TWI422819B - 擬側場激發聲波之感測電極組、感測元件及其感測裝置 - Google Patents

Description

擬側場激發聲波之感測電極組、感測元件及其感測裝置

本發明係關於一種擬側場激發聲波之感測電極組、感測元件及其感測裝置，尤指一種在側場激發(Lateral Field Excited,以下簡稱LFE)聲波感測器上增設有浮動電極，而形成一擬側向電場(Pseudo Lateral Field)者。

當今資訊發達的時代，對於產品短小輕薄且具智慧型的需求與日俱增，於眾多感測器中，石英晶體振盪器無論在尺寸、靈敏度以及在溫度的適應性都是人們所認可的，而石英晶體振盪器，又可分為傳統的石英晶體微量天平(Quartz Crystal Microbalance,以下簡稱QCM)及側場激發(Lateral Field Excited,以下簡稱LFE)聲波感測器。過去QCM常用於量測甘油黏度或其他待測液體密度，但因其元件為縱向式電場，使得電場均被固定於石英感測元件之上下金屬電極中，電場無法穿透下電極或是其他介質，因此只能量測物體的機械性質，於電性質皆不能量測討論。

為了使石英感測器更具實用性而發展出橫向式電場LFE，因電極位於同一電極面，使電場得以偏轉穿透待測物，並量測待測物之電性質以增加感測介質種類和量測環境，而此兩種感測器之感測電極及電場方向如圖1及圖2所示，由QCM之縱向電場之電極配置改良成位於同一參考面LFE側向電場之電極配置，對於電極製程方面較於簡便，且LFE除了量測介質機械性質外也可以量測與電性相關的性質，如介電常數以及導電度。

上述兩種石英晶體振盪器不是無法量測待測物的電性變化，就是無法於空氣中激振，因此有改良之必要性。

因此，本發明之一目的係在提供一種擬側場激發聲波之感測電極組，其中負責傳遞交流電訊號之參考電極對係佈設於含壓電材料之基材的同一表面，因此屬於側場激發型式，而另一感測電極則鍍於含壓電材料之基材的另一表面，且不接訊號，而為浮動(floating)電極，藉此使得壓電晶片裡的電場不完全平行於表面，仍有垂直表面的分量，而形成一擬側向電場(Pseudo Lateral Field)，藉此設計而成的感測電極組，可增加其激振效果，改善習知聲波振盪器的缺點，達成穩定振盪與感測外載電性變化。

本發明之另一目的係在提供一種擬側場激發聲波之感測元件，俾能達到減少基材成本、元件尺寸及增加適用環境，並能覆上各種氣體感測膜，得到最佳之量測元件。

本發明之又一目的係在提供一種擬側場激發聲波之感測裝置，由於其使用之感測元件具有靈敏度及可靠度高，體積輕巧以及低廉的價格等優勢，故可廣泛用於偵測空氣粒子的氣體感測器與檢測水溶液的液體感測器。

為達成上述目的，本發明之一方面提供一種擬側場激發聲波之感測電極組，可與交流電源連接，該擬側場激發聲波之感測電極組包括：一基材，其係具有第一表面以及第二表面，基材包含有壓電材料；一參考電極對，包含間隔排列於第一表面的至少為兩個的複數參考電極；以及一感測電極，設於該第二表面；藉以當參考電極對與交流電源電性相接時，於參考電極對間形成側向交流電場，側向交流電場係與第一表面或第二表面平行，交流電源並於感測電極提供懸浮電位，以使側向交流電場具有垂直於第一表面或該第二表面之分量電場。

上述之壓電材料可以為任何已為人所熟知的壓電材料，舉例來說，於一實施例中，壓電材料為石英晶體。於一具體實施例中，石英晶體為AT-cut石英晶體。

上述之感測電極組，進一步包含有一金屬層，設於基材之第一表面、第二表面或兩者，藉由以增加基材與參考電極對及/或感測電極間之附著力。金屬層可以為能增加基材與參考電極對及/或感測電極間之附著力的各種金屬層，例如，當參考電極對與感測電極使用鋁電極時，金屬層可以為鉻金屬層。

上述之感測電極組，感測電極之形狀選自於由半圓形、三角形、半橢圓形、四方形、五邊形、六邊形、七邊形、八邊形所組成之群，但不僅限於此。參考電極對之形狀選自於由半圓形、環形、三角形、半橢圓形、四方形、五邊形、六邊形、七邊形、八邊形、鏤空形、缺口形所組成之群，但不僅限於此。

