用于使用壓電諧振器的流體介質(zhì)中的納米重量測(cè)定的方法和設(shè)備的制作方法

專利名稱：用于使用壓電諧振器的流體介質(zhì)中的納米重量測(cè)定的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及化學(xué)傳感器的領(lǐng)域，特別地涉及使用電氣測(cè)量來檢測(cè)重量的極小變化的那些化學(xué)傳感器，并且更特別地涉及在液體介質(zhì)中使用諸如微量或納米天平(nano-balance)的壓電諧振器的那些化學(xué)傳感器。
背景技術(shù)：
微尺度傳感器以及其中基于壓電石英晶體的那些是用來通過作為諧振器進(jìn)行操作的此類晶體的諧振頻率所耐受的變化準(zhǔn)確地測(cè)量沉積在其上面的每單位面積的重量變化的設(shè)備。在目前市場(chǎng)上存在的微量天平傳感器(microbalance sensor)之中，所謂的AT切割石英諧振器(其中此類型切割對(duì)應(yīng)于處于具有相對(duì)于晶體的光軸z的35° 15^的傾斜度的角度的切割且垂直于其平面y_z)正在變成廣范圍的實(shí)施方式內(nèi)的替換分析 工具，其中，一個(gè)人希望檢測(cè)溶液中的物質(zhì)的存在或以在許多情況下可比較于經(jīng)典化學(xué)技術(shù)的分辨力來表征化學(xué)過程(參見參考文獻(xiàn)A.W. Czandema和C. Lu (1984)在C. LU andA. W. Czanderna(eds),Elsevier, Amsterdam, Vol. 7 中的“Applications of piezoelectricquartz crystal microbalances，，；A. Janshoff，H-J Galla 和 C. Steinem(2000)在Angew.Chem Int.Ed. 39 :4004-4032 中的“Piezoelectric mass-sensing devicesas biosensors-an alternative to optical biosensors ” ；MA.Cooper 和VT. Singleton (2007)在 Journal of Molecular Recognition 20(3) :154-184 中的 “Asurvey of the 2001 to 2005 quartz crystal microbalance biosensor literature applications of acoustic physics to the analysis of biomolecular interactions，，；TA. Camesano、YT. Liu 和 M. Datta(2007)在 Advances in Water Resources 30(6-7)1470 1491 中的“Measuring bacterial adhesion at environmental interfaceswith single-cell and single-molecule techniques，，；0. Lazcka、FJ. Del Campo 和 FX、Munoz (2007)在 Biosensors & Bioelectronics 22(7) :1205-1217 中的“Pathogendetection A perspective of traditional methods and biosensors，，；TS. Hug(2003)在 Assay and Drug Development Technologies (3) :479-488 中的“Biophysical methodsfor monitoring cell-substrate interactions in drug discovery，，；FL. Dickert、P. Lieberzeit和 0. Hayden (2003)在Analytical and Bioanalytical Chemistry 377(3)540-549 中的 “Sensor strategies for micro-organism detection-from physicalprinciples to imprinting procedures，，；KA.Marx(2003)在 Biomacromolecules4(5) :1099-1120 中的“Quartz crystal microbalance A useful tool for studyingthin polymer films and complex biomolecular systems at the solution—surfaceinterface” ；KA. Fahnrich、M. Pravda 和 GG. Guilbault(2002)在 Analytical Letters35(8) 1269-1300 中的“Immunochemical detection of polycyclic aromatichydrocarbons (PAHs) ”; J. Wegener、A Janshoff 和 C. Steinem(2001)在Cell Bio-chemistryand Biophysics 34(1) 121-151 中的“The quartz crystal microbalance as anovel means to study cell-substrate interactions in situ, ；CK. Or Sullivan 和GG. Guilbault 在 Biosensors & Bioelectronics 14(8-9) :663-670 中的“Commercialquartz crystal microbalances-theory and applications，，;CK. 0' Sullivan^R. Vaughan和 GG. Guilbault (1999)在 Analytical Letters 32(12) :2353-2377 中的“Piezoelectricimmunosensors-theory and applications，，；K. Bizet、C. Grabielli 和 H. Perrot (1999)在 Analysis EurJAC 27:609-616 中的“Biosensors based on piezoelectrictransducers，，) 0最初在Anglo-Saxon文獻(xiàn)中作為QCM (石英晶體微量天平)更加眾所周知的作為石英晶體微量天平的AT切割石英晶體諧振器的使用是基于本領(lǐng)域的技術(shù)人員眾所周知的 Sauerbrey 等式(G. Sauerbrey (1959)在 Zeitschrift Fuer Physik 155(2)206-222 中的 “Verwendung von schwingquarzen zur wagling diinner Schichten und
zur mikrowSgung”)。Sauerbrey的等式規(guī)定諧振器的諧振頻率的下降與傳感器表面
上的涂層的表面重量密度的增加成比例。當(dāng)傳感器與牛頓液體介質(zhì)接觸時(shí)，Kanazawa等式(K. K. Kanazawa 和 J. G. Gordon II(1985)在 Analytica Chimica Acta 175 :99_105 中的“The oscillation frequency of a quartz resonator in contact with a liquid，，)提供由于與流體的接觸而引起的諧振器的諧振頻率的漂移。對(duì)于表面中的一個(gè)涂有非常薄的材料層的QCM傳感器而言，其如此薄以至于通過涂層厚度中的聲波的滯后是非常小的，并被暴露于牛頓液體。Martin等式(I)提供涂層重量(Sauerbrey效果)和諧振頻率變化中的液體(Kanazawa效果)的效果組合的定量聯(lián)系(S. J. Martin、V. E. Granstaff和G. C. Frye (1991)在Anal. Chem. 63 :2272-2281 中的“Characterization of quartz crystalmicrobalance with simultaneous mass and liquid loading，，)。
2f2IAf = —■-^-(PcK +~zPl^l)(I)
