TW202232097A - 壓電式諧振器、用於壓電式諧振器的壓電材料以及製造壓電式諧振器的方法 - Google Patents

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Abstract

本發明涉及壓電式諧振器、用於壓電式諧振器的壓電材料和製造壓電式諧振器的方法。 特別地，其涉及包括壓電材料的壓電式諧振器，其中該壓電材料被配置為具有改良的剪切波速。

Description

壓電式諧振器、用於壓電式諧振器的壓電材料以及製造壓電式諧振器的方法
本發明涉及壓電式諧振器、用於壓電式諧振器的壓電材料以及製造壓電式諧振器的方法。特別地，其涉及包括壓電材料的壓電式諧振器，其中壓電材料被配置為具有改良的剪力波速，這進而能夠改進壓電材料的品質因子和諧振頻率。
壓電式諧振器用於不同類型的諧振系統。壓電式諧振器的一種常見應用是質量感應的化學感測器。質量感應化學感測器可以定義為任何設備，該設備允許測量與該設備的感測表面相關聯或結合到該感測表面的質量成比例縮放的特性。可以使用幾種這樣的感測器技術，例如漸消波式感測器，像是表面電漿共振(surface plasmon resonance, SPR，能夠通過表面折射率的相關變化記錄質量變化)、光波導(也取決於與質量結合事件相關的折射率變化)、光繞射、光干涉、橢偏儀和聲波裝置(例如石英晶體微量天平 (quartz crystal micro balances, QCM)。這些感測器方法在本領域中是公認的(例如，參見 Biomolecular Sensors, Gizeli and Lowe. Taylor and Francis, London; 2002)並且這些類型的儀器可用於原位化學反應的研究和用於檢測某些樣品中的分子。WO 2004/057319描述了一種QCM感測器元件和感測器儀器的相關裝置。在質量感應感測器的應用中，感測器的靈敏度取決於諧振頻率。Q 因子表示諧振器的頻率穩定性。
壓電式諧振器的另一個常見應用是在振盪器電路中。 振盪器電路可用於例如通訊應用中以提供特定所需頻率的時鐘訊號。壓電式諧振器的性能取決於其諧振頻率及其品質或 Q 因子。諧振頻率決定了振盪器電路中所需的振盪頻率。通訊電路中的Q因子表示電路對於給定頻率範圍的選擇性，在一些通訊應用中，高Q因子有利於選擇窄的頻率範圍。
傳統上，優化壓電式諧振器的性能因為取捨而受到限制，例如石英片厚度和諧振頻率之間的取捨，以及Q因子和諧振頻率之間的取捨 . 因此，需要修改壓電式諧振器的特性以減少或完全避免這些取捨對諧振器性能施加的限制。
本發明涉及壓電式諧振器、用於壓電式諧振器的壓電材料以及製造壓電式諧振器的方法。特別地，其涉及包括壓電材料的壓電式諧振器，其中壓電材料被配置為具有改良的剪力波速。
所建議的壓電材料包括減少的氫含量。 發明人認識到，從壓電材料中除氣氫能夠增加壓電材料中的剪力波速。這又導致包括修改地壓電材料的諧振器的諧振頻率和品質因子的改進。舉例來說，在質量感應的感測器應用中，諧振頻率的提高會導致感測器靈敏度的提高。改良品質因子確保了包括所建議的壓電材料的諧振器的頻率穩定性的改進。此外，由於不再需要通過減小壓電材料的厚度來提高諧振器的諧振頻率，因此也提高了諧振器的機械穩定性。
本發明所提出的壓電材料的優點在於，其可以用於提高諧振器的諧振頻率和品質因子，而不需要在諧振器的機械穩定性上妥協。也就是說，所提出的壓電材料不需要靠減小其厚度來改進諧振器諧振頻率。此外，包括所提出的壓電材料的諧振器的品質因子隨著諧振器的諧振頻率而增加。發明人認識到影響壓電式諧振器的諧振頻率的因子並且相應地修改了壓電材料特性的，以提高諧振頻率。
根據本發明的第一方面，提供了一種包括壓電材料的壓電式諧振器，其中該壓電材料被配置為具有減少的氫含量以增加壓電材料的剪力波速。
