一種高品質(zhì)因數(shù)高質(zhì)量靈敏度的qcm傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于壓電傳感器技術(shù)領(lǐng)域，更為具體地講，涉及一種高品質(zhì)因數(shù)高質(zhì)量靈 敏度的QCM傳感器，可以應(yīng)用于化學(xué)、材料、生物以及物理等領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] QCM傳感器，也叫石英晶體微天平，是一種工作于厚度剪切模式的壓電石英晶體材 料制成的感知器件。它對質(zhì)量變化非常敏感，通常用來檢測微小的質(zhì)量變化，可以實(shí)現(xiàn)納克 量級的質(zhì)量檢測。
[0003] Sauerbrey G于1959年發(fā)現(xiàn)QCM傳感器的頻率變化與其面吸附的質(zhì)量成線性變化 關(guān)系（Sauerbrey G ;Verwendung von schwingquarzen zur w __ agung d __ unner schichten und zur mikrow，agung Ζ· Phys. No. 155, 1959, 206 - 222)，這一發(fā)現(xiàn)使得 QCM傳感器在微質(zhì) 量感知領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
[0004] 事實(shí)上，QCM傳感器不只是在氣相環(huán)境用來檢測微小的質(zhì)量變化，還可以進(jìn)行生 物化學(xué)相關(guān)的其他檢測。上世紀(jì)80年代，Nomura團(tuán)隊(duì)實(shí)驗(yàn)證明了 QCM在液相中也可以正 常工作（見論文：T. Nomura and A. Minemuraj "Behavior of a piezoelectric quartz crystal in an aqueous-solution and the application to the determination of minute amount of cyanide，''Nippon Kagaku Kaishi，pp. 1621 - 1625, 1980.)，這一發(fā)現(xiàn) 大大地拓展了 QCM的應(yīng)用空間，尤其是在分析化學(xué)及生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。最近 幾十年來，QCM傳感在氣相或者液相環(huán)境用于薄膜厚度及密度檢測及楊氏模量檢測、分析 化學(xué)、聚合物、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的分析得到了廣泛的應(yīng)用，并且逐漸呈上升趨勢。（詳情見 參考文獻(xiàn)：M. A. Cooper，V. T. Singleton. A survey of the 2001to 2005quartz crystal microbalance biosensor literature:applications of acoustic physics to the analysis of biomolecular interactions[J]. J Mol Recognit，2007,20(3) :154-184 ;陳 令新，關(guān)亞風(fēng)，楊丙成.壓電晶體傳感器的研究進(jìn)展.化學(xué)進(jìn)展。2002,14(1):68-76; Molino PJj Hodson OMj Quinn JFj Wetherbee R. The quartz crystal microbalance:a new tool for the investigation of the bioadhesion of diatoms to surfaces of differing surface energies[J]·Langmuir，2008,24:6730-6737 ; Speight RE, Cooper MA. A Survey of the 2010Quartz Crystal Microbalance Literature[J]. J Mol Recognitj 2012, 25 (9):451-473 ；S. K. Vashistj P.Vashist. Recent Advances in Quartz Crystal Microbalance - Based Sensors[J]. Journal of 56118(^8,2011，11(4):1-13;何建安，付龍，黃沫等.石英晶體微天平的新進(jìn)展.中國科 學(xué)：化學(xué).2011，41 (11) : 1679-1698)。
