專利名稱：質(zhì)量和熱流測量傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及用于測量質(zhì)量和熱流變化的傳感器領(lǐng)域。更特別的是，本發(fā)明適合一個(gè)組合微諧振器質(zhì)量和熱流傳感器，可以實(shí)時(shí)地和連續(xù)地提供對(duì)在氣固界面上質(zhì)量和熱流變化的測量。
雖然壓電效應(yīng)在19世紀(jì)已經(jīng)眾所周知了，但石英晶體器件的發(fā)展是在1920年開始的，其中該器件能在精確給定的諧振頻率下振蕩，能把該器件作為無源元件包括進(jìn)電子儀器中。象多數(shù)我們現(xiàn)代的電子技術(shù)一樣，它們的發(fā)展在二戰(zhàn)期間得到很大的推動(dòng)，當(dāng)時(shí)約3千萬石英晶體振蕩器被生產(chǎn)用于軍事通訊設(shè)備的使用。今天石英晶體振蕩器和新型微諧振器在電子學(xué)上有廣泛的使用，在電子學(xué)中需要精確控制頻率，例如在無線電頻率通訊上，在頻率表和鐘表上，在科學(xué)儀器上，和在計(jì)算機(jī)和蜂窩電話上。
有幾本有用的書描述了石英晶振振蕩器的物理、其它微諧振器和它們?cè)陔娮与娐分械氖褂?。例如，由紐約的Bottom，Van NostrandReinhold所著的“石英晶體單元設(shè)計(jì)入門(Introduction to QuartzCrystal Unit Design)”一書，該書討論了石英的結(jié)晶物理學(xué)、機(jī)械振動(dòng)和應(yīng)力／應(yīng)變關(guān)系、壓電效應(yīng)、石英諧振器的等效電路和它作為電路元件的使用、石英振蕩器的溫度穩(wěn)定性和在這些器件的應(yīng)用中其它的重要題目。由Ward等人寫的《科學(xué)》249卷1000-1007頁(1990)，描述了反壓電效應(yīng)和它在界面的質(zhì)量監(jiān)測中的應(yīng)用，例如在用于制備薄膜的厚度監(jiān)視器中和在用于微量氣體的化學(xué)監(jiān)測器中。由Grate等人寫的<分析化學(xué)>65卷940A-948A頁和987A-996A頁(1993)，比較了用作微諧振器和傳感器的五聲波器件的聲學(xué)和電學(xué)特性，包括石英晶體振蕩器。
結(jié)晶的固體隨著小能量輸入在一串諧振頻率下能產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，這是由晶體的形狀、尺寸和它的彈性常數(shù)來決定的。在石英中，這樣的振動(dòng)能通過施加射頻電壓在固定到晶體上的電極上以機(jī)械諧振頻率誘導(dǎo)出。這被稱作反壓電效應(yīng)。厚度剪切模式是在石英晶體振蕩器中使用的最普通的機(jī)械振動(dòng)。典型的商業(yè)上使用的石英晶體振蕩器是一個(gè)薄的圓形石英板，它是從單晶上以相對(duì)晶體的z軸(所謂的“AT切割“)成37．25°切下來。選擇這個(gè)角度使得在頻率上溫度系數(shù)的變化在25攝氏度時(shí)，在一階近似上為零，因而使諧振頻率隨著環(huán)境溫度的變化最小。在切割角度上的輕微改變?cè)谔岣叩臏囟认履苤圃斐鼍哂辛銣囟认禂?shù)的晶體。AT-切割片在晶體的大部分上和下表面上有薄的薄膜電極，并在它的周圍以不同的方式得到支持。厚度剪切模式的基波和一階諧波在晶體振蕩器中都得到使用。在10．8MHz基波工作的典型AT-切割盤狀石英晶體有下面的尺寸，根據(jù)上面提到的Bottom所著的參考文獻(xiàn)99頁直徑8．0mm電極直徑2．5mm間隔厚度0．154 mm品質(zhì)因子Q是為包括石英晶體諧振器的諧振電路定義的參數(shù)，通常不小于105和可以與高達(dá)107。隨著在真空環(huán)境中仔細(xì)注意溫度的控制，能夠在一部件上獲得1010的短期頻率穩(wěn)定性，雖然宣布的用于商業(yè)單元的短期穩(wěn)定性是±3ppm。
石英晶體振蕩器的諧振頻率與片的厚度e成反比。對(duì)于圓片，f=nK／e其中，n=1，3，5…，K是頻率常數(shù)(例如，看上面提到的Bottom所著的參考文獻(xiàn)134ff頁)。對(duì)于AT-切割片，K=1664kHz*mm，使得1mm厚的片在1．664MHz下振蕩。如果厚度通過在石英晶體諧振器表面上淀積材料得到增加，那麼它的頻率將減小。
在1957年，Sauerbrey在Z．Physik，155卷，206卷中(1959)推導(dǎo)出當(dāng)在一個(gè)圓片石英晶體振蕩器的表面上淀積了Δm質(zhì)量的材料時(shí)，頻率的減少Δf。推導(dǎo)依靠這樣的假定，淀積的外來材料完全存在于沿石英晶體的厚度傳播的駐波的反節(jié)點(diǎn)上，使得外來淀積能作為晶體的延伸，例如，在Lu等人所著的“壓電石英晶體微天平的應(yīng)用(Applications of Piezoelectric Quartz Crystal Microbalances)，Elsevier，紐約，1984年文章中所描述的。Sauerbrey對(duì)基本振蕩模式的結(jié)果在下面Δf/f0=-Δe/e0=-2f0Δm/Aρμ]]>這里，Δe是在原始厚度e0的變化，A是壓電有源區(qū)，ρ是石英的密度，μ是石英的剪切模量。通過測量頻率的減少，人們因而可以確定淀積在晶體上的材料的質(zhì)量。這是石英晶體微天平的原理。實(shí)際上，基于Sauerbrey等式的假定對(duì)于淀積到晶體質(zhì)量10％以下時(shí)是有效的，雖然相對(duì)于質(zhì)量的靈敏度在實(shí)驗(yàn)上表現(xiàn)出從電極的中央到邊緣的減小。
Torres等人在J．Chem．Ed．72卷67-70頁(1995)文章中，描述了為了測量升華焓，使用石英晶體微天平測量在變化的溫度下從Knudsen細(xì)胞中擴(kuò)散出的質(zhì)量。它們報(bào)告了一個(gè)在質(zhì)量淀積率中約為10-8g／sec的靈敏度。石英晶體微天平和其它微諧振器在化學(xué)中用于在固態(tài)吸附表面吸收的氣體的敏感監(jiān)測的應(yīng)用，已經(jīng)有Alder等人在Analyst 108卷1169-1189頁(1983)中和McCallum在Analyst 114卷1173-1189(1989)中作過評(píng)述。石英晶體微天平原理被用于在通過真空蒸發(fā)制造薄膜的厚度監(jiān)視器的改進(jìn)上，例如，在上面提到的Lu等人所著的文章中描述的。當(dāng)前在傳感器發(fā)展中研究努力通常用在石英晶體振蕩器的不同尺寸和振動(dòng)模式上。
