestellt ist, wird im Inneren des Materials eine Stehwelle erzeugt. Dies verursacht eine wesentliche Änderung der empfangenen Spannung. Da das System RAM 5000 nur bis zu Frequenzen von 25 MHz arbeiten kann, wurde ein HP 8571A Network Analyzer (Netzwerkanalysator) verwendet, um die Resonanzfrequenz des MSCAT bei höheren Frequenzen zu überwachen.
  • Um die Anwendbarkeit des MSCAT-Sensors nachzuweisen, verwendete der Erfinder den Sensor, um Änderungen der Viskosität von Flüssigkeiten zu detektieren. Dann wurde die Leistung des MSCAT-Sensors mit der Leistung eines standardmäßigen QCM-Sensors und eines EMPAS-Sensors mit einer 16 Windungen aufweisenden handgewickelten Spule, die wie in der Literatur beschrieben hergestellt wurde, verglichen. Die MSCAT-, QCM- und EMPAS-Sensoren wurden alle aus identischen AT-Schnitt-Quarzwafern mit einem Zoll Durchmesser von Maxtec, Inc. hergestellt. Fünfzehn Lösungen mit verschiedenen Viskositäten wurden durch Mischen von Maisstärkesirup der Marke Karo mit deionisiertem Wasser bei unter schiedlichen Verhältnissen hergestellt. Zuerst wurde die Viskosität jeder Lösung mittels eines Cannon-Frenske Routine Viscometer (Routineviskosimeters) gemessen. Es wurde festgestellt, dass die Lösungsviskositäten in einem Bereich von 1 bis 27 cP variierten. Jede Lösung wurde auf einen gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellten MSCAT-Sensor, einen standardmäßigen QCM-Sensor und einen EMPAS-Sensor angewendet. Die Änderung der Resonanzfrequenz gegenüber der Resonanzfrequenz, als nur deionisiertes Wasser vorhanden war, wurde bei jedem Sensor gemessen. Die Reaktion des QCM-Sensors wurde mit einem phasenstarren Oszillator Maxtec PLO-10i und einem EZ FC-705U 100 MHz Universal Counter (Universalzähler) gemessen, während das System RAM 5000 verwendet wurde, um den MSCAT- und den EMPAS-Sensor bei der dritten Oberschwingung anzusteuern.
  • Die Ergebnisse der Sensorprüfungen sind in 15 gezeigt, wo zu sehen ist, dass der MSCAT-Sensor wesentlich ausgeprägtere Reaktionen auf Viskositätsänderungen aufwies als der standardmäßige QCM-Sensor oder der EMPAS-Sensor. Insbesondere der MSCAT-Sensor zeigte eine ungefähr drei Mal größere Frequenzverschiebung im Vergleich zum standardmäßigen QCM-Sensor und eine ungefähr 1,5 Mal größere Frequenzverschiebung als der EMPAS-Sensor. Der MSCAT-Sensor reagierte auch sehr empfindlich auf kleine Viskositätsänderungen. Da das Messsystem eine Verschiebung von einem einzigen Hz zu messen vermag, sollte der MSCAT-Sensor in der Lage sein, Viskositätsänderungen mit einer Genauigkeit von ca. 6 × 104 cP zu messen.
  • Die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse des MSCAT-Sensors wurde auch bestimmt, indem der Sensor fünf Mal Lösungen mit Viskositäten zwischen 1 und 7 cP ausgesetzt wurde. Die gemessenen Frequenzänderungen bei einer gegebenen Lösung waren nicht voneinander zu unterscheiden.
  • Obwohl sich die anfängliche Prüfung auf die Messung der Viskosität konzentrierte, vermag der MSCAT-Sensor auch elektrische Änderungen zu detektieren, da sich keine Metallschicht auf der Erfassungsoberfläche des Sensors befindet, im Gegensatz zum QCM-Sensor, bei dem eine Metallelektrode auf das AT-Quarzsubstrat angeordnet ist. In Falle des MSCAT-Sensors kann das durch die Spiralantenne des MSCAT-Sensors erzeugte elektrische Feld in die Flüssigkeit eindringen, während die Metallelektrode am QCM verhindert, dass der größte Teil des elektrischen TSM-Felds in die Flüssigkeit eindringt. Dies mag der Grund dafür sein, dass der QCM-Sensor von den geprüften Sensoren der am wenigsten empfindliche auf Viskositätsänderungen war.