根據本發明的第二方面，提供了一種質量感應的化學感測器，其包括上述壓電式諧振器。
根據本發明的第三方面，提供了一種用於化學分析一流體樣品的壓電式感測器元件，該感測器元件包括上述質量感應化學感測器，其中該感測器元件還包括樣品室，其被配置為接收流體樣品並且進一步被配置為促進流體樣品與質量感應化學感測器的接觸； 以及一個或多個與樣品室流體連接的流道，其用於引導流體樣品流入和流出樣品室。
根據本發明的第四方面，提供了一種用於化學分析流體樣品的壓電式感測器系統，該壓電式感測器系統包括上述壓電式感測器元件；用於將流體樣品引入感測器元件的樣品插入單元； 訊號源，用於向壓電式感測器元件提供電訊號，以在壓電式感測器元件中產生壓電式諧振器的振盪運動；以及處理單元，用於測量壓電式諧振器的諧振頻率並產生代表該諧振頻率的輸出訊號。
根據本發明的另一方面，提供了一種用於產生時鐘訊號的振盪器電路，該振盪器電路包括根據第一方面的壓電式諧振器。
根據本發明的另一方面，提供了一種製造壓電式諧振器的方法，該方法包括：提供預定厚度的壓電材料；去除壓電材料中的氫氣以增加壓電材料的剪力波速。
本發明的進一步特徵在所附申請專利範圍中限定。
本發明涉及壓電式諧振器、用於壓電式諧振器的壓電材料以及製造壓電式諧振器的方法。特別地，其涉及包括壓電材料的壓電式諧振器，其中壓電材料被配置為具有改良的剪力波速。
壓電式諧振器，其包含所建議的壓電材料，其可用於例如質量感應感測器應用中，以表示生物分子結合的特點。該壓電材料，當用於壓電式諧振器時，能夠提高諧振頻率，而無需減小其厚度和降低諧振器的品質或 Q 因子。如此一來，包括該壓電材料的壓電式諧振器便具有改進的性能和機械穩定性。
壓電式諧振器包括放置在兩個電極之間的壓電材料。 壓電材料是在施加電勢時變形的結晶材料。 圖1a顯示了這種壓電式諧振器100的示例圖。壓電材料101，例如石英結晶板，設置在兩個電極102和103之間。在該實施例中，石英結晶板101兩側部分地被電極材料覆蓋。 電極102、103通常由金製成，但也可以使用其他合適的金屬。
在圖1a的實施例中，電極103包括部分103a，該部分103a延伸到結晶板101的外圍、圍繞結晶板的邊緣並且向上延伸到結晶板101的相對的一側。因此， 電極103的部分103a的接觸區域位於結晶板101的與電極103的主要部分相反的一側。部分103a也與電極102位於同一側。這使得可以從結晶板101的一側接觸兩個電極102、103。然而，電極102、103可以從結晶板的任一側電接觸。
在圖1a的諧振器的實際實施中，電極102、103連接到交流電勢。 如果交流電勢的頻率接近石英結晶板101 振盪模式的諧振頻率f o，則石英結晶板101 開始振盪。石英結晶的合成振盪(resultant oscillations)可以表示為bulk模式或在結晶中傳播的表面聲波，這取決於應用以及諧振頻率。石英結晶板101的諧振頻率f o是許多參數的函數，例如溫度、壓力、結晶的切割角、機械應力和結晶板的厚度。石英結晶板101的諧振頻率f o，如以下方程式 [1] 所示，與石英中的剪力波速v o成正比，與石英結晶板101的厚度t成反比：
Figure 02_image001
 [1]
圖1b是使用向量網絡分析儀(vector network analyser, VNA)測量的常規10MHz石英結晶諧振器的導納譜圖。如圖1b所示，諧振頻率是結晶導納出現峰值時的頻率，在這種情況下，約為 10MHz。 諧振器的品質因子或 Q 因子是諧振頻率與諧振峰值的頻率帶寬之比值。這通常是從圖1b中的圖表得出的最大頻率帶寬 (maximum frequency bandwidth, FWHM) 一半處的全寬。在這種情況下，典型的10MHz 石英結晶的Q因子約為1320。必須注意的是，Q因子是在水中測量的，也就是說，結晶的一側暴露在水中以模擬在液體環境中使用壓電式諧振器作為石英晶體微量天平。同一個結晶諧振器在空氣或真空中的Q因子將高於在水中測量的Q因子。
