專利名稱：壓電諧振器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明適于壓電諧振器、包含壓電諧振器的流通池以及包含壓電諧振器的傳感器配置。
背景技術(shù)：
石英晶體微量天平(QCM)傳感器配置利用石英晶體的壓電效應(yīng)。這樣的系統(tǒng)中，如果交流電壓的頻率接近于石英晶體振蕩模式的諧振頻率時(shí)，被置于與交流電壓連接的兩個電極之間的石英晶體開始振蕩。
典型的QCM傳感器配置包括厚度剪切模式壓電傳感器單元、樣品插入單元、頻率計(jì)數(shù)器、信號顯示裝置、緩沖器以及廢物容器。通過樣品插入單元，可包含任何感興趣的能與傳感器電極相互作用的化學(xué)物質(zhì)的樣品被導(dǎo)入傳感器單元。傳感器單元包括壓電諧振器、檢測室、流入和流出檢測室的通道以及振蕩電路。樣品引起與壓電傳感器表面的相互作用，這種相互作用反過來可以通過監(jiān)測晶體板的振蕩特性而被觀察到，也就是通過測量壓電諧振器頻率的變化而被觀察到，典型地諧振頻率為5～50MHz。傳感器單元采用的諧振器包括晶體板，晶體板在其表面上提供有用于電極的電接觸區(qū)和其表面上的對置電極，對置電極可與信號源(例如交變電壓源)以及測量設(shè)備進(jìn)行連接。為了進(jìn)行測量，壓電晶體板的一邊與待檢測樣品相接觸。通過電極表面上附加質(zhì)量的增加或電極上附加質(zhì)量的減少(也就是與晶體一起振蕩的質(zhì)量的變化)，晶體對待檢測物質(zhì)或樣品物理性質(zhì)的變化產(chǎn)生響應(yīng)。附加質(zhì)量的這種變化引起諧振器的諧振頻率和/或振幅的變化。
壓電傳感器可被用于分析液體樣品的粘性，特別適合于研究化學(xué)和生物化學(xué)的反應(yīng)。
壓電諧振器采用的晶體板通常是小的振蕩石英晶體板。Schweyer等在1997年IEEE國際頻率控制會議(IEEE International FrequencyControl Symposium)上的“A Novel Monolithic Piezoelectric Sensor”中公開了一種可以用于測量目的的壓電傳感器。在QCM傳感器配置中諧振器典型地被配置到檢測室中，檢測室中樣品與諧振器的電極(檢測電極)之一發(fā)生接觸。EP 0 453 820 A2中公開了這種傳感器配置。檢測室通常被設(shè)計(jì)為流通池(參見例如US 6 196 059)，從而使得樣品流程在檢測室的一端具有入口并且在另一端具有出口，因此樣品可被引導(dǎo)通過檢測室，而且同時(shí)在樣品通過檢測室的過程中它與檢測電極發(fā)生反應(yīng)。對于具有提高的靈敏度的QCM傳感器的需求不斷增加。
本發(fā)明的目的是提供一種用于具有提高的靈敏度的傳感器配置的諧振器和流通池。

發(fā)明內(nèi)容
通過權(quán)利要求中描述的厚度剪切模式諧振器實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的。
因此本發(fā)明涉及一種用于檢測或測量介質(zhì)中分析物的傳感器配置中的厚度剪切模式壓電諧振器。該諧振器包含具有第一晶體表面和第二晶體表面的石英晶體板，所述第一晶體表面提供有第一電極，所述第二晶體表面提供有第二電極，其特征在于第一電極具有小于15mm2的表面積。該諧振器具有提高的靈敏度。
在一個
具體實(shí)施例方式
中，諧振器的第一電極具有小于10mm2的表面積。在另一個具體實(shí)施方式
中，諧振器的第一電極具有至少0.05mm2，優(yōu)選為1～5mm2的表面積。這些具體實(shí)施方式
的諧振器具有甚至提高更多的靈敏度。第一電極的表面積有利地小于第一晶體表面積，第一電極優(yōu)選為具有晶體面積0.1～90％的表面積。從檢測電極邊緣到晶體邊緣的距離合適地為至少0.2mm，優(yōu)選為1mm，更優(yōu)選為2mm。
在一個優(yōu)選的具體實(shí)施方式
中，第一電極表面具有矩形的形狀，矩形具有第一邊和第二邊。這種表面形狀能夠?qū)Ρ粰z測物質(zhì)獲得更多的立即響應(yīng)。當(dāng)被用于流通池中時(shí)，電極的矩形形狀還致使能夠獲得提高的流通和傳感器特性。矩形的第一邊優(yōu)選為至少是第二邊的0.1～10倍。
優(yōu)選地，諧振器的第一晶體表面提供有連接到第一電極的第一接觸區(qū)。該接觸區(qū)使得容易記錄諧振器諧振頻率的變化。這種情況下，使用矩形電極，第一接觸區(qū)優(yōu)選為連接到第一電極的第二邊。因此該接觸區(qū)將不會擾亂流體經(jīng)過電極的流動。
在一個
具體實(shí)施例方式
中，石英晶體的第一和第二表面是平面。平表面的晶體容易制造，因此制造成本低。
在另一個具體實(shí)施方式
