CN101241125B - 一种用于液相测量的压电传感器及封装方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种集结构封装与电气连接为一体的一种液相测量压电传感器，包括表面具有附着金属膜电路的绝缘板、压电敏感器件、电路模块。其特征在于采用一个表面具有附着金属膜电路的绝缘板与至少一个压电敏感器件相连，其中压电敏感器件的边缘密封固定到绝缘板上的通孔底部以实现压电敏感器件只有工作面单面与被测液体接触；压电敏感器件的金属电极则通过绝缘板上的金属膜电路与电路模块连接。电路模块包括驱动，测量、计算和显示电路集成一体到用于封装的绝缘板上。本发明提出的传感器不仅结构简单，使用方便，而且成本低，可靠性高。器件还可以制成一次性使用的传感器或传感器阵列应用到各种液相测量中，包括医疗诊断、生物化学分子测定和环境污染检测等领域。
Description
技术领域
本发明属于电子测量技术领域，特别涉及一种适合于液相测量的压电传感器及封装方法。
背景技术
基于石英晶体微天平(QCM，Quartz crystal microbalance)原理的压电传感器已经广泛用于各种气相和液相的生物化学测量中。QCM传感器的压电敏感器件通常由AT切石英晶体片和分布于晶体片两面的一组电极构成。由于石英晶体的压电效应，电极上施加交变电压会在晶体内部产生沿厚度方向传播的高频剪切波。当此敏感器件表面与液体接触或吸附微小质量时，器件中剪切波的振荡频率或幅值会发生变化，从而可以反映被测液体或表面吸附质量的变化。
然而，传统结构的压电传感器在液相测量中存在较大的困难。这主要是由以下两个原因造成：
1、液相测量需要压电敏感器件单面与被测液体接触，即需要将敏感器件封装到液相检测池或探头中以避免器件的非工作表面与液体接触。这里压电敏感器件与被测液体接触的表面称为工作表面，不与被测液体接触的表面称为非工作表面。传统结构的压电敏感器件的两个电极分布于晶体片的两面，与液体接触的电极的引线与晶体片的封装产生冲突，造成晶体封装非常困难且成本较高。
2、目前报道的压电传感器的液体封装方法主要有粘接和橡胶圈压力密封的方式。两种方式都需要将压电晶体片安装到一个由绝缘材料制成的液体检测池底部，同时用导线或导电条将压电敏感器件的电极和外部电路连接。由于这些封装方法中，实现结构封装的绝缘材料与实现电气连接的导线或导电条相互独立，同时二者又与压电传感器的相关电路模块相互独立，造成压电传感器的封装结构复杂，成本高且电气连接可靠性低。这些不足在构造多晶体的压电传感器阵列时尤为突出。
为解决压电传感器液相测量问题，一些新的压电敏感器件和封装方法被应用于传感器的设计中，例如有报道采用在晶体侧面蒸镀金属薄膜以将晶体工作表面电极引到非工作表面的方式，也有采用在压电晶体单面蒸镀两个电极的方式。但是，这些新的器件结构都不能完全解决压电传感器封装难度大和成本高的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服已有压电传感器液相测量的不足，提出一种集结构封装与电气连接为一体的新型传感器及封装方法。根据需要，本发明提出的压电传感器的相关电路模块，包括驱动和测量电路、计算、显示和存储电路等都可以直接集成到用于封装的绝缘板上。本发明提出的传感器及封装方法不仅结构简单，使用方便，而且成本低，可靠性高。器件还可以制成一次性使用的传感器或传感器阵列应用到各种液相测量中，包括医疗诊断、生物化学分子测定和环境污染检测等领域。
本发明提出的技术方案包括：
1、一种用于液相测量的压电传感器及封装方法，其特征在于采用一个表面具有附着金属膜的绝缘板与至少一个压电敏感器件相连，实现一体化的结构封装与电气连接。其中压电敏感器件的边缘密封固定到绝缘板上的通孔底部以实现压电敏感器件单面与被测液体接触，压电敏感器件的金属电极则通过绝缘板上的金属膜走线与驱动或测量电路连接。这里，压电敏感器件密封固定的方式包括粘接、橡胶圈压力密封和其它密封方法。
