專利名稱：一種石英晶體微天平質(zhì)量傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電子技術(shù)領(lǐng)域，涉及石英晶體微天平(Quartz CrystalMircrobalance, QCM),尤其是QCM質(zhì)量傳感器。
背景技術(shù)：
石英晶體微天平(QuartzCrystal Mircrobalance, QCM)是一種在 20 世紀 60 年代興起的新型的微小質(zhì)量檢測儀器，其核心部件是QCM質(zhì)量傳感器。QCM質(zhì)量傳感器是一種非常靈敏的質(zhì)量傳感器，它的質(zhì)量測定可以精確到納克級，已經(jīng)在物理、化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)等 學(xué)科的檢測問題中得到了應(yīng)用。在一定的外界條件下，當(dāng)石英晶振表面吸附其它物質(zhì)時，根據(jù)石英振子的頻率變化與晶體表面的所附物質(zhì)質(zhì)量變化成正比的這一原理，石英晶振的諧振頻率將會隨著吸附物質(zhì)質(zhì)量的大小而改變。QCM質(zhì)量傳感器其實就是具有上下電極結(jié)構(gòu)的石英晶體諧振器。石英晶體諧振器因為壓電效應(yīng)會在外界激勵下以它的諧振頻率振蕩，QCM質(zhì)量傳感器就是利用石英晶體諧振器這一特性，在石英晶體諧振器電極表面吸附一層待測物質(zhì)，把待測物質(zhì)的質(zhì)量信號轉(zhuǎn)化為頻率信號進行檢測的。QCM具有很高的靈敏度、優(yōu)良的選擇性、所需成本低廉，而且測試裝置簡單、易于實現(xiàn)現(xiàn)場連續(xù)檢測等眾多優(yōu)點，所以受到了世界各國科學(xué)家的高度重視，它已經(jīng)廣泛應(yīng)用于質(zhì)量、密度、濃度等的檢測領(lǐng)域。然而，QCM在應(yīng)用中存在一個顯著問題測量結(jié)果的重復(fù)性很低。為獲得較高重復(fù)性的測量結(jié)果，人們提出了許多QCM使用時的注意事項，如使被測樣品均勻剛性的分布于QCM的整個電極表面，能夠?qū)崿F(xiàn)樣品均勻剛性的分布的方法主要有真空鍍膜、電鍍等，操作過程不僅繁瑣而且效率很低。目前，人們已認識到，QCM質(zhì)量傳感器質(zhì)量靈敏度分布曲線的不一致是造成其測量結(jié)果重復(fù)性低的主要原因。理論和實踐都已證明，常規(guī)如圖I示的具有圓電極結(jié)構(gòu)(m-m型)的QCM質(zhì)量傳感器，其質(zhì)量靈敏度分布曲線為如圖2所示的鐘罩型(或高斯型)，這就產(chǎn)生了QCM質(zhì)量傳感器質(zhì)量靈敏度分布曲線的不一致，帶來了測量結(jié)果重復(fù)性低的問題。為了獲得質(zhì)量靈敏度分布均勻的QCM質(zhì)量傳感器，研究人員對QCM質(zhì)量傳感器的電極結(jié)構(gòu)進行了該進，如設(shè)計出了不對稱的圓形n-m型電極、橢圓形電極等，但這都不能解決由于QCM質(zhì)量傳感器質(zhì)量靈敏度分布曲線的不一致所帶來的測量結(jié)果重復(fù)性低的問題。有國外研究者提出了具有一種不對稱電極結(jié)構(gòu)的QCM質(zhì)量傳感器,如圖3、4所不，其上電極是一種圓環(huán)形電極(圓環(huán)電極內(nèi)半徑為n，外半徑為m)，其下電極仍然是一個外半徑為m的圓形電極。具有這種電極結(jié)構(gòu)的QCM質(zhì)量傳感器，其質(zhì)量靈敏度分布曲線為雙峰形，雙峰間的凹陷是明顯的，如果能夠?qū)枷菅a平，則可獲得局部均勻的質(zhì)量靈敏度分布。為將雙峰間的凹陷補平，科學(xué)家們做了很多探討。1996年，Youbok Lee等人發(fā)現(xiàn)，可以通過減小電極質(zhì)量負載因數(shù)，使雙峰間的凹陷減小(Y. Lee, F. Josse, “Radial dependence ofmass sensitivity for modified-electrode quartz resonators，，, Proc. IEEE Ultrason.Symp, vol. I, pp. 321-325，1996.)，其提供的質(zhì)量靈敏度分布曲線如圖5所示?？梢娫谥C振器鍍回頻率極小時，其質(zhì)量靈敏度分布曲線有趨于一致的趨勢，但絕對質(zhì)量靈敏度峰值卻有所下降(即分辨率降低)，尤其其致命的不足是由于R值太小(即晶片的鍍回頻率太小)，只有通過減小電極厚度的方法來減小電極質(zhì)量負載因數(shù)，然而，即使電極薄至超過所能實現(xiàn)的工藝極限，雙峰間的凹陷仍然比較明顯。可見，通過減小電極的厚度將雙峰間的凹陷補平，這在實際中是不可行的。

