一種聲場(chǎng)和磁場(chǎng)耦合式高靈敏度的質(zhì)量稱(chēng)重傳感器的制造方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種聲場(chǎng)和磁場(chǎng)耦合式高靈敏度的質(zhì)量稱(chēng)重傳感器，包括封裝好的質(zhì)量稱(chēng)重傳感器，質(zhì)量稱(chēng)重傳感器的內(nèi)部設(shè)有石英振蕩電路，石英振蕩電路的兩個(gè)電極分別設(shè)置在質(zhì)量稱(chēng)重傳感器頂部的石英傳感器晶片的上下兩面，在石英傳感器晶片的上表面和下表面分別鍍有一層鉻鍍層，在鉻鍍層的表面上鍍有一層金鍍層，在傳感器晶片的上表面上的金鍍層的表面上鍍有表面敏感鍍層，質(zhì)量稱(chēng)重傳感器的內(nèi)部還設(shè)有磁性裝置，磁性裝置位于所述石英傳感器晶片的正下方。本發(fā)明可運(yùn)用在測(cè)量酸堿性、鐵磁顆粒濃度、用于制作聲波傳感器等多方面，較之傳統(tǒng)的質(zhì)量稱(chēng)重傳感器，具有較高的靈敏度，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種聲場(chǎng)和磁場(chǎng)耦合式高靈敏度的質(zhì)量稱(chēng)重傳感器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種聲場(chǎng)和磁場(chǎng)稱(chēng)合式高靈敏度的質(zhì)量稱(chēng)重傳感器，屬于質(zhì)量稱(chēng)重傳 感器領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002] 石英晶體微天平（QCM)最基本的原理是利用了石英晶體的壓電效應(yīng)：石英晶體內(nèi) 部每個(gè)晶格在不受外力作用時(shí)呈正六邊形，若在晶片的兩側(cè)施加機(jī)械壓力，會(huì)使晶格的電 荷中心發(fā)生偏移而極化，則在晶片相應(yīng)的方向上將產(chǎn)生電場(chǎng)；反之，若在石英晶體的兩個(gè)電 極上加一電場(chǎng)，晶片就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形，這種物理現(xiàn)象稱(chēng)為壓電效應(yīng)。如果在晶片的兩極上 加交變電壓，晶片就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，同時(shí)晶片的機(jī)械振動(dòng)又會(huì)產(chǎn)生交變電場(chǎng)。在一般情況 下，晶片機(jī)械振動(dòng)的振幅和交變電場(chǎng)的振幅非常微小，但當(dāng)外加交變電壓的頻率為某一特 定值時(shí)，振幅明顯加大，這種現(xiàn)象稱(chēng)為壓電諧振。它其實(shí)與LC回路的諧振現(xiàn)象十分相似：當(dāng) 晶體不振動(dòng)時(shí)，可把它看成一個(gè)平板電容器稱(chēng)為靜電電容C，一般約幾個(gè)PF到幾十PF ;當(dāng)晶 體振蕩時(shí)，機(jī)械振動(dòng)的慣性可用電感L來(lái)等效，一般L的值為幾十mH到幾百mH。由此就構(gòu) 成了石英晶體微天平的振蕩器，電路的振蕩頻率等于石英晶體振蕩片的諧振頻率，再通過(guò) 主機(jī)將測(cè)得的諧振頻率轉(zhuǎn)化為電信號(hào)輸出。由于晶片本身的諧振頻率基本上只與晶片的切 割方式、幾何形狀、尺寸有關(guān)，而且可以做得精確，因此利用石英諧振器組成的振蕩電路可 獲得很高的頻率穩(wěn)定度。
[0003] 1959年Sauerbrey在假定外加持量均勻剛性地附著于QCM的金電極表面的條件 下，得出了 QCM的諧振頻率變化與外加質(zhì)量成正比的結(jié)論。對(duì)于剛性沉積物，晶體振蕩頻率 變化Λ F正比于工作電極上沉積物的質(zhì)量改變?chǔ)?M。通過(guò)這一關(guān)系式可得到QCM電極表面 的質(zhì)量變化。