諧振頻率f o和Q因子是表徵壓電式諧振器性能的兩個關鍵參數。 例如，在質量感應的感測器應用中，圖1a的壓電式諧振器可用作石英晶體微量天平 (Quartz Crystal Microbalance, QCM) 來檢測生物分子結合。特別地，當生物分子材料從諧振器的表面添加或移除時，例如由於薄膜沉積或脫附，QCM可用於檢測質量變化。在這種應用中，諧振器的厚度剪力模式的諧振頻率 f o隨諧振器表面材料質量的變化而變化。這種頻率偏移 ∆f 由下面的 Sauerbrey 方程式[2] 給出：
                       
Figure 02_image003
                                             [2]
其中 ∆f 是諧振頻率f o的偏移；ρ 是石英的密度； v是石英中的剪力波速；A是電極面積和 ∆m 是諧振器表面材料的表面質量沉積的變化。
從上述的 Sauerbrey 方程式[2] 中可以看出，頻率偏移Δf 基本上表示質量變化，與諧振頻率f o的平方成正比。 因此，諧振頻率f o越高，QCM 對表面質量沉積變化的敏感度就越高。在實際應用中，可能存在相關的能量損失或抑制結晶振盪。Q 因子可以被認為表示這種抑制的程度，Q 因子越高表示能量損失越低，因此提高QCM 感測器測量的精密度。
在壓電式諧振器的其他應用中，例如時鐘和其他諧振系統，需要高諧振頻率和高Q因子以提高性能。這些因素可實現高鐘速和高頻率穩定性。
傳統上，是通過減小壓電材料的厚度來改良或增加壓電式諧振器的諧振頻率f o。此外，諧振頻率f o的增加通常伴隨著諧振器 Q 因子的降低。然而，壓電材料厚度的減小會導致諧振器的機械穩定性降低，而Q 因子的降低是不樂見的，因為這表示諧振器的頻率穩定性降低。
發明人發現可以通過降低壓電材料中的氫含量來提高壓電式諧振器的諧振頻率f o。去除的氫可包括鍵合、吸附和/或吸收的氫。發明人發現到，通過去除給定厚度的壓電材料中的氫，可以增加壓電材料中的剪力波速v。在這種情況下，去除氫是指去除壓電材料的表面和整體中的氫。從壓電材料中去除氫又會導致諧振頻率 f o增加，該頻率與壓電材料的剪力波速v成正比。
圖2顯示根據本發明的實施例的用於降低壓電材料(例如石英結晶板)中的氫含量的製造方法200的流程圖。 從圖2中可以看出，其提供了壓電材料或晶圓(步驟201)。使用熱脫附(thermal desorption, TD)製程去除壓電材料中的氫(步驟202)。在該製程中，將壓電材料在超高真空中以一預定時間持續加熱 (步驟 202a)以釋放氫氣(步驟 202b)。
TD製程可以包括在預定溫度下在單個步驟中以預定時間持續加熱壓電材料。或者，TD製程可以是逐步的過程，其中用於加熱壓電材料的溫度以預定速率逐漸升高。 在以單一步驟加熱壓電材料的情況下，材料較佳在約900℃的溫度下加熱以將氫含量降低至約0.05wt.ppm或更少的含量。壓電材料的加熱時間可以預先確定。
逐步TD的過程可用作測試或校準過程。在這種情況下，通過以預定速率逐漸增加材料的溫度，以從樣品壓電材料中去除氫，並使用質譜儀 (mass spectroscopy, MS) 監測除氣過程中釋放的氫。在測試或校準過程中使用質譜儀和 TD 有助於確定加熱壓電材料的總共持續時間，以便在壓電材料中實現減少氫含量。下面將參考圖3b描述逐步TD的過程。
圖3a顯示出了用於實施圖2的方法的TD系統300的方塊圖。TD系統300包括在內置爐301內的超高真空樣品室301a或引入和加熱要去除氫氣的壓電材料。系統300還包括氣體處理單元302，其用於控制樣品室301的氣流的進出。系統300可以可選地包括用於分析在加熱壓電材料時釋放的氣體的質譜儀303和用於釋放氣體的離子泵304。