[0005] 圖1所示為傳統(tǒng)QCM傳感器的結(jié)構(gòu)圖，其中（A)為俯視圖，⑶為截面圖。如圖I 所示，傳統(tǒng)QCM傳感器為上下兩個電極2、3中間夾著一個雙面為平面的壓電石英晶片即諧 振底板1的三明治結(jié)構(gòu)。由于壓電效應(yīng)和反壓電效應(yīng)的存在，在QCM傳感器兩面的電極上 施加合適的激勵信號，QCM傳感器會發(fā)生諧振并輸出穩(wěn)定的頻率信號。
[0006] 傳統(tǒng)的QCM傳感器一般都是采用雙平面結(jié)構(gòu)，但是這種結(jié)構(gòu)的QCM傳感器還存在 一定的缺陷和不足，主要表現(xiàn)為傳感器的質(zhì)量靈敏度與其諧振底板的厚度成反方向變化關(guān) 系。也就是說，QCM傳感器的質(zhì)量靈敏度越高，其諧振底板的厚度越薄。而諧振底板的厚度 越薄，其有效諧振區(qū)域的質(zhì)量越小，導(dǎo)致傳感器的品質(zhì)因素越小，影響了 QCM傳感器的頻率 穩(wěn)定度，從而影響測試精度。
[0007] 圖2是傳統(tǒng)圓QCM傳感器的質(zhì)量靈敏度分布曲線。如圖2所示，傳統(tǒng)QCM傳感器 其質(zhì)量靈敏度分布不均勻，且大多數(shù)區(qū)域質(zhì)量靈敏度偏低。
[0008] 另外，在某些特定場合，由于測試樣品極其昂貴或者對人體有害，不可能使用較多 的樣品量。傳統(tǒng)QCM傳感器的質(zhì)量靈敏度不夠高而不能滿足這樣的測試場合需求，此時就 需要一種高品質(zhì)因數(shù)高質(zhì)量靈敏度的QCM傳感器。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種高品質(zhì)因數(shù)高質(zhì)量靈敏度的 QCM傳感器，以同時滿足較高的質(zhì)量靈敏度以及較高品質(zhì)因數(shù)的使用要求。
[0010] 為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明高品質(zhì)因數(shù)高質(zhì)量靈敏度的QCM傳感器，包括諧振 底板以及位于諧振底板上下表面的上下金屬電極，其特征在于：
[0011] 所述的諧振底板底側(cè)為平面，諧振底板上側(cè)為反臺式圓形凹槽結(jié)構(gòu)，包括圓形凹 槽以及圓環(huán)狀平臺，圓形凹槽位于諧振底板上側(cè)的幾何中心位置，圓環(huán)狀平臺位于圓形凹 槽外圍，其高度與圓環(huán)凹槽外邊沿高度相等；
[0012] 上金屬電極包括覆蓋在圓環(huán)狀平臺表面的圓環(huán)狀電極以及圓形凹槽表面覆蓋的 圓形電極，圓環(huán)狀電極以及圓形電極通過金屬導(dǎo)體連通；下金屬電極為一圓形電極，覆蓋在 諧振底板幾何中心位置。
[0013] 本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的。
[0014] 本發(fā)明高品質(zhì)因數(shù)高質(zhì)量靈敏度的QCM傳感器，采用一種單面帶有反臺式圓形凹 槽的諧振底板，通過增加諧振底板圓形凹槽外圍區(qū)域（圓環(huán)狀平臺）的質(zhì)量，同時上金屬電 極的布局即包括覆蓋在圓環(huán)狀平臺表面的圓環(huán)狀電極以及圓形凹槽表面覆蓋的圓形電極， 圓環(huán)狀電極以及圓形電極通過金屬導(dǎo)體連通，達(dá)到改善能陷效應(yīng)和能量集中效應(yīng)，進(jìn)而提 高QCM傳感器的品質(zhì)因數(shù)。同時，這樣可以通過減小部分有效諧振區(qū)域的厚度，達(dá)到提高 QCM傳感器質(zhì)量靈敏度的目的。