[0004] QCM主要由石英晶體傳感器、信號(hào)檢測(cè)和數(shù)據(jù)處理等部分組成。石英晶體傳感器的 基本構(gòu)成大致是：從一塊石英晶體上沿著與石英晶體主光軸成35° 15'切割（AT - CUT)得 到石英晶體振蕩片，在它的兩個(gè)對(duì)應(yīng)面上涂敷銀層作為電極，石英晶體夾在兩片電極中間 形成三明治結(jié)構(gòu)。在每個(gè)電極上各焊一根引線(xiàn)接到管腳上，再加上封裝外殼就構(gòu)成了石英 晶體諧振器，其產(chǎn)品一般用金屬外殼封裝，也有用玻璃殼、陶瓷或塑料封裝的。
[0005] 石英稱(chēng)重天平的靈敏度是從Sauerbrey方程得來(lái)，石英振蕩天平頻率變化值Λ F 和質(zhì)量變化值Λ Μ有如下的關(guān)系：AF = Cf 〃 Λ Μ，其中Λ F為石英天平觀察到的稱(chēng)重物質(zhì) 前后頻率變化值，Λ Μ為石英天平觀察到的稱(chēng)重物質(zhì)前后質(zhì)量變化值，Cf為石英天平稱(chēng)量物 質(zhì)質(zhì)量時(shí)的恒定系數(shù)。從上述公式上看，QCM的靈敏度是由C f決定的。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種聲場(chǎng)和磁場(chǎng)耦合式高靈敏度的質(zhì)量稱(chēng)重 傳感器，該質(zhì)量稱(chēng)重傳感器較之上述Sauerbrey公式有更高的靈敏度。
[0007] 本發(fā)明解決上述技術(shù)問(wèn)題的技術(shù)方案如下：一種高靈敏度的聲場(chǎng)和磁場(chǎng)耦合式質(zhì) 量稱(chēng)重傳感器，包括封裝好的質(zhì)量稱(chēng)重傳感器，所述質(zhì)量稱(chēng)重傳感器的內(nèi)部設(shè)有石英振蕩 電路，所述石英振蕩電路的兩個(gè)電極分別設(shè)置在所述質(zhì)量稱(chēng)重傳感器頂部的石英傳感器晶 片上下兩面，在所述石英傳感器晶片的上表面和下表面分別鍍有一層鉻鍍層，在所述鉻鍍 層的表面上鍍有一層金鍍層，所述質(zhì)量稱(chēng)重傳感器的內(nèi)部還設(shè)有磁性裝置，所述磁性裝置 位于所述石英傳感器晶片的正下方。
[0008] 在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本發(fā)明還可以做如下改進(jìn)。
[0009] 進(jìn)一步，在所述傳感器晶片的上表面上的金鍍層的表面上鍍有表面敏感鍍層。 [0010] 進(jìn)一步，所述表面敏感鍍層為鐵磁鍍層或鐵磁顆粒，由金屬單質(zhì)、金屬合金或有機(jī) 磁性材料制成。
[0011] 進(jìn)一步，所述金屬單質(zhì)為鐵、鈷或鎳。
[0012] 進(jìn)一步，所述金屬合金為鐵合金、鈷合金或鎳合金。
[0013] 進(jìn)一步，所述金屬合金為AlNiCo或NdFeB。
[0014] 進(jìn)一步，所述磁性裝置為永磁鐵或電磁鐵。
[0015] 本發(fā)明的有益效果是：較之傳統(tǒng)的質(zhì)量稱(chēng)重傳感器，具有較高的靈敏度，而且結(jié)構(gòu) 簡(jiǎn)單，使用方便。
[0016] 本發(fā)明的高靈敏度質(zhì)量稱(chēng)重傳感器內(nèi)部設(shè)有磁性裝置，在QCM的一個(gè)電極（石英 傳感器晶片）上鍍有一層表面敏感鍍層，該質(zhì)量稱(chēng)重傳感器電上極的鍍層為表面敏感鍍層 /金/鉻/石英基底/鉻/金，當(dāng)表面敏感鍍層與溶液發(fā)生反應(yīng)，表面敏感鍍層將會(huì)從QCM 傳感器表面消失，從Sauerbrey方程看，表面敏感鍍層被侵蝕后，QCM頻率會(huì)提高。但是，當(dāng) 在QCM的另外一個(gè)電極使用磁性裝置時(shí)，由于表面敏感鍍層與磁性裝置之間的磁力會(huì)發(fā)生 變化，對(duì)QCM石英晶片產(chǎn)生的形變遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于表面敏感鍍層質(zhì)量對(duì)QCM的形變影響，從而提高 質(zhì)量稱(chēng)重傳感器的靈敏度。當(dāng)磁性裝置和表面敏感鍍層的距離減少時(shí)，磁力會(huì)增加很多，這 樣就可以進(jìn)一步增加該質(zhì)量稱(chēng)重傳感器的靈敏度。