圖3b顯示了通過使用如圖3a所示的TD系統實現的脫氣期間從加熱的石英晶體樣品中釋放氫的經驗監測數據。 也就是說，圖 3b 顯示了加熱石英結晶樣品除氣過程中氣體成分的壓力。在這種情況下，包含結晶樣品的爐子的溫度每小時以逐步方式升高100 oC。在圖 3b 的光譜中，氫曲線下方的面積與校準一起給出了現在已經脫氣的壓電材料中存在的氫含量。壓電材料中的初始氫含量為大約 1.98 wt. ppm。 在除氣後，壓電材料中的氫含量小於0.05 wt. ppm。
圖4顯示了使用向量網絡分析儀(VNA)測量的導納光譜，對於10MHz石英結晶諧振器，從諧振器的石英結晶板上去除氫之前和之後，所有其他測量條件保持定值。可以分別使用上述圖2和圖3所示的方法和系統去除石英結晶板中的氫。 如下表1顯示了由圖 4 的導納譜導出的從石英結晶中去除氫前後的平均諧振頻率和平均 Q 因子。表1中的數據為10個石英結晶在去除氫前後的諧振頻率和Q因子的平均測量值。
  諧振頻率f o(MHz) Q 因子 (在水中)
收到時(初始) 10.01 1320
脫氫後 14.74 1464
脫氫後+在環境空氣中儲存3個月 14.74 1452
表 1：從石英晶體中去除氫之前和之後的諧振頻率和 Q 因子(在水中)。
因此，在類似或相同的測量條件下，諧振頻率可以增加到至少14MHz。較佳地，在本發明的壓電式諧振器中，諧振頻率可以增加1.01和2、3、4或5之間的倍數，例如1.01和1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、 1.8或1.9，例如在1.05和1.5之間或在1.1和1.5之間，較佳地在1.1和1.4之間。特別地，增加可以是大約1.2倍，或更較佳地大約1.4倍。更較佳地，在本發明的壓電式諧振器中，Q因子可以增加1.01和2、3、4或5之間的倍數，例如1.01和1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7之間、1.8或1.9，例如在1.01、1.02、1.03、1.04、1.05、1.06、1.07、1.07、1.08、1.09和1.5之間，較佳在1.01或1.05和1.2之間。特別地，可以增加大約1.1倍。應該注意的是，諧振頻率和 Q 因子是在結晶的一側暴露於水的情況下測量的，以模擬壓電式諧振器在液體環境中作為石英晶體微量天平的使用。同一結晶諧振器在空氣或真空中的相應參數值會高於上述在水中測量的值。然而，在除氫前後在相同測量條件下測量的諧振頻率和Q因子的相對增加仍較佳在上述範圍內。對於除石英之外的壓電材料，也觀察到諧振頻率和Q因子的類似改進，其中壓電材料的氫含量根據上述製程降低，較佳降低至0.05wt.ppm或更少的量。
雖然上述實施例在去除氫之前使用基本頻率為10MHz的石英結晶諧振器，但是在石英結晶或具有不同基頻的其他壓電式諧振器中可以觀察到類似的改進。 舉例來說，本發明可以用於在去除氫之前具有至少5MHz、6MHz、7MHz、8MHz或9MHz的基本諧振頻率的石英結晶或其他壓電式諧振器。在這些實施例中，諧振頻率可以提高至少 1.2 倍，這導致諧振頻率分別提高至少 6MHz、7.2MHz、8.4MHz、9.6MHz 和 10.8MHz。或者，諧振頻率可提高至少1.4倍，這導致諧振頻率分別提高至少7MHz、8.4MHz、9.8MHz、11.2MHz和12.6MHz。
雖然基本頻率在某些應用中是壓電式諧振器的工作頻率，但在其他一些應用中，也可以將諧振器配置為以其泛音之一工作。因此，在被配置為在去除氫之前以泛音頻率之一操作的諧振器中也觀察到壓電式諧振器的諧振頻率的上述改進。