  • Die Reaktionen des MSCAT-Sensors auf die Leitfähigkeit von wässriger NaCl-Lösungen im Bereich von 0 bis 0,08 Gew.-% wurden mit den Reaktionen eines QCM-Sensors verglichen. Der MSCAT-Sensor wurde bei seiner 11. Oberschwingung (55 MHz) betrieben und die Änderung seiner Resonanzfrequenz durch einen HP 8571A Network Analyzer überwacht, während der Sensor den verschiedenen Konzentrationen von NaCl-Wasser-Lösungen ausgesetzt wurde. Die Resonanzfrequenzgänge des QCM-Sensors bei denselben Flüssigkeiten wurden durch den oben beschriebenen Maxtek PLO-Aufbau überwacht. Die Resonanzfrequenzänderungen beider Sensoren bezüglich ihrer Resonanzfrequenzen in deionisiertem Wasser als eine Funktion der NaCl-Konzentration sind in 16 dargestellt.
  • Da die Resonanzfrequenzänderung des MSCAT-Sensors auf Änderungen mechanischer und elektrischer Eigenschaften in der Flüssigkeit beruhen, weisen die für dieses Experiment gewählten NaCl-Konzentrationen (0 bis 0,08 Gew.-%) sehr kleine Schwankungen der Änderungen mechanischer Eigenschaften wie z. B. Dichte und Viskosität auf. Es wurde festgestellt, dass die Frequenzverschiebung bei einer Lösung mit 0,5 Gew.-% NaCl, die durch die Störungstheorie vorausgesagt wurde, nur 5 Hz betrug. Es kann deshalb angenommen werden, dass die mechanischen Eigenschaften der Flüssigkeit vernachlässigbare Wirkungen auf den Frequenzgang der zwei Sensoren hatte.
  • Wie aus 16 zu ersehen ist, war der MSCAT-Sensor in der Lage, die Änderungen der Flüssigkeitsleitfähigkeit zu messen, während dies beim QCM nicht der Fall war. Die Frequenzschwankungen des QCM-Sensors bei allen Flüssigkeiten lagen innerhalb des Rauschpegels des Sensors. Die Frequenzänderung des MSCAT-Sensors betrug bei der Lösung mit 0,08 Gew.-% über 1600 Hz, was zu dem Schluss führt, dass der MSCAT-Sensor kleine Änderungen elektrischer Eigenschaften, die ein standardmäßiger QCM-Sensor nicht messen kann, zu messen vermag.