eq在以上等式中，右端的第一項(xiàng)對(duì)應(yīng)于Sauerbrey效果且第二個(gè)對(duì)應(yīng)于Kanazawa效果，其中，fs是傳感器的諧振頻率，Zcq是石英的特性聲阻抗，P。和h。分別是涂層的密度和厚度，并且和叭分別是聲波在液體中的穿透的密度和深度1/2 P J ^實(shí)際上是跟與液體介質(zhì)接觸的傳感器的表面的振蕩移動(dòng)相關(guān)聯(lián)的等效重量的表面密度。根據(jù)等式(I)，對(duì)于涂層的某個(gè)表面重量密度而言，頻率偏移的絕對(duì)值與諧振頻率的平方成正比地增加。因此，想到QCM傳感器的諧振頻率越高，其將具有越大的靈敏度看起來是合理的。實(shí)際上，諧振頻率始終是QCM傳感器中的基本表征參數(shù)。的確，事實(shí)上，在QCM傳感器的表征中使用的大多數(shù)技術(shù)已被用來確定諧振器的諧振頻率的變化以及其其它相關(guān)參數(shù)(授予Granstaff等人的專利US5201215 “Methodfor simultaneous measurement of mass loading and fluid property changesusing a quartz crystal microbalance”包括應(yīng)監(jiān)視的傳感器的其它參數(shù)；還參見參考文獻(xiàn)A. Arnau、V. Ferrari、D. Soares、H. Perrot 在 Piezoelectric Transducersand Applications，2nd Ed.，pp. 117，A.Arnau Ed.，Springer-Verlag BerlinHeidelberg(2008)中的“Interface Electronic Systems for AT-cut QCM Sensors.A comprehensive review，，；F. Eichelbaum、R. Borngraber, j. Schroder, R. Lucklum和 P. Hauptmann(1999)在 Rev. Sci Instrum. 70 :2537-2545 中的“Interface circuitsfor quartz crystal microbalance sensors”)使用網(wǎng)絡(luò)或阻抗分析器來確定在諧振頻率范圍內(nèi)的諧振器的電導(dǎo)并確定與最大電導(dǎo)相對(duì)應(yīng)的頻率(J. Schr6der、R. BorngI^ber、R. Lucklum 和 P. Hauptmann (2001)在 Review Scientific Instruments72(6) :2750-2755 中的 “Network analysis based interface electronics for quartzcrystal microbalance，，；S. D oerner、T. Schneider、J. Schr6der和 P. Hauptmann(2003)在 Proceedings of IEEE Sensors I，pp. 596-594 中的 “Universal impedance spectrumanalyzer for sensor applications”)；包含于在 1999 年授予 Rodahl 等人的專利US6006589中的衰減技術(shù)(還參見參考文獻(xiàn)M. Rodahl和B. Kasemo (1996)在Rev.Sci Instrum. 67 :3238-3241 中的“A simple setup to simultaneously measure theresonant frequency and the absolute dissipation factor of a quartz crystalmicrobalance”)通過使信號(hào)斷開連接來處理結(jié)果得到的信號(hào)，利用該信號(hào)在接近于諧振頻率的頻率上激勵(lì)諧振器達(dá)到一定時(shí)間。此分析最終提供關(guān)于諧振頻率的變化(根據(jù)配置串行地或并行地)和諧振器中的損失的信息；在基于振蕩器的技術(shù)中，使用諧振傳感器作為用于控制振蕩頻率的元件，允許連續(xù)監(jiān)視與諧振范圍內(nèi)的諧振器的特定相位對(duì)應(yīng)的頻率。此頻率可以在許多應(yīng)用中使用，諸如參考諧振器的諧振頻率(參見以下參考文獻(xiàn)H. Ehahoun、C. Gabrielli、M. Keddam、H. Perrot 和 P. Rousseau(2002)在Anal Chem. 74 :1119-1127 中的 “Performances and limits of a parallel oscillatorfor electrochemical quartz crystal microbalances，，；C. Barnes (1992)在 Sensorsand Actuators A-Physical 30(3) :197-202 中的“Some new conceptson factorsinfluencing the operational frequency of liquid-immersed quartz microbalances，，；K. 0. Wessendorf(1993)在 Proceedings of the 1993 IEEE International FrequencyControl Symposium, pp. 711-717 中的“The lever oscillator for use in highresistance resonator applications，，；R. Borngmber、j. Schroder> R. Lucklum 和P. Hauptmann (2002)在 IEEE Trans. Ultrason. Ferroelect. Freq. Contr. 49(9) :1254-1259中的“Is an oscillator-based measurement adequate in a liquid environment”；S. J. Martin、J. J. Spates、K. 0. Wessendorf、T. W. Schneider 和 R. J. Huber (1997)在 Anal.Chem. 69 :2050-2054 中的 “Resonator/oscillator response to liquid loading，，)?；谡袷幤鞯募夹g(shù)對(duì)于監(jiān)視頻率而言是最簡(jiǎn)單和最快的，但是在液體介質(zhì)中具有操作缺點(diǎn)，其中發(fā)生具有重大關(guān)系的許多應(yīng)用；由于此類原因，已進(jìn)行了很大的努力以便設(shè)計(jì)適合于這些應(yīng)用的振蕩器，其已導(dǎo)致不同的專利，諸如題為“System forsustaining and monitoring the oscillation of piezoelectric elements exposedto energy-absortive media” 的在 1988 年授予 Hager 的專利 US 4，783，987 ;在 1988 年和 1995 年授予 Paul 等人的專利 US—4788466 和 US—6848299—B2 “Piezoelectric sensorQ loss compensation” 和“Quartz crystal microbalance with feedback loop forautomatic gain control” ；在 1995 和 2001 年授予 Wessendorf 的專利 US—5416448 和US_6169459“Oscillator circuit for use with high loss Quartz resonator sensor，，和“Active bridge oscillator”;最后，存在一組技術(shù)，其可以是所謂的“鉤子技術(shù)”(參見參考文獻(xiàn) A. Arnau、T. Sogorb. Y. Jim enez (2002)在 Rev. Sci. Instrum. 