CN104061987A - 一种声场和磁场耦合式高灵敏度的质量称重传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种声场和磁场耦合式高灵敏度的质量称重传感器，包括封装好的质量称重传感器，质量称重传感器的内部设有石英振荡电路，石英振荡电路的两个电极分别设置在质量称重传感器顶部的石英传感器晶片的上下两面，在石英传感器晶片的上表面和下表面分别镀有一层铬镀层，在铬镀层的表面上镀有一层金镀层，在传感器晶片的上表面上的金镀层的表面上镀有表面敏感镀层，质量称重传感器的内部还设有磁性装置，磁性装置位于所述石英传感器晶片的正下方。本发明可运用在测量酸碱性、铁磁颗粒浓度、用于制作声波传感器等多方面，较之传统的质量称重传感器，具有较高的灵敏度，而且结构简单，使用方便。

Description

一种声场和磁场耦合式高灵敏度的质量称重传感器
技术领域
本发明涉及一种声场和磁场耦合式高灵敏度的质量称重传感器，属于质量称重传感器领域。
背景技术
石英晶体微天平(QCM)最基本的原理是利用了石英晶体的压电效应：石英晶体内部每个晶格在不受外力作用时呈正六边形，若在晶片的两侧施加机械压力，会使晶格的电荷中心发生偏移而极化，则在晶片相应的方向上将产生电场；反之，若在石英晶体的两个电极上加一电场，晶片就会产生机械变形，这种物理现象称为压电效应。如果在晶片的两极上加交变电压，晶片就会产生机械振动，同时晶片的机械振动又会产生交变电场。在一般情况下，晶片机械振动的振幅和交变电场的振幅非常微小，但当外加交变电压的频率为某一特定值时，振幅明显加大，这种现象称为压电谐振。它其实与LC回路的谐振现象十分相似：当晶体不振动时，可把它看成一个平板电容器称为静电电容C，一般约几个PF到几十PF；当晶体振荡时，机械振动的惯性可用电感L来等效，一般L的值为几十mH到几百mH。由此就构成了石英晶体微天平的振荡器，电路的振荡频率等于石英晶体振荡片的谐振频率，再通过主机将测得的谐振频率转化为电信号输出。由于晶片本身的谐振频率基本上只与晶片的切割方式、几何形状、尺寸有关，而且可以做得精确，因此利用石英谐振器组成的振荡电路可获得很高的频率稳定度。
1959年Sauerbrey在假定外加持量均匀刚性地附着于QCM的金电极表面的条件下，得出了QCM的谐振频率变化与外加质量成正比的结论。对于刚性沉积物，晶体振荡频率变化△F正比于工作电极上沉积物的质量改变△M。通过这一关系式可得到QCM电极表面的质量变化。
QCM主要由石英晶体传感器、信号检测和数据处理等部分组成。石英晶体传感器的基本构成大致是：从一块石英晶体上沿着与石英晶体主光轴成35°15'切割(AT—CUT)得到石英晶体振荡片，在它的两个对应面上涂敷银层作为电极，石英晶体夹在两片电极中间形成三明治结构。在每个电极上各焊一根引线接到管脚上，再加上封装外壳就构成了石英晶体谐振器，其产品一般用金属外壳封装，也有用玻璃壳、陶瓷或塑料封装的。
石英称重天平的灵敏度是从Sauerbrey方程得来，石英振荡天平频率变化值△F和质量变化值△M有如下的关系：△F＝Cf〃△M，其中△F为石英天平观察到的称重物质前后频率变化值，△M为石英天平观察到的称重物质前后质量变化值，Cf为石英天平称量物质质量时的恒定系数。从上述公式上看，QCM的灵敏度是由Cf决定的。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种声场和磁场耦合式高灵敏度的质量称重传感器，该质量称重传感器较之上述Sauerbrey公式有更高的灵敏度。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种高灵敏度的声场和磁场耦合式质量称重传感器，包括封装好的质量称重传感器，所述质量称重传感器的内部设有石英振荡电路，所述石英振荡电路的两个电极分别设置在所述质量称重传感器顶部的石英传感器晶片上下两面，在所述石英传感器晶片的上表面和下表面分别镀有一层铬镀层，在所述铬镀层的表面上镀有一层金镀层，所述质量称重传感器的内部还设有磁性装置，所述磁性装置位于所述石英传感器晶片的正下方。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，在所述传感器晶片的上表面上的金镀层的表面上镀有表面敏感镀层。