發(fā)明內(nèi)容
為了提高QCM質(zhì)量傳感器質(zhì)量靈敏度的均勻性，本發(fā)明提供具有一種不對稱電極結(jié)構(gòu)的QCM質(zhì)量傳感器，該QCM質(zhì)量傳感器可在基本不降低絕對質(zhì)量靈敏度的基礎(chǔ)上，提高質(zhì)量靈敏度的均勻性，從而提高QCM測量結(jié)果的重復(fù)性，達到提高QCM測量精度的目的。本發(fā)明技術(shù)方案如下一種石英晶體微天平質(zhì)量傳感器，如圖6、7所示，包括圓形石英晶片1，所述圓形石英晶片I上下兩面分別具有上金屬電極2和下金屬電極3。經(jīng)過圓形石英晶片I幾何中 心的法線與經(jīng)過上金屬電極2幾何中心的法線和經(jīng)過下金屬電極3幾何中心的法線三者保持重合。所述下金屬電極3為一半徑為m的圓電極。所述上金屬電極2為點-環(huán)狀電極，由一個環(huán)狀電極21和與環(huán)狀電極21同心的點電極22構(gòu)成。所述環(huán)狀電極21的內(nèi)半徑為n、外半徑為m,所述點電極22的半徑為g,且g〈n。本發(fā)明提供的QCM質(zhì)量傳感器，其實質(zhì)是將圖3、4所示的具有不對稱電極結(jié)構(gòu)的QCM質(zhì)量傳感器的圓環(huán)狀上金屬電極改成點-環(huán)狀上金屬電極。其中點-環(huán)狀上金屬電極結(jié)構(gòu)如圖7所示，其中g(shù)、n、m分別表示中心點電極22的半徑、環(huán)狀電極21的內(nèi)半徑和外半徑。從圖7中可見它有三類區(qū)域分別為非電極區(qū)(U區(qū))、部分電極區(qū)(P區(qū))和全電極區(qū)(E區(qū))，其截止頻率分別用fu、fP和fE表示。根據(jù)能陷理論要求，該QCM質(zhì)量傳感器的工作頻率范圍為fE〈f〈fP〈fu。在該工作頻率范圍下，該QCM質(zhì)量傳感器的質(zhì)點位移幅度的解為
ClJ° (備6……卜丨^ g
ClI° (方 r) + CiKo (方 r)……H - nA = S；'(I)
C4t/o(方,)+ C5K(念r)......n < \r\ < m
CA (備廠)……m < \r\ < go由質(zhì)點位移和應(yīng)變在r=g、n、m處連續(xù)，可以得到六個線性齊次方程組成的分界連續(xù)方程組，選擇方程組中的任意五個方程可以得到質(zhì)點位移幅度常數(shù)Cp C2、C3、C4、C5、C6的比例關(guān)系。這樣，就得到了 A(r)的表示式，由下式即可得到該QCM質(zhì)量傳感器的質(zhì)量靈敏度Sf (r)的表示
\A(rf{ )Sf(r)= J "丨Ct
2/rj r|^4(r)| dr(2)式中Cf是QCM質(zhì)量傳感器的質(zhì)量靈敏度常數(shù)。
圖8為本發(fā)明提供的具有點-環(huán)電極結(jié)構(gòu)的QCM質(zhì)量傳感器與普通環(huán)狀電極結(jié)構(gòu)的QCM質(zhì)量傳感器的質(zhì)量靈敏度的比較示意圖。從圖8中可以看出，采用點-環(huán)電極結(jié)構(gòu)的QCM質(zhì)量傳感器，其質(zhì)量靈敏度分布曲線的不一致程度減小了一半，這同時意味著其測量的
重復(fù)性將提高一倍。綜上所述，本發(fā)明提供的QCM質(zhì)量傳感器在基本不降低絕對質(zhì)量靈敏度的基礎(chǔ)上，能夠提高質(zhì)量靈敏度的均勻性，從而提高QCM測量結(jié)果的重復(fù)性，達到提高QCM測量精度的目的。


圖I是常規(guī)具有上下對稱圓電極結(jié)構(gòu)(m-m型)的QCM質(zhì)量傳感器的縱向截面示意圖。
