石英晶體微天平傳感器：一種用于氣體檢測(cè)的石英晶體微天平傳感器的制作方法

本實(shí)用新型是一種用于氣體檢測(cè)的石英晶體微天平傳感器，屬于科學(xué)檢測(cè)儀器領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
石英晶體微天平是一種能夠檢測(cè)微小質(zhì)量變化的分析儀器。以特定的石英晶體振蕩器為換能器件，與在其上附著的敏感材料構(gòu)成質(zhì)量-頻率敏感元件；被分析物質(zhì)與敏感材料相互作用而引起的質(zhì)量變化即時(shí)導(dǎo)致石英晶體頻率變化，通過(guò)檢測(cè)頻率的變化，實(shí)現(xiàn)微小質(zhì)量的實(shí)時(shí)定量檢測(cè)分析。在臨床檢驗(yàn)、環(huán)境檢測(cè)、食品安全檢測(cè)、生命科學(xué)、新藥篩選、材料科學(xué)等領(lǐng)域具有十分廣闊的應(yīng)用前景。
針對(duì)氣體檢測(cè)對(duì)象的石英晶體微天平檢測(cè)儀器，其核心部件是裝有石英晶體片的傳感器。然而，現(xiàn)有的石英晶體傳感器安裝和更換石英晶體片操作繁瑣、精細(xì)，接觸壓力不易控制，常因產(chǎn)生安裝應(yīng)力導(dǎo)致測(cè)定結(jié)果重現(xiàn)性差并影響測(cè)量精度，甚至造成石英晶體片的損毀。
在對(duì)氣體進(jìn)行采樣時(shí)，通常需要進(jìn)行對(duì)比采樣以消除系統(tǒng)誤差。現(xiàn)有的方法是采用多個(gè)傳感器進(jìn)行平行采樣，此方法的弊端是各傳感器位于各自獨(dú)立系統(tǒng)，系統(tǒng)間的時(shí)間、物理、化學(xué)等變量的不同步及差異會(huì)使檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生誤差。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實(shí)用新型提供一種用于氣體檢測(cè)的石英晶體微天平傳感器，要解決的技術(shù)問(wèn)題是：第一，使安裝和更換石英晶體片的操作更加方便，并可避免出現(xiàn)安裝應(yīng)力；第二，將測(cè)量和參比單元置于同一檢測(cè)環(huán)境中，使之可以同步檢測(cè)以消除系統(tǒng)誤差提高測(cè)量的準(zhǔn)確度。
為實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，本實(shí)用新型采取如下技術(shù)方案：一種用于氣體檢測(cè)的石英晶體微天平傳感器，包括傳感器殼體和兩個(gè)安裝在傳感器殼體內(nèi)的石英晶體片總成，所述傳感器殼體為立方體或其他幾何形狀，該殼體的前面和后面設(shè)置有貫通的氣體通道，該殼體的上面和下面分別對(duì)稱設(shè)置石英晶體片總成安裝孔，該安裝孔與氣體通道軸向垂直并通透；所述兩個(gè)石英晶體片總成具有相同結(jié)構(gòu)，分別為檢測(cè)單元總成和參比單元總成，所述兩個(gè)具有相同結(jié)構(gòu)的石英晶體片總成的一端為插接端，該插接端與傳感器殼體的石英晶體片總成安裝孔配合，在該插接端設(shè)置有石英晶體片插件，所述兩個(gè)具有相同結(jié)構(gòu)的石英晶體片總成的另一端設(shè)置有電磁輻射屏蔽引線接口。
本實(shí)用新型的有益效果是：第一，避免了對(duì)細(xì)小而脆弱的石英晶體片單體進(jìn)行直接安裝操作，以石英晶體片總成的方式進(jìn)行安裝，既使安裝操作簡(jiǎn)單快速，又避免了因產(chǎn)生安裝應(yīng)力導(dǎo)致測(cè)定結(jié)果重現(xiàn)性差并影響測(cè)量精度，也解決了因操作不當(dāng)導(dǎo)致的石英晶體片損毀。第二，采用在同一氣體通道內(nèi)平行對(duì)稱設(shè)置兩片石英晶體片，分別做為檢測(cè)單元和參比單元，使兩個(gè)測(cè)量單元處于同一檢測(cè)環(huán)境中，避免了各石英晶體片位于各自獨(dú)立的傳感器系統(tǒng)中，因各系統(tǒng)間的時(shí)間、物理、化學(xué)等變量的不同步及差異使檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生誤差。
附圖說(shuō)明