2、本发明提出的压电传感器中的绝缘板由具有良好加工性能和耐腐蚀的单一成分的绝缘材料或复合绝缘材料制成，包括塑料、尼龙或树脂等。而附着金属膜则通常由厚度小于0.5mm的导电性好的金属材料如铜制成，采用电镀、蒸镀、压合、粘接等方法固定于所述的绝缘板表面或通孔内壁，并采用化学腐蚀或其它方式加工成设计要求的平面形状和尺寸。根据需要，绝缘板上可以直接设计和安装压电传感器的相关电路模块，包括驱动测量、计算显示等各种电路。由于可以实现压电传感器的结构封装，电气连接和相关电路模块的集成一体，传感器的可靠性及其它性能大大提高。
3、本发明提出的压电传感器中的压电敏感器件包含一个具有一定切向的压电晶体片和分布于晶体片单面或两面的金属电极。其中金属电极与外部驱动或测量电路连接，用于激发压电晶体片中的剪切声波，而压电晶体片由任何一种支持厚度剪切波模式的压电晶体材料制成，包括石英、铌酸锂、钽酸锂及镓镧系列的压电材料等。
4、本发明提出的压电传感器中的压电晶体片通常是中心厚度在0.01mm到2mm的圆形、长方形或其它任何形状的晶体薄片，其断面形状具有双平面、双凸面及平-凸面等多种结构。晶体电极为金、银或其它任何不易于氧化和腐蚀的金属材料制成。
5、本发明提出的压电传感器中的绝缘板上的通孔直径小于压电敏感器件的晶体片直径，并大于压电敏感器件表面电极的直径。当压电敏感器件固定(如粘接)到绝缘板的通孔的底部时，固定点与晶体的电极保持相对较远的距离，以保证压电传感器的性能不受固定的影响。
6、本发明提出的压电传感器中的压电敏感器件的电极通过导电胶直接粘接到绝缘板对应的金属膜上，或通过一段金属短线或金属短片粘接到绝缘板对应的金属膜上。由于在绝缘板上已有根据设计制成的电路走线，压电敏感器件的电极可以方便地与外部电路连接。同时由于附着金属膜的厚度很小，不会对晶体的封装产生任何不利影响。
7、本发明提出的封装方法不仅可用于单个压电传感器的封装，也可以方便地用于两个和两个以上压电传感器阵列的封装。这种情况下，在一块较大的预先布线的且具有多个通孔的绝缘板上，用树脂将压电敏感器件固定(如粘接)到每一个通孔的底部，用导电胶实现压电敏感器件电极与附着于绝缘板上的金属膜的连接。这种压电传感器阵列可以实现传感器的信号补偿，也可以实现对多个样品同一指标的同时检测或同一样品的多个指标的同时检测。
8、本发明提出的压电传感器中的具有附着金属膜的绝缘板包括各种材质的印刷电路板，如玻纤或柔性印刷电路板等。可以采用已知方法设计和制造具有通孔和特定金属膜走线的印刷电路板，压电敏感器件安装于印刷电路板的通孔底部后可以直接构成传感器的液体检测池。在某些应用领域如生物分子测量中，可以在印刷电路板上蒸镀或涂敷改性材料如聚对二甲苯来改善印刷电路板检测池的生物相容性。
由于印刷电路板日常应用非常广泛，具有非常成熟的设计软件及制造工艺，成本很低，本发明可以制成一次性使用的液相压电传感器，扩大应用范围，也可以作为能重复测量的传感器使用如在线粘度传感器等。
实际应用中，本发明提出的压电传感器需要通过绝缘板上的附着金属膜连接压电敏感器件与外部驱动或检测电路，并与数据采集和显示电路部分一起构成压电传感器测量系统，通过测量压电敏感器件谐振参数如频率、幅值和相位的变化来反映被检测对象的变化。另外，测量系统所有的电路模块也都可以集成到绝缘板上，压电敏感器件与电路模块之间和不同电路模块之间的连接都可以通过绝缘板上附着金属膜实现。这种集成化的压电传感器可以做为一个标准模块安装于各种复杂的液体测量系统中，如在线测量系统、流动注射系统等。
当本发明提出的压电传感器用于生物分子检测时，步骤和方法包括：
1.在传感器与液体接触的表面固化生物或化学敏感膜，用以检测不同的被测样品。
2.记录传感器在干燥的空气中的输出参数如频率或振幅等。
3.在液体检测池中加入一定量的被测样品，如果被测样品为阳性，传感器输出的谐振参数如振荡频率或幅值会发生变化。记录传感器的输出可以确定样品的测试结果。
4.待反应结束，传感器的输出参数不再变化，用去离子水清洗传感器的表面。然后待传感器干燥后测量传感器在空气中的输出参数。比较传感器反应前后在空气中的参数变化，可以进一步验证试验结果。本步骤也可以和(3)描述的步骤单独使用来测定被测样品。
附图说明
以下结合附图对发明作进一步详细说明。
附图1为传统圆形结构QCM压电传感器的压电敏感器件示意图；
附图2为具有单面电极引线的压电敏感器件结构示意图；