圖2是圖I所示結(jié)構(gòu)的QCM質(zhì)量傳感器的質(zhì)量靈敏度分布曲線。圖3是具有環(huán)形電極結(jié)構(gòu)的QCM質(zhì)量傳感器的縱向截面示意圖。圖4是圖3所示具有環(huán)形電極結(jié)構(gòu)的QCM質(zhì)量傳感器的上金屬電極結(jié)構(gòu)示意圖。圖5是圖3所示具有環(huán)形電極結(jié)構(gòu)的QCM質(zhì)量傳感器的質(zhì)量靈敏度曲線。它在電極中心點周圍的分布是雙峰形的，隨著R的減小，其質(zhì)量靈敏度分布曲線有趨于一致的趨勢，但這時的R值太小，已超出了所能實現(xiàn)的工藝極限。圖6是本發(fā)明提供的具有點-環(huán)電極結(jié)構(gòu)的QCM質(zhì)量傳感器的縱向截面示意圖。圖7是本發(fā)明提供的具有點-環(huán)電極結(jié)構(gòu)的QCM質(zhì)量傳感器的上金屬電極結(jié)構(gòu)示意圖。圖8是本發(fā)明提供的具有點-環(huán)電極結(jié)構(gòu)的QCM質(zhì)量傳感器與圖3所示具有環(huán)形電極結(jié)構(gòu)的QCM質(zhì)量傳感器的質(zhì)量靈敏度曲線比較。其中實線為圖3所示具有環(huán)形電極結(jié)構(gòu)的QCM質(zhì)量傳感器的質(zhì)量靈敏度曲線，虛線為本發(fā)明提供的具有點-環(huán)電極結(jié)構(gòu)的QCM質(zhì)量傳感器的質(zhì)量靈敏度曲線。從圖8中可以看出，本發(fā)明提供的具有點-環(huán)電極結(jié)構(gòu)的QCM質(zhì)量傳感器，在保證較高的絕對質(zhì)量靈敏度的前提下，通過形成三峰形曲線，提高了QCM質(zhì)量傳感器的質(zhì)量靈敏度的均勻性。注圖4和圖7中均只標(biāo)明了電極區(qū)，未標(biāo)起導(dǎo)電作用的電極引出線。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施方式
，對本發(fā)明進行進一步的描述。—種QCM質(zhì)量傳感器,如圖6、7所示,包括圓形石英晶片I,所述圓形石英晶片I上下兩面分別具有上金屬電極2和下金屬電極3。經(jīng)過圓形石英晶片I幾何中心的法線與經(jīng)過上金屬電極2幾何中心的法線和經(jīng)過下金屬電極3幾何中心的法線三者保持重合。所述下金屬電極3為一半徑為m的圓電極。所述上金屬電極2為點-環(huán)狀電極，由一個環(huán)狀電極21和與環(huán)狀電極21同心的點電極22構(gòu)成。所述環(huán)狀電極21的內(nèi)半徑為n、外半徑為m,所述點電極22的半徑為g,且g〈n。所述上金屬電極2和下金屬電極3材料為金或鉻+金(以金屬鉻層為基層,在金屬鉻層上再鍍金層，以增加金在石英基片上的附著力)，厚度為10_7米。所述點電極22的半徑g在0. 4毫米到I. 2毫米的范圍內(nèi)；所述環(huán)狀電極21的內(nèi)半徑n在I. 6毫米到3. 2毫米的范圍內(nèi)，外半徑m在2. 5毫米到5. O毫米的范圍內(nèi)。石英晶片I的直徑在8. Omm到14. Omm的范圍內(nèi)。所述石英晶片I為AT切石英晶片，其切角范圍從35° I’到35° 12’。所述QCM質(zhì)量傳感器的稱頻率為5MHz、IOMHz或11MHz，工作泛音次數(shù)為基頻、3次泛音或5次泛音。根據(jù)上述技術(shù)方案，以切角為AT切35° 8’、標(biāo)稱頻率為10MHz、泛音次數(shù)為基頻的石英晶片(厚度約為0. 1648mm)制作QCM質(zhì)量傳感器。其中石英晶片直徑為8. 7mm，上下金屬電極材料選擇金，上下電極厚度為為10_7米(1000埃)。上金屬電極中，點電極22的半徑g=0. 45mm,環(huán)狀電極21的內(nèi)半徑n=2. 12mm、外半徑m=2. 85mm。
選擇同樣的石英晶片制作另一個具有環(huán)狀電極結(jié)構(gòu)的QCM質(zhì)量傳感器，作為上述制作的QCM質(zhì)量傳感器的對比實施例(二者的區(qū)別僅僅在于上金屬電極，本發(fā)明在環(huán)狀電極中增加了一個同心的點電極，其余材料、尺寸等所有參數(shù)均相同，且對比實施例的環(huán)狀電極的上電極環(huán)的內(nèi)、外電極的半徑也相同)。按照上述規(guī)格參數(shù)設(shè)計的具有環(huán)狀電極結(jié)構(gòu)的QCM質(zhì)量傳感器和本發(fā)明設(shè)計的具有點-環(huán)電極結(jié)構(gòu)的QCM質(zhì)量傳感器的質(zhì)量靈敏度分布曲線如圖8所示。由圖8可以看出，具有環(huán)狀電極結(jié)構(gòu)的QCM質(zhì)量傳感器的質(zhì)量靈敏度分布曲線呈雙峰狀，雙峰之間質(zhì)量靈敏度的最大差值約為2. 