整個(gè)申請(qǐng)中，不同的出版物和專利通過引用來作為參考。在本申請(qǐng)中參考的公開的出版物和專利在這里一并參考到本申請(qǐng)，以便更全面的描述本發(fā)明包括的技術(shù)的狀態(tài)。
Koehler等人的U．S專利5，339，051描述了在不同的應(yīng)用中作為傳感器使用的諧振器-振蕩器。Ballato的U．S．專利4，596，697和Bein等人的專利5，151，110描述了作為化學(xué)傳感器使用的涂層諧振器。
為了克服在微傳感器上溫度變化的影響，Sekler等人的U．S．專利4，561，286和Bower等人的5，476，002描述了利用微諧振器進(jìn)行有源溫度控制或溫度傳感器的使用。Vig的U．S專利5，686，779描述了直接用作熱傳感器的微諧振器。
微諧振器，包括石英晶體微天平(QCM)，已經(jīng)被用于測量多種液體樣品的質(zhì)量變化，例如，在Paul等人在U．S．專利4，788，466中的描述，當(dāng)微諧振器被覆蓋時(shí)，可以檢測液體樣品中化學(xué)物質(zhì)的存在，例如，在Myerholtz等人的U．S．專利中所描述的。
微諧振器適合于測量液體樣片的粘性，例如，在Hammerle的U．S．專利4，741，200中描述的。Granstaff等人的U．S．專利5，201，215描述了使用微諧振器測量固體的質(zhì)量和在樣品中液體的物理特性。
用于不同的類型的熱量測量的熱量計(jì)是眾所周知的，例如，在Wadso等人的U．S．專利4，492，280中描述的；Cassettsari等人的5，295，745；和Templer等人的5，312，587。一個(gè)組合的熱量分析的科學(xué)儀器，例如熱量計(jì)，和一個(gè)用于同時(shí)觀察材料的熱力學(xué)和結(jié)構(gòu)特性的X射線衍射儀，在Fawcett等人的U．S．專利4，821，303中進(jìn)行了描述。
盡管提出不同的方法用于基于微諧振器的作為取樣器件的傳感器的設(shè)計(jì)，依然存在對(duì)于能同時(shí)和連續(xù)對(duì)與微諧振器接觸的樣品的質(zhì)量和熱流進(jìn)行高靈敏度和精確度的測量的需要。
本發(fā)明一個(gè)方面涉及一個(gè)新的科學(xué)儀器或設(shè)備，其基于以下組合(ⅰ)一個(gè)微諧振器，例如，一個(gè)石英晶體微天平(QCM)，可以用來測量表面上很小的質(zhì)量變化；和(ⅱ)一個(gè)熱流傳感器，例如，一個(gè)等溫?zé)醾鲗?dǎo)熱量計(jì)(HCC)，可以用來測量小的熱流。在一個(gè)方案中，微諧振器和熱流傳感器組合具有高靈敏度(在質(zhì)量上是毫微克，在熱流上是亞微瓦)，能同時(shí)和連續(xù)測量在小氣固界面上質(zhì)量和熱流的變化，例如，在約1cm2或更小的面積上，該變化是由于一個(gè)化學(xué)過程例如汽化或凝結(jié)、吸附或解吸附、或氣-表面反應(yīng)產(chǎn)生的。本發(fā)明的新的科學(xué)設(shè)備可以有利地使用在多種應(yīng)用中，例如，研究蛋白質(zhì)的水合和水解和淀積在固態(tài)襯底上的其他生物分子，特別是對(duì)用于生物傳感器的薄膜、診斷免疫測定、使用層析法的蛋白質(zhì)分離，和用作生物和生物兼容膜和表面的模型；研究在聚合物薄膜的表面和其它在黏結(jié)、潤滑、加濕、腐蝕等方面有重要應(yīng)用的有機(jī)表面分子間相互作用的熱力學(xué)；研究水基和有機(jī)溶劑基的涂料和油漆的干燥和固化。
本發(fā)明的一個(gè)方面涉及一個(gè)質(zhì)量和熱流測量傳感器，包括(ⅰ)一個(gè)包括壓電襯底的微諧振器，該襯底具有一個(gè)周長，一個(gè)直接接觸樣品的第一面，和不接觸樣品的第二相對(duì)面，壓電襯底具有諧振頻率和制造基于諧振頻率的測量信號(hào)的能力；(ⅱ)一個(gè)熱耦合到微諧振器的壓電襯底上的熱流傳感器；和(ⅲ)一個(gè)熱耦合到熱流傳感器上的散熱片。在一個(gè)方案中，微諧振器能測量加到第一表面上的樣品的質(zhì)量，熱流傳感器能測量從在微諧振器的第一表面上的樣品到散熱片的熱流。
適合用于本發(fā)明傳感器的微諧振器包括但不限制于體聲波傳感器、石英晶體微天平、表面聲波傳感器、曲面波傳感器和聲學(xué)板模式傳感器。在優(yōu)選方案中，微諧振器是一個(gè)石英晶體微天平。
本發(fā)明的另一個(gè)方面包括一個(gè)質(zhì)量和熱流測量傳感器，包括(ⅰ)一個(gè)包括一個(gè)壓電襯底的微諧振器，該襯底具有一個(gè)周長、一個(gè)直接接觸樣品的第一表面和一個(gè)不接觸樣品的第二相對(duì)表面；(ⅱ)在壓電襯底的第一和第二表面上淀積的電極，該電極能向壓電襯底提供電信號(hào)和從它那里獲得電信號(hào)；(ⅲ)一個(gè)熱流傳感器；(ⅳ)一個(gè)以連續(xù)的方式從壓電襯底的四周延伸到熱流傳感器的第一表面的導(dǎo)熱材料，其中導(dǎo)熱材料不和第二相對(duì)表面的聲學(xué)有源區(qū)接觸；和(ⅴ)一個(gè)與熱流傳感器的第二表面接觸的散熱片材料，第二表面不和導(dǎo)熱材料直接接觸。在一個(gè)方案中，微諧振器能測量施加到第一表面上的樣品的質(zhì)量，熱流傳感器能測量從微諧振器的第一表面上的樣品到散熱片的熱流。在一個(gè)優(yōu)選方案中，熱流傳感器包括一個(gè)熱電偶。
在本發(fā)明傳感器的一個(gè)方案中，壓電襯底是一個(gè)導(dǎo)熱材料。在一個(gè)方案中，壓電襯底是一個(gè)石英晶體，壓電襯底最好是一個(gè)AT-切割的石英晶體。
在本發(fā)明傳感器的一個(gè)方案中，導(dǎo)熱材料提供一條用于施加射頻功率到壓電晶體上的通路。在一個(gè)方案中，導(dǎo)熱材料包括一個(gè)具有與熱流傳感器的第一表面相接觸的表面的金屬柱面。在一個(gè)方案中，導(dǎo)熱材料是黃銅。
本發(fā)明的一方面包括一個(gè)質(zhì)量和熱流測量傳感器，包括(ⅰ)一個(gè)石英晶體微天平，能測量與石英晶體微天平接觸的樣片的質(zhì)量；(ⅱ)一個(gè)熱耦合到石英晶體微天平的熱流傳感器，能測量從樣品到散熱片的熱流；(ⅲ)一個(gè)熱耦合到熱流傳感器上的散熱片。在一個(gè)方案中，石英晶體微天平包括一個(gè)具有周長的石英襯底、一個(gè)直接接觸樣品的第一表面和一個(gè)不和樣品接觸的第二相對(duì)表面，石英襯底具有諧振頻率并能基于諧振頻率產(chǎn)生測量信號(hào)。在一個(gè)方案中，質(zhì)量和熱流測量傳感器進(jìn)一步包括淀積在石英襯底的第一和第二相對(duì)表面上的電極，電極能向石英襯底施加電信號(hào)和從它那里獲得電信號(hào)。在一個(gè)方案中，導(dǎo)熱材料以連續(xù)的方式從石英襯底的四周延伸到熱流傳感器的第一表面，其中導(dǎo)熱材料不和第二相對(duì)表面的聲學(xué)有源區(qū)接觸。在優(yōu)選方案中，熱流傳感器包括一個(gè)熱電偶。在一個(gè)方案中，散熱片材料不和熱流傳感器的第二表面接觸，第二表面不和導(dǎo)熱材料直接接觸。在優(yōu)選方案中，石英襯底是一個(gè)AT-切割晶體。在一個(gè)方案中，導(dǎo)熱材料提供了用于施加射頻功率到石英襯底上的路徑。在一個(gè)方案中，導(dǎo)熱材料包括一個(gè)具有與熱流傳感器的第一表面接觸的表面的金屬柱面。在一個(gè)方案中，導(dǎo)熱材料是黃銅。
