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一種高靈敏度的酸傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種高靈敏度的酸傳感器，其特征在于：包括封裝好的傳感器石英傳感器晶片、鉻鍍層、金鍍層、磁性裝置及磁性材料鍍層，所述傳感器的內(nèi)部設(shè)有石英振蕩電路，所述石英振蕩電路的兩個(gè)電極分別設(shè)置在所述石英傳感器晶片的上下兩面，所述石英傳感器晶片設(shè)置在所述傳感器的頂部，所述石英傳感器晶片的上表面和下表面分別鍍有一層鉻鍍層，所述鉻鍍層的表面上鍍有一層金鍍層，所述傳感器的內(nèi)部還設(shè)有磁性裝置，所述磁性裝置位于所述石英傳感器晶片的正下方，且靠近所述金鍍層，所述鐵磁鍍層位于所述石英傳感器晶片的正上方，且鍍?cè)谒鼋疱儗由稀１景l(fā)明運(yùn)用在測(cè)量酸方面，較之傳統(tǒng)的質(zhì)量稱重傳感器(QCM，quartz?crystal?microbalance)，例如美國(guó)專利，US7,322,243，具有較高的靈敏度，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便。
【專利說明】一種高靈敏度的酸傳感器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種高靈敏度的酸傳感器，屬于質(zhì)量稱重傳感器領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002]質(zhì)量秤重傳感器被廣泛應(yīng)用于顆粒稱量，化學(xué)及生物傳感器。石英振蕩天平就是一種質(zhì)量秤重傳感器，石英晶體微天平(QCM)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)械變形，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回路的諧振現(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)PF到幾十PF ；當(dāng)晶體振蕩時(shí)，機(jī)械振動(dòng)的慣性可用電感L來等效，一般L的值為幾十mH到幾百mH。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，再通過主機(jī)將測(cè)得的諧振頻率轉(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聞的頻率穩(wěn)定度。
[0003]1959年Sauerbrey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。對(duì)于剛性沉積物，晶體振蕩頻率變化Λ F正比于工作電極上沉積物的質(zhì)量改變?chǔ)?M0通過這一關(guān)系式可得到QCM電極表面的質(zhì)量變化。
[0004]QCM主要由石英晶體傳感器、信號(hào)檢測(cè)和數(shù)據(jù)處理等部分組成。石英晶體傳感器的基本構(gòu)成大致是: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)面上涂敷銀層作為電極，石英晶體夾在兩片電極中間形成三明治結(jié)構(gòu)。在每個(gè)電極上各焊一根引線接到管腳上，再加上封裝外殼就構(gòu)成了石英晶體諧振器，其產(chǎn)品一般用金屬外殼封裝，也有用玻璃殼、陶瓷或塑料封裝的。
[0005]石英稱重天平的靈敏度是從Sauerbrey方程得來,石英振蕩天平頻率變化值Λ F和質(zhì)量變化值Λ M有如下的關(guān)系:AF = Cf.AM，其中Λ F為石英天平觀察到的稱重物質(zhì)前后頻率變化值，Λ M為石英天平觀察到的稱重物質(zhì)前后質(zhì)量變化值，Cf為石英天平稱量物質(zhì)質(zhì)量時(shí)的恒定系數(shù)。從上述公式上看，QCM的靈敏度是由Cf決定的。
[0006]現(xiàn)有的酸傳感器僅是在QCM的一邊電極上鍍有一層鐵的薄膜，靈敏度不高。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種高靈敏度的酸傳感器，該酸傳感器較之上述Sauerbrey公式有更高的靈敏度。