中，石英晶體是反臺面形狀，也就是晶體具有至少位于第一邊上的第一凹槽，該凹槽內(nèi)提供有第一電極。與其它晶體相比，反臺面形狀提高了振蕩性能，因此提高了QCM傳感器配置的靈敏度。第一凹槽具有壁和底表面。底表面的面積大于第一電極，而且第一電極被設(shè)置在凹槽內(nèi)使得沒有被電極掩蓋的底表面部分在各邊上圍繞著電極。電極和凹槽壁之間的這種距離確保對晶體振蕩的衰減得以避免，從而確保靈敏度得到提高。從電極邊緣到凹槽壁的最短距離預(yù)選為至少0.01mm。
本發(fā)明還涉及一種用于檢測或測量介質(zhì)中分析物的設(shè)備中的流通池，包括與上述諧振器一起形成檢測室的壁和用于引導(dǎo)流體通過檢測室的入口和出口開口，其特征在于諧振器的一部分構(gòu)成檢測室壁之一，而且被設(shè)置成第一電極位于檢測室的內(nèi)部。這種流通池增強(qiáng)了流體樣品通過檢測室的流動特性。與流動方向垂直的檢測室的截面積有利地小于入口和出口開口截面積的2.5倍，最優(yōu)選地與入口和出口開口截面積相同。檢測室優(yōu)選為具有小于2μl的體積。
在優(yōu)選的具體實(shí)施方式
中，流通池包括流通池元件，流通池元件包括具有底表面和壁的向外開口的凹槽，從而所述底和壁構(gòu)成檢測室的壁，而不通過諧振器提供壁，而且其中的諧振器為可替換的部件，該諧振器通過壓力固定在流通池元件上，從而覆蓋所述凹槽并形成流通池。這種流通池僅僅包括少量部件，易于組裝；而且諧振器易于分離，使得使用新的諧振器替換用過的變得容易，因此這是有利的。流通池元件優(yōu)選為包括接觸表面，諧振器被固定在接觸表面上，該接觸表面與所述凹槽的底部面平行并圍繞所述凹槽，并且其中該凹槽具有對應(yīng)于第一電極的幾何形狀。該接觸表面確保流通池元件與晶體表面之間的流體緊密接觸，而且凹槽的幾何形狀還提高了檢測室內(nèi)的流通特性。在另一個具體實(shí)施方式
中，流通池包括流通池元件，流通池元件包括具有底表面和壁的向外開口的凹槽，從而所述底和壁構(gòu)成檢測室的壁，而不通過諧振器提供壁，而且其中諧振器由粘合劑附加到流通池元件上，從而覆蓋凹槽并形成流通池。這種流通池非常容易操控，因?yàn)檎麄€流通池是預(yù)先組裝好的可替換的部件，在插入QCM傳感器配置中不需要任何技術(shù)。在上述兩個具體實(shí)施方式
中，從電極邊緣到凹槽壁的最短距離優(yōu)選為至少0.01mm，從而保證了流通池元件不會擾亂諧振器的振蕩。
本發(fā)明還涉及一種用于檢測或測量介質(zhì)中分析物的傳感器配置，其特征在于包括上述的流通池。該配置具有提高的靈敏度。


圖1所示為典型壓電QCM傳感器配置的結(jié)構(gòu)圖。
圖2所示為沿圖3a的線II-II本發(fā)明的壓電諧振器的橫截面視圖。
圖3a所示為本發(fā)明的具體實(shí)施方式
的壓電諧振器的從檢測電極一邊，也就是與樣品相接觸的一邊看的斜視圖。
圖3b所示為圖3a中的諧振器從對置電極一邊看的斜視圖。
圖4所示為本發(fā)明的另一個具體實(shí)施方式
的壓電諧振器的從檢測電極一邊看的斜視圖。
圖5所示為本發(fā)明的仍然另一個具體實(shí)施方式
的壓電諧振器的橫截面斜視圖。
圖6所示為設(shè)置了本發(fā)明的壓電諧振器的流通池的橫截面視圖。
圖7所示為包含流通池元件和本發(fā)明的壓電諧振器的流通池的橫截面斜視分解圖。
圖8所示為改進(jìn)電極和標(biāo)準(zhǔn)電極的對比曲線圖。
圖9所示為對圖8的曲線圖下部的放大。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明基于令人驚奇的發(fā)現(xiàn)較小的檢測電極面積導(dǎo)致壓電諧振器靈敏度大大增加。本發(fā)明的壓電諧振器打算用于如圖1示意圖中所示的QCM系統(tǒng)的傳感器配置，用于檢測流體或其它流動介質(zhì)中的化學(xué)物質(zhì)和/或化學(xué)反應(yīng)。這樣的QCM傳感器系統(tǒng)包括用于控制和數(shù)據(jù)顯示的計(jì)算機(jī)(PC)1、頻率計(jì)數(shù)器2、樣品插入單元3、傳感器配置4、緩沖溶液容器5和廢物容器6。使用中，從緩沖溶液容器5導(dǎo)入液體或氣體底流，通過傳感器配置并跨過諧振器，該諧振器設(shè)置在傳感器配置4的檢測室內(nèi)并使之在其諧振頻率上振蕩，例如通過交變電壓源。樣品可以是液體或氣體，被注入到傳感器配置4中，并借助于底流被強(qiáng)制向前到檢測室。因此樣品進(jìn)入檢測室作為樣品塞(sampleplug)。當(dāng)樣品通過壓電諧振器時(shí)，樣品中的分析物與諧振器上提供的電極相互作用，因此導(dǎo)致諧振器的諧振頻率改變。通過頻率計(jì)數(shù)器2記錄頻率的改變。然后樣品被引導(dǎo)到廢物容器中。