本發(fā)明的另一方面涉及測量樣品的質(zhì)量和從樣品到散熱片的熱流的方法，該方法包括一下步驟(ⅰ)提供一個(gè)微諧振器，如同這里描述的；(ⅱ)提供一個(gè)熱耦合到微諧振器的壓電襯底上的熱流傳感器；(ⅲ)提供一個(gè)熱耦合到熱流傳感器上的散熱片；和(ⅳ)測量放在壓電襯底第一表面上的樣品質(zhì)量變化和從樣品到散熱片的熱流變化。
本發(fā)明還有另一個(gè)方面涉及測量樣品質(zhì)量和從樣品到散熱片的熱流的方法，該方法包括一下步驟(ⅰ)提供一個(gè)微諧振器，如同這里描述的；(ⅱ)提供淀積在壓電襯底的第一和第二相對(duì)表面上的電極，該電極能向壓電襯底施加電信號(hào)和從它那里獲得電信號(hào)；(ⅲ)提供一個(gè)熱流傳感器，如同這里描述的；(ⅳ)提供一個(gè)以連續(xù)方式從壓電襯底的四周向熱流傳感器的第一表面延伸的導(dǎo)熱材料，其中導(dǎo)熱材料不和第二相對(duì)表面的聲學(xué)有源區(qū)接觸。(ⅴ)提供一個(gè)與熱流傳感器的第二表面接觸的散熱片材料，第二表面不和導(dǎo)熱材料直接接觸．和(ⅵ)測量放置在壓電襯底第一表面上的樣品的質(zhì)量變化和從樣品到散熱片的熱量的變化。在一個(gè)方案中，微諧振器能測量加到第一表面上的樣品的質(zhì)量，熱流傳感器能測量從在微諧振器的第一表面上的樣品到散熱片的熱流。
本發(fā)明還有另一方面涉及測量樣品質(zhì)量和從樣品到散熱片的熱流的方法，該方法包括以下步驟(ⅰ)提供一個(gè)石英晶體微天平，能測量與石英晶體微天平接觸的樣品的質(zhì)量；(ⅱ)提供一個(gè)熱耦合到石英晶體微天平的熱流傳感器，能測量從樣品到散熱片的熱流；(ⅲ)提供一個(gè)熱耦合到熱流傳感器上的散熱片；和(ⅳ)測量放置在石英晶體微天平上的樣品的質(zhì)量變化和從樣品到散熱片的熱流的變化。在該方法的一個(gè)方案中，石英晶體微天平包括一個(gè)石英襯底，其具有一個(gè)周長的、一個(gè)直接接觸樣品的第一表面、和一個(gè)不和樣品接觸的第二相對(duì)表面，石英襯底具有諧振頻率并能基于諧振頻率產(chǎn)生測量信號(hào)。在一個(gè)方案中，該方法進(jìn)一步包括淀積在石英襯底的第一和第二相對(duì)表面上的電極，電極能向石英襯底施加電信號(hào)和從它那里獲得電信號(hào)。在一個(gè)方案中，該方法進(jìn)一步包括提供一個(gè)導(dǎo)熱材料，該材料以連續(xù)的方式從石英襯底的四周向熱流傳感器的第一表面延伸，其中導(dǎo)熱材料不和第二相對(duì)表面的聲學(xué)有源區(qū)接觸。在優(yōu)選方案中，熱流傳感器包括一個(gè)熱電偶。在一個(gè)方案中，散熱片材料不和熱流傳感器的第二表面接觸，第二表面不和導(dǎo)熱材料直接接觸。在優(yōu)選方案中，石英襯底是一個(gè)AT-切割晶體。在一個(gè)方案中，導(dǎo)熱材料提供了用于施加射頻功率到石英襯底上的路徑。在一個(gè)方案中，導(dǎo)熱材料包括一個(gè)具有與熱流傳感器的第一表面接觸的表面的金屬柱面。在一個(gè)方案中，導(dǎo)熱材料是黃銅。
如同在本領(lǐng)域技術(shù)人員所知道的，本發(fā)明一個(gè)方案的特性和特征適用于本發(fā)明的其它方案和特征。
前面的概述以及后面的本發(fā)明實(shí)施方案的詳細(xì)描述，當(dāng)與附圖聯(lián)系起來閱讀時(shí)將能夠更好的理解。出于圖解發(fā)明的目的，在圖中示出了特定的結(jié)構(gòu)和方法。然而應(yīng)當(dāng)認(rèn)為本發(fā)明不限定于所示出的精確結(jié)構(gòu)或詳細(xì)描述的方法。


圖1圖解對(duì)照了絕熱熱量計(jì)和導(dǎo)熱熱量計(jì)的功能。
圖2示出了導(dǎo)熱熱量計(jì)的基本等式。
圖3示出了典型熱電偶模塊的示意性表示。
圖4示出了依照本發(fā)明的一個(gè)方案，石英晶體微天平和熱流傳感器組合的示意性表示。
本發(fā)明的微諧振器和熱流傳感器組合在熱分析和熱量測定方面提供了一個(gè)新方法。這種新方法提供了測量在氣固界面的熱流和質(zhì)量隨著氣相和固體表面的成分的變化而變化的能力。在熱力學(xué)術(shù)語中，微諧振器和熱流組合能直接測量在表面上薄膜的揮發(fā)性元素ⅰ的局部克分子焓，如同其它非揮發(fā)性元素一樣，溫度(T)和壓力(P)保持為常數(shù) 其中j是總元素(n)的摩爾數(shù)。
在絕熱熱量計(jì)和導(dǎo)熱熱量計(jì)之間的對(duì)照?qǐng)D解在圖1中。對(duì)于絕熱熱量計(jì)，溫度(T)對(duì)時(shí)間曲線在一個(gè)已知熱容量(C)的絕熱容器中進(jìn)行測量，以提供熱量(Q)。對(duì)導(dǎo)熱熱量計(jì)，熱能對(duì)時(shí)間(t)曲線在一個(gè)容器中測量，在容器中由化學(xué)過程產(chǎn)生的熱量(Q)通過熱流傳感器流動(dòng)。用于導(dǎo)熱熱量計(jì)的基本等式或“加爾文熱量計(jì)”在圖2中示出，其中P是以瓦特為單位的熱功率，S是以伏／瓦為單位的熱電偶靈敏度，U是以伏為單位的熱電偶電壓，τ是以秒為單位的熱量計(jì)時(shí)間常數(shù)。在穩(wěn)定狀態(tài)，U=SP。時(shí)間常數(shù)通過C／G判斷，其中C是反應(yīng)容器的熱容量，G是熱電偶的熱導(dǎo)率。在熱流傳感器中測量元件典型是熱電偶或熱電模塊。例如，由新澤西的Melcor公司制造的熱電偶模塊，在計(jì)算機(jī)和其它電器中被廣泛用作熱電熱量泵。圖3示出了典型熱電偶的某些設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，例如由Melcor公司制造的。組件的頂層1是冷連接能吸收熱量。電絕緣層2和導(dǎo)電層3在具有“N”和“P”特性的碲化鉍元件4的兩邊。組件的底層5是熱連接能反射熱量。元件在電氣上串聯(lián)，在熱量上并聯(lián)。通常模塊是商業(yè)上能得到的最小元件。模塊可適用在大量不同的尺寸、形狀、工作電流、工作電壓和熱泵容量的范圍。