如圖3b所示，在從石英結晶板去除氫之前，石英結晶板具有大約1.98wt. ppm的氫含量。在這種情況下，也如在圖 1b 和圖 4 中所示的，石英結晶諧振器具有大約 10MHz 的諧振頻率 f o和大約 1320 的 Q 因子。從石英結晶中除去氫後，在這種情況下達到約0.05 wt. ppm(參見上面關於圖 3b 的討論)，表 1 顯示石英結晶諧振器的諧振頻率 f o增加了大約 50% 到 14.7MHz，Q 因子增加了大約 10% 到 1464(參見 圖 4 中的頻譜)。也就是說，表1和圖4表明，通過降低石英結晶中的氫含量，可以在不增加石英結晶厚度發生顯著變化的情況下，提高石英結晶諧振器的諧振頻率f o和Q因子。在實際應用中，石英結晶的厚度可以在80μm至350μm之間，較佳在160μm左右。如針對具有降低的氫含量的石英所述的厚度範圍也適用於石英以外的壓電材料，其中壓電材料被配置為具有降低的氫含量。
表1更顯示，即使將結晶在環境空氣中存放三個月後，降低氫含量的石英結晶的諧振頻率f o也沒有變化。在這種情況下，Q 因子從 1464 到 1452 略有下降 0.69%。然而，降低氫含量的石英結晶在環境空氣中存放三個月後的 Q 因子仍然高於接收到的具有相對較高氫含量的結晶的 Q 因子的初始值。 因此表1顯示，降低氫含量的石英結晶的性能得到改善和穩定，因為其不會顯著地受長期暴露於環境空氣的影響。
包含氫含量降低的石英結晶板的石英結晶諧振器可用於壓電式感測器，例如用於生物感測器應用的QCM系統。舉例來說，改良的石英結晶諧振器可用作 QCM 系統(例如 Attana Cell 200 或 Attana Cell A200)中壓電式感測器元件的一部分。 QCM系統和包括石英結晶諧振器的用於QCM系統的感測器元件的將在下面結合圖5a和5b簡要描述。
圖5a顯示出了根據本發明的實施例的QCM感測器系統500的組件的方塊圖。QCM感測器系統500包括具有本發明的改良的石英結晶諧振器(未示出)的感測器元件501。 QCM系統還包括訊號源502，用於向壓電式感測器元件提供電訊號以產生感測器元件501中的石英諧振器的振盪運動。QCM感測器系統500還包括樣品插入單元503，其用於引入流體樣品到感測器元件501，和處理器504，其用於確定感測器元件501中石英諧振器的壓電特性(包括振盪頻率)。系統500還可以包括緩衝液和廢物容器(未示出)和訊號呈現設備505。
圖5b(i)顯示出了根據本發明的實施例的感測器元件501的透視圖。圖 5b(ii) 顯示了感測器元件沿圖 5b(i) 中的線 AA' 的剖面示意圖。
如圖5b(i)和圖5b(ii)所示，感測器元件501包括底座部件501a，其與蓋部件501b組裝在一起。 WO 2008/132,487中提供了對這兩個部件的組裝的詳細解釋。
圖5b(ii)顯示底部部件501a包括石英結晶板501e，在石英結晶板501e的相對表面上具有電極501f和501g。在這種情況下，如前所述，石英結晶板501e被配置為具有降低的氫含量以提高諧振頻率和品質因子。石英結晶板501e與電極501f、501g構成石英結晶諧振器。石英結晶板501e可以根據圖1a中的實施例來配置。圖5b(ii)還示出了石英結晶501e上方的樣品室501h，其中樣品室501h由樣品室頂板501i界定。在使用過程中，樣品插入單元503(見圖5a)通過孔或流道501c、501d(見圖5b(i))將流體樣品(其可包含任何想要的化學物質)引入到蓋子組件 501b中的感測器元件501的樣品室501i中。流道可以被配置為使得流道之一，例如501c用於將流體樣品引入樣品室501h，而另一個流道，例如501d，用作出口，使流體樣品能夠流出樣品室。以這種方式，樣品室可以用作液流單電池(flow cell)。圖5b(ii)還顯示出了在石英結晶版501e下方的底部部件501a中形成的空腔501j。該空腔被形成為在感測器元件的使用期間讓石英結晶板501e能夠諧振。