用于QCM傳感器配置中的典型的諧振器包括圓形石英晶體，在其兩邊提供有電極。這種諧振器具有石英晶體在中間的三明治結(jié)構(gòu)。石英晶體的厚度由要求的諧振頻率決定，反之亦然。在晶體的兩邊可以是例如鈦、鉻、鎳、鋁或它們的合金的粘合層。在可選的粘合層的頂部設(shè)置電極。該電極為導(dǎo)電材料，實(shí)際的材料選擇依賴于應(yīng)用，但通常為金、銀、鈦、鉻、鎳、鋁、鉑、鈀或金屬合金。在晶體的每個邊上的電極材料可以不同。傳統(tǒng)上電極一直是圓形的，其直徑小于使用晶體的直徑。
被檢測物質(zhì)常常被結(jié)合到電極的表面。在一些應(yīng)用中暴露于樣品的電極被提供有特殊的表面覆層，然后被檢測物質(zhì)與覆層相互作用。這樣的表面覆層具有特殊的結(jié)合位置，被檢測的物質(zhì)結(jié)合到該結(jié)合位置上。在一些情況中待檢測物質(zhì)可能與表面覆層發(fā)生替代作用，使得從表面覆層去除材料。在一些應(yīng)用中，待檢測物質(zhì)并不化學(xué)地結(jié)合到電極上，但仍與電極(具有或沒有覆層)發(fā)生作用，結(jié)果使得諧振器的振蕩特性發(fā)生變化。不管待檢測物質(zhì)如何與電極發(fā)生作用，檢測或測量操作導(dǎo)致電極的附加質(zhì)量發(fā)生變化(也就是與晶體一起振蕩的質(zhì)量改變)。附加質(zhì)量的這種變化導(dǎo)致振蕩特性發(fā)生變化，例如諧振器的振蕩頻率和/或振蕩幅度。本說明書中下文的“結(jié)合”這個詞應(yīng)該進(jìn)行如下解釋，使其還包含待檢測物質(zhì)與電極的反應(yīng)，這里物質(zhì)并不化學(xué)地結(jié)合到電極上，而是與電極發(fā)生反應(yīng)，結(jié)果使得諧振器的振蕩特性發(fā)生變化。
諧振器中使用的晶體通常是AT切割的，并具有大約8～25mm直徑的圓形或正方形(quadratic shape)。AT切割晶體以剪切運(yùn)動進(jìn)行振蕩。這在液體和氣體應(yīng)用中是有利的，因?yàn)樗钚』街車橘|(zhì)中的能量損失。其它晶體類型如厚度擴(kuò)展振動模式或縱向模式晶體較不適合于在檢測/測量操作，因?yàn)槟芰繐p失太大。AT切割晶體上的電極在兩邊常常是金的，但是如上所述，也可以使用其它材料。與石英晶體板相比，電極非常薄。該技術(shù)中已知的電極典型地具有20～400mm2的面積。
作為檢測/測量操作過程中電極的附加質(zhì)量變化的結(jié)果，晶體板的諧振頻率將或者降低或者增加，因此可以測量諧振頻率的變化用以檢測電極附加質(zhì)量的變化。在一些應(yīng)用(例如真空中氣體分析)中，QCM傳感器配置的質(zhì)量分辨率可以低至1pg/cm2，相當(dāng)于小于氫單層的1％。
石英晶體的諧振頻率是多個參數(shù)的函數(shù)，除附加質(zhì)量的變化之外，還包括例如溫度、壓力、晶體的切割角度、機(jī)械壓力以及晶體的厚度。諧振頻率與晶體厚度的平方根成反比，并可以通過Saurbrey公式Δf＝-2f2·Δm/ρv·A獲得，其中f為諧振頻率，ρ是石英的密度，v是石英中的剪切波速，A是電極面積，Δm是樣品的質(zhì)量。在液體應(yīng)用中使用的典型諧振頻率處于1MHz到50MHz的范圍內(nèi)。
在液體應(yīng)用中使小的晶體板振蕩在技術(shù)上是困難的。為了在傳感器配置中可以應(yīng)用，諧振器必須能夠經(jīng)受住夾持裝置施加的壓力，通過夾持裝置諧振器被固定在傳感器配置的檢測室內(nèi)。還必須經(jīng)受住由被引導(dǎo)通過檢測室的液體樣品施加的負(fù)載。諧振器還必須具有當(dāng)夾持在檢測室內(nèi)也能振蕩的振蕩特性，而且晶體板必須具有允許夾持的尺寸和形狀。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)用于QCM傳感器應(yīng)用的傳統(tǒng)諧振器的靈敏度不足的一個原因與檢測電極(也就是與樣品接觸的電極)的尺寸有關(guān)。例如在神經(jīng)系統(tǒng)科學(xué)和健康診斷中需要高靈敏度。
影響被選電極尺寸選擇的一個參數(shù)就是電極表面上活性點(diǎn)的需要數(shù)量。所述活性點(diǎn)的數(shù)量是指表面上分析物能夠結(jié)合的可能位置的數(shù)量。在研究蛋白質(zhì)在未涂覆金屬表面上的吸附的情況中，活性點(diǎn)的數(shù)量僅僅由金屬表面的面積和蛋白質(zhì)的尺寸控制。對于研究涂覆金屬表面上抗原-抗體相互作用，活性點(diǎn)的數(shù)量依賴于能夠在表面上被固定的抗原的數(shù)量。傳感器表面上可能的活性點(diǎn)數(shù)量反過來決定傳感器配置的靈敏度范圍。