  • Aufgrund der für den MSCAT-Sensor erhaltenen viel versprechenden Daten führte der Erfinder vorläufige Versuche aus, um zu bestimmen, ob der MSCAT-Sensor für biologische Erfassung verwendet werden kann, insbesondere zum Detektieren von E. coli. Ein biochemischer Film, der E. coli selektiv sorbierte, wurde in die MSCAT-Erfassungsoberfläche eingebracht. In 14 ist der Grundfrequenzgang des TSM-Sensors bei Betrieb mit der dritten Oberschwingung dargestellt. Der MSCAT-Sensor erwies sich als empfindlich auf Änderungen auf seiner Oberfläche durch eine Blocker-Injektion mit einer PBS-(phosphatgepufferte Kochsalzlösung) + Glycerin-Spülung, die Zugabe von NeutrAvidinTM, eine Anti-E.-coli-Injektion mit einer BSA-(Rinderserumalbumin) + PBS-Spülung und die Einbringung einer Anti-E.-coli-Suspension in die MSCAT-Erfassungsoberfläche, wie aus 17 zu ersehen ist. Nach der Einbringung der E.-coli-Suspension erhöhte sich die Frequenz um 715 Hz. Zur Verifizierung, dass alle möglichen Stellen besetzt waren, wurde der Frequenzgang des Sensors während mehrerer Injektionen der E.-coli-Lösung überwacht. Es wurde keine erkennbare Reaktion des Sensors auf weitere Injektionen von E. coli gemessen, was darauf hindeutet, dass alle Bindestellen besetzt waren. Mehrere bei einem standardmäßigen QCM-Sensor durchgeführte ähnliche Prüfungen führten zu einer etwa fünf Mal geringeren durchschnittlichen Frequenzverschiebung als die beim MSCAT-Sensor beobachtete Verschiebung. Die höhere Empfindlichkeit im MSCAT-Sensor beruht höchstwahrscheinlich auf der Tatsache, dass der MSCAT-Sensor Änderungen mechanischer und elektrischer Eigenschaften auf Grund der Anhaftung von E. coli detektieren kann. Dies steht im Gegensatz zum standardmäßigen QCM-Sensor, der nur Änderungen mechanischer Eigenschaften detektieren kann.
  • Wie oben beschrieben, wurden die oben aufgeführten Daten des MSCAT-Sensors im Falle der Viskositätsmessungen und Detektion von E. coli bei der 3. Oberschwingung und im Falle der Leitfähigkeitsmessungen bei der 11. Oberschwingung gewonnen. Wie in 18 gezeigt ist es möglich, den MSCAT-Sensor bei wesentlich höheren Frequenzen – über der 63. Oberschwingung – zu betreiben, wobei die Frequenz bei den Quarzkristallen, die in den Prüfsensoren verwendet wurden, 314 MHz betrug. Bei diesen Messungen wurde ein HP 8571A zur Messung des Spannungsreflexionsfaktors S11 verwendet. Es ist darauf hinzuweisen, dass der Parallelismus und die Oberflächengüte der Quarzkristalle entscheidend sind, wenn der MSCAT-Sensor bei hohen Frequenzen betrieben wird. Die Wellenlänge der zwischen den Flächen des Kristalls erzeugten Stehwelle nimmt mit zunehmender Frequenz ab. Wenn die Kristallflächen nicht parallel oder wenn die Oberflächen nicht eben sind, ermöglicht eine destruktive Interferenz bei höheren Oberschwingungen nicht die Bildung einer Stehwelle. Der Erfinder konnte in der Tat mit Standard-Quarzrohlingen, die von Sawyer Technical Materials, LLC (Eastlake OH) für QCM-Anwendungen hergestellt wurden, den MSCAT-Sensor nicht über der 9. Oberschwingung anregen. Erst nachdem der Erfinder den MSCAT-Sensor auf Kristallen von Lap-rech (Bowmanville, Ontario) herstellte, die optisch poliert waren und Flächen aufwiesen, die innerhalb einer Toleranz von 4 Lichtbändern parallel waren, ließen sich höhere Oberschwingungen anregen.
  • Die vom Erfinder erzielten Versuchsergebnisse sind signifikant, da es sich um die erste Demonstration einer monolithischen spiralförmigen Spule handelt, die zur Anregung von akustischen Volumenwellen in einem piezoelektrischen Substrat verwendet wird. Die vorliegenden Ergebnisse weisen auch eindeutig nach, dass der MSCAT-Sensor beim Messen der Viskosität in Flüssigkeiten anderen akustischen Volumenwellen-(BAW-)Sensoren überlegen ist. Die Anwendung des MSCAT-Sensors zum Detektieren chemischer Analyte, die entscheidend sind in Bereichen wie z. B. innere Sicherheit, Umweltverträglichkeit, Landwirtschaft und Medizin, wird das eigentliche Potenzial des MSCAT-Sensors bestimmen.