上述之感測電極組，可進一步包含有設於基材之第二表面的感測膜，可視情況使用不同種類的化學感測膜，以吸附氣體或液體中的微量待測分子，進行各種環境或生化感測。於一實施例中，感測膜可為一PIB感測膜，可用於偵測氣體粒子。

本發明之另一方面提供一種擬側場激發聲波之感測元件，其包含：一印刷電路板；一導線接頭，設於該印刷電路板；上述之感測電極組；以及一定位件，其具有一連接部以及一定位部，其中連接部設於印刷電路板，而定位部供感測電極組放置並加以固定。

上述之感測元件，其中該定位件係為一夾具，可以使用夾具之定位部夾持固定感測電極組，而夾具之連接部固定於印刷電路板，確保感測電極組中基材振盪之穩定性。

上述之感測元件，可進一步包含有固定塊，其係設有對應該印刷電路板之溝槽，用以供該印刷電路板設置於其中，以輔助固定感測電極組，避免造成基材本身振盪時之振動干擾，進而影響到振盪頻率之穩定性。

上述之感測元件，其中該導線接頭係為一高頻接頭，用以傳輸交流電源。

本發明之又一方面提供一種擬側場激發聲波之感測裝置，其包含：上述之感測元件；一諧振電路(Oscillator)，電性連接至感測元件，以供應交流電源至感測元件，使感測元件激振並輸出共振訊號；以及一計頻器，與該諧振電路電性相接以接收該共振訊號並轉換為一顯示訊號而呈現。

上述之感測裝置，可進一步包含存取單元以接收該共振訊號，並輸出一數值訊號至一處理器。於一實施例中，存取單元可為一擷取卡。

請參閱圖3為本發明之第一較佳實施例的擬側場激發聲波之感測電極組之第一立體圖(圖3(a))、第二立體圖(圖3(b))以及感測電極組及待測物配置示意圖(圖3(c))一起觀之，其中，第一立體圖係顯示該擬側場激發聲波之感測電極組之正面(第一表面111)的結構，而第二立體圖係顯示該擬側場激發聲波之感測電極組之反面(相對於第一表面111之第二表面112)的結構，如圖所示，本實施例之感測電極組1包括一基材11、一參考電極對12以及一感測電極13。

上述基材11較佳為包含有AT-cut石英晶體作為壓電材料的基材11，其具有第一表面111以及相對於第一表面111之第二表面112，基材1的尺寸較佳約為直徑8mm、厚度166.5μm之圓形薄片，但不侷限於此尺寸，可依所欲感測的情況設計不同尺寸。

於基材11之第一表面111上設有參考電極對12，參考電極對12包含兩個具適當間隔(此實施例中約為0.5mm)、直徑約為4mm的半圓形參考電極121，該參考電極121較佳係使用鋁金屬以蒸鍍方式鍍於第一表面111。參考電極對12更可包含一鉻金屬層122，設於第一表面111與兩參考電極121之間，以增加基材11與參考電極對12間之附著力。

於基材11之第二表面112上則設有感測電極13，感測電極13較佳為直徑約4-5mm的圓形鋁電極，係使用鋁金屬以蒸鍍方式鍍於第二表面112。感測電極13亦可包含鉻金屬層131，設於第二表面112與感測電極13之間，以增加基材11與感測電極13間之附著力。

上述感測電極組1接上交流電源(圖中未示出)的電場方向如圖4所示，藉由在基材11的第一表面111佈設有負責傳遞交流電訊號之參考電極對12，且感測電極13則鍍於基材11的第二表面112，由於感測電極13不接訊號而為一浮動(floating)電極，藉此使得基材11裡的電場不完全平行於第一表面111及/或第二表面112，仍有垂直表面的分量，形成一擬側向電場(Pseudo Lateral Field)，藉此設計而成的感測電極組1，可增加其激振效果，改善習知聲波振盪器的缺點，達成穩定振盪與感測外載電性變化。利用此感測電極組1進行感測時，可視情況於基材11的第二表面112設有感測膜14(如圖3(c)所示)，如PIB感測膜以吸附氣體或液體中的微量待測分子，進行各種環境或生化感測。

上述的參考電極對12之參考電極121除了如圖5(a)的半圓形外，亦可為各種形狀，如圖5(b)之三角形或圖5(c)之長方形，但不僅限於此。同樣地，感測電極13除了如圖6(a)的圓形外，亦可為各種形狀，如圖6(b)之正方形、圖6(c)之環形及圖6(d)之圓形缺口狀，但不僅限於此。