73 (7) :2724-2737中的 “Circuit for continuous motional series resonant frequency and motionalresistance monitoring of quartz crystal resonators by parallel capacitancecompensation，，；V. Ferrari、D. Marioli 和 A. Taroni (2001)在 IEEE Trans. Instrum.Meas. 50 :1119-1122 中的 “Improving the accuracy and operating range of quartzmicrobalance sensors by purposely designed oscillator circuit，，；A.Arnau、J. V. Garc ia、Y.Jim enez、V. Ferrari 矛口 M. Ferrari (2007)在 Proceedings of FrequencyControl Symposium Joint with the 21st European Frequency and Time Forum. IEEEInternational，pp. 357-362 中的‘‘Improved Electronic Interfaces for Heavy Loadedat Cut Quartz Crystal Micro-seale Sensors，，；M. Ferrari、V. Ferrari、D. Marioli、A. Taroni、M. Suman 和 E. Dalcanale (2006)在 IEEE Trahs. Instrum. Meas. 55 (3)828-834 中的 “In-liquid sensing of chemical compounds by QCM sensors coupledwith high-accuracy ACC oscillator” ；B.Jakoby、G. Art 和 J. Bastemeiier(2005)在IEEE Sensors Journal 5(5) :1106-1111 中的 “A hovel analog readout electronicsfor microacoustic thickness shear-mode sensors” ；C.Riesch 和 B.Jakoby (2007)在 IEEE Sensors Journal 7(3) :464-469 中的“Novel Readout Electronics forThickness Shear-Mode Liquid Sensors Compensating for Spurious Conductivityand Capacitances”)，可以將其視為尖端振蕩器，因?yàn)檫@些包括反饋環(huán)路，其中，可以認(rèn)為傳感器激勵(lì)源在其外部，并且其中，可以準(zhǔn)確地對(duì)環(huán)路的反饋條件進(jìn)行校準(zhǔn)。這些技術(shù) 允許準(zhǔn)確地監(jiān)視諧振器的動(dòng)態(tài)系列諧振頻率，并且其中的某些已受到專利的保護(hù)(授予Ferrari 等人的 MI2003A000514‘‘Metodo e dispositivo per determinare Ia frequenzadi risonanza di sensori piezoelettrici risonati，，和在 2004 年授予 Arnau 等人的專利 ES2197796 “Sistema de caracterizaci on de sensores de cristal de cuarzoresonante en medios fluidos,y procedimiento de calibraci on y compensaci on deIa capacidad del cristal de cuarzo，，)。無論如何，使用某些所述技術(shù)或其變化但具有監(jiān)視傳感器的諧振頻率的共同目的的其它最近的專利已被審查(在2000和2001年授予J.P. Dilger等人的那些，US 6161420 “High frequency measuring circuit” 和 US 6222366—BI U.S. “Highfrequency measuring circuit with Inherent noise reduction for chemicalsresonating sensors”；在 2001 年授予 J. R. Vig 的 US 6247354—BI “Techniques forsensing the properties of fluids with resonators，，；在 2003 年授予 Chang 等人的專利 US 6557416 B2 “High resolution biosensor system” ；在 2006 年授予Nozaki 的專利 US 7036375B2 “QCM sensor and QCM sensor device，，；在 2007 年授予 Dayagi 等人的 US 7159463B2 “Sensitive and selective method and device forthe detection of trace amounts of a substance” ；在 2007 年授予 Itoh 等人的 US7201041B2 “Analysis method using piezoelectric resonator，，;在 2008 年授予 Zeng 等人的 US 7329536B2 “Piezoimmunosensor，，)。執(zhí)行諧振器的諧振頻率的監(jiān)視和因此的其變化的主要原因是在此變化與實(shí)際應(yīng)用中的關(guān)心物理量之間存在簡(jiǎn)單的聯(lián)系。在這種情況下，已在等式(I)中提出可能由于涂層的密度或液體介質(zhì)的性質(zhì)的變化而引起的傳感器表面上的重量表面密度的變化。在覆蓋寬范圍過程表征的許多應(yīng)用中，例如在壓電生物傳感器中(參見參考文獻(xiàn) MA. Cooper 和 VT. Singleton(2007)在 Journal of Molecular Recognition 20(3)154-184 中的“A survey of the 2001 to 2005 quartz crystal microbalance biosensorliterature !applications of acoustic physics to the analysis of biomolecularinteractions”)，傳感器的諧振頻率所經(jīng)歷的位移通常是非常小的，以兆赫為單位約為幾十赫茲，并且是由于覆蓋諧振器的敏感薄層的重量增加而引起的，其中，液體介質(zhì)基本上保持其流體物理性質(zhì)恒定。因此，正在進(jìn)行很大的努力以改善石英晶體微量天平傳感器的靈敏度；如等式(I)提出的，這些努力中的大部分旨在增加諧振器的諧振頻率。然而，等式(I)提供理論理想靈敏度，其隱含地針對(duì)表征和測(cè)量過程采取系統(tǒng)部件的無限穩(wěn)定性，使得不存在與測(cè)量系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的干擾或來自用于表征的電子系統(tǒng)的不穩(wěn)定性。遺憾的的是情況不是如此，并且靈敏度不是唯一地取決于諧振器，而是還取決于測(cè)量系統(tǒng)和表征電子電路的設(shè)計(jì)和配置。除表征電子電路之外，在這里將執(zhí)行實(shí)驗(yàn)所需的全部基礎(chǔ)設(shè)施(包括測(cè)量單元、流量元件、泵、用于調(diào)整溫度的系統(tǒng)等)理解為測(cè)量系統(tǒng)。假設(shè)測(cè)量系統(tǒng)已被設(shè)計(jì)為使可能影響諧振器的諧振頻率的中斷和干擾最小化，諸如溫度變化、振動(dòng)、由于使用不適當(dāng)注射泵而引起的流體壓力變化等，組件的靈敏度將取決于傳感器的諧振頻率的測(cè)量的準(zhǔn)確度，該準(zhǔn)確度又將取決于由用于表征的電子系統(tǒng)本身產(chǎn)生的干擾。因此，在不考慮用來表征傳感器的系統(tǒng)的情況下不能適當(dāng)?shù)卦u(píng)估靈敏度。用來表征微量天平應(yīng)用(上文已描述其中的大部分)中的壓電諧振器的系統(tǒng)可以分為兩類a)被動(dòng)地詢問保持在表征系統(tǒng)外面的那些，以及b)其中傳感器是表征系統(tǒng)本身的一部分的那些。網(wǎng)絡(luò)或阻抗分析器和衰減的技術(shù)在第一組中，而第二組可以包括振蕩器?？梢哉J(rèn)為在兩組之間找到鉤子技術(shù)。