[0008]本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案如下:一種高靈敏度的酸傳感器，包括封裝好的傳感器、石英傳感器晶片、鉻鍍層、金鍍層、磁性裝置及磁性材料鍍層，所述傳感器的內(nèi)部設(shè)有石英振蕩電路，所述石英振蕩電路的兩個(gè)電極分別設(shè)置在所述石英傳感器晶片的上下兩面，所述石英傳感器晶片設(shè)置在所述傳感器的頂部，所述石英傳感器晶片的上表面和下表面分別鍍有一層鉻鍍層，所述鉻鍍層的表面上鍍有一層金鍍層，所述傳感器的內(nèi)部還設(shè)有磁性裝置，所述磁性裝置位于所述石英傳感器晶片的正下方，且靠近所述金鍍層，所述磁性材料鍍層位于所述石英傳感器晶片的正上方，且鍍?cè)谒鼋疱儗由稀?br> [0009]本發(fā)明的有益效果是:
[0010]較之傳統(tǒng)的酸傳感器，例如美國(guó)專利，US7, 322，243，本發(fā)明具有較高的靈敏度，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便。
[0011]在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本發(fā)明還可以做如下改進(jìn)。
[0012]進(jìn)一步，所述磁性材料鍍層由具有磁性的能與酸發(fā)生反應(yīng)的有機(jī)磁性材料或者無機(jī)物質(zhì)制成。
[0013]所述有機(jī)磁性材料是指含有穩(wěn)定自由基并具有鐵磁相互作用的有機(jī)化合物或含過渡金屬的復(fù)合物。例如diethyldith1carbamate-Fe (III) chloridecompound, DNPN(Porphyrin dendrimers)等。
[0014]所述無機(jī)物質(zhì)為金屬元素及金屬合金。所述金屬元素為鐵、鈷或鎳。所述金屬合金為鐵合金、鈷合金或鎳合金。
[0015]所述金屬合金% MnBi, AlNiCo, FeCr, FeCrCo, FeCrMo, FeAlC, FeCo, FeCoV.FeCoff, FeCrCo，Re — Co (Re 代表稀土元素)，PtCo, MnAlC, CuNiFe, AlMnAg, M0.6Fe203, M 代表 Ba、Sr、Pb 或 SrCa、LaCa, FeNi (Mo)、FeS1、FeAl, Fe 基、Co 基、FeNi 基或 FeNiCo 基等配以適當(dāng)?shù)腟1、B、P和其他摻雜元素。FeNi(Mo)、FeSiAl、羰基鐵和鐵氧體。M0.Fe2O3 (M代表NiZn、MnZn、MgZn、Lil/2Fel/2Zn、CaZn 等)，Ba3Me2Fe24041 (Me 代表 Co、N1、Mg、Zn、Cu 及其復(fù)合組分)。
[0016]稀土就是化學(xué)元素周期表中鑭系元素一鑭(La)、鈰(Ce)、鐠(Pr)、釹(Nd)、钷(Pm)、釤(Sm)、銪(Eu)、釓(Gd)、鋱(Tb)、鏑(Dy)、欽(Ho)、鉺(Er)、銩(Tm)、鐿(Yb)、镥(Lu)，以及與鑭系的15個(gè)元素密切相關(guān)的元素一鈧(Sc)和釔(Y)共17種元素，稱為稀土元素。
[0017]進(jìn)一步，所述磁性裝置為永磁鐵或電磁鐵。
[0018]本發(fā)明的酸傳感器的鍍層從上至下依次是磁性材料鍍層、金鍍層、鉻鍍層、石英傳感器晶片、鉻鍍層及金鍍層。當(dāng)敏感電極和酸接觸時(shí)，磁性材料鍍層將會(huì)從QCM傳感器表面消失。從Sauerbrey方程看，磁性材料鍍層被侵蝕后，QCM的頻率會(huì)提高。但是當(dāng)在QCM的另外一邊電極使用磁鐵時(shí)，由于磁鐵和磁性材料鍍層之間的磁力對(duì)QCM石英晶片產(chǎn)生的形變遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于磁性材料鍍層質(zhì)量對(duì)QCM的形變影響，當(dāng)磁性材料鍍層被侵蝕掉時(shí)，頻率沒有提高，反而會(huì)降低。由于磁鐵和磁性材料鍍層之間的磁力對(duì)QCM石英傳感器晶片產(chǎn)生的形變遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于磁性材料鍍層質(zhì)量對(duì)QCM的形變影響，這是因?yàn)榇帕?duì)石英傳感器晶片產(chǎn)生的晶片的形變會(huì)導(dǎo)致更大的石英傳感器晶片的形變。