  • Die vorliegende Erfindung hat als eine monolithische Vorrichtung viele Vorteile. Erstens ist die Konfiguration der Anregungsantenne nicht der benachbarten Umgebung ausgesetzt. Zweitens, und was am wichtigsten ist, kann eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung bei sehr hohen Frequenzen betrieben werden, die 1 GHz überschreiten können, indem durch die Anwendung eines hochfrequenten HF-Signals auf die Anregungsantenne höhere Oberschwingungen angeregt werden. Außerdem erfordert die vorliegende Erfindung nicht eine einzelne oder mehrere Schichten oder Anregungssysteme außerhalb des piezoelektrischen Substrats, wodurch sich die Herstellung der Vorrichtung erheblich vereinfacht.
  • Gemäß den Bestimmungen des Patentrechts sind das Prinzip und die Funktionsweise dieser Erfindung in ihrer bevorzugten Ausführungsform beschrieben und dargestellt worden. Es versteht sich jedoch, dass diese Erfindung anders angewendet werden kann als speziell erläutert und dargestellt, ohne von ihrem Geist oder Gültigkeitsbereich abzuweichen.

Claims (25)

  1. Schallwellenvorrichtung, aufweisend: ein aus einem piezoelektrischen Material gebildetes Substrat; und eine auf der Oberfläche des Substrats gebildete Anregungsantenne.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Antenne als eine einzige Gruppe aus einer spiralförmigen Spule, einer ovalen Spule, einer ellipsenförmigen Spule, einer dreieckförmigen Spule, einer polygonförmigen Spule und einer vierseitigen Spule gebildet ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der das Substrat eine Scheibe ist, die aus einem Material der Gruppe bestehend aus AT-Quarz, Lithiumtantalit, Lithiumniobat, Kaliumniobat, Galliumphosphat und einem der Mitglieder der Lanasit-Kristallfamilie gebildet ist.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der die spiralförmige Antenne fotolithografisch auf der Oberfläche des Substrats abgeschieden ist.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 4, bei der die Antenne aus einem Material der Gruppe bestehend aus Gold, Chrom, Platin, Silber, Kupfer, Zirkon, Aluminium, Zink, Blei und Palladium gebildet ist.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das Substrat eine Erfassungsoberfläche, die einer zu erfassenden Umgebung ausgesetzt ist, und eine der Erfassungsoberfläche gegenüberliegende Anregungsoberfläche hat und bei der ferner die Anregungsantenne auf der Anregungsoberfläche des Substrats gebildet ist.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 6, die ferner eine Schicht aus einem auf der Erfassungsoberfläche abgeschiedenen Sorptionsmaterial enthält, wobei das Sorptionsmaterial so gewählt ist, dass es eine in der zu erfassenden Umgebung enthaltene Messgröße absorbiert, wobei die absorbierte Messgröße eine Betriebskennlinie des Sensors so ändert, dass die Änderung der Betriebskennlinie mit der Messgröße in Wechselbeziehung gebracht werden kann.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 6, die ferner eine auf der Erfassungsoberfläche abgeschiedene metallische Schicht enthält.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 6, die ferner eine zwischen dem Substrat und der Antenne abgeschiedene Haftschicht enthält.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 9, bei der die Haftschicht Chrom enthält.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 9, bei der die Vorrichtung eine unabhängige Komponente eines Hochfrequenz-Signalfilters ist.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 9, bei der die Vorrichtung eine grundlegende Komponente eines Hochfrequenz-Signalprozessors ist, der als ein Filter fungiert.
  13. Vorrichtung nach Anspruch 9, bei der die Erfassungs- und Anregungsoberfläche parallel sind.
  14. Vorrichtung nach Anspruch 13, bei der die Erfassungs- und Anregungsoberfläche parallel sind, wobei die Toleranz der Parallelität innerhalb von vier Lichtbändern liegt.