認(rèn)識(shí)到網(wǎng)絡(luò)或阻抗分析器的優(yōu)點(diǎn)且使其與能夠在校準(zhǔn)之后表征傳感器的事實(shí)相關(guān)聯(lián)，其中，在傳感器本身外部的任何電影響已經(jīng)被平衡。衰減法提供高準(zhǔn)確度，只要衰減信號(hào)的獲取方面的精度在相位和振幅兩方面是高的，導(dǎo)致高頻諧振器的復(fù)雜。因此，對(duì)于高于50MHz的高頻諧振器而言，只有阻抗分析器是足夠準(zhǔn)確的，但是其高成本和尺寸使得其不適合于作為傳感器的實(shí)現(xiàn)。鉤子技術(shù)在諧振器的相對(duì)低的頻率上提供比分析器簡(jiǎn)單的電路；但是在高頻率上，電路復(fù)雜性增加且關(guān)于相對(duì)于分析器或衰減技術(shù)所表示的簡(jiǎn)單性的優(yōu)點(diǎn)大大地減小。因此，振蕩器變成用于監(jiān)視高頻諧振器中的諧振頻率的替換；其低成本、集成能力以及諧振頻率的快速和連續(xù)監(jiān)視使得其為在高諧振頻率上實(shí)現(xiàn)QCM傳感器的所選替換。然而，在振蕩器中，靈敏度是由頻率的穩(wěn)定性確定的且頻率的穩(wěn)定性是由相位的穩(wěn)定性確定的，這取決于振蕩器系統(tǒng)的所有部件的相位響應(yīng)。原則上，諧振器在振蕩器中的作用是吸收在振蕩系統(tǒng)的其它部件中發(fā)生的相位變化。諧振器的相位-頻率響應(yīng)的陡斜(steep slope)使得這些相位變化被振蕩頻率中的非常小的變化補(bǔ)償。然而，在QCM傳感器的情況下傳感器所經(jīng)歷的變化是精確地關(guān)心的，由此，形成振蕩器電路的其它部件的相位響應(yīng)的任何變化將導(dǎo)致頻率不穩(wěn)定。此外，在液體介質(zhì)中的實(shí)現(xiàn)中大大地降低了作為傳感器的諧振器的品質(zhì)因數(shù)，因此，振蕩器的其它部件的相對(duì)小的相位響應(yīng)變化將導(dǎo)致將作為噪聲出現(xiàn)的振蕩頻率的相對(duì)大的變化。頻率和相位噪聲隨系統(tǒng)的頻率增加，因此，說傳感器的諧振頻率的增加將必然意味著傳感器系統(tǒng)的靈敏度的增加是不顯著的，如等式(I)所/Jn o替換方法將是用來自在頻率和相位方面具有高穩(wěn)定性的外部源的測(cè)試信號(hào)(所謂測(cè)試信號(hào))來詢問傳感器，與阻抗或網(wǎng)絡(luò)分析器所做的類似，但處于在傳感器的諧振波段內(nèi)設(shè)定的測(cè)試頻率(或頻率測(cè)試)。從測(cè)試信號(hào)所經(jīng)受的相位變化將檢測(cè)到例如由于沉積在諧振器上的薄層的重量表面密度的變化而引起的諧振器的相位-頻率響應(yīng)的變化。原則上，此相位變化應(yīng)定量地與傳感器的表面上的重量變化相關(guān)。授予Drees等人的專利US5932953要求保護(hù)基于此思想的方法和系統(tǒng)，其具有以下優(yōu)點(diǎn)。一測(cè)試信號(hào)的穩(wěn)定性可以非常高，使得傳感器響應(yīng)的表征方面的精度不受表征信號(hào)的噪聲本身的干擾。一在電路的輸入端處的原始信號(hào)與受傳感器的響應(yīng)影響的結(jié)果信號(hào)之間執(zhí)行滯后的測(cè)量。因此，滯后的測(cè)量是差動(dòng)(differential)的，并且原始測(cè)試信號(hào)的任何相位不穩(wěn)定性被同時(shí)地傳遞至在差動(dòng)測(cè)量(differential measurement)中相互抵消的輸出信號(hào)。
一可以用相對(duì)簡(jiǎn)單的電路來實(shí)現(xiàn)滯后的測(cè)量，甚至在非常高的頻率下，因此，可以通過使用簡(jiǎn)單且容易集成的電子裝置來實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)。一當(dāng)使用固定頻率的測(cè)試信號(hào)時(shí)，可以使用相同信號(hào)或由此合成的信號(hào)來同時(shí)地詢問其它傳感器，這大大地促進(jìn)具有多個(gè)諧振器的系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。然而，實(shí)際上可以由測(cè)量方法和系統(tǒng)基于用固定頻率測(cè)試信號(hào)來詢問傳感器設(shè)備的原始思想提供的這些明顯優(yōu)點(diǎn)由于以下原因而都未被在所述專利US5932953中提出的方法和系統(tǒng)完全實(shí)現(xiàn)I. 一在所述發(fā)明中要求保護(hù)的方法假設(shè)相位的測(cè)量提供沉積在諧振器的表面上的敏感涂層的重量變化的定量度量；然而其不提供所述相位變化與相應(yīng)重量變化之間的數(shù)值聯(lián)系。因此，為了應(yīng)用所述方法，傳感器設(shè)備的校準(zhǔn)應(yīng)是必要的；這使要求保護(hù)的方法的應(yīng)用復(fù)雜化。此外，在此類專利中，假設(shè)由相位插入的變化與重量變化之間的聯(lián)系給出的靈敏度也與頻率成比例地增加，以與諧振頻率變化與重量變化之間的聯(lián)系相同的方式。此假設(shè)是由意圖對(duì)在本專利中提出的方法和系統(tǒng)滿意的問題的分析中的缺少嚴(yán)格性而導(dǎo)致的。如在本發(fā)明的詳細(xì)說明所討論的，情況不是這樣，此外，對(duì)于真空或氣體介質(zhì)中的諧振器而言，由插入相位的變化與重量變化之間的聯(lián)系給出的靈敏度在真空中不增加，并且在氣體介質(zhì)中通過增加傳感器的諧振頻率而略微增加，同時(shí)在液體介質(zhì)中，其與諧振頻率的平方根成比例。在本發(fā)明中第一次示出的此結(jié)果舉例說明其目的不是之前的專利的簡(jiǎn)單或略微修改。2. —在專利US5932953中要求保護(hù)的方法和系統(tǒng)假設(shè)測(cè)試信號(hào)的頻率可以是傳感器的諧振波段內(nèi)的任何頻率。如在本發(fā)明中將舉例說明的，情況不是如此。必須用來確立相位基(phase base)或基準(zhǔn)線的測(cè)試信號(hào)必須必要地或非常接近于是傳感器的所謂“動(dòng)態(tài)系列諧振頻率”(此類頻率稱為DSRF且在本發(fā)明的詳細(xì)說明中進(jìn)行了定義)；相反，相位變化的度量不能簡(jiǎn)單地與重量變化有關(guān)，因?yàn)榇寺?lián)系將取決于測(cè)試信號(hào)的準(zhǔn)確頻率和所使用的傳感器，其將使在另一頻率下執(zhí)行的任何校準(zhǔn)無效并使得要求保護(hù)的方法的實(shí)現(xiàn)不切實(shí)際。在此意義上，系統(tǒng)要求保護(hù)，基于由兩個(gè)諧振器(其諧振波段重疊、其中的一個(gè)被用作參考以抵消諸如溫度、粘度等的外部效果，并且其中，測(cè)試信號(hào)的頻率被設(shè)定在重疊波段的中間區(qū)上)產(chǎn)生的滯后的同時(shí)差動(dòng)測(cè)量，未提供期望的結(jié)果，因?yàn)閭鞲衅髟谄湎辔?頻率響應(yīng)的不同區(qū)域中被詢問；因此，外部效果在每個(gè)諧振器中產(chǎn)生不同的響應(yīng)，這防止其抵消。3.—此外，在要求保護(hù)的方法或要求保護(hù)的系統(tǒng)中未安排(schedule)將諸如在前一節(jié)中揭示的測(cè)試信號(hào)的頻率選擇。因此，要求保護(hù)的系統(tǒng)不適合于在方便頻率上適當(dāng)?shù)販y(cè)量相位變化。本發(fā)明的系統(tǒng)目的將此方面考慮在內(nèi)，源于問題的精密分析，并且因此，其不是上文引用的專利所示的系統(tǒng)的簡(jiǎn)單或略微修改的結(jié)果。