質(zhì)量和熱流測量傳感器本發(fā)明的微諧振器和熱流傳感器組合的方面示意圖示出在圖4中。如圖4中圖解的那樣，一個(gè)AT-切割的石英晶體圓片(a)的直徑Dq和厚度w，根據(jù)它四周的邊長或周長被安裝到具有底板7的金屬圓柱6上。圓片有淀積在兩個(gè)表面上的直徑為De的電極，底板與熱電偶(c)接觸，熱電偶依次與散熱片接觸，例如一個(gè)鐵罐的底部在常溫浴中自動(dòng)進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)。因而，包括熱電偶的熱流傳感器是熱耦合到微諧振器上，散熱片是熱耦合到熱流傳感器。在具有電極的石英晶體振蕩器的頂表面或第一表面上淀積這圓形面積的樣品8，直徑為d。例如當(dāng)以dn／dt每秒的速率，進(jìn)行升華、吸附、解吸附或反應(yīng)時(shí)，這個(gè)樣品將產(chǎn)生熱流速率φ(瓦)，其中標(biāo)記ΔHsub用來表示上面提到的過程中的摩爾焓的變化，φ=ΔHsubdn／dt．例如典型的升華焓50kJmol-1，與在好的導(dǎo)熱熱量計(jì)中典型的100nW的基線噪音的熱流率組合，對(duì)應(yīng)的升華速率dn／dt為5．0×10-12mol sec-1。對(duì)于摩爾質(zhì)量200g mol-1的物質(zhì)，這對(duì)應(yīng)于質(zhì)量損失1．0 ng sec-1。從在瑞典的Thermometric AB得來的毫微瓦放大器，在Thermometric Calorimeter News 1997年2月第三頁中進(jìn)行了描述，具有相對(duì)于空室(ampoule)的導(dǎo)熱熱量計(jì)2nW的噪音水平，該放大器靈敏度增加了50倍或到1．0×10-13mol sec-1(20pgsec-1)。具有電極的石英晶體的底表面或相對(duì)表面不和樣品接觸。
本發(fā)明的一個(gè)方面包括一個(gè)質(zhì)量和熱流測量傳感器，包括(ⅰ)一個(gè)包括一個(gè)壓電襯底的微諧振器，該襯底具有一個(gè)周長、一個(gè)直接接觸樣品的第一表面和一個(gè)不接觸樣品的第二相對(duì)表面，壓電襯底具有諧振頻率并能產(chǎn)生基于諧振頻率的測量信號(hào)；(ⅱ)一個(gè)熱耦合到微諧振器的壓電襯底上熱流傳感器；(ⅲ)一個(gè)熱耦合到熱流傳感器上的散熱片。在一個(gè)方案中，微諧振器能測量施加到第一表面上的樣品的質(zhì)量，熱流傳感器能測量從微諧振器的第一表面上的樣品到散熱片的熱流。
多種微諧振器可以使用在本發(fā)明的質(zhì)量和熱流測量傳感器中，例如在前面提到的Grate等人、Alder等人、McCullen等人、Lu等人的參考文獻(xiàn)中。用于本發(fā)明傳感器的合適的微諧振器包括但不限定于體聲波傳感器、石英晶體微天平、表面聲波傳感器、曲面波傳感器和聲學(xué)平板模式傳感器。在優(yōu)選方案中，微諧振器是石英晶體微天平。多種熱流傳感器可以使用在本發(fā)明的質(zhì)量和熱流測量傳感器中，例如在Chemical Society Reviews 1997卷79-86頁(1997)Wadso所著的文章中和那里的參考文獻(xiàn)所描述的等溫導(dǎo)熱熱量計(jì)中。
在本發(fā)明的微諧振器和熱流傳感器的組合中一個(gè)關(guān)鍵的要求是提供從壓電晶體表面到熱流傳感器的高導(dǎo)熱通路。否則，在高熱流率下，壓電晶體表面的中央部分發(fā)熱，因而在晶體內(nèi)產(chǎn)生溫度梯度和在諧振頻率中產(chǎn)生附加漂移。在壓電晶體和安裝的導(dǎo)熱材料之間必須有好的熱接觸，這樣機(jī)械支持的細(xì)節(jié)是重要的。在上面提到的Bottom所著的參考文獻(xiàn)的第10章中，示出了在兩個(gè)圓形淀積電極之間的石英所在的區(qū)域處在橫向剪切波的作用下，周圍裸露的石英環(huán)用于衰減較高的聲學(xué)模式。對(duì)于一階近似，環(huán)狀區(qū)域具有聲學(xué)節(jié)點(diǎn)的功能。因而可以安裝晶體并在壓電襯底和熱流傳感器之間制作一個(gè)高導(dǎo)熱通路而不影響諧振時(shí)聲學(xué)振動(dòng)的高品質(zhì)因子Q。圖4示出了本發(fā)明的一個(gè)微諧振器和熱流傳感器組合的可能安裝結(jié)構(gòu)。導(dǎo)熱材料在壓電襯底和熱流傳感器之間提供了高熱導(dǎo)率，并不和經(jīng)受橫向剪切波的聲學(xué)有源區(qū)域接觸，包括在壓電晶體相對(duì)表面上的聲學(xué)有源區(qū)。
可以估計(jì)對(duì)于包括石英晶體的微諧振器在工作條件下在兩個(gè)電極之間的石英上的溫度梯度。在直徑De、厚度c的圓盤上徑向溫度分布T (r)與在散熱片的邊緣上的溫度T0相關(guān)聯(lián)，并用每單位面積的輸入功率P在它的表面上均勻加熱，該分布由在ExperimentalThermodynamicsCalorimetry of Non-Reacting Systems 1卷中Ginnings等人的“熱量計(jì)設(shè)計(jì)原理(Principles of CalorimetricDesign)”一文中推導(dǎo)出，由McCullough等人編輯，Butterworth，倫敦，1968年，如下T(r)-T0≌P／4λe[D2e／4-r2]其中λ是圓片材料的熱導(dǎo)率。在石英中的熱導(dǎo)率是各向異性的。對(duì)于沿C軸(光軸)的熱流，λ=11．1WK-1m-1，因而對(duì)于垂直軸，λ=5．88WK-1m-1。為了估計(jì)溫度梯度，我們?nèi)∑骄?，?8．5WK-1m-1，使用上面給出的尺寸(De=0．0025m，e=0．000154m，或電極面積=4．91×10-6m2)。假定熱流是100μW，或微熱量計(jì)噪音水平的103倍，在盤中央和電極邊沿(r=De)之間的溫度差僅僅是6×10-3K，與盤的直徑無關(guān)。由于石英諧振頻率對(duì)溫度的依賴性，這是太小了以至于不能制造出假的效果。因而，例如石英在本發(fā)明的微諧振器和熱流傳感器組合中具有充分的熱導(dǎo)體功能。