  15. Vorrichtung nach Anspruch 13, bei der die Erfassungs- und Anregungsoberfläche eben sind.
  16. Vorrichtung nach Anspruch 15, bei der die Erfassungs- und Anregungsoberfläche poliert sind.
  17. Prüfgerät, aufweisend: eine Schallwellenvorrichtung mit einer Anregungsantenne, die auf einer Oberfläche eines Substrats gebildet ist, das aus einem piezoelektrischen Material besteht; einen mit der Anregungsantenne verbundenen Oszillator mit variabler Frequenz; eine mit dem Oszillator verbundene Erfassungsschaltung; und eine mit dem Oszillator und der Erfassungsschaltung verbundene Steuerung, wobei die Steuerung aktiviert wird, um den Oszillator einen Bereich Frequenzen durchlaufen zu lassen, die eine Eigenfrequenz der Schallvorrichtung enthalten, während sie einen Parameter der Schallvorrichtung überwacht.
  18. Prüfgerät nach Anspruch 17, wobei die Eigenfrequenz der Schallvorrichtung die Resonanzfrequenz der Schallvorrichtung ist.
  19. Prüfgerät nach Anspruch 18, wobei der überwachte Parameter der Schallvorrichtung die Verschiebung der Resonanzfrequenz enthält.
  20. Prüfgerät nach Anspruch 19, wobei die Eigenfrequenz der Schallvorrichtung die Oberschwingung der Resonanzfrequenz der Schallvorrichtung ist.
  21. Prüfgerät nach Anspruch 20, wobei der überwachte Parameter der Schallvorrichtung die Verschiebung der Oberschwingung der Resonanzfrequenz enthält.
  22. Verfahren zum Erzeugen einer Schallwellenvorrichtung, das folgende Schritte aufweist: (a) Bereitstellen eines piezoelektrischen Kristalls; (b) Schneiden des Kristalls, um ein Substrat mit einer Bezugs- und einer Erfassungsoberfläche zu bilden, die parallel zueinander sind; und (c) Abscheiden einer Antenne auf der Bezugsoberfläche des Substrats.
  23. Verfahren nach Anspruch 22, das ferner nach Schritt (c) folgenden Schritt aufweist: (d) Befestigen von mindestens einer elektrischen Leitung an der Antenne.
  24. Verfahren nach Anspruch 22, bei dem Schritt (c) vor dem Abscheiden der Antenne das Aufbringen einer Haftschicht auf die Bezugsoberfläche des Substrats enthält.
  25. Verfahren nach Anspruch 24, bei dem Schritt (b) nach dem Schneiden des Kristalls auch das Polieren der Bezugs- und der Erfassungsoberfläche enthält.
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Families Citing this family (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102007050102A1 (de) * 2007-10-16 2009-04-23 Smartrac Ip B.V. Verfahren zur Herstellung eines Übertragungsmoduls sowie Übertragungsmodul
US8346388B1 (en) * 2007-12-15 2013-01-01 Jared Michael Tritz System and method for automated tactile sorting
JP6001342B2 (ja) * 2012-06-18 2016-10-05 国立大学法人大阪大学 振動検出素子およびそれを用いた検出素子
JP5388253B1 (ja) * 2013-03-26 2014-01-15 克巳 奈良▲崎▼ においセンサ装置
US10126266B2 (en) 2014-12-29 2018-11-13 Concentric Meter Corporation Fluid parameter sensor and meter
US9752911B2 (en) 2014-12-29 2017-09-05 Concentric Meter Corporation Fluid parameter sensor and meter
US10107784B2 (en) 2014-12-29 2018-10-23 Concentric Meter Corporation Electromagnetic transducer
JP6714235B2 (ja) * 2016-11-14 2020-06-24 日本電波工業株式会社 物質検出システム及び物質検出方法
CN110215938B (zh) * 2019-04-02 2021-03-16 武汉大学 一种全透明螺旋式声体波微流控分选芯片及其制备方法
US11327141B2 (en) 2019-04-03 2022-05-10 Eagle Technology, Llc Loran device with electrically short antenna and crystal resonator and related methods
US10931284B2 (en) 2019-05-07 2021-02-23 Fox Enterprises, Inc. Resonators and devices with pixel based electrodes operating across a gap