如上所述，在使用QCM感測器儀器500的期間，流體樣品通過樣品插入單元503被引入到感測器元件501中。樣品誘發與石英結晶表面的相互作用，這又可以通過監測結晶板 501e 的振盪特性來觀察，例如，通過測量包括石英結晶板 501e 的壓電式諧振器的頻率變化。結晶板501e在其表面上設有用於電極501f、501g的電接觸區(未示出)，這些接觸區可連接到訊號源502(見圖5a)，例如交流電壓源， 以及連接到測量設備504。為了測量，壓電結晶板501e的一側與待檢查的流體(例如液體)樣品接觸—例如，在圖5b(ii)中，該接觸表面是501g。結晶501e通過改變其共振頻率和/或振盪幅度來因應待檢測物質的質量的積累或樣品的物理性質的變化。
圖6顯示出了根據本發明的實施例的包括石英結晶諧振器601的石英結晶振盪器電路600的示例性示意電路圖。振盪器電路600可以用作例如耦合到該電路的電子電路602的時鐘。石英結晶諧振器601包括具有減少的氫含量以提高諧振頻率和Q因子的石英結晶板603。電路600還包括負載電容器604和605。每個電容器耦合接地和石英結晶板603的相應電極。負載電容器604、605連同電路的雜散電容C s的近似值可以是用於調整電路600產生的訊號的頻率。在工作期間，電路600輸出方形波訊號，其頻率由石英結晶諧振器601的諧振頻率調節。石英輸出的方形波訊號振盪器電路可以用作例如用於控制耦合到該電路的電子電路602的操作的時鐘。電子電路602可以是任何需要時鐘來控制其操作的電路，例如微處理器或微控制器。如上所述，在該實施例實施方式中，石英晶體諧振器的諧振頻率和Q因子分別對於控制生成的時鐘訊號的頻率和時鐘訊號的頻率穩定性是重要的。本發明能夠在不改變結晶板的物理特性，特別是厚度的情況下增加諧振頻率。傳統上，需要額外配置振盪器電路來產生高於結晶諧振器標記值的頻率—例如，振盪器產生的時鐘訊號的頻率通常可以使用鎖相迴路增加，以通過使用由石英結晶振盪器電路600產生的低頻時鐘輸入作為參考為電子電路602產生更高的內部時鐘頻率。然而，如上所述，由於本發明的石英結晶諧振器的性能改進，可以使用更簡單的振盪器電路來產生具有高頻的時鐘訊號，而無需改變諧振器的尺寸或電路的配置。
雖然本發明對於改進壓電式諧振器的性能以用於質量感測的化學感測器應用特別有用，但其不限於此應用並且可以同樣用於實現壓電式諧振器的任何應用。如果包括所提出的壓電材料的壓電式諧振器用作積體電路的一部分，則其可以用聚合物封裝。
無論何種應用，將壓電式諧振器裝入外殼內可能很有用。 這種外殼可用於防止大氣氣體和雜質滲入壓電式諧振器。特別是，防止水分以濕氣的形式滲入諧振器可能是很重要的，因為這樣可能會導致諧振器的氫含量增加，從而改變其諧振頻率。防止壓電材料的大氣腐蝕也可能是重要的。外殼可以是聚合物，其如上所述可用於積體電路的情況。其他類型的封裝也是可能的，例如金屬封裝。其他的替代方案包括使用矽封蓋，或使用疏水材料。
雖然在實施例中壓電材料被定義為石英結晶，但其不一定限於這種類型—所提出的用於降低壓電材料中的氫含量以提高諧振器的諧振頻率和品質因子的方法包括壓電材料可用於任何類型的包含氫的壓電材料，例如鈦酸鋇、鈮酸鋰、鈦酸鋯、氮化鋁、氧化鋅、鉭酸鋰、硼酸鋰、塊磷鋁石、砷化鎵、四硼酸鋰， 磷酸鋁、氧化鉍鍺、氧化矽鋅複合物、酒石酸二鉀等。
雖然描述了包括所提出的壓電式諧振器的石英結晶振盪器電路的一個實施例(見圖6)，但是所提出的諧振器可以用於其他類型的振盪器電路，其取決於應用需求，例如CMOS時鐘。 舉例來說，所提出的諧振器可用於通訊應用中的振盪器電路，其中該電路可用於提供時鐘訊號。特別地，所提出的諧振器的改進的Q因子可以改進包括所述諧振器的通訊電路的選擇性，從而能夠在更窄的帶寬上改進選擇並得到改進的訊息傳輸。
此外，在整個內文中，為不同的經驗測量參數提供的值是「大約」值，因為這些值是在測量儀器的質量/公差範圍內測量的。