本發(fā)明的另一個(gè)方面包括一個(gè)質(zhì)量和熱流測量傳感器，包括(ⅰ)一個(gè)包括一個(gè)壓電襯底的微諧振器，具有一個(gè)周長、一個(gè)用于直接接觸樣品的第一表面和一個(gè)不和樣品的接觸的第二表面；(ⅱ)淀積在壓電襯底的第一和第二相對(duì)表面上的電極，該電極能向壓電襯底提供和從它那里獲得電信號(hào)；(ⅲ)一個(gè)熱流傳感器；(ⅳ)一個(gè)以連續(xù)方式從壓電襯底的四周向熱流傳感器的第一表面延伸的導(dǎo)熱材料，其中導(dǎo)熱材料不和第二相對(duì)表面的聲學(xué)有源區(qū)接觸；和(ⅴ)一個(gè)與熱流傳感器的第二表面接觸的散熱片材料，第二表面不和導(dǎo)熱材料直接接觸。在一個(gè)方案中，微諧振器能測量加到第一表面上的樣品的質(zhì)量，熱流傳感器能測量從在微諧振器的第一表面上的樣品到散熱片的熱流。在優(yōu)選方案中，熱流傳感器包括一個(gè)熱電偶。
在本發(fā)明的傳感器的一個(gè)方案中，壓電襯底是一個(gè)導(dǎo)熱材料。在一個(gè)方案中，壓電襯底是一個(gè)石英晶體，壓電襯底最好是一個(gè)AT-切割石英晶體。
在本發(fā)明的傳感器的一個(gè)方案中，導(dǎo)熱材料提供了用于施加射頻功率到壓電襯底上的通路。在一個(gè)方案中，導(dǎo)熱材料包括一個(gè)具有與熱流傳感器的第一表面接觸的表面的金屬圓柱面。在一個(gè)方案中，導(dǎo)熱材料是黃銅。
對(duì)于在圖4中示出的方案，本發(fā)明的微諧振器和熱流傳感器的“反應(yīng)容器”有小的熱容量，因而有短的時(shí)間常數(shù)，例如在J．Biochemicaland Biophysical Methods 28卷85-100(1994)頁中由Backman等人所著的文章中描述的。這個(gè)短時(shí)間常數(shù)可以短到幾秒鐘，這減小了對(duì)微諧振器和熱流傳感器的長期穩(wěn)定性和散熱片的溫度穩(wěn)定性的需要。短時(shí)間常數(shù)也用在下面的材料的吸附或解吸附動(dòng)力學(xué)中。微諧振器的工作頻率將足夠高以在頻率測量中確保好的記數(shù)統(tǒng)計(jì)，但是高頻率意味著薄的石英晶體和相對(duì)應(yīng)的脆性和在導(dǎo)熱率上的減小。微諧振器的寬度w是由優(yōu)化這些矛盾的需要所決定的設(shè)計(jì)參數(shù)。
如在圖4中示出的，本發(fā)明的微諧振器和熱流傳感器的一個(gè)方案是一個(gè)包括一個(gè)微諧振器的單一設(shè)備，例如一個(gè)石英晶體微天平和一個(gè)包括用于質(zhì)量和熱流測量的熱電偶的熱流傳感器。例如，熱流電偶的校準(zhǔn)是通過照射1．0毫瓦的He-Ne激光到微諧振器和熱流傳感器組合的微諧振器上并測量產(chǎn)生的熱流傳感器電壓來完成的。當(dāng)5．0MHz的射頻(rf)功率作用到微諧振器的壓電石英晶體上時(shí)，通過熱流傳感器能檢測到產(chǎn)生的熱量。
如在圖4中圖解的一個(gè)方案，本發(fā)明的一個(gè)方面包括質(zhì)量和熱流測量傳感器，包括(ⅰ)一個(gè)石英晶體微天平，能測量與石英晶體微天平接觸的樣品的質(zhì)量；(ⅱ)一個(gè)熱耦合到石英晶體微天平的熱流傳感器，能測量從樣品到散熱片的熱流；(ⅲ)提供一個(gè)熱耦合到熱流傳感器上的散熱片。在一個(gè)方案中，石英晶體微天平包括一個(gè)具有周長的石英襯底、一個(gè)直接接觸樣品的第一表面，和一個(gè)不和樣品接觸的第二相對(duì)表面，石英襯底具有諧振頻率并能基于諧振頻率產(chǎn)生測量信號(hào)。在一個(gè)方案中，質(zhì)量和熱流測量傳感器進(jìn)一步包括淀積在石英襯底的第一和第二相對(duì)表面上的電極，電極能向石英襯底施加電信號(hào)和從它那里獲得電信號(hào)。在一個(gè)方案中，一個(gè)導(dǎo)熱材料以連續(xù)的方式從石英襯底的四周向熱流傳感器的第一表面延伸，其中導(dǎo)熱材料不和第二相對(duì)表面的聲學(xué)有源區(qū)接觸。在優(yōu)選方案中，熱流傳感器包括一個(gè)熱電偶。在一個(gè)方案中，散熱片材料不和熱流傳感器的第二表面接觸，第二表面不和導(dǎo)熱材料直接接觸。在優(yōu)選方案中，石英襯底是一個(gè)AT-切割晶體。在一個(gè)方案中，導(dǎo)熱材料提供了用于施加射頻功率到石英襯底上的通路。在一個(gè)方案中，導(dǎo)熱材料包括一個(gè)具有與熱流傳感器的第一表面接觸的表面的金屬柱面。在一個(gè)方案中，導(dǎo)熱材料是黃銅。
微諧振器和熱流傳感器的組合的熱流和質(zhì)量變化的測量的預(yù)期測量極限可以被估計(jì)出。對(duì)一個(gè)微諧振器，例如石英晶體微天平，根據(jù)Sauerbrey等式，頻飄δv與淀積在微諧振器表面上的單位面積的質(zhì)量變化δm相關(guān)，該等式在圖4中示出用于石英晶體微天平的方案，表達(dá)為δv=-57δm其中頻飄的單位是Hz，質(zhì)量變化是μg／cm2。因?yàn)橛^察到的石英晶體微天平的短期穩(wěn)定性在它的現(xiàn)在的設(shè)計(jì)中約為±1Hz，質(zhì)量檢測極限現(xiàn)在約為18ng／cm2。對(duì)于更好的計(jì)數(shù)電子學(xué)，這個(gè)極限能減小至少一個(gè)數(shù)量級(jí)。熱流傳感器的靈敏度約為0．3V／W，使得在熱流傳感器輸出±1微伏的通道中觀察到的rms噪音對(duì)應(yīng)于約3微瓦的導(dǎo)熱測量極限。
檢測樣品的質(zhì)量和熱流的方法本發(fā)明的一個(gè)方面涉及測量樣品的質(zhì)量和從樣品到散熱片的熱流的方法，該方法包括以下步驟(ⅰ)提供一個(gè)微諧振器，如同這里描述的；(ⅱ)提供一個(gè)熱耦合到微諧振器的壓電襯底上的熱流傳感器；(ⅲ)提供一個(gè)熱耦合到熱流傳感器上的散熱片；和(ⅳ)測量淀積在壓電襯底第一表面上的樣品質(zhì)量和從樣品到散熱片的熱流的變化。
如在這里描述的，在本發(fā)明的傳感器和方法中，在樣品質(zhì)量上的變化是通過在微諧振器的壓電襯底中頻率的變化來測量，在從樣品到散熱片的熱流的變化典型地通過熱流傳感器的電壓輸出的變化來測量。用于這些測量的合適的電路和數(shù)據(jù)采集和相關(guān)設(shè)備和方法包括但不限定于在前面提到的由Grate等人、Alder等人、McCallum、和Lu等人的參考文獻(xiàn)中對(duì)于微諧振器的描述，和在前面提到的由Wadso所著的文章中和參考文獻(xiàn)中對(duì)熱流傳感器的描述。
本發(fā)明的另一個(gè)方面涉及測量樣品質(zhì)量和從樣品到散熱片的熱流的方法，該方法包括以下步驟(ⅰ)提供一個(gè)微諧振器，如同這里描述的；(ⅱ)提供淀積在壓電襯底的第一和第二相對(duì)表面上的電極，該電極能向壓電襯底施加電信號(hào)和從它那里獲得電信號(hào)；(ⅲ)提供一個(gè)熱流傳感器，如同這里描述的；(ⅳ)提供一個(gè)以連續(xù)方式從壓電襯底的四周向熱流傳感器的第一表面延伸的導(dǎo)熱材料，其中導(dǎo)熱材料不和第二相對(duì)表面的聲學(xué)有源區(qū)接觸。(ⅴ)提供一個(gè)與熱流傳感器的第二表面接觸的散熱片材料，第二表面不和導(dǎo)熱材料直接接觸。和(ⅵ)測量放置在壓電襯底第一表面上的樣品質(zhì)量變化和從樣品到散熱片的熱量的變化。在一個(gè)方案中，微諧振器能測量加到第一表面上的樣品的質(zhì)量，熱流傳感器能測量從在微諧振器的第一表面上的樣品到散熱片的熱流。