附图3为本发明提出的压电传感器的封装结构正面示意图；
附图4为图3的封装结构断面示意图；
附图5为本发明提出的集成相关电路模块的压电传感器的结构示意图；
附图6为本发明提出的具有单面电极引线的压电传感器的封装结构示意图；
附图7为本发明提出的具有单面电极引线的压电传感器的第二种封装结构示意图；
附图8为本发明提出的压电传感器阵列的封装结构示意图；
附图9为本发明提出的压电传感器阵列应用实施例的封装结构示意图
附图1为传统圆形结构QCM压电传感器的压电敏感器件示意图。如图所示，传统圆形结构的QCM压电敏感器件由AT切压电石英晶体1、分布于非工作表面的金属电极2和工作表面的金属电极3组成，厚度剪切波由沿厚度方向的交变电场激发。
附图2为具有单面电极引线的压电敏感器件结构示意图。如图所示，分布于工作表面的金属电极3通过侧面蒸镀的金属膜4被引到压电晶体的非工作表面，因此敏感器件的两个电极可以从晶体同一表面引出，避免从与液体接触的晶体工作表面引线，减少了传感器的液体封装难度。
附图3和附图4为本发明提出的压电传感器封装的正面和断面结构示意图。如图所示，绝缘板6上有通孔和具有设计形状和尺寸的附着金属膜5和8。压电晶体片1用树脂胶粘接到绝缘板6的通孔底部，与被测液体接触的晶体电极3通过导电胶直接与附着金属膜5相连，与空气接触的非工作表面的电极2通过导线或导电金属片7与绝缘板上的金属膜8相连。
附图5为本发明提出的集成相关电路模块的压电传感器的结构示意图。图中的绝缘板9上设计有压电传感器相关的电路模块12，包括全部和部分驱动、测量、计算、显示和存储电路。压电传感器的电极通过绝缘板上附着的金属膜10和11直接与同在绝缘板上的电路模块相连。
附图6为本发明提出的具有单面电极引线的压电传感器的封装结构示意图。如图所示，压电晶体1的非工作表面与绝缘板13粘接，晶体电极2和4采用导电胶直接与绝缘板13上的附着金属膜16和17连接。附着金属膜16和17然后通过沉积有金属膜的过孔14和15将电极引到绝缘板13的背面。通常情况下，绝缘板的金属膜走线一般位于绝缘板与被测液体不接触的一面，以避免腐蚀和液体对电路的影响。
附图7为本发明提出的具有单面电极引线的压电传感器的第二种封装结构示意图。此结构与图6结构的不同在于压电晶体1的工作表面与绝缘板18的通孔底部粘接形成液体检测池19。压电晶体的两个电极分别通过导电金属片与绝缘板18上的附着金属膜20和21连接。
附图8为本发明提出的压电传感器阵列实施例结构示意图。图中可见，绝缘板22上安装有4个压电敏感器件，每个器件的电极与绝缘板22上对应的附着金属膜走线24相连，并被统一引到绝缘板22的边缘接线排23处。实际应用中，此压电传感器阵列通过接线排23与外部选通扫描电路、晶体驱动电路连接，在单片机电路的控制下，即可完成对阵列中每一个压电传感器的测量。
附图9为本发明提出的压电传感器阵列应用方式实施例。如图所示，固定有两个压电敏感器件的绝缘板26安装于一个流动注射池25的底部。其中一个压电敏感器件表面固定生物或化学敏感膜，另一个压电敏感器件作为参考，表面不固定任何敏感膜。被测样品从进样口27进入流动注射池25并从出样口28流出。样品中含有被测物质会与压电传感器表面敏感膜反应，引起压电传感器谐振参数如频率的变化，从而可以实现被测样品的连续实时测量。
具体实施方式
实施例1：运用本发明提出的传感器及封装方法，可以完成对任何电极结构的压电敏感器件单面封装。图3显示对具有传统圆形结构的压电传感器的封装方法，图5和图6则显示两种对具有单面引出电极结构的压电传感器的封装。
实施例2：运用本发明提出的传感器及封装方法，可以制成一次性使用的单个压电传感器。如图3所示，采用传统圆形压电石英晶体敏感器件，中心频率为5MHz，石英晶体表面电极采用银电极。绝缘板采用含玻纤材质的印刷电路板，印刷电路板上采用已知的工艺加工出通孔和金属铜走线。石英晶体用树脂胶粘接于印刷电路板的通孔底部，其电极通过印刷电路板上的金属走线被引到印刷电路板的边缘。实际应用中，石英晶体敏感器件的表面预先固定敏感膜，然后将粘接有石英晶体的印刷电路板与对应的电路连接，在印刷电路板的通孔形成的液体检测池中加入被测样品，进行测量。测试完成后，取下使用完的传感器及印刷电路板放入专用的垃圾回收桶，下一次测量时可以取出一片新的有石英晶体的印刷电路板使用。
