一种声场和磁场耦合式高灵敏度的质量称重传感器制造技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
一种声场和磁场耦合式高灵敏度的质量称重传感器
本专利技术涉及一种声场和磁场稱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。
技术介绍
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Λ F正比于工作电极上沉积物的质量改变Λ 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Λ F 和质量变化值Λ Μ有如下的关系：AF = Cf 〃 Λ Μ，其中Λ F为石英天平观察到的称重物质 前后频率变化值，Λ Μ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C f决定的。
技术实现思路
本专利技术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。 本专利技术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，本专利技术还可以做如下改进。 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。 本专利技术的有益效果是：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。 本专利技术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。 本专利技术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 0Γ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、A1 镀层。 当QCM传感器的背面放置磁性装置时，本专利技术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为本专利技术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】 以下结合附图对本专利技术的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本专利技术，并 非用于限定本专利技术的范围。 如图1和图2所不，一种高灵敏度的声场和磁场稱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。 在所述本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
2013.08.23 US 61/959,4091. 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...

【专利技术属性】
技术研发人员：詹姆斯·刘，克莉丝汀·刘，
申请(专利权)人：北京至感科技有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11