圖1是本實(shí)用新型的整體軸測(cè)圖，圖2是本實(shí)用新型的內(nèi)部結(jié)構(gòu)剖視圖，圖3是本實(shí)用新型的各部件分解圖。圖中，1.傳感器殼體，2.檢測(cè)單元總成，2-1石英晶體片插件a，3.參比單元總成，3-1石英晶體片插件b，4.電磁輻射屏蔽引線接口，5.氣體通道，6.石英晶體片總成安裝孔。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說(shuō)明。
實(shí)施例1：如圖1至圖3所示，一種用于氣體檢測(cè)的石英晶體微天平傳感器，包括傳感器殼體和兩個(gè)石英晶體片總成，所述傳感器殼體1為立方體，該傳感器殼體1的前面和后面設(shè)置貫通的氣體通道5，該傳感器殼體1的上面和下面分別對(duì)稱設(shè)置石英晶體片總成安裝孔6，該安裝孔6與氣體通道5軸向垂直并通透；所述兩個(gè)石英晶體片總成具有相同結(jié)構(gòu)，分別為檢測(cè)單元總成2和參比單元總成3，所述檢測(cè)單元總成2和參比單元總成3的一端為插接端，該插接端與傳感器殼體1的石英晶體片總成安裝孔6配合，在該插接端設(shè)置有石英晶體片插件a2-1和石英晶體片插件b3-1，所述檢測(cè)單元總成2和參比單元總成3的另一端設(shè)置有電磁輻射屏蔽引線接口4。
本實(shí)用新型一種用于氣體檢測(cè)的石英晶體微天平傳感器的安裝操作步驟：將石英晶體片插件a2-1和石英晶體片插件b3-1，分別安裝于檢測(cè)單元總成2和參比單元總成3，將檢測(cè)單元總成2和參比單元總成3固定在傳感器殼體1的石英晶體片總成安裝孔6，連線與電磁輻射屏蔽引線接口4連接，使氣體經(jīng)過(guò)檢測(cè)通道5。
完成上述安裝并檢查無(wú)誤即可引入試樣：使氣體經(jīng)過(guò)檢測(cè)通道5即可。
技術(shù)特征：
1.一種用于氣體檢測(cè)的石英晶體微天平傳感器，包括傳感器殼體和兩個(gè)石英晶體片總成，其特征是，所述傳感器殼體（1）為立方體幾何形狀，該傳感器殼體（1）的前面和后面設(shè)置貫通的氣體通道（5），該傳感器殼體（1）的上面和下面分別對(duì)稱設(shè)置石英晶體片總成安裝孔（6），該安裝孔（6）與氣體通道（5）軸向垂直并通透；所述兩個(gè)石英晶體片總成具有相同結(jié)構(gòu)，分別為檢測(cè)單元總成（2）和參比單元總成（3），所述檢測(cè)單元總成（2）和參比單元總成（3）的一端為插接端，該插接端與傳感器殼體（1）的石英晶體片總成安裝孔（6）配合，在該插接端設(shè)置有石英晶體片插件a（2-1）和石英晶體片插件b（3-1），所述檢測(cè)單元總成（2）和參比單元總成（3）的另一端設(shè)置有電磁輻射屏蔽引線接口（4）。
技術(shù)總結(jié)
本實(shí)用新型提供一種用于氣體檢測(cè)的石英晶體微天平傳感器，屬于科學(xué)檢測(cè)儀器領(lǐng)域。它包括傳感器殼體和兩個(gè)石英晶體片總成，所述傳感器殼體為立方體，該殼體設(shè)置有貫通的氣體通道和分別對(duì)稱設(shè)置石英晶體片總成安裝孔，該安裝孔與氣體通道軸向垂直并通透；所述兩個(gè)石英晶體片總成具有相同結(jié)構(gòu)，其一端為插接端，該插接端與傳感器殼體的石英晶體片總成安裝孔配合，在該插接端設(shè)置有石英晶體片插件，其另一端設(shè)置有電磁輻射屏蔽引線接口。本實(shí)用新型使安裝和更換石英晶體片的操作更加方便，并可避免出現(xiàn)安裝應(yīng)力；使兩個(gè)測(cè)量單元處于同一檢測(cè)環(huán)境中，使之可以同步檢測(cè)以消除系統(tǒng)誤差提高測(cè)量的準(zhǔn)確度。
技術(shù)研發(fā)人員：封雷;崔學(xué)晨;崔實(shí);許文儉
受保護(hù)的技術(shù)使用者：崔學(xué)晨
技術(shù)研發(fā)日：2019.09.23
技術(shù)公布日：2020.04.28
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石英晶體微天平
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石英晶體微天平（Quartz Crystal Microbalance，QCM）的發(fā)展始于上世紀(jì)60年代初期，它是一種非常靈敏的質(zhì)量檢測(cè)儀器，其測(cè)量精度可達(dá)納克級(jí)，比靈敏度在微克級(jí)的電子微天平高1000 倍，理論上可以測(cè)到的質(zhì)量變化相當(dāng)于單分子層或原子層的幾分之一。石英晶體微天平利用了石英晶體的壓電效應(yīng)，將石英晶體電極表面質(zhì)量變化轉(zhuǎn)化為石英晶體振蕩電路輸出電信號(hào)的頻率變化，進(jìn)而通過(guò)計(jì)算機(jī)等其他輔助設(shè)備獲得高精度的數(shù)據(jù)。