當(dāng)磁鐵和磁性材料鍍層的距離減少時(shí)，磁力會(huì)增加很多，這樣就可以增加該類傳感器的靈敏度。當(dāng)磁性材料鍍層是對(duì)酸敏感的鐵鈷鎳元素，鐵鈷鎳合金，或者其他可以與酸發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的磁性材料時(shí)，這就是一個(gè)高靈敏度的QCM酸傳感器。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1為本發(fā)明高靈敏度質(zhì)量稱重傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]圖2為圖1中A的局部放大圖。
[0021]圖3為不使用磁性裝置時(shí)，頻率(Y軸)隨時(shí)間(X軸)的變化曲線圖；
[0022]圖4為使用磁性裝置時(shí)，頻率(Y軸)隨時(shí)間(X軸)的變化曲線圖；
[0023]附圖中，各標(biāo)號(hào)所代表的部件列表如下:
[0024]1、傳感器，2、石英傳感器晶片，3、磁性裝置，4、鉻鍍層，5、金鍍層，6、磁性材料鍍層。

【具體實(shí)施方式】
[0025]以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的原理和特征進(jìn)行描述，所舉實(shí)例只用于解釋本發(fā)明，并非用于限定本發(fā)明的范圍。
[0026]一種高靈敏度的酸傳感器，如圖1和圖2所示，包括封裝好的傳感器1、石英傳感器晶片2、鉻鍍層4、金鍍層5、磁性裝置3及磁性材料鍍層6，所述傳感器I的內(nèi)部設(shè)有石英振蕩電路，所述石英振蕩電路的兩個(gè)電極分別設(shè)置在所述石英傳感器晶片2的上下兩面，所述石英傳感器晶片2設(shè)置在所述傳感器I的頂部，所述石英傳感器晶片2的上表面和下表面分別鍍有一層鉻鍍層4，所述鉻鍍層4的表面上鍍有一層金鍍層5，所述傳感器I的內(nèi)部還設(shè)有磁性裝置3，所述磁性裝置3位于所述石英傳感器晶片2的正下方，且靠近所述金鍍層5，所述磁性材料鍍層6位于所述石英傳感器晶片2的正上方，且鍍?cè)谒鼋疱儗?上。
[0027]所述磁性材料鍍層6由具有磁性的能與酸發(fā)生反應(yīng)的有機(jī)物質(zhì)或者無機(jī)物質(zhì)制成。
[0028]所述無機(jī)物質(zhì)為金屬元素及金屬合金。所述金屬元素為鐵、鈷或鎳。所述金屬合金為鐵合金、鈷合金或鎳合金，例如AlNiCo。
[0029]所述磁性裝置3為永磁鐵或電磁鐵。
[0030]本發(fā)明的酸傳感器的鍍層從上至下依次是磁性材料鍍層6、金鍍層5、鉻鍍層4、石英傳感器晶片2、鉻鍍層4及金鍍層5。當(dāng)敏感電極和酸接觸時(shí)，磁性材料鍍層6將會(huì)從QCM傳感器表面消失。從Sauerbrey方程看，磁性材料鍍層6被侵蝕后，QCM的頻率會(huì)提高。但是當(dāng)在QCM的另外一邊電極使用磁性裝置3時(shí)，由于磁性裝置3和磁性材料鍍層6之間的磁力對(duì)QCM石英晶片產(chǎn)生的形變遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于磁性材料鍍層6質(zhì)量對(duì)QCM的形變影響，當(dāng)磁性材料鍍層6被侵蝕掉時(shí)，頻率沒有提高，反而會(huì)降低。由于磁性裝置3和磁性材料鍍層6之間的磁力對(duì)QCM石英晶片產(chǎn)生的形變遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于磁性材料鍍層6質(zhì)量對(duì)QCM的形變影響，這是因?yàn)榇帕?duì)石英晶片產(chǎn)生的晶片的形變會(huì)導(dǎo)致更大的石英晶片的形變。當(dāng)磁性裝置3和磁性材料鍍層6的距離減少時(shí)，磁力會(huì)增加很多，這樣就可以增加該類傳感器的靈敏度。當(dāng)磁性材料鍍層6是對(duì)酸敏感的鐵鈷鎳元素，鐵鈷鎳合金或其他可以與酸發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的磁性材料時(shí)，這就是一個(gè)高靈敏度的QCM酸傳感器。
[0031]當(dāng)傳感器遇到酸時(shí)，傳感器的頻率將隨時(shí)間變化。頻率的變化量Af除以時(shí)間的變化量At正比于酸的強(qiáng)度。如圖3所示，顯示的是當(dāng)不使用磁性裝置3時(shí)，頻率(Y軸)隨時(shí)間(X軸)的變化曲線。