[0017] 本發(fā)明的高靈敏度質(zhì)量稱(chēng)重傳感器可運(yùn)用在多方面，包括測(cè)量酸堿性、鐵磁顆粒 濃度、用于制作聲波傳感器等方面。
[0018] 所述高靈敏度的質(zhì)量稱(chēng)重傳感器在測(cè)量酸液酸性時(shí)，表面敏感鍍層需要是能與H+ 發(fā)生反應(yīng)的鐵磁鍍層或鐵磁顆粒，可以是金屬單質(zhì)（鐵、鈷、鎳等）或金屬合金（鐵合金、鈷 合金、鎳合金等），優(yōu)選的是鐵或鐵合金。
[0019] 所述高靈敏度的質(zhì)量稱(chēng)重傳感器在測(cè)量堿液堿性時(shí)，表面敏感鍍層需要是能與 0Γ發(fā)生反應(yīng)的鐵磁鍍層或鐵磁顆粒，優(yōu)選的是AlNiCo,也可以是鐵磁層及其下面的Zn、A1 鍍層。
[0020] 當(dāng)QCM傳感器的背面放置磁性裝置時(shí)，本發(fā)明的高靈敏度質(zhì)量稱(chēng)重傳感器也可以 作為鐵磁顆粒傳感器。當(dāng)鐵磁顆粒被磁性裝置吸引到QCM表面時(shí)，QCM傳感器的頻率不會(huì) 下降，反而會(huì)因?yàn)殍F磁力對(duì)晶片造成的形變而上升。磁性裝置放置的位置與鐵磁顆粒的距 離越近，此傳感器的靈明度越高。
[0021] 當(dāng)使用更高頻率的QCM時(shí)，因?yàn)楦哳lQCM比低頻QCM更薄，相同的鐵磁顆粒和磁性 裝置之間的磁力會(huì)對(duì)薄的QCM晶片產(chǎn)生更大的形變。與上面講過(guò)的相同原理，當(dāng)磁性裝置 和鐵磁顆粒距離更近時(shí)，磁力對(duì)晶片會(huì)產(chǎn)生更大的形變和頻率變化。
[0022] 有些聲波傳感器比如聲表面波，它的電極只在傳感器石英基底的一側(cè)。當(dāng)使用這 類(lèi)傳感器時(shí)，傳感器的表面敏感鍍層可以在聲表面波石英基底的另外一側(cè)。有聲表面波電 極的一側(cè)是封裝在傳感器內(nèi)部。磁鐵也是封裝在傳感器內(nèi)部。這樣的聲表面波傳感器同樣 可以具備更高的靈敏度。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0023] 圖1為本發(fā)明高靈敏度質(zhì)量稱(chēng)重傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024] 圖2為圖1中A的局部放大圖。
[0025] 附圖中，各標(biāo)號(hào)所代表的部件列表如下：
[0026] 1、質(zhì)量稱(chēng)重傳感器，2、石英傳感器晶片，3、磁性裝置，4、鉻鍍層，5、金鍍層，6、表面 敏感鍍層。

【具體實(shí)施方式】
[0027] 以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的原理和特征進(jìn)行描述，所舉實(shí)例只用于解釋本發(fā)明，并 非用于限定本發(fā)明的范圍。
[0028] 如圖1和圖2所不，一種高靈敏度的聲場(chǎng)和磁場(chǎng)稱(chēng)合式質(zhì)量稱(chēng)重傳感器，包括封裝 好的質(zhì)量稱(chēng)重傳感器1，所述質(zhì)量稱(chēng)重傳感器的內(nèi)部設(shè)有石英振蕩電路，所述石英振蕩電路 的兩個(gè)電極分別設(shè)置在所述質(zhì)量稱(chēng)重傳感器1頂部的石英傳感器晶片2上下兩面，其特征 在于，在所述石英傳感器晶片2的上表面和下表面分別鍍有一層鉻鍍層4,在所述鉻鍍層4 的表面上鍍有一層金鍍層5,所述質(zhì)量稱(chēng)重傳感器的內(nèi)部還設(shè)有磁性裝置3,所述磁性裝置 3位于所述石英傳感器晶片2的正下方。
[0029] 在所述傳感器晶片2的上表面上的金鍍層5的表面上鍍有表面敏感鍍層6。
[0030] 所述表面敏感鍍層6為鐵磁鍍層或鐵磁顆粒，由金屬單質(zhì)、金屬合金或有機(jī)磁性 材料制成。
[0031] 所述金屬單質(zhì)為鐵、鈷或鎳。