【附圖說明】
[0015] 圖1是傳統(tǒng)QCM傳感器的結(jié)構(gòu)圖；
[0016] 圖2是傳統(tǒng)QCM傳感器的質(zhì)量靈敏度分布曲線圖；
[0017] 圖3是本發(fā)明高品質(zhì)因數(shù)高質(zhì)量靈敏度的QCM傳感器一種【具體實(shí)施方式】結(jié)構(gòu)圖；
[0018] 圖4是圖3所示QCM傳感器沿圓心的截面剖視圖；
[0019] 圖5是本發(fā)明高品質(zhì)因數(shù)高質(zhì)量靈敏度的QCM傳感器質(zhì)量靈敏度分布曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】進(jìn)行描述，以便本領(lǐng)域的技術(shù)人員更好地 理解本發(fā)明。需要特別提醒注意的是，在以下的描述中，當(dāng)已知功能和設(shè)計的詳細(xì)描述也許 會淡化本發(fā)明的主要內(nèi)容時，這些描述在這里將被忽略。
[0021] QCM傳感器對質(zhì)量非常敏感，多用于微量微痕以及生化領(lǐng)域的檢測。1959年， Saurebrey發(fā)現(xiàn)QCM傳感器的頻率變化與其表面的微小質(zhì)量變化成線性關(guān)系并給出了顯性 表達(dá)式，被命名為Saurebrey方程。
[0022] 根據(jù)Saurebrey方程，QCM傳感器的質(zhì)量靈敏度可用公式（1)和（2)表示：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種高品質(zhì)因數(shù)高質(zhì)量靈敏度的QCM傳感器，包括：諧振底板以及位于諧振底板表 面的上下金屬電極，其特征在于： 所述的諧振底板底側(cè)為平面，諧振底板上側(cè)為反臺式圓形凹槽結(jié)構(gòu)，包括圓形凹槽以 及圓環(huán)狀平臺，圓形凹槽位于諧振底板上側(cè)的幾何中心位置，圓環(huán)狀平臺位于圓形凹槽外 圍，其高度與圓環(huán)凹槽外邊沿高度相等； 上金屬電極包括覆蓋在圓環(huán)狀平臺表面的圓環(huán)狀電極以及圓形凹槽表面覆蓋的圓形 電極，圓環(huán)狀電極以及圓形電極通過金屬導(dǎo)體連通；下金屬電極為一圓形電極，覆蓋在諧振 底板幾何中心位置。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的QCM傳感器，其特征在于，所述的圓形凹槽從外邊沿到內(nèi)側(cè)底 面高度逐步減少，最后形成平底圓形凹槽，其平底圓形區(qū)域?yàn)橹C振區(qū)域。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的QCM傳感器，其特征在于，所述的上金屬電極包括圓環(huán)狀電極 和圓形凹槽表明覆蓋的圓形電極，電極材料為金、銀或者鉻+金（為了增加金在諧振底板的 吸附力，首先以金屬鉻為基層，在鉻層的上面再鍍一層金）。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種高品質(zhì)因數(shù)高質(zhì)量靈敏度的QCM傳感器，采用一種單面帶有反臺式圓形凹槽的諧振底板，通過增加諧振底板圓形凹槽外圍區(qū)域(圓環(huán)狀平臺)的質(zhì)量，同時上金屬電極的布局即包括覆蓋在圓環(huán)狀平臺表面的圓環(huán)狀電極以及圓形凹槽表面覆蓋的圓形電極，圓環(huán)狀電極以及圓形電極通過金屬導(dǎo)體連通，達(dá)到改善能陷效應(yīng)和能量集中效應(yīng)，進(jìn)而提高QCM傳感器的品質(zhì)因數(shù)。同時，這樣可以通過減小部分有效諧振區(qū)域的厚度，達(dá)到提高QCM傳感器質(zhì)量靈敏度的目的。
【IPC分類】G01N5-02
【公開號】CN104807717
【申請?zhí)枴緾N201510237773
【發(fā)明人】譚峰, 邱渡裕, 葉芃, 黃武煌, 曾浩, 蔣俊, 郭連平, 趙勇, 潘卉青
【申請人】電子科技大學(xué)
【公開日】2015年7月29日
【申請日】2015年5月11日