諧振器的Q值也是必需考慮的重要參數(shù)。在較早披露的諧振器中，高的Q值被認(rèn)為是高的理想性能。Q值是一種與由于振蕩損失的能量相關(guān)的存儲在系統(tǒng)中的能量數(shù)量的量度。這意味著使用具有高Q值的振蕩器，將需對晶體供給少量能量以確保晶體振蕩，因此晶體更容易振蕩。而且，測量頻率時(shí)，具有高Q值的晶體將提供高的信噪比。高Q值可以通過大的電極面積得以實(shí)現(xiàn)，這是為何以前技術(shù)的諧振器提供有相對大的電極面積。當(dāng)電極面積變得更小，Q值減小，直到晶體不再振蕩。對電極面積大小的選擇也必須仔細(xì)考慮Q值。
晶體附加到流通系統(tǒng)內(nèi)也對晶體的負(fù)載產(chǎn)生影響，因?yàn)楦郊涌赡軐?dǎo)致晶體上的衰減。晶體負(fù)載還依賴于涂覆在電極上的介質(zhì)(例如抗體、分子拓印聚合物)的種類(如果有)和樣品和底流的流體種類(空氣、水、油等)。晶體上負(fù)載增加，這種增加可以由于表面涂覆、夾持或者流體的粘滯性，使得操作時(shí)晶體的Q值更低，從而可能需要更大的電極面積以維持振蕩。
諧振頻率變化的大小依賴于附加質(zhì)量的變化大小。目前發(fā)現(xiàn)較小的電極面積導(dǎo)致較高的靈敏度，由于諧振頻率的變化依賴于電極質(zhì)量的變化，電極質(zhì)量變化是由于電極與待檢測/測量物質(zhì)之間的相互作用引起的。如果電極面積較小，附加質(zhì)量在絕對測量值上發(fā)生一定的變化構(gòu)成較大的對于整個附加質(zhì)量的相對變化，因此對于較小的電極面積，電極重量的相對變化將較大。反過來這將導(dǎo)致諧振頻率的更大的變化。然而，必須考慮需要的活性點(diǎn)數(shù)量、Q值以及晶體的負(fù)載對電極的面積進(jìn)行選擇。已發(fā)現(xiàn)為了在用于檢測或測量液體或氣體介質(zhì)中分析物的檢測應(yīng)用中獲得令人滿意的靈敏度，檢測電極應(yīng)該具有位于0.05到15mm2之間的表面積，優(yōu)選為1～5mm2。
本發(fā)明的壓電諧振器，在圖2中示出，包括具有第一晶體表面8和第二晶體表面9的石英晶體板7。第一晶體表面提供有第一電極10，檢測電極，該電極具有小于15mm2優(yōu)選為小于10mm2的表面積。第二晶體表面9提供有第二電極11，對置電極。檢測電極10應(yīng)該優(yōu)選具有至少0.05mm2的表面積，而且應(yīng)該最優(yōu)選地為1和5mm2之間。如圖2所示，檢測電極具有比晶體表面積更小的表面積。圍繞檢測電極的周圍區(qū)域被打算用于附加到流通池或用于將晶體固定在測量池中的任何其它夾持裝置，因?yàn)椴僮髦袡z測電極必須不被任何夾持方式擾亂。檢測電極的表面積應(yīng)該覆蓋晶體表面積的0.1～90％。從檢測電極邊緣到晶體邊緣的距離應(yīng)該為至少0.2mm，優(yōu)選為1mm，更優(yōu)選為2mm。
第二晶體表面上的對置電極11應(yīng)該優(yōu)選為完全覆蓋至少位于第一晶體表面8上的檢測電極表面。然而，對置電極應(yīng)該優(yōu)選為比檢測電極大，以保證全部檢測電極是活性的。對于制造這也是有利的，因?yàn)樗闺姌O可以彼此稍有移動，因此制造不需要非常精確。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)影響QCM傳感器配置的靈敏度的另一個參數(shù)是流體樣品在流通池內(nèi)的流動特性。當(dāng)樣品通過檢測電極時(shí)在檢測室發(fā)生的樣品流體內(nèi)的流動擾動可能導(dǎo)致靈敏度的降低。在具有流經(jīng)池的QCM傳感器配置中，樣品通常從諧振器晶體的一個側(cè)面或者從上面供給到檢測室。在樣品從側(cè)面進(jìn)入室中的情況下，樣品在諧振器晶體的相反側(cè)面離開，因此在電極表面上方平行流動。在樣品從上面(垂直地或以一個角度)進(jìn)入的情況下，樣品可以平行于電極表面或以一個角度向上離開室。
在迄今為止已知的流經(jīng)池QCM傳感器中，與供給樣品到檢測室的樣品流通通道的寬度相比，檢測室的寬度非常大。因此當(dāng)樣品流被引導(dǎo)通過檢測室時(shí)，樣品在電極表面上擴(kuò)展，結(jié)果導(dǎo)致不明確的流動特征。流動條件的變化可以包括降低的流動速率、增加的擾動、壓力變化和混合。這些情況導(dǎo)致樣品塞的分散和稀釋，這反過來導(dǎo)致更少的明顯頻率變化。在許多應(yīng)用中，例如檢測應(yīng)用和動力學(xué)測量中，在QCM傳感器配置的檢測室內(nèi)具有低的樣品分散是非常重要的。大檢測室的另一個缺點(diǎn)是可能在電極表面上方發(fā)生壓力變化，結(jié)果使得頻率信號中的噪聲水平增加。
因此本發(fā)明的一個優(yōu)選的具體實(shí)施方式