实施例3：运用本发明提出的传感器及封装方法，可以制成一次性使用的多通道压电传感器阵列。如图8所示，采用传统圆形石英晶体敏感器件，中心频率为5MHz，表面电极采用银电极。绝缘板采用含玻纤材质的印刷电路板，其上采用已知的工艺加工出多个通孔和金属铜走线。石英晶体用树脂胶粘接于印刷电路板的通孔底部，其电极通过印刷电路板上的金属走线引到印刷电路板的边缘。实际应用中，压电传感器阵列中一个敏感器件作为参考晶体，表面不固定任何敏感膜，其它敏感器件的表面预先固定相同或不同的敏感膜。使用时将传感器阵列与对应的电路连接，在印刷电路板的通孔形成的液体检测池中加入被测样品。取决于敏感器件表面固定的敏感膜，此传感器阵列可以检测不同样品中的同一种被测物质，也可以检测同一样品中的不同被测物质。
实施例4：抗原和抗体的特异结合性已被广泛应用于医疗诊断、食品卫生检测和环境污染监测等各个领域。目前广泛采用的试剂盒方法虽然具有准确度高和重复性好的优点，但也存在检测时间长，操作复杂和成本较高的不足。运用本发明提出的传感器及封装方法，可以制成一次性使用的压电免疫传感器阵列。采用传统镀银的压电石英晶体敏感器件和印刷电路板，制成多通道如16或24通道压电传感器阵列。在每个石英晶体表面固定抗原或抗体，采用与实施例3相同的测量方法，便可以制成同时测量多个样品的压电免疫传感器阵列。
实施例5：运用本发明提出的传感器及封装方法，可以制成连续测量的压电传感器系统。如附图9所示，采用印刷电路板封装两个压电石英晶体敏感器件并安装于一个具有进样口和出样口的流动检测池中。这里检测池由生物相容性好的材料如聚氯乙烯制成，其进样口与微量进样泵连接，实现被测样品连续流动。表面固定有敏感膜的压电晶体与外部检测电路连接，测量压电传感器的输出信号的变化即可测量流动样品中的被测分子或物质浓度的变化。
Claims (10)
1.一种用于液相测量的压电传感器，其特征在于，采用一个表面具有附着金属膜的绝缘板与至少一个压电敏感器件相连，实现一体化的结构封装与电气连接；其中，所述压电敏感器件的边缘密封固定到绝缘板上的通孔底部，以实现压电敏感器件单面与被测液体接触；所述压电敏感器件的金属电极则通过绝缘板上的附着金属膜走线与驱动或测量电路连接。
2.根据权利要求１所述的压电传感器，其特征在于，所述的压电敏感器件包含一个具有一定切向的压电晶体片和分布于晶体片单面或两面的金属电极；其中，所述的金属电极与外部驱动或测量电路连接，用于激发压电晶体片中的剪切声波。
3.根据权利要求１所述的压电传感器，其特征在于，所述的绝缘板由单一成分的绝缘材料或复合绝缘材料制成。
4.根据权利要求１所述的压电传感器，其特征在于，所述的绝缘板上的附着金属膜首先采用电镀、蒸镀、压合、粘接方法固定于所述的绝缘板表面或通孔内壁上，然后采用机械或化学腐蚀的加工方式使其成为设计要求的平面形状和尺寸。
5.根据权利要求１所述的压电传感器，其特征在于，所述的表面具有附着金属膜的绝缘板上能直接安装压电传感器的相关电路模块，包括驱动测量电路模块和计算显示电路模块。
6.根据权利要求１所述的压电传感器，其特征在于，所述的绝缘板上的通孔直径小于压电敏感器件的晶体片直径，大于压电敏感器件表面电极的直径。
7.根据权利要求１所述的压电传感器，其特征在于，所述的压电敏感器件的金属电极通过导电胶直接粘接到所述的绝缘板上对应的金属膜上，或通过一段金属短线或金属短片粘接到所述的绝缘板上对应的金属膜上。
8.根据权利要求１所述的压电传感器的封装方法，其特征在于，所述的封装方法包括：
a)单个压电敏感器件封装于一个具有附着金属膜的绝缘板上；
b)两个或两个以上压电敏感器件封装于一个具有附着金属膜的绝缘板上，用于多个样品的同一指标检测或同一样品的多个指标检测。
9.根据权利要求１所述的压电传感器，其特征在于，所述的具有附着金属膜的绝缘板包括各种材质的印刷电路板。
10.根据权利要求9所述的压电传感器，其特征在于，所述的印刷电路板上蒸镀或涂敷改性材料，以改善印刷电路板检测池的生物相容性。
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