[发明专利]一种质量灵敏度均一的石英晶体微天平质量传感器

说明书

为提高QCM质量灵敏度的均匀性，本发明提供一种不对称电极结构的QCM传感器，属电子技术领域。它包括圆形石英晶片(1)，其上下两面分别具有金属电极(2)和(3)，且上下电极几何中心法线与圆形晶片几何中心法线三者重合；其特征在于，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)为一环状电极，此环状电极的内半径为n、外半径为m，并且n大约等于(0.3～0.7)*m；同时金电极的厚度大约为(0.3～0.7)*10^‑7米左右；且此m值与工作频率有关，对10MHz的基频QCM，m值大约为1.5～3.0毫米之间，而对5MHz的基频QCM，m值大约为3.0～6.0毫米之间。满足这三个条件下可近似得到均一分布的质量灵敏度分布，提高QCM质量灵敏度分布的均匀性，进而提高其测量结果的重复性。

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 CrystalMircrobalance，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、农业和工程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、沾度、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。