的進(jìn)一步的目標(biāo)是發(fā)現(xiàn)一種諧振器，這種諧振器在用于流通池時(shí)提供改善的流動特性。該優(yōu)選的具體實(shí)施方式
涉及具有電極的諧振器，所述電極的幾何形狀被調(diào)整到適合于QCM傳感器配置的流動通道。然后電極被成形為對著樣品入口的電極的邊緣等于或者稍小于樣品入口的寬度。這對于所有尺寸的電極都是有利的。在使用圓形電極的情況中(如圖3a和3b所示)，電極的直徑應(yīng)該稍小于樣品入口的直徑。具有允許流通池的橫截面積接近于入口和出口橫截面積的尺寸的諧振器，大大地提高傳感器配置的流動特性。反過來，這將減少分散并提高傳感器配置的靈敏度。
圖3a和3b所示為圖2中所示的壓電諧振器的斜視圖。圖3a中諧振器是從檢測一側(cè)看的，也就是打算與樣品相接觸的一側(cè)。圖3b中諧振器是從對置電極一側(cè)看的。諧振器的晶體板7上提供有小的圓形電極10，也就是第一側(cè)8上的檢測電極。諧振器提供有位于第二側(cè)9上的對置電極11，如圖3b所示。電極10、11兩個都優(yōu)選具有用于連接QCM傳感器配置中電接觸的接觸區(qū)12、13。
然而，檢測電極表面的一種甚至更優(yōu)選的幾何形狀為矩形或方形。圖4所示為具有晶體板107的諧振器，晶體板107上在第一側(cè)108(檢測側(cè))上提供有矩形電極110。當(dāng)圖4中所示的這樣一個諧振器被安裝在流通池時(shí)，電極110將具有朝流通池的樣品入口和引入的樣品塞取向的直邊14。被注入并通過底流進(jìn)行傳輸?shù)臉悠返臉悠啡牧鲃訄D案不可避免成為拋物線形狀，因?yàn)榭拷鲃油ǖ辣诘牧鲃铀俾士偸切∮谕ǖ乐虚g的速率。與流動方向垂直的直的電極邊緣14將導(dǎo)致更即時(shí)的傳感器響應(yīng)，還導(dǎo)致更明顯的頻率變化，因?yàn)殡姌O的整個寬度立即并同時(shí)與樣品塞相接觸。此外，樣品的全部平行流動部分將與傳感器電極相互作用相同的時(shí)間，因?yàn)樵谕ㄟ^檢測室的路線中每個平行的流動部分將通過相同的電極長度。當(dāng)對于電極使用矩形形狀時(shí)(如圖4所示)，矩形被定義為具有第一邊15和與所述第一邊15垂直的第二邊16。矩形本身具有兩對平行的邊。為了簡化說明，只對每一對的一邊討論，也就是第一邊15和第二邊16，它們屬于不同對的邊。這些第一和第二邊可以是這樣的對中的任何一個邊。當(dāng)諧振器被安裝到流通池時(shí)，第一邊15將朝樣品入口取向，與流動方向相垂直，第二邊16將沿平行于樣品流動的方向延伸。第一邊15和第二邊16的比優(yōu)選為一邊的長度是另一邊長度的0.1～10倍。因此第一邊可以比第二邊短(如圖4中所示的實(shí)例)，從而樣品按縱向通過電極，但是第一邊15可以選擇為比第二邊16長，從而樣品按橫向通過電極。圖4所示的實(shí)例中，第二邊為第一邊的4.3倍。無論電極尺寸大小，矩形或方形電極對于所有電極都是有利的。
如圖3a、3b和4中所示，第一晶體表面8、108提供有連接到第一電極10、110(檢測電極)的第一接觸區(qū)12、112，第二晶體表面9提供有連接到第二電極11(對置電極)的第二接觸區(qū)13。接觸區(qū)可以容易地連接到QCM傳感器配置中的電接觸上，從而諧振頻率的變化以及檢測電極上的質(zhì)量變化可以被記錄。在圖4所示的具體實(shí)施方式
中，第一接觸區(qū)12、112被連接到第一電極10的第二邊16上，也就是與樣品流的流動方向相平行的一邊。因此接觸區(qū)不會擾亂流通池內(nèi)的樣品流，因?yàn)樗鼘⒈恢糜跈z測室的外面。
在一些具體實(shí)施方式
中(如圖2、3a、3b和4中)，用于諧振器的石英晶體7、107具有平的表面。由于形狀簡單，平的晶體比其它晶體更容易制造，并因此更便宜。
另一個具體實(shí)施方式
中(圖5中所示)，用于諧振器的石英晶體207為反臺面形狀，也就是晶體具有薄的中心區(qū)域17，該中心區(qū)域17被更厚的周圍區(qū)域18圍繞。因此反臺面可以很好地經(jīng)受住在流通池內(nèi)的固定，并且同時(shí)具有優(yōu)異的振蕩特性，因?yàn)樵诒〉闹行膮^(qū)域材料厚度小。電極210、211位于薄的中心區(qū)域17。反臺面在兩側(cè)或一側(cè)可以具有凹槽。凹槽具有平的底并且壁是傾斜的或直的。因此反臺面的薄的中心區(qū)域17構(gòu)成凹槽的平底。圖5所示為在兩側(cè)具有凹槽19、20的反臺面。第一電極210被提供到第一晶體表面208上的第一凹槽19中，第二電極211被提供到第二晶體表面209上的第二凹槽20中。兩個凹槽都具有平底21、22和傾斜的壁23、24。反臺面結(jié)構(gòu)被用于獲得具有更高諧振頻率從而更高靈敏度的更薄的晶體。晶體的機(jī)械穩(wěn)定性也通過反臺面結(jié)構(gòu)得以保證，因?yàn)榫w的周圍區(qū)域18具有比薄的中心區(qū)域17更高的機(jī)械強(qiáng)度。