如在圖4中圖解的一個(gè)方案，本發(fā)明還有另一方面涉及測量樣品質(zhì)量和從樣品到散熱片的熱流的方法，該方法包括以下步驟(ⅰ)提供一個(gè)石英晶體微天平，能測量與石英晶體微天平接觸的樣品的質(zhì)量；(ⅱ)提供一個(gè)熱耦合到石英晶體微天平的熱流傳感器，能測量從樣品到散熱片的熱流；(ⅲ)提供一個(gè)熱耦合到熱流傳感器上的散熱片。和(ⅳ)測量放置在石英晶體微天平上的樣品的質(zhì)量變化和從樣品到散熱片的熱流的變化。在一個(gè)方法的方案中，石英晶體微天平包括一個(gè)具有一個(gè)周長的石英襯底、一個(gè)直接接觸樣品的第一表面，和一個(gè)不和樣品接觸的第二相對(duì)表面，石英襯底具有諧振頻率并能基于諧振頻率產(chǎn)生測量信號(hào)。在一個(gè)方案中，該方法進(jìn)一步包括淀積在石英襯底的第一和第二相對(duì)表面上的電極，電極能向石英襯底施加電信號(hào)和從它那里獲得電信號(hào)。在一個(gè)方案中，該方法進(jìn)一步包括提供一個(gè)導(dǎo)熱材料，該材料以連續(xù)的方式從石英襯底的四周向熱流傳感器的第一表面延伸，其中導(dǎo)熱材料不和第二相對(duì)表面的聲學(xué)有源區(qū)接觸。在優(yōu)選方案中，熱流傳感器包括一個(gè)熱電偶。在一個(gè)方案中，散熱片材料不和熱流傳感器的第二表面接觸，第二表面不和導(dǎo)熱材料直接接觸。在優(yōu)選方案中，石英襯底是一個(gè)AT-切割晶體．在一個(gè)方案中，導(dǎo)熱材料提供了用于施加射頻功率到石英襯底上的通路。在一個(gè)方案中，導(dǎo)熱材料包括一個(gè)具有與熱流傳感器的第一表面接觸的表面的金屬柱面。在一個(gè)方案中，導(dǎo)熱材料是黃銅。
微諧振器和熱流傳感器組合對(duì)測量升華焓的應(yīng)用在Chemical Society Reviews 1997卷79-86頁(1997)中在對(duì)等溫微熱量測定的趨勢回顧中，Wadso表述了“對(duì)于在低蒸汽壓下物質(zhì)的升華數(shù)據(jù)焓有強(qiáng)烈的需求，例如與生物熱動(dòng)力學(xué)模型系統(tǒng)的研究相結(jié)合。然而，在最近幾十年中在汽化／升華熱量測量方面報(bào)道了很少的開發(fā)工作和很少的測量工作。在這個(gè)領(lǐng)域需要更先進(jìn)的微熱量測量技術(shù)?！钡葴貙?dǎo)熱熱量測量用于測量在10-6torr的蒸汽壓下化合物的ΔHsub，例如，在Chemical Scripta 1卷103-111頁(1971)中由Morawetz和在Thermochimica Acta 115卷153-165頁(1987)中由Sabbah等人所描述的。Knudsen擴(kuò)散方法使用了Clausius-Clapeyron等式從伴隨著溫度的蒸汽壓的變化推導(dǎo)出ΔHsub，例如在J．Chem．Thermo．27卷1261-1266頁(1995)中由Torres等人描述的，該方法用于在同樣的范圍內(nèi)具有蒸汽壓的化合物上。因?yàn)楸豢疾斓挠袡C(jī)和生物物質(zhì)具有低于這些限制的室溫蒸汽壓，它們的升華焓還沒有被測出。然而對(duì)結(jié)構(gòu)的吉布斯自由能的精確測量，升華熱必須是已知的。在氣相的這樣物質(zhì)的形成能在確定物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)性和在與同樣量的量子化學(xué)計(jì)算的比較方面是很重要的。
本發(fā)明的微諧振器和熱流傳感器組合能用于測量不揮發(fā)材料的升華焓。固體的升華速率σ(摩爾m-2s-1)和它的蒸汽壓之間的關(guān)系首先被Langmuir在Physical Review第2卷329頁(1913)中提出，如下σ=Peq/2πMRT]]>這里，Peq是固體的平衡蒸汽壓，M是它的摩爾質(zhì)量，R是氣體常數(shù)，T是絕對(duì)溫度。對(duì)于上面描述的假想的固體，具有50kJ／mol的升華焓和200g／mole的摩爾質(zhì)量，如果固體的蒸汽壓是2．0×10-8torr，1cm2的表面將以1．0ng／sec的速率損失質(zhì)量。
從設(shè)計(jì)觀點(diǎn)來看，用于微諧振器的直徑D盡可能大是有利的，因?yàn)檫@允許了較大的的樣品面積(如在圖1中示出的πd2／4)，因而允許較大的熱信號(hào)。在抽真空本發(fā)明的微諧振器和熱流傳感器組合時(shí)，壓電襯底到金屬的接觸的性質(zhì)是重要的，例如石英到金屬的接觸(例如，o-環(huán)，沒有鍵合的直接接觸或高真空密封)，因?yàn)槭⒕w的下面必須不從樣品吸附氣體。
微諧振器和熱流傳感器組合在能量敏感化學(xué)傳感器中的應(yīng)用有大量的不斷增長的文獻(xiàn)是關(guān)于基于表面覆蓋的微諧振器的特定和敏感化學(xué)傳感器的技術(shù)，例如石英晶體振蕩器。例如，在由Hartmann等人所著的Sensors和Actuators B 18-19卷429-433頁(1994)中描述了石英晶體微天平的使用，該天平覆蓋了聚合物、親脂性化合物、環(huán)-n-芳烴、絡(luò)合物前體和單分子層，用來探測石英晶體微天平基氣體傳感器的靈敏性和選擇性。還有，例如，由Zhou等人所著的Sensors and Actuators B 34卷356-360頁(1996)描述了使用環(huán)脂聚合物(醚尿烷)覆蓋石英晶體微天平和獨(dú)立的熱量測量傳感器，以測量有機(jī)溶劑蒸汽壓。然而，沒有使用組合的微諧振器和傳感器組合作為氣體傳感器的報(bào)道。因?yàn)楸景l(fā)明組合的微諧振器和熱流傳感器組合給出吸附的摩爾熱的實(shí)時(shí)測量，它的有力的附加測量組元將能提供對(duì)氣體傳感器進(jìn)一步的選擇性。有很多感興趣的基本問題是用來研究本發(fā)明的微諧振器和熱流傳感器組合的，例如伴隨著從單分子層的吸附到體材料固體的凝結(jié)而增加的表面覆蓋在摩爾焓上的連續(xù)變化。微諧振器和熱流傳感器組合對(duì)在生物材料中測量水的約束焓的應(yīng)用如果在溶液中的蛋白質(zhì)以高的水蒸汽壓或相對(duì)潮濕地覆蓋在微諧振器上，例如石英晶體微天平，由于水的蒸發(fā)造成的在質(zhì)量和熱量上的減少可以通過在表面上的氣體中變換水的局部壓力來研究。首先，應(yīng)當(dāng)認(rèn)為熱信號(hào)對(duì)于水自己的水蒸發(fā)焓是相同的，但是隨著越來越多的水被取走，水分子之間的約束能將變化為更具有代表性的蛋白質(zhì)分子-水相互作用能量。這樣的研究將有助于闡明在一些生物材料中水的約束能量。