中文名
石英晶體微天平
外文名
Quartz Crystal Microbalance
目錄
1
基本原理
2
主要構(gòu)造及應(yīng)用
3
應(yīng)用及展望
石英晶體微天平基本原理
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語(yǔ)音
石英晶體微天平最基本的原理是利用了石英晶體的壓電效應(yīng)：石英晶體內(nèi)部每個(gè)晶格在不受外力作用時(shí)呈正六邊形，若在晶片的兩側(cè)施加機(jī)械壓力，會(huì)使晶格的電荷中心發(fā)生偏移而極化，則在晶片相應(yīng)的方向上將產(chǎn)生電場(chǎng)；反之，若在石英晶體的兩個(gè)電極上加一電場(chǎng)，晶片就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械形變，這種物理現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。如果在晶片的兩極上加交變電壓，晶片就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，同時(shí)晶片的機(jī)械振動(dòng)又會(huì)產(chǎn)生交變電場(chǎng)。在一般情況下，晶片機(jī)械振動(dòng)的振幅和交變電場(chǎng)的振幅非常微小，但當(dāng)外加交變電壓的頻率為某一特定值時(shí)，振幅明顯加大，這種現(xiàn)象稱為壓電諧振。它其實(shí)與LC振蕩電路的諧振現(xiàn)象十分相似：當(dāng)晶體不振動(dòng)時(shí)，可把它看成一個(gè)平板電容器稱為靜電電容C，一般約幾個(gè)皮法到幾十皮法；當(dāng)晶體振蕩時(shí)，機(jī)械振動(dòng)的慣性可用電感L來(lái)等效，一般值為幾十毫亨利到幾百毫亨利。由此就構(gòu)成了石英晶體微天平的振蕩器，電路的振蕩頻率等于石英晶體振蕩片的諧振頻率，再通過(guò)主機(jī)將測(cè)得的諧振頻率收集并轉(zhuǎn)化為電信號(hào)輸出。由于晶片本身的諧振頻率基本上只與晶片的切割方式、幾何形狀、尺寸有關(guān)，而且可以做得精確，因此利用石英諧振器組成的振蕩電路可獲得很高的頻率穩(wěn)定度。1959 年德國(guó)科學(xué)家G. Sauerbrey 研究發(fā)現(xiàn)，如果在晶體表面上鍍一層薄膜，則晶體的振動(dòng)就會(huì)減弱，而且還發(fā)現(xiàn)這種振動(dòng)或者頻率的減少是由薄膜的厚度和密度決定的。在假定外加持量均勻剛性地附著于QCM 的金電極表面的條件下，得出了QCM 的諧振頻率變化與外加質(zhì)量成正比的結(jié)論。通過(guò)Sauerbrey方程，吸附在晶體傳感器上的物質(zhì)質(zhì)量就可以和頻率的改變建立以下關(guān)系：
對(duì)于剛性吸附沉積，晶體振蕩頻率變化△f正比于工作電極上沉積物的質(zhì)量改變△m。其中f0是指芯片固有的振蕩頻率，A和m是電極的有效工作面積和質(zhì)量，ρq和μq是石英晶體的密度和剪切模量。Sauerbrey方程對(duì)于表面吸附的物質(zhì)給予了直觀的參考。由于芯片的基頻，工作面積，密度和剪切模量都是已知值，方程可以直接算出吸附的質(zhì)量。然而該方程設(shè)計(jì)的初衷是計(jì)算芯片在空氣中的振蕩，并且吸附的物質(zhì)是剛性的。所以當(dāng)粘彈性物質(zhì)在液體中吸附在芯片表面時(shí)該方程會(huì)給出較大的誤差值。原因是由于吸附物質(zhì)的粘彈性會(huì)導(dǎo)致部分頻率的衰減，而測(cè)量得到的頻率值的改變則是質(zhì)量和吸附膜的粘彈性共同作用而成。而通過(guò)Kelvin-Voigt模型，粘彈性物質(zhì)的吸附量則可以被準(zhǔn)確的計(jì)算出來(lái)。該模型由粘壺和胡克彈性彈簧并聯(lián)組成，可以用來(lái)分析聚合物等的蠕變行為。簡(jiǎn)單的，該模型可以如下表達(dá)：