提供有檢測電極210(第一電極)的第一凹槽19的平底21的表面積大于電極210的表面積。電極210被設(shè)置在凹槽19中，使得沒有被電極掩蓋的底表面部分圍繞在電極的周圍。因此在電極周圍從電極邊緣25到凹槽的壁23將存在距離。從電極邊緣到凹槽壁的最短距離應(yīng)該為至少0.01mm。這樣的距離確保對晶體振蕩的衰減得以避免。
本發(fā)明還涉及用于檢測或測量介質(zhì)中分析物的配置中的流通池。圖6所示為這樣的流通池的橫截面視圖。該流通池包括形成檢測室26的壁、用于引導(dǎo)流體通過檢測室并經(jīng)過上述任一具體實(shí)施方式
中的諧振器29的入口和出口開口27、28。諧振器29被設(shè)置在流通池中，構(gòu)成檢測室26的壁之一并被設(shè)置成使第一(檢測)電極310位于檢測室的內(nèi)部。諧振器可以通過任何適當(dāng)?shù)姆椒ń雍系搅魍ǔ刂?，例如緊固螺絲、擠壓或粘合。流通池可以是傳感器配置的整體結(jié)構(gòu)部件，或者可以是可插入傳感器配置的獨(dú)立可分離部件。
與流通方向垂直的檢測室的橫截面積小于入口和出口開口27、28橫截面積的2.5倍，從而流通池內(nèi)的流動特性得以改善。最好優(yōu)選為所述橫截面積與入口和出口開口橫截面積相同，使得樣品流完全不受流經(jīng)樣品室的影響。特定的流通通道尺寸，也就是在圓形管的情況下入口和出口的直徑優(yōu)選為0.75mm或更小。這使得樣品的分散更低，反過來引起更明顯的頻率變化。
流通池并不由諧振器29構(gòu)成的壁30、31可以由不同部件組裝而成。然而，在優(yōu)選的具體實(shí)施方式
中(圖7中所示)，流通池包括流通池元件32，流通池元件32朝外開口的凹槽33。凹槽具有底表面34和壁35，從而所述底和壁構(gòu)成檢測室中沒有通過諧振器29提供的壁。該具體實(shí)施方式
中，諧振器是可替換部件，諧振器通過壓力固定在流通池元件上，從而覆蓋凹槽并因此形成流通池的一個壁。作為選擇，可以通過粘合劑將諧振器粘合在流通元件上。這種情況下，整個流通池是可替換部件。流通池元件包括接觸表面36，諧振器固定在該表面36上。接觸表面36面平行于凹槽33的底部34并圍繞著凹槽。為了改善凹槽的流動特性，凹槽具有與檢測電極410的幾何形狀相對應(yīng)的幾何形狀。從電極邊緣425到凹槽壁35的最短距離優(yōu)選為至少0.01mm，從而確保電極410的自由振蕩。如果諧振器是反臺面的，諧振器29可以優(yōu)選設(shè)置在流通池中，從而使平的接觸表面36緊靠諧振器的厚的周圍區(qū)域18。在一些應(yīng)用中，使接觸表面36緊靠諧振器的底部21是合適的。
與反臺面諧振器一起使用的流通池元件可以選擇為具有與如上所述的流通池元件32相同的形狀，但是沒有凹槽。因此流通池將具有打算用于緊靠諧振器厚周圍區(qū)域18上的平表面，并具有用于樣品的入口和出口開口。平的流通池元件表面、諧振器平的底部21和壁24將構(gòu)成檢測室26。
本發(fā)明還涉及用于檢測或測量介質(zhì)中分析物的傳感器配置，包括如上所述之一的流通池。這樣使用的流通池包括本發(fā)明的諧振器。
本發(fā)明的諧振器可以用于QCM傳感器配置中以分析液體樣品的粘性，并特別適用于研究化學(xué)和生物化學(xué)相互作用。如果壓電傳感器被用于后者目的，則待暴露于樣品的電極提供有特殊的表面覆層，該覆層將與樣品相互作用。這種表面覆層的壓電傳感器可被用于例如表面科學(xué)、生物技術(shù)研究以及藥品開發(fā)。其它的應(yīng)用可以是作為用于檢測危險(xiǎn)氣體或者物質(zhì)的傳感器，這些危險(xiǎn)氣體或者物質(zhì)如環(huán)境污染物、生物化學(xué)戰(zhàn)爭制劑以及非法藥品，例如麻醉物質(zhì)或者性能提高的毒品(添加劑)。本技術(shù)的第三應(yīng)用領(lǐng)域是健康診斷，所述傳感器可通過分析人體血液或其它體內(nèi)流體而被用于檢查不同疾病患者。
實(shí)例對具有1mm×4mm小矩形檢測電極的壓電圓形石英晶體(10MHZ AT切割)，應(yīng)用1小滴(20μl)1mg/ml磷酸鹽緩沖鹽(PBS)的牛血清蛋白(BSA)溶液，并允許溶液在室溫干燥。然后晶體被插入到由Attana AB，Stockholm，Sweden提供的Attana 100 QCM系統(tǒng)中，該系統(tǒng)中具有與所述電極的形狀相應(yīng)的矩形(5mm×1.5mm)幾何形狀的流通室。電極和流通室的方向放置為電極的短邊與流通方向垂直。