微諧振器和熱流傳感器組合的其它應(yīng)用本發(fā)明的微諧振器和熱流傳感器組合能同時(shí)和連續(xù)測量，具有高靈敏度(質(zhì)量上是毫微克，熱流上是亞微瓦)，例如，由于例如蒸發(fā)或凝結(jié)、吸附或解吸附、或氣-表面反應(yīng)，在約1cm2的小的氣-固界面上在質(zhì)量和熱流上的變化。本發(fā)明的微諧振器和熱流傳感器的其它潛在的應(yīng)用包括但不限定于以下研究(a)蛋白質(zhì)薄膜和淀積在固體襯底上的其他生物分子的水化和脫水。例如，這些薄膜用在例如生物傳感器、診斷免疫測定、使用套色方法分離蛋白質(zhì)上，和作為生物和生物兼容薄膜和表面的模型；(b)在聚合物薄膜表面上和在粘附、潤滑、潤濕和腐蝕方面重要的其它有機(jī)表面上的分子間反應(yīng)能；和(c)水基和有機(jī)溶劑基涂料和油漆的干燥和去除能。
發(fā)明在細(xì)節(jié)上進(jìn)行描述并參考了特定的方案，同時(shí)對(duì)于在技術(shù)領(lǐng)域中熟練的技術(shù)人員來說，在不偏離發(fā)明宗旨和范圍時(shí)可以作不同的改變和修訂。
權(quán)利要求
1．一個(gè)質(zhì)量和熱流測量傳感器，包括(a)一個(gè)微諧振器包括一個(gè)壓電襯底，該襯底具有一個(gè)周長、一個(gè)直接接觸樣品的第一表面和一個(gè)不和樣品接觸的第二表面，上述的壓電襯底具有諧振頻率并能基于上述諧振頻率產(chǎn)生測量信號(hào)；(b)一個(gè)熱耦合到上述壓電襯底上的熱流傳感器；和(c)一個(gè)熱耦合到上述熱流傳感器上的散熱片。
2．權(quán)利要求1的質(zhì)量和熱流測量傳感器，其中微諧振器能測量加到上述第一表面上的樣品的質(zhì)量，且其中上述熱流傳感器能測量從在上述第一表面上的樣品到散熱片的熱流。
3．權(quán)利要求1的質(zhì)量和熱流測量傳感器，其中上述微諧振器從下述微諧振器組中選擇，包括體聲波傳感器、石英晶體微天平、表面聲波傳感器、曲面波傳感器和聲學(xué)平板模式傳感器。
4．權(quán)利要求1的質(zhì)量和熱流測量傳感器，其中上述微諧振器是一個(gè)石英晶體微天平。
5．權(quán)利要求1的質(zhì)量和熱流測量傳感器，其中上述壓電襯底在厚度剪切模式下工作。
6．權(quán)利要求1的質(zhì)量和熱流測量傳感器，其中上述壓電襯底是一個(gè)石英晶體。
7．權(quán)利要求1的質(zhì)量和熱流測量傳感器，其中上述壓電襯底是一個(gè)AT-切割的石英晶體。
8．一個(gè)質(zhì)量和熱量測量傳感器，包括(a)一個(gè)微諧振器包括一個(gè)壓電襯底，具有一個(gè)周長、一個(gè)用于直接接觸樣品的第一表面和一個(gè)不和樣品的接觸的第二表面；(b)淀積在壓電襯底的第一和第二相對(duì)表面上的電極，該電極能向壓電襯底提供電信號(hào)和從它那里獲得電信號(hào)；(c)一個(gè)熱流傳感器；(d)一個(gè)以連續(xù)方式從壓電襯底的四周向熱流傳感器的第一表面延伸的導(dǎo)熱材料，其中導(dǎo)熱材料不和第二相對(duì)表面的聲學(xué)有源區(qū)接觸；和(e)一個(gè)與熱流傳感器的第二表面接觸的散熱片材料，第二表面不和導(dǎo)熱材料直接接觸。
9．權(quán)利要求8的質(zhì)量和熱流測量傳感器，其中上述微諧振器能測量加在上述第一表面上的樣品的質(zhì)量，且其中上述熱流傳感器能測量從在上述第一表面上的樣品到散熱片的熱流。
10．權(quán)利要求8的質(zhì)量和熱流測量傳感器，其中上述熱流傳感器包括一個(gè)熱電偶。
11．權(quán)利要求8的質(zhì)量和熱流測量傳感器，其中上述壓電襯底在厚度剪切模式下操作。
12．權(quán)利要求8的質(zhì)量和熱流測量傳感器，其中上述壓電襯底是一個(gè)導(dǎo)熱材料。
13．權(quán)利要求8的質(zhì)量和熱流測量傳感器，其中上述壓電襯底是一個(gè)石英晶體。
14．權(quán)利要求8的質(zhì)量和熱流測量傳感器，其中上述壓電襯底是一個(gè)AT-切割石英晶體。
15．權(quán)利要求8的質(zhì)量和熱流測量傳感器，其中上述導(dǎo)熱材料能提供用于施加射頻功率到上述壓電襯底上的通路。
16．權(quán)利要求8的質(zhì)量和熱流測量傳感器，其中上述導(dǎo)熱材料包括一個(gè)具有與上述熱流傳感器的第一表面接觸的表面的金屬圓柱面。
17．權(quán)利要求8的質(zhì)量和熱流測量傳感器，其中上述導(dǎo)熱材料是黃銅。
18．一個(gè)質(zhì)量和熱流測量傳感器，包括(a)一個(gè)石英晶體微天平，能測量與石英晶體微天平接觸的樣品的質(zhì)量；(b)一個(gè)熱耦合到石英晶體微天平的熱流傳感器，能測量從樣品到散熱片的熱流；(c)一個(gè)熱耦合到熱流傳感器上的散熱片。
19．權(quán)利要求18的質(zhì)量和熱流測量傳感器，其中上述石英晶體微天平包括一個(gè)石英襯底，該襯底具有一個(gè)周長、一個(gè)直接接觸樣品的第一表面和一個(gè)不和樣品接觸的第二表面，上述的石英襯底具有諧振頻率并能基于上述諧振頻率產(chǎn)生測量信號(hào)；
20．權(quán)利要求19的質(zhì)量和熱流測量傳感器，其中上述質(zhì)量和熱流測量傳感器進(jìn)一步包括淀積在上述石英襯底的第一和第二相對(duì)表面上的電極，上述電極能向上述石英襯底提供電信號(hào)和從它那里獲得電信號(hào)。
21．權(quán)利要求20的質(zhì)量和熱流測量傳感器，其中一個(gè)導(dǎo)熱材料以連續(xù)方式從上述壓電襯底的四周向上述熱流傳感器的第一表面延伸，其中上述導(dǎo)熱材料不和上述第二相對(duì)表面的聲學(xué)有源區(qū)接觸。
22．權(quán)利要求21的質(zhì)量和熱流測量傳感器，其中上述熱流傳感器包括一個(gè)熱電偶。
23．權(quán)利要求21的質(zhì)量和熱流測量傳感器，其中上述散熱片材料與上述熱流傳感器的第二表面接觸，第二表面不和上述導(dǎo)熱材料直接接觸。
24．權(quán)利要求21的質(zhì)量和熱流測量傳感器，其中上述石英襯底是AT-切割石英晶體。
25．權(quán)利要求21的質(zhì)量和熱流測量傳感器，其中上述導(dǎo)熱材料能提供用于施加射頻功率到上述壓電襯底上的通路。