进一步，所述表面敏感镀层为铁磁镀层或铁磁颗粒，由金属单质、金属合金或有机磁性材料制成。
进一步，所述金属单质为铁、钴或镍。
进一步，所述金属合金为铁合金、钴合金或镍合金。
进一步，所述金属合金为AlNiCo或NdFeB。
进一步，所述磁性装置为永磁铁或电磁铁。
本发明的有益效果是：较之传统的质量称重传感器，具有较高的灵敏度，而且结构简单，使用方便。
本发明的高灵敏度质量称重传感器内部设有磁性装置，在QCM的一个电极(石英传感器晶片)上镀有一层表面敏感镀层，该质量称重传感器电上极的镀层为表面敏感镀层/金/铬/石英基底/铬/金，当表面敏感镀层与溶液发生反应，表面敏感镀层将会从QCM传感器表面消失，从Sauerbrey方程看，表面敏感镀层被侵蚀后，QCM频率会提高。但是，当在QCM的另外一个电极使用磁性装置时，由于表面敏感镀层与磁性装置之间的磁力会发生变化，对QCM石英晶片产生的形变远远大于表面敏感镀层质量对QCM的形变影响，从而提高质量称重传感器的灵敏度。当磁性装置和表面敏感镀层的距离减少时，磁力会增加很多，这样就可以进一步增加该质量称重传感器的灵敏度。
本发明的高灵敏度质量称重传感器可运用在多方面，包括测量酸碱性、铁磁颗粒浓度、用于制作声波传感器等方面。
所述高灵敏度的质量称重传感器在测量酸液酸性时，表面敏感镀层需要是能与H+发生反应的铁磁镀层或铁磁颗粒，可以是金属单质(铁、钴、镍等)或金属合金(铁合金、钴合金、镍合金等)，优选的是铁或铁合金。
所述高灵敏度的质量称重传感器在测量碱液碱性时，表面敏感镀层需要是能与OH-发生反应的铁磁镀层或铁磁颗粒，优选的是AlNiCo，也可以是铁磁层及其下面的Zn、Al镀层。
当QCM传感器的背面放置磁性装置时，本发明的高灵敏度质量称重传感器也可以作为铁磁颗粒传感器。当铁磁颗粒被磁性装置吸引到QCM表面时，QCM传感器的频率不会下降，反而会因为铁磁力对晶片造成的形变而上升。磁性装置放置的位置与铁磁颗粒的距离越近，此传感器的灵明度越高。
当使用更高频率的QCM时，因为高频QCM比低频QCM更薄，相同的铁磁颗粒和磁性装置之间的磁力会对薄的QCM晶片产生更大的形变。与上面讲过的相同原理，当磁性装置和铁磁颗粒距离更近时，磁力对晶片会产生更大的形变和频率变化。
有些声波传感器比如声表面波，它的电极只在传感器石英基底的一侧。当使用这类传感器时，传感器的表面敏感镀层可以在声表面波石英基底的另外一侧。有声表面波电极的一侧是封装在传感器内部。磁铁也是封装在传感器内部。这样的声表面波传感器同样可以具备更高的灵敏度。
附图说明
图1为本发明高灵敏度质量称重传感器的结构示意图；
图2为图1中A的局部放大图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、质量称重传感器，2、石英传感器晶片，3、磁性装置，4、铬镀层，5、金镀层，6、表面敏感镀层。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1和图2所示，一种高灵敏度的声场和磁场耦合式质量称重传感器，包括封装好的质量称重传感器1，所述质量称重传感器的内部设有石英振荡电路，所述石英振荡电路的两个电极分别设置在所述质量称重传感器1顶部的石英传感器晶片2上下两面，其特征在于，在所述石英传感器晶片2的上表面和下表面分别镀有一层铬镀层4，在所述铬镀层4的表面上镀有一层金镀层5，所述质量称重传感器的内部还设有磁性装置3，所述磁性装置3位于所述石英传感器晶片2的正下方。
在所述传感器晶片2的上表面上的金镀层5的表面上镀有表面敏感镀层6。
所述表面敏感镀层6为铁磁镀层或铁磁颗粒，由金属单质、金属合金或有机磁性材料制成。
所述金属单质为铁、钴或镍。
所述金属合金为铁合金、钴合金或镍合金。
所述金属合金为AlNiCo或NdFeB。
所述磁性装置3为永磁铁或电磁铁。
本发明的高灵敏度质量称重传感器内部设有磁性装置3，在QCM的一个电极(石英传感器晶片2)上镀有一层表面敏感镀层6，该质量称重传感器电上极的镀层为表面敏感镀层/金/铬/石英基底/铬/金，当表面敏感镀层6与溶液发生反应，表面敏感镀层6将会从QCM传感器表面消失，从Sauerbrey方程看，表面敏感镀层6被侵蚀后，QCM频率会提高。但是，当在QCM的另外一个电极使用磁性装置3时，由于表面敏感镀层6与磁性装置3之间的磁力会发生变化，对QCM石英晶片产生的形变远远大于表面敏感镀层6质量对QCM的形变影响，从而提高质量称重传感器的灵敏度。当磁性装置3和表面敏感镀层6的距离减少时，磁力会增加很多，这样就可以进一步增加该质量称重传感器的灵敏度。
