[发明专利]石英晶体微天平质量传感器

说明书

技术领域

本发明属于电子技术领域，涉及石英晶体微天平（Quartz Crystal Mircrobalance，QCM），尤其是QCM质量传感器。

背景技术

石英晶体微天平（Quartz Crystal Mircrobalance，QCM）是一种在20世纪60年代兴起的新型的微小质量检测仪器，其核心部件是QCM质量传感器。QCM质量传感器是一种非常灵敏的质量传感器，它的质量测定可以精确到纳克级，已经在物理、化学、生物、医学等学科的检测问题中得到了应用。在一定的外界条件下，当石英晶振表面吸附其它物质时，根据石英振子的频率变化与晶体表面的所附物质质量变化成正比的这一原理，石英晶振的谐振频率将会随着吸附物质质量的大小而改变。QCM质量传感器其实就是具有上下电极结构的石英晶体谐振器。石英晶体谐振器因为压电效应会在外界激励下以它的谐振频率振荡，QCM质量传感器就是利用石英晶体谐振器这一特性，在石英晶体谐振器电极表面吸附一层待测物质，把待测物质的质量信号转化为频率信号进行检测的。QCM具有很高的灵敏度、优良的选择性、所需成本低廉，而且测试装置简单、易于实现现场连续检测等众多优点，所以受到了世界各国科学家的高度重视，它已经广泛应用于质量、密度、浓度等的检测领域。

然而，QCM在应用中存在一个显著问题：测量结果的重复性很低。为获得较高重复性的测量结果，人们提出了许多QCM使用时的注意事项，如使被测样品均匀刚性的分布于QCM的整个电极表面，能够实现样品均匀刚性的分布的方法主要有真空镀膜、电镀等，操作过程不仅繁琐而且效率很低。

目前，人们已认识到，QCM质量传感器质量灵敏度分布曲线的不一致是造成其测量结果重复性低的主要原因。理论和实践都已证明，常规如图1示的具有圆电极结构（m-m型）的QCM质量传感器，其质量灵敏度分布曲线为如图2所示的钟罩型（或高斯型），这就产生了QCM质量传感器质量灵敏度分布曲线的不一致，带来了测量结果重复性低的问题。

为了获得质量灵敏度分布均匀的QCM质量传感器，研究人员对QCM质量传感器的电极结构进行了该进，如设计出了不对称的圆形n-m型电极、椭圆形电极等，但这都不能解决由于QCM质量传感器质量灵敏度分布曲线的不一致所带来的测量结果重复性低的问题。

有国外研究者提出了具有一种不对称电极结构的QCM质量传感器，如图3、4所示，其上电极是一种圆环形电极（圆环电极内半径为n，外半径为m），其下电极仍然是一个外半径为m的圆形电极。具有这种电极结构的QCM质量传感器，其质量灵敏度分布曲线为双峰形，双峰间的凹陷是明显的，如果能够将凹陷补平，则可获得局部均匀的质量灵敏度分布。为将双峰间的凹陷补平，科学家们做了很多探讨。1996年，Youbok Lee等人发现，可以通过减小电极质量负载因数，使双峰间的凹陷减小（Y.Lee,F.Josse,“Radial dependence of mass sensitivity formodified-electrode quartz resonators”,Proc.IEEE Ultrason.Symp,vol.1,pp.321-325,1996.），其提供的质量灵敏度分布曲线如图5所示。可见在谐振器镀回频率极小时,其质量灵敏度分布曲线有趋于一致的趋势，但绝对质量灵敏度峰值却有所下降（即分辨率降低），尤其其致命的不足是：由于R值太小（即晶片的镀回频率太小），只有通过减小电极厚度的方法来减小电极质量负载因数，然而，即使电极薄至超过所能实现的工艺极限，双峰间的凹陷仍然比较明显。可见，通过减小电极的厚度将双峰间的凹陷补平，这在实际中是不可行的。

发明内容

为了提高QCM质量传感器质量灵敏度的均匀性，本发明提供具有一种不对称电极结构的QCM质量传感器，该QCM质量传感器可在基本不降低绝对质量灵敏度的基础上,提高质量灵敏度的均匀性，从而提高QCM测量结果的重复性，达到提高QCM测量精度的目的。

本发明技术方案如下：

石英晶体微天平质量传感器，如图6、7所示，包括圆形石英晶片1，所述圆形石英晶片1上下两面分别具有上金属电极2和下金属电极3。经过圆形石英晶片1几何中心的法线与经过上金属电极2几何中心的法线和经过下金属电极3几何中心的法线三者保持重合。所述下金属电极3为一半径为m的圆电极。所述上金属电极2为一双环状电极，由一个内环状电极21和与内环状电极21同心的外环状电极22构成。所述内环状电极21的内半径为s、外半径为t，所述外环状电极22的内半径为n、外半径为m，且t<n。