26．權(quán)利要求21的質(zhì)量和熱流測量傳感器，其中上述導(dǎo)熱材料包括一個(gè)具有與上述熱流傳感器的第一表面接觸的表面的金屬圓柱。
27．權(quán)利要求21的質(zhì)量和熱流測量傳感器，其中上述導(dǎo)熱材料是黃銅。
28．一個(gè)測量樣品的質(zhì)量和從樣品到散熱片的熱流的方法，該方法包括(a)提供一個(gè)微諧振器，包括一個(gè)壓電襯底，該襯底具有一個(gè)周長、一個(gè)用于直接接觸樣品的第一表面和一個(gè)不和樣品的接觸的第二表面，上述的壓電襯底具有諧振頻率并能基于上述諧振頻率產(chǎn)生測量信號(hào)；(b)提供一個(gè)熱耦合到上述微諧振器的壓電襯底的熱流傳感器；(c)提供一個(gè)熱耦合到上述熱流傳感器的散熱片；和(d)對(duì)于放置在上述壓電襯底的第一表面上的樣品，測量在樣品質(zhì)量上的變化和從樣品到散熱片的熱流的變化。
29．權(quán)利要求28的方法，其中上述微諧振器測量加到上述第一表面的樣品的質(zhì)量，且其中上述熱流傳感器測量從在上述第一表面上的樣品到散熱片的熱流。
30．權(quán)利要求28的方法，其中上述微諧振器從下述微諧振器組中選擇，包括體聲波傳感器、石英晶體微天平、表面聲波傳感器、曲面波傳感器和聲學(xué)平板模式傳感器。
31．權(quán)利要求28的方法，其中上述微諧振器是一個(gè)石英晶體微天平。
32．權(quán)利要求28的方法，其中上述壓電襯底在厚度剪切模式下工作。
33．權(quán)利要求28的方法，其中上述壓電襯底是一個(gè)石英晶體。
34．權(quán)利要求28的方法，其中上述壓電襯底是一個(gè)AT-切割的石英晶體。
35．一個(gè)測量樣品質(zhì)量和從樣品到散熱片的熱流的方法，該方法包括以下步驟(a)提供一個(gè)微諧振器，包括一個(gè)壓電襯底，該襯底具有一個(gè)周長、一個(gè)用于直接接觸樣品的第一表面和一個(gè)不和樣品的接觸的第二表面；(b)提供淀積在上述壓電襯底的第一和第二相對(duì)表面上的電極，上述電極能向壓電襯底提供電信號(hào)和從它那里獲得電信號(hào)；(c)提供一個(gè)熱流傳感器；(d)提供一個(gè)以連續(xù)方式從上述壓電襯底的四周向上述熱流傳感器的第一表面延伸的導(dǎo)熱材料，其中上述導(dǎo)熱材料不和上述第二相對(duì)表面的聲學(xué)有源區(qū)接觸；(e)提供一個(gè)與上述熱流傳感器的第二表面接觸的散熱片材料，第二表面不和上述導(dǎo)熱材料直接接觸；和(f)對(duì)于放置在上述壓電襯底的第一表面上的樣品，測量在樣品質(zhì)量上的變化和從樣品到散熱片的熱流的變化。
36．權(quán)利要求35的方法，其中上述微諧振器測量加在上述第一表面上的樣品的質(zhì)量，且其中上述熱流傳感器測量從在上述第一表面上的樣品到散熱片的熱流。
37．權(quán)利要求35的方法，其中上述熱流傳感器包括一個(gè)熱電偶。
38．權(quán)利要求35的方法，其中上述壓電襯底工作在厚度剪切模式。
39．權(quán)利要求35的方法，其中上述壓電襯底是一個(gè)導(dǎo)熱材料。
40．權(quán)利要求35的方法，其中上述壓電襯底是一個(gè)石英晶體。
41．權(quán)利要求35的方法，其中上述壓電襯底是一個(gè)AT-切割石英晶體。
42．權(quán)利要求35的方法，其中上述導(dǎo)熱材料進(jìn)一步提供用于施加射頻功率到上述壓電襯底上的通路。
43．權(quán)利要求35的方法，其中上述導(dǎo)熱材料包括一個(gè)具有與上述熱流傳感器的第一表面接觸的表面的金屬圓柱面。
44．權(quán)利要求35的方法，其中上述導(dǎo)熱材料是黃銅。
45．一個(gè)測量樣品的質(zhì)量和從樣品到散熱片的熱流的方法，該方法包括以下步驟(a)提供一個(gè)石英晶體微天平，能測量與上述石英晶體微天平接觸的樣品的質(zhì)量；(b)提供一個(gè)熱耦合到上述石英晶體微天平的熱流傳感器，能測量從樣品到散熱片的熱流；(c)提供一個(gè)熱耦合到上述熱流傳感器的散熱片；和(d)對(duì)于放置在上述石英晶體微天平上的樣品，測量在樣品質(zhì)量上的變化和從樣品到散熱片的熱流的變化。
46．權(quán)利要求45的方法，其中上述石英晶體微天平包括一個(gè)石英襯底，該襯底具有一個(gè)周長、一個(gè)直接接觸樣品的第一表面和一個(gè)不和樣品接觸的第二表面，上述的石英襯底具有諧振頻率并能基于上述諧振頻率產(chǎn)生測量信號(hào)。
47．權(quán)利要求46的方法，其中上述方法進(jìn)一步包括提供淀積在上述石英襯底的第一和第二相對(duì)表面上的電極，上述電極能向上述石英襯底提供電信號(hào)和從它那里獲得電信號(hào)。
48．權(quán)利要求47的方法，其中上述方法進(jìn)一步包括提供一個(gè)以連續(xù)方式從上述壓電襯底的四周向上述熱流傳感器的第一表面延伸的導(dǎo)熱材料，其中上述導(dǎo)熱材料不和上述第二相對(duì)表面的聲學(xué)有源區(qū)接觸。
49．權(quán)利要求48的方法，其中上述熱流傳感器包括一個(gè)熱電偶。
50．權(quán)利要求48的方法，其中上述散熱片材料與上述熱流傳感器的第二表面接觸，第二表面不和上述導(dǎo)熱材料直接接觸。
51．權(quán)利要求48的方法，其中上述石英襯底是AT-切割石英晶體。
52．權(quán)利要求48的方法，其中上述導(dǎo)熱材料進(jìn)一步提供用于施加射頻功率到上述石英襯底上的通路。
53．權(quán)利要求48的方法，其中上述導(dǎo)熱材料包括一個(gè)具有與上述熱流傳感器的第一表面接觸的表面的金屬圓柱面。
54．權(quán)利要求48的方法，其中上述導(dǎo)熱材料是黃銅。
全文摘要
提供了質(zhì)量和熱流測量傳感器,包括一個(gè)微諧振器,例如石英晶體微天平;一個(gè)熱流傳感器(c),例如一個(gè)等溫導(dǎo)熱熱量計(jì);和一個(gè)熱耦合到熱流傳感器上的散熱片(d)。傳感器用來測量在微諧振器表面上由于樣品(8)產(chǎn)生的質(zhì)量變化,也通過使用熱流傳感器測量從在微諧振器表面上的樣品上產(chǎn)生的熱流,該熱流傳感器熱耦合到微諧振器上。也提供了通過使用質(zhì)量和熱流測量傳感器測量樣品(8)質(zhì)量和從樣品(8)到散熱片(d)的熱流的方法。
文檔編號(hào)G01G3/16GK1280672SQ98811746
公開日2001年1月17日 申請(qǐng)日期1998年12月2日 優(yōu)先權(quán)日1997年12月2日
發(fā)明者艾倫L·史密斯 申請(qǐng)人:艾倫L·史密斯