G1是儲(chǔ)能模量，G2是損耗模量，j代表虛部。通過(guò)該公式衍生出來(lái)的石英晶體微天平耗散技術(shù)(Quartz Crystal Microbalanc with Dissipation，QCM-D)可以精確的給出由耗散導(dǎo)致的頻率損失，從而可以進(jìn)一步了解材料內(nèi)部性質(zhì)。耗散型石英晶體微天平可以同時(shí)測(cè)量石英晶體頻率和耗散值的改變。耗散因子（D）是指當(dāng)驅(qū)動(dòng)石英晶體振蕩的電路斷開后，晶體頻率降低到0的時(shí)間快慢。D值可以從以下方程得到：
是指晶體在一次振蕩周期中能量損耗，
是指晶體在一次振蕩周期中存儲(chǔ)的全部能量。
石英晶體微天平主要構(gòu)造及應(yīng)用
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語(yǔ)音
石英晶體微天平芯片
不同功能的QCM樣品池
QCM 主要由石英晶體傳感器、信號(hào)收集、信號(hào)檢測(cè)和數(shù)據(jù)處理等部分組成。石英晶體傳感器則是其最核心的構(gòu)件，其基本構(gòu)造是：從一塊石英晶體上沿著與石英晶體主光軸成35°15'切割(AT-CUT)得到石英晶體振蕩片。在它的兩個(gè)對(duì)應(yīng)面上涂敷金層作為電極，石英晶體夾在兩片電極中間形成三明治結(jié)構(gòu)。根據(jù)需要，還可以在金屬電極上有選擇地鍍膜來(lái)進(jìn)一步拓寬其應(yīng)用。例如，在電極表面加一層具有選擇性的吸附膜，可用來(lái)探測(cè)氣體的化學(xué)成分或監(jiān)測(cè)化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行情況；不同金屬及金屬氧/氮化物鍍膜，以及合金鍍層可用來(lái)進(jìn)行金屬腐蝕性能和人工關(guān)節(jié)的排異反應(yīng)研究。而表面修飾生物材料如多肽，生物素等可以讓QCM作為基因傳感器在生物領(lǐng)域的有著廣闊應(yīng)用。隨著科技日新月異的發(fā)展，QCM儀器也進(jìn)行了大幅的更新。而與其他儀器的聯(lián)用使得QCM在更多領(lǐng)域發(fā)揮其特長(zhǎng)。傳統(tǒng)的QCM儀器流動(dòng)樣品池可以進(jìn)行水相/油相等液相實(shí)驗(yàn)；新式的窗口流動(dòng)池可以與光學(xué)顯微鏡聯(lián)合，同時(shí)觀測(cè)諸如細(xì)胞等在芯片表面繁殖的過(guò)程；電化學(xué)樣品池可以實(shí)時(shí)檢測(cè)吸附樣品阻抗等電化學(xué)性質(zhì)的變化；光學(xué)樣品池可以讓光化學(xué)反應(yīng)實(shí)驗(yàn)在QCM儀器上變?yōu)榭赡埽欢鴻E偏樣品池，基于橢偏儀原理，可以精確的測(cè)量吸附層的含水量。石英晶體微天平的其他組成結(jié)構(gòu)在不同型號(hào)和規(guī)格的儀器中也不盡相同，可根據(jù)測(cè)量需要選用或聯(lián)用。一般附屬結(jié)構(gòu)還包括振蕩線路、頻率計(jì)數(shù)器、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等；另外經(jīng)常加裝一些輔助輸出設(shè)備，例如顯示器、打印機(jī)等。
石英晶體微天平應(yīng)用及展望
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語(yǔ)音
QCM作為微質(zhì)量傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、靈敏度高、測(cè)量精度可以達(dá)到納克量級(jí)的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于化學(xué)、物理、生物、醫(yī)學(xué)和表面科學(xué)等領(lǐng)域中，用以進(jìn)行氣體、液體的成分分析以及微質(zhì)量的測(cè)量、薄膜厚度及粘彈性結(jié)構(gòu)檢測(cè)等。它的在線跟蹤檢測(cè)微觀過(guò)程的變化，獲取豐富的在線信息的優(yōu)點(diǎn)，是其他方法無(wú)法比擬的。這項(xiàng)技術(shù)以其簡(jiǎn)便、快捷、靈敏度高、在線跟蹤等優(yōu)勢(shì)，必將與其他技術(shù)結(jié)合成為微觀過(guò)程與作用機(jī)理研究，微量、痕量物質(zhì)的檢測(cè)等方面十分有效的手段，獲得廣泛應(yīng)用。B
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石英晶體微天平傳感器：石英晶體微天平傳感器及其在生物檢測(cè)中應(yīng)用的研究進(jìn)展