5X IO11HzAg ;本發(fā)明提供的具有點-環(huán)電極結(jié)構(gòu)的QCM質(zhì)量傳感器的質(zhì)量靈敏度分布曲線呈三峰狀，三峰間質(zhì)量靈敏度的最大差值縮小到大約I. 25X10nHz/Kg。同時，從圖8中也可以看出，本發(fā)明提供的具有點-環(huán)電極結(jié)構(gòu)的QCM質(zhì)量傳感器，保證了較高的絕對質(zhì)量靈敏度。因此，本發(fā)明提供的具有點-環(huán)電極結(jié)構(gòu)的QCM質(zhì)量傳感器，在保證較高的絕對質(zhì)量靈敏度的前提下，質(zhì)量靈敏度分布曲線的不一致程度大約減小了一半，換句話說，本發(fā)明提供的具有點-環(huán)電極結(jié)構(gòu)的QCM質(zhì)量傳感器，其測量的重復(fù)性將大約提高一倍。
權(quán)利要求
1.一種石英晶體微天平質(zhì)量傳感器，包括圓形石英晶片(1)，所述圓形石英晶片(I)上下兩面分別具有上金屬電極(2)和下金屬電極(3)，經(jīng)過圓形石英晶片(I)幾何中心的法線與經(jīng)過上金屬電極(2)幾何中心的法線和經(jīng)過下金屬電極(3)幾何中心的法線三者保持重合；其特征在于，所述下金屬電極(3)為一半徑為m的圓電極；所述上金屬電極(2)為點-環(huán)狀電極，由一個環(huán)狀電極(21)和與環(huán)狀電極(21)同心的點電極(22)構(gòu)成；所述環(huán)狀電極(21)的內(nèi)半徑為η、外半徑為m,所述點電極(22)的半徑為g,且g〈n。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的石英晶體微天平質(zhì)量傳感器，其特征在于，所述上金屬電極(2)和下金屬電極(3)材料為金或鉻+金，厚度為10_7米。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的石英晶體微天平質(zhì)量傳感器，其特征在于，所述點電極(22)的半徑g在O.4毫米到I. 2毫米的范圍內(nèi)；所述環(huán)狀電極(21)的內(nèi)半徑η在I. 6毫米到3. 2毫米的范圍內(nèi)，外半徑m在2. 5毫米到5. O毫米的范圍內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I、2或3所述的石英晶體微天平質(zhì)量傳感器，其特征在于，所述石英晶片(I)的直徑在8. Omm到14. Omm的范圍內(nèi)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3或4所述的石英晶體微天平質(zhì)量傳感器，其特征在于，所述石英晶片(I)為AT切石英晶片，其切角范圍從35° I’到35° 12’。
6.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3或4所述的石英晶體微天平質(zhì)量傳感器，其特征在于，所述石英晶體微天平質(zhì)量傳感器的稱頻率為5MHz、IOMHz或11MHz，工作泛音次數(shù)為基頻、3次泛音或5次泛音。
全文摘要
為了提高QCM質(zhì)量傳感器質(zhì)量靈敏度的均勻性，本發(fā)明提供具有一種不對稱電極結(jié)構(gòu)的QCM質(zhì)量傳感器，屬于電子技術(shù)領(lǐng)域。包括圓形石英晶片和分別位于圓形石英晶片上下兩面的金屬電極，其中下金屬電極為一半徑為m的圓電極，上金屬電極為點-環(huán)狀電極，由一個環(huán)狀電極(內(nèi)半徑為n、外半徑為m)和與環(huán)狀電極同心的點電極(半徑為g)構(gòu)成，且g<n。本發(fā)明對現(xiàn)有具有環(huán)狀電極結(jié)構(gòu)的QCM質(zhì)量傳感器的上金屬電極進行改進，通過在環(huán)狀電極中增加一個較小的點電極，將QCM質(zhì)量傳感器的質(zhì)量靈敏度分布曲線由雙峰型改進成三峰型，在保證了較高的絕對質(zhì)量靈敏度基礎(chǔ)上，提高了QCM質(zhì)量傳感器的質(zhì)量靈敏度分布的均勻性，進而提高其測量結(jié)果的重復(fù)性。
文檔編號G01N5/02GK102967522SQ20121046048
公開日2013年3月13日 申請日期2012年11月15日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月15日
發(fā)明者黃顯核, 付瑋 申請人:電子科技大學(xué)