第一電極暴露于以100μl分鐘流速連續(xù)流動的PBS溶液。通過由Scantec lab，Partille，Sweden提供的Vici色譜8向注入閥，將50μl去離子水樣品塞插入到流體中。插入水樣品之后對頻率變化進(jìn)行監(jiān)測，數(shù)據(jù)用虛線顯示在圖8和圖9中。
接下來，對具有4.5mm直徑的圓形傳感器電極的標(biāo)準(zhǔn)圓形晶體(10MHZ AT切割)應(yīng)用1小滴(20μl)1mg/ml PBS的BSA溶液進(jìn)行類似處理。然后將該晶體插入到Attana 100 QCM系統(tǒng)中，該系統(tǒng)中具有與第一電極相應(yīng)的圓形(5mm直徑)幾何形狀的流通室。電極被暴露于以100μl分鐘流速連續(xù)流動的PBS溶液和如上所述的50μl去離子水樣品塞中。插入水樣品之后對頻率變化進(jìn)行監(jiān)測，數(shù)據(jù)用實(shí)線顯示在圖8和圖9中。
可以觀察到兩個明顯的表現(xiàn)差異(1)傳感器靈敏度的極大差異和(2)由于兩種設(shè)計(jì)的流體學(xué)和分散現(xiàn)象的差異引起頻率響應(yīng)曲線形狀的差異。
圖8的曲線圖顯示標(biāo)準(zhǔn)電極的頻率響應(yīng)峰值出現(xiàn)在36Hz，而小電極的峰值出現(xiàn)在430Hz。因此小(4mm2)電極測量PBS溶液和去離子水之間差異的靈敏度比標(biāo)準(zhǔn)(15.9mm2)電極的靈敏度高得多，靈敏度提高超過10倍。
圖8和9還顯示矩形電極的峰與圓形電極的峰在形狀上不同。這主要是由于不同電極幾何形狀而產(chǎn)生的。
在有樣品塞流經(jīng)通道和傳感器室的理想傳感器系統(tǒng)中，響應(yīng)的形狀應(yīng)該是完全方形的，開始于在時(shí)間為0時(shí)的頻率臺階上升，結(jié)束于30s之后頻率臺階減小。這樣的理想系統(tǒng)并不存在，因?yàn)樵诒∑瑺钕到y(tǒng)中流動將采取拋物線形狀，與徑向和軸向擴(kuò)散一起不可避免地引起樣品塞和持續(xù)運(yùn)行的緩沖劑之間的界面混合。這種混合主要發(fā)生在樣品塞的開始和結(jié)束階段，導(dǎo)致使那些區(qū)域內(nèi)樣品濃度變稀薄。這種現(xiàn)象通常被稱為分散。
對于矩形和圓形電極的兩個曲線圖的比較顯示使用矩形電極的系統(tǒng)比使用圓形電極的系統(tǒng)更接近于理想系統(tǒng)。曲線圖的詳細(xì)分析顯示因樣品到檢測表面引起的差別十分微不足道。然而，樣品塞離開室時(shí)的行為差異卻十分重要。到理想的樣品塞應(yīng)該已經(jīng)離開室的時(shí)間，即30s，矩形系統(tǒng)顯示大約最大頻率1％偏移的信號。同樣的時(shí)間，圓形系統(tǒng)的響應(yīng)保持在最大頻率39％的偏移，因此具有大幅度的滯后，這種滯后可以相當(dāng)大地影響測量的質(zhì)量。
這些分析系統(tǒng)中可能發(fā)生的其它現(xiàn)象是局部紊亂和不規(guī)則流動方式。不規(guī)則流動可能在流體暴露到特征流動尺寸(例如橫截面積)迅速變化的區(qū)域產(chǎn)生，例如將在流體進(jìn)入圓形流通室時(shí)發(fā)生。橫截面積的變化將導(dǎo)致傳感器室局部壓力下降，可能導(dǎo)致局部微渦流和通常的不規(guī)則流動，這反過來將增加與上述理想條件的偏差。圓形系統(tǒng)的不規(guī)則響應(yīng)形狀說明這種現(xiàn)象發(fā)生在圓形系統(tǒng)中。對于采用矩形電極的傳感器系統(tǒng)橫截面積的變化大大地減小，因此來自該系統(tǒng)的響應(yīng)不包含預(yù)料之外的不規(guī)則。
權(quán)利要求
1.一種用于傳感器配置中的厚度剪切模式壓電諧振器，該傳感器用于檢測或測量介質(zhì)中的分析物，所述諧振器包括具有第一晶體表面(8，108，208)和第二晶體表面(9，209)的石英晶體板(7，107，207)，所述第一晶體表面提供有第一電極(10，110，210)，所述第二晶體表面提供有第二電極(11，211)，其特征在于該第一電極具有小于15mm2的表面積。
2.權(quán)利要求1的諧振器，其中所述第一電極的表面積小于10mm2。
3.權(quán)利要求1或2的諧振器，其中所述第一電極的表面積至少為0.05mm2，優(yōu)選為1～5mm2。
4.權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的諧振器，其中所述第一電極的表面積小于所述第二晶體表面，該第一電極優(yōu)選地具有晶體面積0.1-90％的表面積。
5.權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)所述的諧振器，其中從檢測電極邊緣到晶體邊緣的距離至少為0.2mm，優(yōu)選為1mm，更優(yōu)選為2mm。