[0032] 所述金屬合金為鐵合金、鈷合金或鎳合金。
[0033] 所述金屬合金為AlNiCo或NdFeB。
[0034] 所述磁性裝置3為永磁鐵或電磁鐵。
[0035] 本發(fā)明的高靈敏度質(zhì)量稱(chēng)重傳感器內(nèi)部設(shè)有磁性裝置3,在QCM的一個(gè)電極（石英 傳感器晶片2)上鍍有一層表面敏感鍍層6,該質(zhì)量稱(chēng)重傳感器電上極的鍍層為表面敏感鍍 層/金/鉻/石英基底/鉻/金，當(dāng)表面敏感鍍層6與溶液發(fā)生反應(yīng)，表面敏感鍍層6將會(huì) 從QCM傳感器表面消失，從Sauerbrey方程看，表面敏感鍍層6被侵蝕后，QCM頻率會(huì)提高。 但是，當(dāng)在QCM的另外一個(gè)電極使用磁性裝置3時(shí)，由于表面敏感鍍層6與磁性裝置3之間 的磁力會(huì)發(fā)生變化，對(duì)QCM石英晶片產(chǎn)生的形變遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于表面敏感鍍層6質(zhì)量對(duì)QCM的形 變影響，從而提高質(zhì)量稱(chēng)重傳感器的靈敏度。當(dāng)磁性裝置3和表面敏感鍍層6的距離減少 時(shí)，磁力會(huì)增加很多，這樣就可以進(jìn)一步增加該質(zhì)量稱(chēng)重傳感器的靈敏度。
[0036] 本發(fā)明的高靈敏度質(zhì)量稱(chēng)重傳感器可運(yùn)用在多方面，包括測(cè)量酸堿性、鐵磁顆粒 濃度、用于制作聲波傳感器等方面，以下具體舉例說(shuō)明。
[0037] 實(shí)施例1
[0038] 本發(fā)明聲場(chǎng)和磁場(chǎng)耦合式高靈敏度的質(zhì)量稱(chēng)重傳感器在測(cè)量酸液酸性時(shí)，表面 敏感鍍層需要是能與H+發(fā)生反應(yīng)的鐵磁鍍層或鐵磁顆粒，可以選擇鍍鐵或鐵合金，而磁性 裝置則可以選擇為磁鐵。當(dāng)電極和酸接觸時(shí)，鐵的鍍層將會(huì)從QCM傳感器表面消失。從 Sauerbrey方程看，鐵層被侵蝕后，QCM的頻率會(huì)提高。但是當(dāng)在QCM的另外一邊電極使用 磁鐵時(shí)，由于磁鐵和鐵的鍍層之間的磁力對(duì)QCM石英晶片產(chǎn)生的形變遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鐵的鍍層質(zhì) 量對(duì)QCM的形變影響，當(dāng)鐵層被侵蝕掉，頻率沒(méi)有提高，反而會(huì)降低。由于磁鐵和鐵的鍍層 之間的磁力對(duì)QCM石英晶片產(chǎn)生的形變遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鐵的鍍層質(zhì)量對(duì)QCM的形變影響。這是因 為磁力對(duì)石英晶片產(chǎn)生的晶片的形變會(huì)導(dǎo)致更大的石英晶片的形變。當(dāng)磁鐵和鍍鐵層的距 離減少時(shí)，磁力會(huì)增加很多，這樣就可以增加該類(lèi)傳感器的靈敏度。
[0039] 實(shí)施例2
[0040] 本發(fā)明聲場(chǎng)和磁場(chǎng)耦合式高靈敏度的質(zhì)量稱(chēng)重傳感器在測(cè)量堿液堿性時(shí)，表面敏 感鍍層需要是能與0?Γ發(fā)生反應(yīng)的鐵磁鍍層或鐵磁顆粒，可以選擇AlNiCo。與檢測(cè)酸液中 酸性類(lèi)似，當(dāng)敏感鍍層是對(duì)酸敏感的鐵時(shí)，這就是一個(gè)高靈敏度的QCM酸傳感器。當(dāng)傳感器 的表面敏感鍍層是AlNiCo之類(lèi)的磁性材料，并且該材料與堿發(fā)生反應(yīng)，這就是一種高靈敏 度的堿性傳感器。
[0041] 實(shí)施例3
[0042] 將磁性裝置放置到QCM傳感器的背面，也可以作為鐵磁顆粒傳感器。當(dāng)鐵磁顆粒 被磁性裝置吸引到QCM表面時(shí)，QCM傳感器的頻率不會(huì)下降，反而會(huì)因?yàn)殍F磁力對(duì)晶片造成 的形變而上升。磁性裝置放置的位置與鐵磁顆粒的距離越近，此傳感器的靈明度越高。