4. 一在專利US5932953中要求保護(hù)的方法和系統(tǒng)僅設(shè)置相位變化的測(cè)量。然而，相位變化的唯一測(cè)量不允許保證相位變化唯一地與傳感器中的重量變化相關(guān)。事實(shí)上，如果諧振器上的流體介質(zhì)的物理性質(zhì)改變，則相位變化可能被此類變化通過引起重量變化表征的誤差而破壞。因此需要在系統(tǒng)中包括允許確定相位與重量變化之間的聯(lián)系的有效性的方式。5. 一如所述的，相位-頻率靈敏度對(duì)于真空或氣體介質(zhì)的情況下不隨著諧振頻率而增加，甚至對(duì)于液體介質(zhì)而言，其不會(huì)增加如預(yù)期的那么多；因此，仍可能期望使用諧振頻率變化的度量作為表征參數(shù)。在專利US5932953中要求保護(hù)的系統(tǒng)未考慮此方面，因?yàn)槠渲钡浆F(xiàn)在也未被揭示。本發(fā)明的系統(tǒng)目的考慮此方面，在詳細(xì)說明包括的分析之后，實(shí)現(xiàn)允許確定適當(dāng)測(cè)試頻率和諧振頻率變化的可選度量?jī)烧叩姆答佅到y(tǒng)。6.—專利US5932953要求保護(hù)其中用在傳感器的諧振波段內(nèi)的固定頻率信號(hào)詢問傳感器的方法和系統(tǒng)。一旦設(shè)置了測(cè)試頻率，其在測(cè)量過程中自始至終保持恒定。要求保護(hù)的方法和系統(tǒng)未考慮在測(cè)量過程期間的諧振區(qū)域內(nèi)由于諧振器的相位-頻率曲線的位移而引起的測(cè)試頻率所遭受的移位。另外，其未提供用于在傳感器的諧振區(qū)域內(nèi)執(zhí)行適當(dāng)測(cè)試頻率的選擇的任何程序。此方面是非常重要的，如已指示的且如在以下本發(fā)明的詳細(xì)說明中將變得顯而易見的。允許固定測(cè)試信號(hào)的適當(dāng)頻率且同時(shí)確定測(cè)試信號(hào)的頻率在要監(jiān)視的實(shí)驗(yàn)期間如何遠(yuǎn)離其最佳值的受控反饋的插入是對(duì)已在前一節(jié)中提出的要求保護(hù)的系統(tǒng)和方法的重要改進(jìn)。此方面是特別相關(guān)的，因?yàn)樵趯?shí)驗(yàn)期間的諧振器的相位-頻率響應(yīng)的修改可能導(dǎo)致測(cè)試信號(hào)最后在其中不存在靈敏度或者其被大大地降低、即其中不存在暴露于涂層重量變化的相位變化的其相位-頻率響應(yīng)區(qū)域中詢問傳感器；以另一方式，傳感器的響應(yīng)是飽和的。特別地，在氣體介質(zhì)中，傳感器的飽和可以快速地發(fā)生，即相位變化與重量變化之間的響應(yīng)的漂移(excursion)可能是非常短的，因?yàn)閭鞲衅鞯念l率-相位響應(yīng)是非常突變的。因此，包括允許在測(cè)量過程期間相對(duì)于其最佳值來評(píng)估測(cè)試信號(hào)的頻率的偏差度并允許在測(cè)試頻率的偏差在先前確定直之上時(shí)以適當(dāng)和自動(dòng)的方式來修正所述測(cè)試頻率的方法和系統(tǒng)是改進(jìn)的重要目的。7. 一在專利US5932953中要求保護(hù)的系統(tǒng)僅僅總體上確定傳感器的相位變化的測(cè)量。如在本發(fā)明的詳細(xì)說明中舉例說明的，必須設(shè)計(jì)一種允許盡可能準(zhǔn)確地測(cè)量由于主要關(guān)聯(lián)的阻抗對(duì)傳感器的動(dòng)態(tài)分支的響應(yīng)的變化而引起的相位變化的系統(tǒng)。系統(tǒng)的不適當(dāng)設(shè)計(jì)將降低傳感器系統(tǒng)的靈敏度。除適當(dāng)?shù)碾娮颖碚鞣椒ê拖到y(tǒng)之外，在嘗試用具有主要非常高的諧振頻率的諧振器工作時(shí)要克服的另一困難是其小尺寸和易碎性；這些特征使得極其難以設(shè)計(jì)滿足以下規(guī)范的測(cè)量單元必須擴(kuò)展用于連接到電子表征系統(tǒng)的諧振器的電接點(diǎn)，并且必須允許在不過度干擾傳感器的響應(yīng)的情況下的液體介質(zhì)的諧振器一側(cè)的隔離，必須促進(jìn)流動(dòng)中的實(shí)驗(yàn)的執(zhí)行，其中，流體被引導(dǎo)(channel)從而與壓電諧振器的至少一個(gè)振動(dòng)表面接觸，并且必須允許實(shí)驗(yàn)者進(jìn)行的傳感器的安全操縱。本發(fā)明的旨在增加當(dāng)前微量天平系統(tǒng)的靈敏度，由此，其提出必須伴隨有使得方法的應(yīng)用和諧振傳感器的電表征兩者都可行的適當(dāng)測(cè)量單元的電子表征方法和系統(tǒng)兩者。目前，由于所述原因，不存在被準(zhǔn)備用具有在50MHz以上的主要頻率的AT切割壓電石英諧振器進(jìn)行工作的測(cè)量單元。本發(fā)明提供解決這些問題的支撐體(support)和測(cè)量單元。上述分析用于突出本發(fā)明的目的的某些關(guān)鍵且不同的特征，其不限于所述專利，而是主要通用于當(dāng)前現(xiàn)有的系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
因此本發(fā)明的主要目的是提供一種用于表征能夠按照沉積在壓電傳感器上并被暴露于其物理性質(zhì)保持穩(wěn)定的流體介質(zhì)的涂層上的傳遞、累積或重量損失來評(píng)估其結(jié)果的化學(xué)或物理過程的方法、電子裝置和測(cè)量單元及支撐體。本發(fā)明利用分析表達(dá)式的推演確定詢問壓電諧振器的固定頻率信號(hào)的相位變化與沉積在諧振器上的涂層的重量密度變化之間的簡(jiǎn)單聯(lián)系。本發(fā)明提供可觀的改善并避免先前系統(tǒng)的缺點(diǎn)。另外，提出的方法對(duì)在切變模式(shear mode)下操作的任何諧振器有效(所述模式被定義為其中粒點(diǎn)位移平行于傳感器表面且波沿著垂直于位移的方向傳播，亦即其產(chǎn)生橫波傳播的模式)，諸如，例如AT切割石英諧振器或以其英語縮寫FBAR (薄膜體聲波諧振器)被更加眾所周知的體積和薄膜聲波諧振器，其中的某些還可以以切變模式振動(dòng)。本發(fā)明的目的還有提供一種不要求在振蕩器電路中結(jié)合傳感器諧振器的方法和系統(tǒng)。本發(fā)明的目的是提供一種在提供靈敏度增加的同時(shí)在物理或化學(xué)過程期間測(cè)量在沉積在壓電諧振器上的涂層上發(fā)生的傳遞、累積或重量損失的方法和系統(tǒng)，其避免了基于阻抗分析器或衰減系統(tǒng)的復(fù)雜且昂貴的系統(tǒng)的使用。本發(fā)明的優(yōu)先權(quán)目的是提供一種方法，其使用簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)聯(lián)系，以從在傳感器的諧振區(qū)域內(nèi)的固定和特定頻率信號(hào)在要表征的物理或化學(xué)過程期間通過諧振傳感器傳送時(shí)所經(jīng)歷的相位變化獲得沉積在諧振傳感器的至少一個(gè)表面上的涂層所遭受的重量變化的定量度量，因此避免復(fù)雜校準(zhǔn)程序的執(zhí)行。本發(fā)明的另一主要目的是提供一種允許確定用來詢問諧振傳感器的測(cè)試信號(hào)的最佳頻率的方法和系統(tǒng)，其中，上述相位變化與重量變化之間的聯(lián)系是有效的；并且其考慮的方法和系統(tǒng)允許在由涂層重量變化的效果進(jìn)行的移動(dòng)諧振器的相位-頻率響應(yīng)大于先前確定的值時(shí)相對(duì)于其最佳值來修正存在偏差情況下的測(cè)試信號(hào)的頻率；因此避免諧振傳感器的響應(yīng)的飽和。本發(fā)明的又另一目的是提供一種允許在監(jiān)視動(dòng)態(tài)系列諧振頻率或監(jiān)視測(cè)試信號(hào)的相位變化之間進(jìn)行選擇作為用于在實(shí)驗(yàn)期間表征諧振傳感器的參數(shù)的方法和系統(tǒng)。本發(fā)明的目的是提供一種主要是通過傳感器的動(dòng)態(tài)分支的相位-頻率響應(yīng)的變 化的效果來允許獲得通過諧振傳感器傳送的固定頻率信號(hào)所耐受的相位變化的度量的方法和系統(tǒng)，因此使相位和重量變化之間的聯(lián)系最大化。本發(fā)明的又另一目的是提供一種系統(tǒng)，其中，相位變化的測(cè)量基本上沒有來自環(huán)境的在傳感器外部的因素。