6.權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述的諧振器，其中所述第一電極(110)具有矩形的表面，具有第一邊(15)和第二邊(16)。
7.權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)所述的諧振器，其中所述第一邊是所述第二邊的至少0.1-10倍。
8.權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)所述的諧振器，其中所述第一晶體表面(8，108，208)提供有與所述第一電極(10，110，210)連接的第一接觸區(qū)域(12，112，212)，所述第二晶體表面(9，209)提供有與所述第二電極(11，211，311)連接的第二接觸區(qū)域(13)。
9.權(quán)利要求8的諧振器，其中所述第一接觸區(qū)域(12，112，212)與所述第一電極的第二邊(16)連接。
10.權(quán)利要求1-9中任一項(xiàng)所述的諧振器，其中所述石英晶體(7，107)的第一和第二表面(8，108；9)是平整的。
11.權(quán)利要求1-9中任一項(xiàng)所述的諧振器，其中所述石英晶體(207)為反臺面形狀，即具有在其中提供第一電極(210)的薄中心區(qū)域。
12.權(quán)利要求11的諧振器，其中所述晶體(207)的第一邊具有至少一個在其中提供第一電極(210)的第一凹槽(19)，所述第一凹槽(19)具有壁(24)和底表面(21)，該底表面的面積大于第一電極(210)，并且，其中所述第一電極被設(shè)置在凹槽中，使得電極邊緣(25)和凹槽壁(24)之間有一個距離。
13.權(quán)利要求11的諧振器，其中從所述電極邊緣(25)到所述凹槽壁(24)的最短距離為至少0.01mm。
14.一種用于檢測或測量介質(zhì)中的分析物的設(shè)備中的流通池，包括形成檢測室(26)的壁以及權(quán)利要求1-13中任一項(xiàng)所述的諧振器(29)，和用于引導(dǎo)流體經(jīng)過檢測室的入口和出口開口(27，28)，其特征在于所述諧振器(29)的一部分構(gòu)成檢測室壁之一，并且被設(shè)置成使得第一電極(310，410)位于檢測室內(nèi)部。
15.權(quán)利要求14的流通池，其中所述檢測室在垂直于流動方向上的截面積小于所述入口和出口開口截面積的2.5倍。
16.權(quán)利要求15的流通池，其中所述檢測室在垂直于流動方向上的截面積與入口和出口開口的截面積相同。
17.權(quán)利要求14-16中任一項(xiàng)所述的流通池，其中所述檢測室具有小于2μl的體積。
18.權(quán)利要求14-17中任一項(xiàng)所述的流通池，其中所述流通池包括流通池元件(32)，該流通池元件包括具有底表面(34)和壁(35)的、向外的開口凹槽(33)，從而所述底部和壁構(gòu)成沒有由諧振器(29)提供的檢測室壁，并且，其中所述諧振器是可替換的部件，該諧振器由壓力固定在流通池元件上，從而覆蓋所述凹槽并形成流通池。
19.權(quán)利要求14-17中任一項(xiàng)所述的流通池，其中流通室包括流通室元件(32)，該流通室元件包括具有底表面(34)和壁(35)的、向外的開口凹槽(33)，從而所述底部和壁構(gòu)成沒有由諧振器(29)提供的檢測室壁，并且，其中所述諧振器由粘合劑附加到流通池元件上，從而覆蓋所述凹槽并形成流通池。
20.權(quán)利要求18或19的流通池，其中所述流通池元件包括接觸表面(36)，所述諧振器被固定在其上，該接觸表面與所述凹槽(33)的底部(34)面平行并圍繞所述凹槽，并且其中所述凹槽具有對應(yīng)于所述第一電極(410)的幾何形狀。
21.權(quán)利要求18-20任一項(xiàng)所述的流通池，其中從電極邊緣到凹槽壁(35)的最短距離為至少0.01mm。
22.一種用于檢測或測量介質(zhì)中的分析物的傳感器配置，其特征在于包括權(quán)利要求14-20中任一項(xiàng)所述的流通池。
23.權(quán)利要求1-13中任一項(xiàng)所述的厚度剪切模式諧振器用于檢測或測量目的。
24.權(quán)利要求23的用途，其中所述諧振器被用于檢測或測量液體樣品。
全文摘要
一種用于檢測或測量介質(zhì)中分析物的傳感器配置中的壓電諧振器，包括具有第一晶體表面和第二晶體表面的石英晶體板。第一晶體表面提供有具有小于15mm
文檔編號H03H9/13GK1751234SQ200480004174
公開日2006年3月22日 申請日期2004年2月11日 優(yōu)先權(quán)日2003年2月12日
發(fā)明者特奧多·阿斯托普, 簡·史密斯, 亨利克·安德森 申請人:阿塔納股份公司