100:壓電式諧振器 101:壓電材料、結晶板 102、103:電極 103a:部分 200:製造方法 201~202b:步驟 300:TD系統 301:內置爐 301a:樣品室 302:氣體處理單元 303:質譜儀 304:離子泵 500:QCM感測器系統 501:感測器元件 502:訊號源 503:樣品插入單元 504:處理器 505:設備 501a:底座部件 501b:蓋部件 501c、501d:孔或流道 501e:石英結晶板 501f、501g:電極 501h、501i:樣品室 501j:空腔 600:石英結晶振盪器電路 601:石英結晶諧振器 602:電子電路 603:石英結晶板 604、605:負載電容器
以下將參考附圖通過非限制性示例的方式描述本發明，其中： 圖1a顯示根據本發明的一實施例的壓電式諧振器100的示例圖； 圖1b為常規10MHz石英結晶諧振器的導納譜圖； 圖2顯示根據本發明的一實施例的用於降低壓電材料中的氫含量的的製造方法的流程圖； 圖3a顯示實施圖2的方法的熱解吸(thermal desorption, TD)系統300的方塊圖； 圖 3b 顯示通過使用圖3a所示的 TD 系統實現的脫氣過程中從加熱的石英結晶樣品中釋放氫的經驗監測數據； 圖4顯示使用向量網絡分析儀 (vector network analyser, VNA) 測量的 10MHz 石英結晶諧振器，在從諧振器的石英結晶板上去除氫之前和之後的導納譜； 圖5顯示根據本發明較佳實施例的壓電式感測器系統500的一部分；和 圖6顯示根據本發明實施例的包括石英結晶諧振器601的石英結晶振盪器電路600的示例性示意圖。
100:壓電式諧振器
101:壓電材料、結晶板
102、103:電極
103a:部分

Claims (36)

  1. 一種壓電式諧振器，包括： 一壓電材料， 其中，該壓電材料被配置為具有減少的氫含量以增加壓電材料的剪力波速。
  2. 如請求項1所述之壓電式諧振器， 其中，包括減少的氫含量的壓電材料的壓電式諧振器的諧振頻率相對於包括沒有減少氫含量的壓電材料的壓電式諧振器的諧振頻率增加。
  3. 如請求項2所述之壓電式諧振器， 其中，當在水中測量時，包括減少的氫含量的該壓電材料的該壓電式諧振器的該諧振頻率至少為6MHz。
  4. 如請求項3所述之壓電式諧振器， 其中，當在水中測量時，包括減少的氫含量的該壓電材料的該壓電式諧振器的該諧振頻率至少為14 MHz。
  5. 如請求項2之壓電式諧振器， 其中，當在水中測量時，包括減少的氫含量的該壓電材料的該壓電式諧振器的該諧振頻率至少為以下之一： 7MHz, 7.2MHz, 8.4MHz, 9.6MHz, 9.8MHz, 10.8MHz, 11.2MHz 以及 12.6MHz。
  6. 如請求項2之壓電式諧振器， 其中， 包括減少的氫含量的該壓電材料的該壓電式諧振器的該諧振頻率提高至少1.2倍。
  7. 如請求項6所述之壓電式諧振器， 其中， 包括減少的氫含量的該壓電材料的該壓電式諧振器的該諧振頻率提高至少1.4倍。
  8. 如前述請求項中任一項所述之壓電式諧振器， 其中， 包括減少的氫含量的該壓電材料的該壓電式諧振器的一Q因子相對於包括不減少的氫含量的一壓電材料的一壓電式諧振器的一Q因子提高。
  9. 如請求項8之壓電式諧振器， 其中，包括減少的氫含量的該壓電材料的該壓電式諧振器的該Q因子提高至少1.1倍。
  10. 如請求項8所述之壓電式諧振器， 其中，當在水中測量時， 包括減少的氫含量的該壓電材料的該壓電式諧振器的該Q因子至少為1450。
  11. 如前述請求項中任一項所述之壓電式諧振器， 其中，該壓電材料的該氫含量降低到大約0.05wt.ppm或更少的水平。
  12. 如前述請求項中任一項所述之壓電式諧振器， 其中，該壓電材料包括一結晶板。
  13. 如前述請求項中任一項所述之壓電式諧振器， 其中，該壓電材料的厚度範圍係介於160 µm至350 µm。
  14. 如請求項13所述之壓電式諧振器， 其中，該壓電材料為一石英結晶板。