[0032]如圖4所示，A為Ph = 4，B為Ph = 5，C為Ph = 6，當(dāng)使用磁性裝置3時(shí)，頻率(Y軸)隨時(shí)間(X軸)的變化曲線。頻率的變化量Af除以時(shí)間的變化量At反比于酸的強(qiáng)度。
[0033]當(dāng)使用更高頻率的QCM時(shí)，因?yàn)楦哳lQCM比低頻QCM更薄，相同的磁性材料鍍層6和磁性裝置3之間的磁力會(huì)對(duì)薄的QCM晶片產(chǎn)生更大的形變。與上面講過的相同原理，當(dāng)磁性裝置3和磁性材料鍍層6距離更近時(shí)，磁力對(duì)晶片會(huì)產(chǎn)生更大的形變和頻率變化。
[0034]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種高靈敏度的酸傳感器，其特征在于:包括封裝好的傳感器(I)、石英傳感器晶片(2)、鉻鍍層(4)、金鍍層(5)、磁性裝置(3)及磁性材料鍍層￠)，所述傳感器(I)的內(nèi)部設(shè)有石英振蕩電路，所述石英振蕩電路的兩個(gè)電極分別設(shè)置在所述石英傳感器晶片(2)的上下兩面，所述石英傳感器晶片(2)設(shè)置在所述傳感器(I)的頂部，所述石英傳感器晶片(2)的上表面和下表面分別鍍有一層鉻鍍層(4)，所述鉻鍍層(4)的表面上鍍有一層金鍍層(5)，所述傳感器(I)的內(nèi)部還設(shè)有磁性裝置(3)，所述磁性裝置(3)位于所述石英傳感器晶片(2)的正下方，且靠近所述金鍍層(5)，所述磁性材料鍍層(6)位于所述石英傳感器晶片(2)的正上方，且鍍?cè)谒鼋疱儗?5)上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述高靈敏度的酸傳感器，其特征在于:所述磁性材料鍍層(6)由具有磁性的能與酸發(fā)生反應(yīng)的有機(jī)磁性材料或者無機(jī)物質(zhì)制成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述高靈敏度的酸傳感器，其特征在于:所述有機(jī)磁性材料是指含有穩(wěn)定自由基并具有鐵磁相互作用的有機(jī)化合物或含過渡金屬的復(fù)合物。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述高靈敏度的酸傳感器，其特征在于:所述無機(jī)物質(zhì)為金屬元素及金屬合金。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述高靈敏度的酸傳感器，其特征在于:所述金屬元素為鐵、鈷或鎳。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述高靈敏度的酸傳感器，其特征在于:所述金屬合金為鐵合金、鈷合金或鎳合金。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述高靈敏度的酸傳感器，其特征在于:所述金屬合金為 MnBi,AlNiCo,FeCr, FeCrCo, FeCrMo, FeAlC, FeCo, FeCoV, FeCoff,FeCrCo ；或PtCo, MnAlC, CuNiFe, AlMnAg ;或 M0.6Fe203,所述 M 代表 Ba、Sr、Pb 或 SrCa、LaCa, FeN1、FeSi, FeAl, Fe 基、Co 基、FeNi 基或 FeNiCo 基;或 FeNiMo、FeSiAl ;或舭.Fe2O3，所述 M 代表 Ni Zn、MnZn、MgZn、CaZn ；或 Ba3Me2Fe24041，所述 Me 代表 C。、N1、Mg、Zn、Cu 及其 C。、N1、Mg、Zn、Cu的復(fù)合組分。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7任一項(xiàng)所述高靈敏度的酸傳感器，其特征在于:所述磁性裝置(3)為永磁鐵或電磁鐵。
【文檔編號(hào)】G01N5/04GK104198323SQ201410400257
【公開日】2014年12月10日 申請(qǐng)日期:2014年8月14日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月3日
【發(fā)明者】詹姆斯·劉, 克莉絲汀·劉 申請(qǐng)人:北京至感科技有限公司