本發(fā)明的又另一目的是提供一種擴(kuò)展允許諧振器到用于表征的電子系統(tǒng)的連接的諧振器電接觸的支撐體和測(cè)量單元，將諧振器的一側(cè)與接觸涂層的液體介質(zhì)隔離，這允許執(zhí)行流量測(cè)量且這提供實(shí)驗(yàn)者進(jìn)行的傳感器的安全操縱，并且所有這些沒有過度地干擾傳感器的相位-頻率響應(yīng)。根據(jù)本發(fā)明的這些及其它目的，提供了一種用于表征沉積在壓電傳感器上并暴露于其物理性質(zhì)保持穩(wěn)定的流體介質(zhì)的涂層的傳遞、累積或重量損失的方法，其包括以下操作1. 一向其中連接了諧振傳感器的電路施加測(cè)試電壓信號(hào)。2.—在被視為基準(zhǔn)的狀態(tài)中選擇基本上等于(此術(shù)語被理解為相等或非常接近的頻率)諧振器的動(dòng)態(tài)系列諧振頻率的測(cè)試信號(hào)的頻率。3. 一測(cè)量?jī)蓚€(gè)電壓信號(hào)的值,其中的一個(gè)確定傳感器的相位基準(zhǔn)且另一個(gè)確定其損失的水平基準(zhǔn)。4. 一監(jiān)視在要表征和監(jiān)視的過程中先前被作為基準(zhǔn)采取的電壓值。5. 一保證在實(shí)驗(yàn)期間基本上不修改傳感器損失基準(zhǔn)電壓的值。6. —為了在要監(jiān)視的過程期間修正測(cè)試信號(hào)的頻率值，在提供相位變化的測(cè)量的信號(hào)已偏離超過或低于先前確定的值時(shí)，該值被設(shè)定為上述第3點(diǎn)中的傳感器的相位基準(zhǔn)，直到提供相位變化的測(cè)量的信號(hào)具有與被設(shè)定為上述第3點(diǎn)中的傳感器的相位基準(zhǔn)的值相同的值，或者其絕對(duì)值的差小于某個(gè)先前確定的量。7.—從通過簡(jiǎn)單分析表達(dá)式的應(yīng)用提供相位變化測(cè)量的信號(hào)變化獲得在已被監(jiān)視的實(shí)驗(yàn)過程期間的涂層上的重量變化，所述簡(jiǎn)單分析表達(dá)式將在步驟2中確定的測(cè)試信號(hào)在通過傳感器被連接到的電路時(shí)耐受的相位變化與所尋找的重量變化聯(lián)系。根據(jù)前述目的提供了一種電子系統(tǒng)，其用于表征沉積在壓電傳感器上并暴露于其物理性質(zhì)保持穩(wěn)定的流體介質(zhì)的涂層的傳遞、累積或重量損失，其允許實(shí)現(xiàn)上述方法且包括一某個(gè)固定頻率的源，具有高穩(wěn)定性和低相位噪聲信號(hào)，一頻率合成子系統(tǒng)；一信號(hào)控制和獲取子系統(tǒng)；一具有濾波能力和功率水平的適當(dāng)性的信號(hào)調(diào)節(jié)電路；—由共享輸入端并具有兩個(gè)輸出端(每個(gè)分支一個(gè))的兩個(gè)分支形成的電路。一個(gè)分支包括其相位-頻率響應(yīng)不改變的部件；另一個(gè)包括部分地與第一個(gè)相同的部件作為反射鏡，但部件的一部分被諧振傳感器替換；一可調(diào)整增益相位檢測(cè)子系統(tǒng)，其提供與其輸入端處的信號(hào)之間的相位差成比例的電壓信號(hào)；以及一功率測(cè)量子系統(tǒng)，其提供與其輸入端處的信號(hào)水平之間的差成比例的電壓信號(hào);并且其特征在于一頻率合成子系統(tǒng)從固定頻率信號(hào)提供其頻率能夠掃過諧振傳感器的諧振頻帶的信號(hào)；一由頻率合成子系統(tǒng)提供的信號(hào)被連接到適當(dāng)?shù)貙?duì)其進(jìn)行濾波并提供適當(dāng)功率水平的信號(hào)調(diào)節(jié)電路的輸入；一信號(hào)調(diào)節(jié)電路的輸出端被連接到其中連接了諧振傳感器的兩個(gè)分支的電路的輸入端；一兩個(gè)分支的電路的每個(gè)輸出端被連接到相位檢測(cè)子系統(tǒng)的一個(gè)輸入端，相位檢測(cè)子系統(tǒng)的輸出端提供具有與在其輸入端處的信號(hào)之間的相位差成比例的值的連續(xù)電壓
信號(hào);—兩個(gè)分支電路的每個(gè)輸出端還被連接到功率測(cè)量電路的一個(gè)輸入端，該功率測(cè)量電路的輸出端提供具有與在其輸入端處的信號(hào)之間的功率水平差成比例的值的連續(xù)電壓信號(hào)；一相位檢測(cè)電路的輸出及其功率水平被能夠作用于頻率合成子系統(tǒng)以控制來自所述子系統(tǒng)的輸出信號(hào)的頻率的控制系統(tǒng)獲??； 一根據(jù)上述方法步驟7直接分析來自由控制系統(tǒng)獲取的信號(hào)的數(shù)據(jù)，或者傳輸至外部設(shè)備以便實(shí)時(shí)地或在稍后依照所述方法進(jìn)行處理。依照前文所述的目的，用于表征沉積在壓電傳感器上并暴露于其物理性質(zhì)保持穩(wěn)定的流體介質(zhì)的涂層的傳遞、累積或重量損失的測(cè)量單元和支撐體，由以下各項(xiàng)組成一支撐體，諧振傳感器被沉積在其上面并在提供使用的穩(wěn)健性和容易性的同時(shí)擴(kuò)展諧振器的電接觸；一下塊，其被沉積在支撐體上，并且其允許從諧振器擴(kuò)展、通過支撐體至常規(guī)連接器的電接觸的連接，其提供諧振傳感器至表征電氣系統(tǒng)的電連接；一上塊，其包括流量系統(tǒng)且其連接使得支撐體位于兩塊之間，使得諧振傳感器的一部分與流隔離；并且其特征在于其使電接觸從諧振器擴(kuò)展，允許其到上述用于表征的電子系統(tǒng)的連接，在于其使諧振器的一個(gè)面從與涂層接觸的液體介質(zhì)隔離，在于其允許執(zhí)行流量測(cè)量，并且在于其提供實(shí)驗(yàn)者進(jìn)行的傳感器的安全操縱，而不過度地干擾來自傳感器的相位-頻率響應(yīng)。通過本發(fā)明的詳細(xì)說明，本發(fā)明的目的和優(yōu)點(diǎn)將變得更加顯而易見。


為了補(bǔ)充所進(jìn)行的說明且為了幫助更好地理解本發(fā)明的特征，根據(jù)其優(yōu)選實(shí)施例，作為本說明的組成部分附加了一組圖，其中以說明性且非限制性方式表示以下各項(xiàng)圖I. 一表示用于沉積壓電傳感器的支撐體的正視圖(elevation)的設(shè)置(plant)、下底板和橫截面；其還示出壓電諧振器的底板。圖2. —其是本發(fā)明的整個(gè)測(cè)量單元目標(biāo)的分解圖，其具有其透明部分以便某些細(xì)節(jié)的更好可見度。圖3.—表示壓電諧振器的等效電模型。圖4. 一示意性地表示用于監(jiān)視由于其路徑中的壓電傳感器的相位-頻率響應(yīng)變化而引起的固定頻率信號(hào)的相位變化的電路，本發(fā)明的目的。圖5. —其是示出針對(duì)動(dòng)態(tài)阻抗的相位變化及等式XVI和XVIII獲得的結(jié)果的比較的圖，其在以下詳細(xì)說明中針對(duì)不同諧振頻率的三個(gè)AT石英傳感器(在每一個(gè)的動(dòng)態(tài)系列諧振頻率周圍)進(jìn)行推演。圖6. —其是示出三個(gè)不同諧振頻率的傳感器的相位-重量靈敏度的比較的圖表。
具體實(shí)施例方式圖1示出特別地被設(shè)計(jì)為容納諧振傳感器的正視圖的設(shè)置、下底板和橫截面。支撐體旨在擴(kuò)展諧振器電接觸，該諧振器電接觸允許其到用于表征的電子系統(tǒng)的連接，并提供實(shí)驗(yàn)者進(jìn)行的傳感器操作的穩(wěn)健性和容易性。此類支撐體的設(shè)計(jì)是其在不過度地干擾傳感器的頻率-相位響應(yīng)的情況下提供此類目的，并且因此其是本發(fā)明的優(yōu)先權(quán)目的中的一個(gè)的優(yōu)選實(shí)施例。相對(duì)于在圖I中提出的本發(fā)明的目的，在由具有用于支撐與必須在特定實(shí)驗(yàn)中使用的固體和液體元件的接觸的適當(dāng)特征的材料制成的支撐體I上，已執(zhí)行由以下元素組成的機(jī)械加工突出體3、狹槽5、肋6、孔7和8及中心肋9、在突出體與神經(jīng)(nerve) 6和9之間留下間隙10。通過執(zhí)行所述支撐體1，在突出體3與肋6和9上之間沉積石英諧振器2 ；突出體3在用于放置諧振器的過程期間充當(dāng)引導(dǎo)，使得諧振器的中心與孔8的中心重合；在此位置上，諧振器4的電極的末端適當(dāng)?shù)貜睦?突出，每個(gè)到達(dá)狹槽5中的每一個(gè)。在放置諧振傳感器2之前用具有適當(dāng)物理性質(zhì)的密封膏來填充在諧振器下面的間隙10，此類膏在干燥時(shí)不收縮是重要的。在這種情況下，位于石英的底面上的電極4的中心是可通過孔8被支撐體I的下側(cè)接近的。肋6和9充當(dāng)壁，使得液體膏填充間隙10，只要沉積適當(dāng)?shù)牧考纯?，不在其上面溢流。一旦已?jīng)沉積并密封諧振傳感器，則可從狹槽5接近電極4的末端；在此位置上，將導(dǎo)電液體膏放置在狹槽5中，確定與電極4的末端的接觸，肋6充當(dāng)壁并避免此膏遍布在狹槽5的區(qū)域外面的玻璃的表面上。一旦導(dǎo)電膏已經(jīng)干燥，則傳感器電極4已沿著每個(gè)狹槽5的長(zhǎng)度擴(kuò)展通過導(dǎo)電膏。一旦如上所述地對(duì)諧振器進(jìn)行定位和密封，則將諧振器插入支撐體中，使得針對(duì)在扁平表面上的任一側(cè)沉積支撐體之后，諧振器不碰觸此類表面；這樣，支撐體提供諧振器的安全操縱所需的穩(wěn)健性，同時(shí)允許其電接觸的擴(kuò)展。所述設(shè)計(jì)基本上不改變諧振器的響應(yīng)。