請參考圖7，為本發明之第二實施例之一種擬側場激發聲波之感測元件61之結構示意圖，包含有一感測電極組1、一定位件2、一印刷電路板3、一導線接頭4及一固定塊5。上述定位件2於本實施例中為一夾具，具有一連接部21以及一定位部22，其中定位部22供上述之感測電極組1放置並加以夾持固定，避免造成感測電極組1中基材11本身振盪時之應力干擾，進而影響到振盪頻率之穩定性。而定位件2之連接部21係焊接至印刷電路板3，且印刷電路板3並焊接有高頻之導線接頭4，以供輸入交流電源用。

上述之焊接有定位件2及導線接頭4的印刷電路板3可置於固定塊5中，固定塊5設有對應該印刷電路板3之溝槽51，可供印刷電路板3置放以輔助固定感測電極組1，避免影響到振盪頻率之穩定性。

請參考圖8，為本發明之第三實施例之一種擬側場激發聲波之感測裝置之裝置架構示意圖，該感測裝置6包含有上述之感測元件61、諧振電路62、計頻器63、存取單元64及處理器65，其中：

上述感測元件61與諧振電路62電性連接，本實施例的諧振電路62為MAXTEK公司所製造的PLO-10i電路，可產生的諧振頻率約為5MHz至10MHz，可輸入相對應之交流電至感測元件61使其激振並輸出共振訊號。

諧振電路62並與一計頻器63電性相接，本實施例的計頻器63為安捷倫公司所製造，其型號為5313A，工作範圍最多可以記錄到約255MHz。計頻器63接收共振訊號並轉換為一顯示訊號而在計頻器63上呈現。

計頻器63可與存取單元64電性連接，本實施例中使用的存取單元64為GPIB擷取卡，存取單元64擷取該共振訊號後可轉換輸出一數值訊號至處理器65(如：個人電腦)，以進行進一步的資料分析。

感測裝置6架設完成後即可開始進行量測，首先將待測液體或氣體以微量滴管滴入適量的液體至感測元件61的感測面(即前述感測電極組1中的感測電極13或感測膜14)，經由各項儀器傳輸並利用處理器65觀察其量測數據。圖9為感測裝置中感測電極的頻率響應圖，顯示出其非常穩定的振盪，因此可覆上各種氣體感測膜，量測各種性質之氣體，並藉由改變各種感測膜種類得到最佳之量測元件。

另外，如圖10、11及12分別將不同濃度的甘油(glycerol)、異丙醇(2-propanol)和鹽水(NaCl)溶液滴至感測元件61的感測面上，以量測此感測元件61(圖中簡稱為Pseudo-LFE)對液體黏滯性、介電常數及導電度的靈敏度，同時也量測石英晶體微天平(圖中簡稱為QCM)的反應以作為比較。圖10、11和12分別為甘油、異丙醇和鹽水溶液的量測結果，結果顯示相較於石英晶體微天平，本實施例之感測元件61確實有較佳的感測效能，且當感測面的直徑為4mm時擁有較佳的感測效能。

綜合上述，可得知相對於QCM，本實施例之感測元件61有非常好的感測靈敏度及工作範圍，可應用於各種液體量測及生物感測器上。

上述實施例僅係為了方便說明而舉例而已，本發明所主張之權利範圍自應以申請專利範圍所述為準，而非僅限於上述實施例。

1．．．感測電極組

11．．．基材

12．．．參考電極對

13．．．感測電極

111．．．第一表面

112．．．第二表面

121．．．參考電極

122．．．鉻金屬層

131．．．鉻金屬層

14．．．感測膜

2．．．定位件

21．．．連接部

22．．．定位部

3．．．印刷電路板

4．．．導線接頭

5．．．固定塊

51．．．溝槽

6．．．感測裝置

61．．．感測元件

62．．．諧振電路

63．．．計頻器

64．．．存取單元

65．．．處理器

圖1係習知石英晶體微天平感測器(QCM)之感測電極配置及電場方向。

圖2係習知側向式激發電場感測器(LFE)之感測電極配置及電場方向。

圖3(a)-(c)分別為本發明之第一較佳實施例的擬側場激發聲波之感測電極組之第一立體圖、第二立體圖以及感測電極組及待測物配置示意圖。

圖4係本發明之第一較佳實施例中感測電極組接上交流電源的電場方向。

圖5(a)-(c)係顯示本發明之第一較佳實施例中參考電極對的形狀。

圖6(a)-(d)係顯示本發明之第一較佳實施例中感測電極的形狀。

圖7係本發明之第二實施例的擬側場激發聲波之感測元件之結構示意圖。

圖8係本發明之第三實施例之一種擬側場激發聲波之感測裝置之裝置架構示意圖。

圖9為本發明實施例中感測電極的頻率響應圖。

圖10為本發明實施例之感測元件對液體黏滯性的靈敏度數據圖表。

圖11為本發明實施例之感測元件對介電常數的靈敏度數據圖表。

圖12為本發明實施例之感測元件對導電度的靈敏度數據圖表。

1．．．感測電極組

11．．．基材

111．．．第一表面

112．．．第二表面

12．．．參考電極對

121．．．參考電極

122．．．鉻金屬層

13．．．感測電極

131．．．鉻金屬層

14．．．感測膜

Claims (17)

