[发明专利]一种高品质因数高质量灵敏度的QCM传感器

说明书

技术领域

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

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。

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 Z.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。

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.Minemura,“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 PJ,Hodson OM,Quinn JF,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 Recognit,2012,25(9):451-473；S.K.Vashist,P.Vashist.Recent Advances in Quartz Crystal Microbalance–Based Sensors[J].Journal of Sensors,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)。

图1所示为传统QCM传感器的结构图，其中(A)为俯视图，(B)为截面图。如图1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。

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。

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。