與測(cè)量單元的其它元件相結(jié)合地使用此支撐體，使用孔7來相對(duì)于單元的其它元件固定支撐體的位置。圖2示出測(cè)量單元中的支撐體的使用的非限制性示例。在圖2中，將支撐體布置在在兩個(gè)塊之間作為夾層(sandwich)。下塊13包括突出體14，其允許通過將突出體14配合在孔7中來固定支撐體I的位置；塊13包括電接觸15，在其內(nèi)部包括彈簧，使得電接觸的上部處于一定的壓力下；電接觸15被定位為使得其當(dāng)在狹槽5面朝下的情況下沉積支撐體時(shí)配合到狹槽5的末端中，使得諧振器4的電極通過狹槽和電接觸15擴(kuò)展到外部連接器16，外部連接器允許諧振器到用于表征的電子系統(tǒng)的連接。在此布置中，可通過支撐體的孔8從上方接近諧振器的電極中的一個(gè)的中心區(qū)域。上塊17被放置在支撐體且其被上塊和下塊13兩者壓緊，使得配合到上塊的狹槽21中的適當(dāng)材料的墊圈19密封支撐體的孔8的邊界；能夠用包括在上和下塊中的螺栓、螺釘或其它適當(dāng)系統(tǒng)來調(diào)整塊與支撐體之間的壓力，然而，此壓力不是直接在諧振傳感器上而是在支撐體上執(zhí)行的，因此基本上避免影響傳感器的響應(yīng)。在此布置中，上塊17的通道20允許引導(dǎo)流體通過與諧振器2的電極4中的一個(gè)的中心區(qū)域接觸的配件(fitting) 18 ;配件18中的一個(gè)被用作輸入且另一個(gè)用于流出物。圖2所示的組件示出使用支撐體I的一個(gè)可能方式，其擴(kuò)展諧振傳感器的電接觸并提供適合于實(shí)驗(yàn)者進(jìn)行的傳感器的安全操縱的穩(wěn)健性，同時(shí)將諧振傳感器的電極中的一個(gè)與被適當(dāng)?shù)匾龑?dǎo)至沿著其路線與諧振器的另一電極接觸的流體隔離，并且完全不干擾傳感器的響應(yīng)。因此，所示示例不限于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的優(yōu)先權(quán)目的中的一個(gè)且可以視為其優(yōu)選實(shí)施例。上述示例已示出允許設(shè)計(jì)其中可以用面中的一個(gè)用薄材料層來涂覆諧振傳感器且這與流體介質(zhì)接觸的實(shí)驗(yàn)的支撐體和測(cè)量單元。在本發(fā)明是其目的的應(yīng)用范圍內(nèi)，在諧振器的一側(cè)上的涂層是重量層，其厚度與和涂層接觸的液體介質(zhì)中的聲波穿透深度相比足夠薄，是固體的，并且被使用適當(dāng)技術(shù)剛性地附著于諧振器的表面；這保證與諧振器的振蕩表面的同步運(yùn)動(dòng)。諧振器用其側(cè)面中的一個(gè)與在聲學(xué)上薄的重量層接觸，在其上面，存在流體介質(zhì)，該流體介質(zhì)足夠長(zhǎng)，以致在諧振器中產(chǎn)生的聲波在到達(dá) 介質(zhì)的末端之前在介質(zhì)中被衰減，可以用圖3所示的等效電路對(duì)其進(jìn)行電建模。圖3所示的等效電路表示與涂層和流體接觸的諧振器的電導(dǎo)納；等效模型參數(shù)與諧振器和沉積在其上面的介質(zhì)的物理和幾何性質(zhì)有關(guān)。等效電路由電容Ctl、所謂的靜電電容(其對(duì)應(yīng)于由作為電極之間的電介質(zhì)的石英晶體形成的電容)、作為在傳感器的電極之間看在傳感器外面的雜散電容的電容Cp以及包括由Lq> Cq, Rq, L。、Ll和&串聯(lián)地形成的電路的動(dòng)態(tài)阻抗組成。參數(shù)Lq、Cq、Rq表示真空中的傳感器的動(dòng)態(tài)貢獻(xiàn)且僅取決于諧振器的幾何和物理性質(zhì)，而Lc、U和&表示負(fù)載對(duì)諧振器的貢獻(xiàn)；Lc建模涂層對(duì)動(dòng)態(tài)阻抗的貢獻(xiàn)并與涂層的重量表面密度m。= P。匕成比例，其中，P。是涂層材料的密度且h。是厚度，亦即L。= Ktm。，其中，Kt是使物理性質(zhì)和電參數(shù)相關(guān)的變換
的常數(shù)，并且其是由& =/^2/4<為給出的，其中，h,是諧振器的厚度，e,是實(shí)現(xiàn)期間的
諧振器的所關(guān)心的振動(dòng)模式的壓電應(yīng)力系數(shù)且As是其中面對(duì)諧振器的一側(cè)和另一側(cè)的電極的區(qū)域中的電極的面積，即對(duì)重量變化敏感的區(qū)域的面積，Ll和&表示涂層上的流體介質(zhì)相對(duì)于諧振器的動(dòng)態(tài)阻抗的貢獻(xiàn)，特別地U表示由傳感器的振蕩運(yùn)動(dòng)而移位的流體的等效重量的慣性效應(yīng)且&表示損失的相應(yīng)效果；這些電參數(shù)還通過以下表達(dá)式與相應(yīng)的物理性質(zhì)有關(guān)Rl= OKtIiilj和Llj = Ktnv其中,1 = P ^ S j/2是等價(jià)于由于其振蕩運(yùn)動(dòng)而與涂層接觸的液體的表面重量密度，其中，(2 P J 1/2是聲波到液體中的深度穿透，nL是流體粘度，P ^是流體密度且《是與離開諧振器的電信號(hào)匹配的振蕩運(yùn)動(dòng)的角速度。因此，所述條件下的諧振傳感器的電導(dǎo)納Y得自以下表達(dá)式Y(jié) = jcoCl +-^-(II)其中=CfCp且Zm得自
(I I
Zm=Rm+jXm=Rq+RL+j CD{Lq+Lc+Ll)---(NI)
、co^iJ從前述等式能夠獲得動(dòng)態(tài)系列諧振頻率(DSRF)的位移od，如由頻率所定義的，由于涂層的重量變化，動(dòng)態(tài)阻抗Zm在該頻率下僅具有實(shí)際值；對(duì)應(yīng)于DSRF的相應(yīng)角頻率變化A w s 是
權(quán)利要求
1.一種用于表征涂層的傳遞、累積或重量損失的方法，該涂層沉積在充當(dāng)連接到被施加測(cè)試信號(hào)的電路的傳感器的壓電諧振器上，并被暴露于其物理性質(zhì)保持穩(wěn)定的流體介質(zhì)，其特征在于步驟 a)選擇測(cè)試信號(hào)的頻率，其在諧振器的初始狀態(tài)中基本上等于諧振器的動(dòng)態(tài)系列諧振頻率(DSRF)，將此類狀態(tài)作為基準(zhǔn)， b)測(cè)量?jī)蓚€(gè)電壓信號(hào)的值，其中的一個(gè)確定傳感器的相位基準(zhǔn)且另一個(gè)確定其損失水平的基準(zhǔn)， c)在要表征或監(jiān)視的過程期間監(jiān)視在前一步驟中被作為基準(zhǔn)采取的電壓值， d)檢驗(yàn)傳感器的損失基準(zhǔn)電壓的值在測(cè)量過程期間本質(zhì)上不改變， e)在由相位變化的測(cè)量提供的信號(hào)基于實(shí)驗(yàn)的特征已偏離預(yù)定值以上或以下的情況下，在要監(jiān)視的過程期間修正測(cè)試信號(hào)的頻率的值，電壓值是在步驟b)中作為傳感器的相位基準(zhǔn)獲得的，直至提供相位變化的測(cè)量的電壓信號(hào)再次具有與在步驟b)中用傳感器的相位基準(zhǔn)獲得的值相同的值，或者其絕對(duì)值的差小于取決于實(shí)驗(yàn)的特性的某個(gè)預(yù)定數(shù)目， f)從提供相位變化測(cè)量的電壓信號(hào)的變化獲得在已經(jīng)監(jiān)視的實(shí)驗(yàn)過程期間的涂層上的重量變化，此類變化是作為信號(hào)的相位變化的函數(shù)計(jì)算的重量變化。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的用于表征沉積在壓電諧振傳感器上的涂層的傳遞、累積或重量損失的方法，其特征在于通過應(yīng)用以下表達(dá)式來執(zhí)行獲得涂層上的重量變化
3.根據(jù)權(quán)利要求I 2中的任一項(xiàng)所述的用于表征沉積在壓電諧振傳感器上并面對(duì)其物理性質(zhì)保持穩(wěn)定的流體介質(zhì)的涂層的傳遞、累積或重量損失的方法，其特征在于通過根據(jù)某個(gè)函數(shù)且特別地根據(jù)在提供傳感器相位變化的電壓信號(hào)中發(fā)生的變化的積分或擬積分變化來向測(cè)試信號(hào)的頻率提供修正而連續(xù)地執(zhí)行其中對(duì)測(cè)試信號(hào)的頻率進(jìn)行修正的步驟e)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I 3中的任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于壓電諧振器是薄膜聲諧振器。