US11005446B2 (en) 2019-05-07 2021-05-11 Fox Enterprises, Inc. Resonators and devices with a pixel electrode operating across a gap

Family Cites Families (28)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3609416A (en) * 1970-08-12 1971-09-28 Univ Northwestern Microacoustic surface-wave transducer
US4452084A (en) * 1982-10-25 1984-06-05 Sri International Inherent delay line ultrasonic transducer and systems
JPS612839A (ja) * 1984-06-14 1986-01-08 東洋通信機株式会社 生体内温度測定方法
EP0215669A3 (de) * 1985-09-17 1989-08-30 Seiko Instruments Inc. Vorrichtung und Verfahren zur Analysierung von Biochemikalien, Mikroben und Zellen
US5262696A (en) 1991-07-05 1993-11-16 Rockwell International Corporation Biaxial transducer
US5416448A (en) * 1993-08-18 1995-05-16 Sandia Corporation Oscillator circuit for use with high loss quartz resonator sensors
US5455475A (en) * 1993-11-01 1995-10-03 Marquette University Piezoelectric resonant sensor using the acoustoelectric effect
GB9410426D0 (en) * 1994-05-25 1994-07-13 Stevenson Adrian C Acoustic monitor assembly
JP2605239B2 (ja) * 1995-05-08 1997-04-30 東洋通信機株式会社 超音波利用温度/圧力測定装置
US5744902A (en) * 1995-05-16 1998-04-28 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army Chemical and biological sensor based on microresonators
US5869763A (en) * 1995-10-19 1999-02-09 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army Method for measuring mass change using a quartz crystal microbalance
US5852229A (en) * 1996-05-29 1998-12-22 Kimberly-Clark Worldwide, Inc. Piezoelectric resonator chemical sensing device
US6091182A (en) 1996-11-07 2000-07-18 Ngk Insulators, Ltd. Piezoelectric/electrostrictive element
US6247354B1 (en) * 1998-05-13 2001-06-19 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army Techniques for sensing the properties of fluids with resonators
US6260408B1 (en) * 1998-05-13 2001-07-17 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army Techniques for sensing the properties of fluids with a resonator assembly
US6293136B1 (en) * 1999-08-26 2001-09-25 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army Multiple mode operated surface acoustic wave sensor for temperature compensation
DE10123040A1 (de) * 2001-05-11 2002-11-21 Bosch Gmbh Robert Sensor zur Messung der Viskosität einer Flüssigkeit
AU2002322938A1 (en) * 2001-08-28 2003-03-10 Scott Ballantyne Electromagnetic piezoelectric acoustic sensor
CA2357522A1 (en) * 2001-09-20 2003-03-20 Michael Thompson Enhancement of acoustic wave sensor response by electrode modification
JP3963253B2 (ja) * 2001-12-14 2007-08-22 富士通メディアデバイス株式会社 弾性表面波素子及びこれを用いた分波器
DE10203475A1 (de) * 2002-01-18 2003-07-31 Bosch Gmbh Robert Vorrichtung zur Messung der Viskosität und/oder der Dichte
JP2004129185A (ja) * 2002-08-01 2004-04-22 Sony Corp Sawセンサ、sawセンサを用いた個体識別装置、およびsawセンサの製造方法
GB0312818D0 (en) * 2003-06-04 2003-07-09 Univ Cambridge Tech Acoustic sensor
WO2005001421A2 (en) * 2003-06-05 2005-01-06 Oakland University Improved piezoimmunosensor
JP4222513B2 (ja) * 2003-08-19 2009-02-12 日本碍子株式会社 質量測定装置および方法
JP2005092490A (ja) 2003-09-17 2005-04-07 Moritex Corp 無給電sawセンサを用いた無線遠隔センシングシステム
JP2005214713A (ja) * 2004-01-28 2005-08-11 Sony Corp 湿度状態検出システム
GB0427271D0 (en) * 2004-12-13 2005-01-12 Cambridge Entpr Sensing apparatus

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Publication number Publication date
GB0712645D0 (en) 2007-08-08
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