一种高品质因数高质量灵敏度的qcm传感器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于压电传感器技术领域，更为具体地讲，涉及一种高品质因数高质量灵 敏度的QCM传感器，可以应用于化学、材料、生物以及物理等领域。
【背景技术】
[0002] QCM传感器，也叫石英晶体微天平，是一种工作于厚度剪切模式的压电石英晶体材 料制成的感知器件。它对质量变化非常敏感，通常用来检测微小的质量变化，可以实现纳克 量级的质量检测。
[0003] Sauerbrey G于1959年发现QCM传感器的频率变化与其面吸附的质量成线性变化 关系（Sauerbrey G ;Verwendung von schwingquarzen zur w __ agung d __ unner schichten und zur mikrow，agung Ζ· Phys. No. 155, 1959, 206 - 222)，这一发现使得 QCM传感器在微质 量感知领域得到广泛应用。
[0004] 事实上，QCM传感器不只是在气相环境用来检测微小的质量变化，还可以进行生 物化学相关的其他检测。上世纪80年代，Nomura团队实验证明了 QCM在液相中也可以正 常工作（见论文：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.)，这一发现 大大地拓展了 QCM的应用空间，尤其是在分析化学及生物医学领域得到广泛应用。最近 几十年来，QCM传感在气相或者液相环境用于薄膜厚度及密度检测及杨氏模量检测、分析 化学、聚合物、生物医学等领域的分析得到了广泛的应用，并且逐渐呈上升趋势。（详情见 参考文献：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 ;陈 令新，关亚风，杨丙成.压电晶体传感器的研究进展.化学进展。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，付龙，黄沫等.石英晶体微天平的新进展.中国科 学：化学.2011，41 (11) : 1679-1698)。
[0005] 图1所示为传统QCM传感器的结构图，其中（A)为俯视图，⑶为截面图。如图I 所示，传统QCM传感器为上下两个电极2、3中间夹着一个双面为平面的压电石英晶片即谐 振底板1的三明治结构。由于压电效应和反压电效应的存在，在QCM传感器两面的电极上 施加合适的激励信号，QCM传感器会发生谐振并输出稳定的频率信号。
[0006] 传统的QCM传感器一般都是采用双平面结构，但是这种结构的QCM传感器还存在 一定的缺陷和不足，主要表现为传感器的质量灵敏度与其谐振底板的厚度成反方向变化关 系。也就是说，QCM传感器的质量灵敏度越高，其谐振底板的厚度越薄。而谐振底板的厚度 越薄，其有效谐振区域的质量越小，导致传感器的品质因素越小，影响了 QCM传感器的频率 稳定度，从而影响测试精度。
[0007] 图2是传统圆QCM传感器的质量灵敏度分布曲线。如图2所示，传统QCM传感器 其质量灵敏度分布不均匀，且大多数区域质量灵敏度偏低。
[0008] 另外，在某些特定场合，由于测试样品极其昂贵或者对人体有害，不可能使用较多 的样品量。传统QCM传感器的质量灵敏度不够高而不能满足这样的测试场合需求，此时就 需要一种高品质因数高质量灵敏度的QCM传感器。
【发明内容】
[0009] 本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种高品质因数高质量灵敏度的 QCM传感器，以同时满足较高的质量灵敏度以及较高品质因数的使用要求。
[0010] 为实现上述发明目的，本发明高品质因数高质量灵敏度的QCM传感器，包括谐振 底板以及位于谐振底板上下表面的上下金属电极，其特征在于：