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 前7條

1
 周俊鵬;基于正交解調(diào)的寬頻自適應(yīng)石英晶體微天平測(cè)量系統(tǒng)[D];東北師范大學(xué);2015年

2
 岳瑩;基于ARM CORTEX M4系列微控制器的陣列型石英晶體微天平（QCM）測(cè)量技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn)[D];西安電子科技大學(xué);2014年

3
 劉花;基于FPGA的石英晶體微天平測(cè)頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D];東南大學(xué);2016年

4
 孔婷;基于橫向場(chǎng)激勵(lì)模式的石英晶體微天平的研究[D];東南大學(xué);2016年

5
 蘇國(guó)英;石英晶體微天平驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)[D];蘭州理工大學(xué);2013年

6
 劉小偉;差分石英晶體微天平的設(shè)計(jì)與構(gòu)造[D];中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué);2009年

7
 陳寶平;掃描電化學(xué)顯微鏡生物傳感信號(hào)放大技術(shù)的研究[D];華東師范大學(xué);2016年

石英晶體微天平傳感器：石英晶體微天平傳感器的膜厚敏感性

摘要：

近幾年,石英晶體微天平(QCM)作為一種簡(jiǎn)易,靈敏的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)手段,廣泛地應(yīng)用于研究生物活性分子之間的相互作用,其中包括蛋白質(zhì)吸附動(dòng)力學(xué),抗原/抗體相互作用,DNA雜交,適配體-蛋白相互作用等領(lǐng)域.但是QCM作為商業(yè)化的生物傳感器一直發(fā)展不順利.主要因?yàn)镼CM在液態(tài)環(huán)境中的非理想行為導(dǎo)致了對(duì)QCM數(shù)據(jù)分析困難.我們利用阻抗分析法對(duì)QCM的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,分離出質(zhì)量和粘彈性兩種因素引起的頻率改變,解決粘彈性的困擾問(wèn)題.同時(shí),我們提出了"固化水層"模型,合理地處理了溶劑的影響.在該模型的基礎(chǔ)上發(fā)展了一種基于QCM的分子尺技術(shù),該技術(shù)能夠簡(jiǎn)便,有效地測(cè)量出固定在固-液界面的生物大分子的納米尺寸.我們的主要工作是將"固化水層"模型拓展到三維結(jié)構(gòu)的高分子基質(zhì)中.我們聯(lián)合QCM和表面等離子共振(SPR)技術(shù)研究基于高分子基質(zhì)的蛋白質(zhì)的固定,抗原/抗體識(shí)別的過(guò)程,進(jìn)一步采用"固化水層"模型解釋高分子的溶脹行為,羧基活化,抗體固定,抗原,抗體識(shí)別等過(guò)程.理論分析表明,結(jié)合生物分子勢(shì)必排出相同體積的溶劑,由于溶劑的密度接近于蛋白質(zhì)溶液的密度.從而導(dǎo)致"固化水層"質(zhì)量增加不明顯.實(shí)驗(yàn)上也證實(shí)了石英晶體微天平的響應(yīng)主要取決于"固化水層"的厚度變化(T2-T1),而并非固定的生物分子的質(zhì)量.我們利用QCM實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)在高分子基質(zhì)中IgG的固定以及IgG與anti-IgG識(shí)別的過(guò)程,并將石英晶體微天平監(jiān)測(cè)的頻率變化與相應(yīng)的厚度變化直接關(guān)聯(lián).這一方法的建立在一定的應(yīng)用范圍內(nèi)簡(jiǎn)化了QCM的定量分析模型,有望實(shí)現(xiàn)QCM作為傳感器在界面物理與化學(xué)等相關(guān)領(lǐng)域研究中的應(yīng)用.

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