  15. 如前述請求項中任一項所述之壓電式諧振器， 其中，該壓電式諧振器包括一第一電極和一第二電極， 其中，每個電極具有一預定面積，以及 其中，該第一電極覆蓋該壓電材料的一第一平面以及該第二電極覆蓋該壓電材料的一第二平面，該第二平面與該壓電材料的該第一平面的相對。
  16. 如請求項15所述之壓電式諧振器， 其中，每個電極部分地覆蓋該壓電材料相應的平面。
  17. 如請求項12或16述之壓電式諧振器， 其中，該第一電極包括延伸到該壓電材料的該第二平面上的一第一部分。
  18. 如前述請求項中任一項所述之壓電式諧振器， 其中，該壓電式諧振器被封裝。
  19. 如請求項18所述之壓電式諧振器， 其中，該壓電式諧振器封裝於一外殼，該外殼可包含一或多個：一聚合物、一 金屬外殼、一矽帽或一疏水材料。
  20. 一種質量感應化學感測器，包括前述請求項中任一項所述之壓電式諧振器。
  21. 一種用於化學分析一流體樣品的壓電式感測器元件，該壓電式感測器元件包括： 如請求項20所述之質量感應化學感測器； 一樣品室，其配置為接收一流體樣品並更被配置為促進一流體樣品與該質量感應化學感測器接觸；以及 一或多個流道，其與該樣品室流體連接，用於引導該流體樣品流入和流出該樣品室。
  22. 如請求項21所述之壓電式感測器元件， 其中，該樣品室更被配置為容納該質量感應化學感測器。
  23. 一種用於化學分析一流體樣品的壓電式感測器系統，該壓電式感測器系統包括： 如請求項20或21所述之質量感應化學感測器； 一樣品插入單元，以用於引入該流體樣品至該感測器元件； 一訊號源，以提供電訊號至該壓電式感測器元件，以在壓電式感測器元件中壓電式諧振器的產生一振盪運動；以及 一處理單元，以用於測量該壓電式諧振器的該諧振頻率以及用於產生代表該諧振頻率的一輸出訊號。
  24. 如請求項23所述之壓電式感測器系統， 其中，該樣品插入單元是一可拆卸單元。
  25. 一種用於產生一時鐘訊號的振盪器電路，該振盪器電路包括如請求項1-19中任一項所述之壓電式諧振器。
  26. 一種提升一壓電材料的剪力波速的方法，該方法包括： 提供該壓電材料，該壓電材料具有一預定厚度；以及 移除該壓電材料的氫氣。
  27. 一種提升包括一壓電材料的壓電式諧振器的剪力波速及/或Q因子，該方法包括： 提供該壓電材料，該壓電材料具有一預定厚度；以及 自該壓電材料移除氫氣。
  28. 一種製造一壓電式諧振器的方法，該方法包括： 提供一預定厚度的一壓電材料；以及 自該壓電材料移除氫氣，以增加該壓電材料的剪力波速。
  29. 一種如請求項26-28任一項所述之方法， 其中，自該壓電材料移除氫氣包括使用熱脫附脫氣氫氣。
  30. 如請求項29所述之方法， 其中，該方法包括加熱該壓電材料； (i)               在單一步驟中，在一預定溫度下持續一預定時間；或 (ii)             逐步熱脫附過程。
  31. 如請求項26-30中任一項所述之方法， 其中，自該壓電材料移除氫氣包括降低該壓電材料中的氫含量到大約0.05wt.ppm或更少的水平。
  32. 如請求項26-31中任一項所述之方法， 其中，該壓電材料為一結晶板。
  33. 如請求項32所述之方法， 其中，該結晶板包括一石英結晶板。
  34. 如請求項26-33中任一項所述之方法， 其中，該壓電材料的厚度範圍係介於160 µm至350 µm。
  35. 一種用於一壓電式諧振器的壓電材料， 其中，該壓電材料具有一減少的氫含量，以增加該壓電材料的該剪力波速。
  36. 如請求項35所述之壓電材料， 其中，該壓電材料被配置為具有氫含量降低到大約0.05wt.ppm或更少的水平。
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