5.根據(jù)權(quán)利要求I 4中的任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于壓電諧振器是在剪切模式中振動(dòng)的諧振器。
6.根據(jù)權(quán)利要求I 5中的任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于獲得在步驟f)中確定的重量變化指示與涂層接觸的液體溶液中的某個(gè)材料或化學(xué)或生物化合物的濃度。
7.根據(jù)權(quán)利要求I 6中的任一項(xiàng)所述的方法，應(yīng)用于同時(shí)地詢問多個(gè)壓電傳感器。
8.一種用于檢測(cè)實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求I 6的方法的重量變化的設(shè)備，包括 一壓電諧振器，其被作為諧振傳感器(2)集成在表面上，其中被成形為薄層的材料已被物理地或化學(xué)地沉積； 一流體介質(zhì)，其與被沉積的薄層接觸且其物理性質(zhì)在化學(xué)或物理過程發(fā)生期間基本上保持恒定； 一確定頻率的信號(hào)源(42)，具有高頻率穩(wěn)定性和低相位噪聲； 一頻率合成子系統(tǒng)(41)； 一信號(hào)控制和獲取子系統(tǒng)(40)；一信號(hào)調(diào)節(jié)電路，其具有濾波能力和功率水平的適當(dāng)性，包括濾波器(43)和放大器(44)； 一電路45，其由共享輸入端(Ui)并具有兩個(gè)輸出端(+和^)的兩個(gè)分支形成，每個(gè)輸出端用于一個(gè)分支，一個(gè)分支由組件(25、26、27、29、31、32、33、34)組成，其相位-頻率響應(yīng)不改變；并且另一分支包括部分地作為反射鏡的與第一個(gè)(25、26、28、30、31、32)相同的組件以及諧振傳感器(2); 一可調(diào)整增益相位檢測(cè)子系統(tǒng)(35)，由乘法器(35)和低通濾波器(37)形成，其提供與在其輸入端(UpU2)處的信號(hào)之間的相位差成比例的電壓信號(hào)(Utl);以及 一功率測(cè)量子系統(tǒng)(38)，其提供與在其輸入端(ui、u2)處的信號(hào)的功率水平之間的差成比例的電壓信號(hào)(uA)； 其特征在于 一頻率合成子系統(tǒng)(41)從源(42)的確定頻率信號(hào)提供信號(hào)，該信號(hào)的頻率能夠掃過諧振傳感器(2)的諧振頻帶； 一由頻率合成子系統(tǒng)(41)提供的信號(hào)被連接到由濾波器(43)和放大器(44)形成的信號(hào)調(diào)節(jié)電路的輸入端，其適當(dāng)?shù)貙?duì)該信號(hào)進(jìn)行濾波并且提供適當(dāng)?shù)墓β仕剑? 一放大器(44)的輸入端(Ui)被連接到兩個(gè)分支(45)的電路的輸入端，其中，連接了諧振傳感器⑵； 一兩個(gè)分支的電路(45)的每一個(gè)輸出端(U1、U2)被連接到相位檢測(cè)子系統(tǒng)(35)的一個(gè)輸入端，其輸出端提供具有與在其輸入端處的信號(hào)(UpU2)之間的相位差成比例的值的連續(xù)電壓信號(hào)(Utl)； 一兩個(gè)分支的電路(45)的每一個(gè)輸出端(U1、U2)還被連接到功率測(cè)量電路(38)的一個(gè)輸入端，其輸出端提供具有與在其輸入端處的信號(hào)(UpU2)之間的功率水平差成比例的值的連續(xù)電壓信號(hào)(uA)； 一功率水平(38)和相位檢測(cè)電路(35)的輸出被控制系統(tǒng)(40)獲取，控制系統(tǒng)(40)能夠作用于頻率合成子系統(tǒng)(41)以控制來自所述子系統(tǒng)的輸出信號(hào)的頻率。
9.一種用于檢測(cè)實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求I 6的方法的重量變化的設(shè)備，并且其允許對(duì)包括以下各項(xiàng)的壓電諧振器執(zhí)行流動(dòng)實(shí)驗(yàn) 一支撐部分(I)，其具有圓筒形狀和并行的圓形面，諧振傳感器(2)被沉積在其上；一適當(dāng)尺寸和形狀的下塊(13)，支撐部分(I)沉積在其上面并將諧振傳感器(2)的電極連接至外部連接器(16)； 一上塊(17)，其被沉積在支撐部分(I)上并包括一組溝道(20)和配件(18)作為用于引導(dǎo)流動(dòng)的元件； 其特征在于 一支撐部分⑴具有將其位置固定在下塊(13)上的孔(7)，并且孔(7)已被以在其下圓形面處包括以下各項(xiàng)的方式進(jìn)行機(jī)械加工 一中心孔(10)，諧振傳感器(2)被沉積在其中； 一中心通孔(8)，其使得可通過支撐部分⑴的上圓形面接近諧振器(2)的電極⑷中的一個(gè)的中心區(qū)域； 一狹槽(5)，其從其中沉積(2) 了傳感器的中心間隙(10)開始并擴(kuò)展至支撐部分(I)的外邊緣而不到達(dá)它們； 一肋(6)，其充當(dāng)狹槽與中心間隙(10)之間的壁， 一另一肋(9)，其毗鄰間隙(10)的中心孔(8)，留在與其它肋(8、9)相同的高度上，使得當(dāng)傳感器⑵被引入間隙(10)中時(shí)，其被沉積在肋(6、9)上； 并且其中 一諧振傳感器⑵的電極⑷的末端到達(dá)肋(6、9)上的狹槽(5)； 一密封材料，其填充傳感器的下表面與肋(6、9)之間的間隙； 一沿著狹槽(5)的長(zhǎng)度和寬度沉積導(dǎo)電材料并達(dá)到肋(6)的程度，肋(6)將中心間隙(10)的狹槽(5)分離，確定與壓電諧振器⑵的電極(4)的末端的電接觸； 一下塊(13)已被機(jī)械加工，使得其包括 一具有適當(dāng)形狀和深度的間隙，支撐部分(I)和在所述支撐部分之上的上塊(17)被沉積在其中； 一前一間隙的底部上的至少兩個(gè)孔，向其中的每一個(gè)中引入兩個(gè)接觸元件(15)，其上端與沉積在支撐部分(I)的狹槽(5)上的導(dǎo)電材料接觸并當(dāng)在其上面產(chǎn)生壓力時(shí)屈服，并且其下端被連接到外部雙極連接器(16)； 一上塊(17)被沉積在支撐部分(I)上并嵌入下塊(13)的間隙中，其在所述支撐部分(1)上的放置過程期間充當(dāng)引導(dǎo)； 并且其中 一墊圈(19)位于在上塊(17)的下側(cè)中的出于此類目的被機(jī)械加工的狹槽(21)上，并且所述墊圈壓在支撐部分(11)上，圍繞其中心孔(8)，通過該中心孔⑶可接近壓電諧振器(2)的電極⑷中的一個(gè)的中心區(qū)域；以及 一兩個(gè)管狀溝道(20)從位于上塊(17)的上部中的配件(18)開始并在下中心部分中、在下中心區(qū)域內(nèi)通向墊圈(19)。
10.一種包括根據(jù)權(quán)利要求8所述的至少一個(gè)設(shè)備的用于檢測(cè)重量變化的設(shè)備，并且其實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求7的方法。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種方法、一種用于電子表征的設(shè)備和一種用于監(jiān)視化學(xué)或物理過程的測(cè)量單元和支撐體，所述化學(xué)或物理過程具有能夠根據(jù)沉積在壓電傳感器上、被暴露于具有穩(wěn)定物理性質(zhì)的流體介質(zhì)的涂層的重量變化被評(píng)估的結(jié)果。本發(fā)明使用分析表達(dá)式的推演，其確定詢問壓電諧振器的固定頻率信號(hào)的相位變化與涂層的體密度的變化之間的簡(jiǎn)單聯(lián)系。本發(fā)明適合于使用用于表征生物化學(xué)和電化學(xué)過程的壓電諧振器的實(shí)施方式，特別地諸如壓電生物傳感器和免疫傳感器、用AC電重量分析法(electrogravimetry)進(jìn)行的過程和材料表征、溶解化學(xué)或生物學(xué)物質(zhì)的檢測(cè)。
文檔編號(hào)G01N9/00GK102625906SQ201080037718
公開日2012年8月1日 申請(qǐng)日期2010年6月18日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月23日
發(fā)明者A·賴格法巴多, A·阿瑙比貝斯, J·V·加西亞納爾邦, P·加西亞莫拉, Y·希梅內(nèi)斯希梅內(nèi)斯, Y·蒙塔古特費(fèi)里索拉 申請(qǐng)人:巴倫西亞理工大學(xué)