[发明专利]直接在空气中检测空气传播的分析物的自励自感式压电悬臂传感器

说明书

相关申请的相互引用

本申请要求于2007年1月23日提交的、名称为“Self-Exciting，Self-Sensing Piezoelectric Cantilever Sensor”的美国申请No.11/625,919的优先权，其通过引用全部并入这里。美国申请11/625,919要求于2006年1月23日提交的名称为“PIEZOELECTRIC CANTILEVER SENSORS，”的美国临时专利申请No.60/761,172和于2006年7月11日提交的名称为“PIEZOELECTRIC CANTILEVER SENSORS，”的美国临时专利申请No.60/807,020的优先权，这两件临时专利申请均通过引用全部并入这里。本申请还要求于2006年5月10日提交的名称为“Detection of AirbornePathogens Directly in Air，”的美国临时专利申请No.60/746,951的优先权，其通过引用全部并入这里。

技术领域

本技术领域一般地涉及传感器，并且更具体地说，涉及压电悬臂传感器并且涉及利用压电悬臂传感器检测和测量分析物。

背景技术

悬臂传感器根据传感器的尺寸可大体上分为两种类型：微悬臂和大悬臂。微悬臂传感器能够在静态(弯曲)模式和动态(共振)模式中使用。在静态模式中，测量悬臂的臂的形变以确定是否存在分析物(被分析的物质)。在动态模式中，测量共振频率以确定是否存在分析物。大悬臂传感器通常不在静态模式中使用因为悬臂的臂的弯曲常常是受限的。大悬臂传感器能够在液体浸渍条件或者在气体或真空中使用。通常，悬臂传感器在气体/真空中使用时与在液体中使用时相比可达到更高的灵敏度。液体阻尼趋于不利地影响灵敏度。然而，在液体介质中测量分析物具有许多实际应用。

一种类型的已知的微悬臂传感器是硅基微悬臂传感器。典型硅基硅基微悬臂传感器包括用作共振器的微悬臂。微悬臂通过位于微悬臂底部的外部致动器驱动以在共振器中产生振动。通常，通过外部光学检测器检测振动。典型的硅基硅基微悬臂的一个缺点是检测需要复杂的外部光学组件。此外，光学检测意味着将微悬臂传感器的应用不利地限制到光学上清洁的样品。另一个缺点是由于外部致动器而给传感器增加的重量和复杂度。再一个缺点是外部致动器只能位于微悬臂的底部，这限制了其在驱动悬臂的振动时的效率。硅基硅基微悬臂传感器的又一个缺点在于它们在机械上是易碎的。因此，硅基硅基微悬臂传感器不能在高液体流速的环境中使用。此外，典型的硅基微悬臂传感器在液体介质中由于粘性阻尼而损失检测灵敏度。

另一种类型的已知的悬臂传感器是石英基压电悬臂传感器。石英具有弱压电性，因此，与硅基悬臂传感器非常类似，石英基压电悬臂传感器在液体介质中由于粘性阻尼而损失检测灵敏度。此外，石英基传感器的检测灵敏度受到传感器平面几何形状的限制。

已知常规的压电悬臂用在压电层的部分或者整个表面之上附接到非压电层的压电层制造的。在一些传统的压电悬臂中，压电层在一端被固定使得当压电材料受到激励时，非压电层弯曲以适应压电材料中引起的应变。当激励的频率与下面的机械结构的固有频率相同时，发生共振。已知这种类型的压电悬臂传感器在毫米尺寸下以低于约100kHz的频率运行。目前，仅通过使悬臂传感器非常短(长度小于1.0mm)、非常窄(宽度小于0.1mm)、且非常薄(厚度小于100微米)而获得更高的频率。然而，减小悬臂传感器的尺寸、特别是宽度，从而，使得悬臂传感器在液体介质中由于粘性阻尼而降低了可使用性。阻尼与悬臂宽度的平方反向地增加。

最新的生物传感技术依赖于荧光、激光、基于光纤的方法、石英晶体微天平技术、电化学酶免疫测定、和/或结合到金属颗粒。这些技术中的大多数既不直接又不是定量的。这些技术中的许多还非常慢。此外，大多数前述技术不适合于测量质量的变化，而质量的变化可提供测量各种不同参数的方便的方式。