本发明的高灵敏度质量称重传感器可运用在多方面，包括测量酸碱性、铁磁颗粒浓度、用于制作声波传感器等方面，以下具体举例说明。
实施例1
本发明声场和磁场耦合式高灵敏度的质量称重传感器在测量酸液酸性时，表面敏感镀层需要是能与H+发生反应的铁磁镀层或铁磁颗粒，可以选择镀铁或铁合金，而磁性装置则可以选择为磁铁。当电极和酸接触时，铁的镀层将会从QCM传感器表面消失。从Sauerbrey方程看，铁层被侵蚀后，QCM的频率会提高。但是当在QCM的另外一边电极使用磁铁时，由于磁铁和铁的镀层之间的磁力对QCM石英晶片产生的形变远远大于铁的镀层质量对QCM的形变影响，当铁层被侵蚀掉，频率没有提高，反而会降低。由于磁铁和铁的镀层之间的磁力对QCM石英晶片产生的形变远远大于铁的镀层质量对QCM的形变影响。这是因为磁力对石英晶片产生的晶片的形变会导致更大的石英晶片的形变。当磁铁和镀铁层的距离减少时，磁力会增加很多，这样就可以增加该类传感器的灵敏度。
实施例2
本发明声场和磁场耦合式高灵敏度的质量称重传感器在测量碱液碱性时，表面敏感镀层需要是能与OH-发生反应的铁磁镀层或铁磁颗粒，可以选择AlNiCo。与检测酸液中酸性类似，当敏感镀层是对酸敏感的铁时，这就是一个高灵敏度的QCM酸传感器。当传感器的表面敏感镀层是AlNiCo之类的磁性材料，并且该材料与碱发生反应，这就是一种高灵敏度的碱性传感器。
实施例3
将磁性装置放置到QCM传感器的背面，也可以作为铁磁颗粒传感器。当铁磁颗粒被磁性装置吸引到QCM表面时，QCM传感器的频率不会下降，反而会因为铁磁力对晶片造成的形变而上升。磁性装置放置的位置与铁磁颗粒的距离越近，此传感器的灵明度越高。
当使用更高频率的QCM时，因为高频QCM比低频QCM更薄，相同的铁磁颗粒和磁性装置之间的磁力会对薄的QCM晶片产生更大的形变。与上面讲过的相同原理，当磁性装置和铁磁颗粒距离更近时，磁力对晶片会产生更大的形变和频率变化。
实施例4
本发明声场和磁场耦合式高灵敏度的质量称重传感器可以用于制作声波传感器，比如声表面波传感器。声表面波传感器的电极只在传感器石英基底的一侧，当运用本发明的这类传感器时，传感器的表面敏感镀层可以在声表面波石英基底的另外一侧。有声表面波电极的一侧是封装在传感器内部。磁铁也是封装在传感器内部。这样的声表面波传感器同样可以具备更高的灵敏度。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种高灵敏度的声场和磁场耦合式质量称重传感器，包括封装好的质量称重传感器(1)，所述质量称重传感器的内部设有石英振荡电路，所述石英振荡电路的两个电极分别设置在所述质量称重传感器(1)顶部的石英传感器晶片(2)上下两面，其特征在于，在所述石英传感器晶片(2)的上表面和下表面分别镀有一层铬镀层(4)，在所述铬镀层(4)的表面上镀有一层金镀层(5)，所述质量称重传感器的内部还设有磁性装置(3)，所述磁性装置(3)位于所述石英传感器晶片(2)的正下方。
2.根据权利要求1所述声场和磁场耦合式高灵敏度的质量称重传感器，其特征在于，在所述传感器晶片(2)的上表面上的金镀层(5)的表面上镀有表面敏感镀层(6)。
3.根据权利要求2所述声场和磁场耦合式高灵敏度的质量称重传感器，其特征在于，所述表面敏感镀层(6)为铁磁镀层或铁磁颗粒，由金属单质、金属合金或有机磁性材料制成。
4.根据权利要求3所述声场和磁场耦合式高灵敏度的质量称重传感器，其特征在于，所述金属单质为铁、钴或镍。
5.根据权利要求3所述声场和磁场耦合式高灵敏度的质量称重传感器，其特征在于，所述金属合金为铁合金、钴合金或镍合金。
6.根据权利要求3所述声场和磁场耦合式高灵敏度的质量称重传感器，其特征在于，所述金属合金为AlNiCo或NdFeB。
7.根据权利要求1至6任一项所述声场和磁场耦合式高灵敏度的质量称重传感器，其特征在于，所述磁性装置(3)为永磁铁或电磁铁。
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