[0043] 當(dāng)使用更高頻率的QCM時(shí)，因?yàn)楦哳lQCM比低頻QCM更薄，相同的鐵磁顆粒和磁性 裝置之間的磁力會(huì)對(duì)薄的QCM晶片產(chǎn)生更大的形變。與上面講過(guò)的相同原理，當(dāng)磁性裝置 和鐵磁顆粒距離更近時(shí)，磁力對(duì)晶片會(huì)產(chǎn)生更大的形變和頻率變化。
[0044] 實(shí)施例4
[0045] 本發(fā)明聲場(chǎng)和磁場(chǎng)耦合式高靈敏度的質(zhì)量稱(chēng)重傳感器可以用于制作聲波傳感器， 比如聲表面波傳感器。聲表面波傳感器的電極只在傳感器石英基底的一側(cè)，當(dāng)運(yùn)用本發(fā)明 的這類(lèi)傳感器時(shí)，傳感器的表面敏感鍍層可以在聲表面波石英基底的另外一側(cè)。有聲表面 波電極的一側(cè)是封裝在傳感器內(nèi)部。磁鐵也是封裝在傳感器內(nèi)部。這樣的聲表面波傳感器 同樣可以具備更高的靈敏度。
[0046] 以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和 原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1. 一種高靈敏度的聲場(chǎng)和磁場(chǎng)耦合式質(zhì)量稱(chēng)重傳感器，包括封裝好的質(zhì)量稱(chēng)重傳感器 (1)，所述質(zhì)量稱(chēng)重傳感器的內(nèi)部設(shè)有石英振蕩電路，所述石英振蕩電路的兩個(gè)電極分別設(shè) 置在所述質(zhì)量稱(chēng)重傳感器（1)頂部的石英傳感器晶片（2)上下兩面，其特征在于，在所述石 英傳感器晶片（2)的上表面和下表面分別鍍有一層鉻鍍層（4)，在所述鉻鍍層（4)的表面上 鍍有一層金鍍層（5)，所述質(zhì)量稱(chēng)重傳感器的內(nèi)部還設(shè)有磁性裝置（3)，所述磁性裝置（3) 位于所述石英傳感器晶片（2)的正下方。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述聲場(chǎng)和磁場(chǎng)耦合式高靈敏度的質(zhì)量稱(chēng)重傳感器，其特征在于， 在所述傳感器晶片（2)的上表面上的金鍍層（5)的表面上鍍有表面敏感鍍層（6)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述聲場(chǎng)和磁場(chǎng)耦合式高靈敏度的質(zhì)量稱(chēng)重傳感器，其特征在于， 所述表面敏感鍍層（6)為鐵磁鍍層或鐵磁顆粒，由金屬單質(zhì)、金屬合金或有機(jī)磁性材料制 成。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述聲場(chǎng)和磁場(chǎng)耦合式高靈敏度的質(zhì)量稱(chēng)重傳感器，其特征在于， 所述金屬單質(zhì)為鐵、鈷或鎳。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述聲場(chǎng)和磁場(chǎng)耦合式高靈敏度的質(zhì)量稱(chēng)重傳感器，其特征在于， 所述金屬合金為鐵合金、鈷合金或鎳合金。
6. 根據(jù)權(quán)利要求3所述聲場(chǎng)和磁場(chǎng)耦合式高靈敏度的質(zhì)量稱(chēng)重傳感器，其特征在于， 所述金屬合金為AlNiCo或NdFeB。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1至6任一項(xiàng)所述聲場(chǎng)和磁場(chǎng)耦合式高靈敏度的質(zhì)量稱(chēng)重傳感器，其 特征在于，所述磁性裝置（3)為永磁鐵或電磁鐵。
【文檔編號(hào)】G01G7/00GK104061987SQ201410247912
【公開(kāi)日】2014年9月24日 申請(qǐng)日期:2014年6月6日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月23日
【發(fā)明者】詹姆斯·劉, 克莉絲汀·劉 申請(qǐng)人:北京至感科技有限公司