[0011] 所述的谐振底板底侧为平面，谐振底板上侧为反台式圆形凹槽结构，包括圆形凹 槽以及圆环状平台，圆形凹槽位于谐振底板上侧的几何中心位置，圆环状平台位于圆形凹 槽外围，其高度与圆环凹槽外边沿高度相等；
[0012] 上金属电极包括覆盖在圆环状平台表面的圆环状电极以及圆形凹槽表面覆盖的 圆形电极，圆环状电极以及圆形电极通过金属导体连通；下金属电极为一圆形电极，覆盖在 谐振底板几何中心位置。
[0013] 本发明的目的是这样实现的。
[0014] 本发明高品质因数高质量灵敏度的QCM传感器，采用一种单面带有反台式圆形凹 槽的谐振底板，通过增加谐振底板圆形凹槽外围区域（圆环状平台）的质量，同时上金属电 极的布局即包括覆盖在圆环状平台表面的圆环状电极以及圆形凹槽表面覆盖的圆形电极， 圆环状电极以及圆形电极通过金属导体连通，达到改善能陷效应和能量集中效应，进而提 高QCM传感器的品质因数。同时，这样可以通过减小部分有效谐振区域的厚度，达到提高 QCM传感器质量灵敏度的目的。
【附图说明】
[0015] 图1是传统QCM传感器的结构图；
[0016] 图2是传统QCM传感器的质量灵敏度分布曲线图；
[0017] 图3是本发明高品质因数高质量灵敏度的QCM传感器一种【具体实施方式】结构图；
[0018] 图4是图3所示QCM传感器沿圆心的截面剖视图；
[0019] 图5是本发明高品质因数高质量灵敏度的QCM传感器质量灵敏度分布曲线图。
【具体实施方式】
[0020] 下面结合附图对本发明的【具体实施方式】进行描述，以便本领域的技术人员更好地 理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许 会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
[0021] QCM传感器对质量非常敏感，多用于微量微痕以及生化领域的检测。1959年， Saurebrey发现QCM传感器的频率变化与其表面的微小质量变化成线性关系并给出了显性 表达式，被命名为Saurebrey方程。
[0022] 根据Saurebrey方程，QCM传感器的质量灵敏度可用公式（1)和（2)表示：
【主权项】
1. 一种高品质因数高质量灵敏度的QCM传感器，包括：谐振底板以及位于谐振底板表 面的上下金属电极，其特征在于： 所述的谐振底板底侧为平面，谐振底板上侧为反台式圆形凹槽结构，包括圆形凹槽以 及圆环状平台，圆形凹槽位于谐振底板上侧的几何中心位置，圆环状平台位于圆形凹槽外 围，其高度与圆环凹槽外边沿高度相等； 上金属电极包括覆盖在圆环状平台表面的圆环状电极以及圆形凹槽表面覆盖的圆形 电极，圆环状电极以及圆形电极通过金属导体连通；下金属电极为一圆形电极，覆盖在谐振 底板几何中心位置。
2. 根据权利要求1所述的QCM传感器，其特征在于，所述的圆形凹槽从外边沿到内侧底 面高度逐步减少，最后形成平底圆形凹槽，其平底圆形区域为谐振区域。
3. 根据权利要求1所述的QCM传感器，其特征在于，所述的上金属电极包括圆环状电极 和圆形凹槽表明覆盖的圆形电极，电极材料为金、银或者铬+金（为了增加金在谐振底板的 吸附力，首先以金属铬为基层，在铬层的上面再镀一层金）。
【专利摘要】本发明公开了一种高品质因数高质量灵敏度的QCM传感器，采用一种单面带有反台式圆形凹槽的谐振底板，通过增加谐振底板圆形凹槽外围区域(圆环状平台)的质量，同时上金属电极的布局即包括覆盖在圆环状平台表面的圆环状电极以及圆形凹槽表面覆盖的圆形电极，圆环状电极以及圆形电极通过金属导体连通，达到改善能陷效应和能量集中效应，进而提高QCM传感器的品质因数。同时，这样可以通过减小部分有效谐振区域的厚度，达到提高QCM传感器质量灵敏度的目的。
【IPC分类】G01N5-02
【公开号】CN104807717
【申请号】CN201510237773
【发明人】谭峰, 邱渡裕, 叶芃, 黄武煌, 曾浩, 蒋俊, 郭连平, 赵勇, 潘卉青
【申请人】电子科技大学
【公开日】2015年7月29日
【申请日】2015年5月11日