1. 一種擬側場激發聲波之感測電極組，用以與一交流電源連接，包括：一基材，其係具有一第一表面以及相對該第一表面之一第二表面，該基材包含有一壓電材料；一參考電極對，包含至少為二之複數參考電極，該參考電極係間隔排列而設於該第一表面；以及一感測電極，設於該第二表面；其中，藉以當該參考電極對與該交流電源電性相接時，於該參考電極對間形成一側向交流電場，該側向交流電場係與該第一表面或該第二表面平行，該交流電源並於該感測電極提供一懸浮電位，以使該側向交流電場具有垂直於該第一表面或該第二表面之一電場分量。
2. 如申請專利範圍第1項所述之感測電極組，其中該壓電材料為一石英晶體。
3. 如申請專利範圍第2項所述之感測電極組，其中該石英晶體為AT-cut石英晶體。
4. 如申請專利範圍第1項所述之感測電極組，其更包含一金屬層，係設於該基材之第一表面、第二表面或其組合。
5. 如申請專利範圍第4項所述之感測電極組，其中該金屬層係為鉻金屬層。
6. 如申請專利範圍第1項所述之感測電極組，其中該感測電極之形狀選自於由半圓形、三角形、半橢圓形、四方形、五邊形、六邊形、七邊形、八邊形所組成之群。
7. 如申請專利範圍第1項所述之感測電極組，其中該參考電極對的參考電極之形狀選自於由半圓形、三角形、半橢圓形、四方形、五邊形、六邊形、七邊形、八邊形、鏤空形、缺口形所組成之群。
8. 如申請專利範圍第1項所述之感測電極組，其更包含一感測膜，係設於該基材之第二表面。
9. 如申請專利範圍第8項所述之感測電極組，其中該感測膜為一PIB感測膜。
10. 一種擬側場激發聲波之感測元件，包含：一印刷電路板；一導線接頭，設於該印刷電路板；一定位件，其具有一連接部以及一定位部，其中該連接部設於該印刷電路板；以及一感測電極組，其係置放並固定於該定位件之該定位部，該感測電極組包含有一基材、一參考電極對、一感測電極，其中：該基材，其係具有一第一表面以及一相對該第一表面之第二表面，該基材包含有一壓電材料；該參考電極對，包含至少為二之複數參考電極，該參考電極係間隔排列而設於該第一表面；該感測電極，設於該第二表面。
11. 如申請專利範圍第10項所述之感測元件，其中該定位件係為一夾具。
12. 如申請專利範圍第10項所述之感測元件，其中該導線接頭係為一高頻接頭。
13. 如申請專利範圍第10項所述之感測元件，其更包含一固定塊，係設有對應該印刷電路板之溝槽，以設置該印刷電路板。
14. 一種擬側場激發聲波之感測裝置，包含：一感測元件，包含一印刷電路板、一導線接頭、一定位件以及一感測電極組，該導線接頭係設於該印刷電路板，該定位件具有一連接部以及一定位部，其該連接部設於該印刷電路板，該感測電極組係置放並固定於該定位件之該定位部，且該感測電極組包含有一基材、一參考電極對、以及一感測電極，其中：該基材，其係具有一第一表面以及相對該第一表面之一第二表面，該基材包含有一壓電材料；該參考電極對，包含至少為二之複數參考電極，該參考電極係間隔排列而設於該第一表面；該感測電極，設於該第二表面；一諧振電路(Oscillator)，電性連接至該感測元件，以供應一交流電源至該感測元件，使該感測元件激振並輸出一共振訊號；以及一計頻器，與該諧振電路電性相接以接收該共振訊號並轉換為一顯示訊號而呈現。
15. 如申請專利範圍第14項所述之感測裝置，其更包含一存取單元以接收該共振訊號，並輸出一數值訊號至一處理器。
16. 如申請專利範圍第14項所述之感測裝置，其更包含一存取單元以接收該共振訊號，並輸出一數值訊號至一處理器。
17. 如申請專利範圍第16項所述之感測裝置，其中該存取單元為一擷取卡。