Sensor piezoeléctrico en voladizo de autodetección, autoexcitable.

Un sensor (12) que comprende:

una capa piezoeléctrica (14) que comprende un extremo próximo y un extremo distal;

una porción de base (20) acoplada al extremo próximo de la capa piezoeléctrica;

una capa no piezoeléctrica (16) que comprende un extremo próximo y un extremo distal, en donde por lo menos unaporción de la capa piezoeléctrica (14) se acopla a por lo menos una porción de la capa no piezoeléctrica (16) de talmanera que la capa piezoeléctrica (14) y la capa no piezoeléctrica (16) no son coextensivas; y

electrodos (28, 32) asociados operativamente con la capa piezoeléctrica (14), caracterizada porque la porción debase (20) no se adhiere al extremo próximo de la capa no piezoeléctrica (16).

Sensor piezoeléctrico en voladizo de autodetección, autoexcitable Referencia cruzada a solicitudes relacionadas La presente solicitud reivindica la prioridad para la solicitud de patente provisional de los Estados Unidos No. 60/761, 172, titulada “sensores piezoeléctricos en voladizo”, presentada en enero 23, 2006, y la solicitud de patente provisional estadounidense No. 60/807, 020, titulada “sensores piezoeléctricos en voladizo”, presentada el 11 de julio, 2006.

Campo técnico

El campo técnico se relaciona de manera general con sensores, y más específicamente se relaciona con sensores piezoeléctricos en voladizo y con la detección y medición de analitos que utilizan un sensor piezoeléctrico en voladizo.

Antecedentes Los sensores en voladizo se pueden dividir ampliamente en dos categorías, dependiendo de las dimensiones del sensor: microvoladizos y macrovoladizos. Los sensores de microvoladizo se pueden utilizar en modo estático (doblado) y dinámico (resonancia) . En modo estático, la deformación del brazo de voladizo se mide para determinar si se presenta un analito (sustancia bajo análisis) . En modo dinámico, se mide una frecuencia de respuesta para determinar si está presente un analito. Los sensores de macrovoladizo normalmente no se utilizan en modo estático debido a que el doblado del brazo de voladizo es frecuentemente limitado. Los sensores de macrovoladizo se pueden utilizar bajo condiciones de inmersión en líquido o en un gas o vacío. Normalmente, se alcanza mayor sensibilidad cuando se utiliza un sensor en voladizo en un gas/ vacío que en un líquido. El amortiguamiento de líquido tiende a afectar adversamente la sensibilidad. Sin embargo, la medición de analitos en medio líquido tiene muchas aplicaciones prácticas.

Un tipo de sensor de microvoladizo es un sensor de microvoladizo con base en silicio. N sensor microvoladizo con base en silicio normal comprende un microvoladizo que actúa como un resonador. El microvoladizo es accionado por un accionador externo en la base del microvoladizo para generar vibraciones en el resonador. Normalmente, se detectan vibraciones mediante un detector óptico externo. Una desventaja de los microvoladizos basados en silicio normales son los componentes ópticos externos complejos requeridos para detección. Adicionalmente, los medios de detección ópticos limitan desventajosamente la aplicación del sensor en microvoladizo para limpiar ópticamente las muestras. Otra desventaja es la complejidad y el peso añadido al sensor debido al accionador externo. Aún otra desventaja es que el accionador externo se puede ubicar sólo en la base del microvoladizo, lo que limita su efectividad al conducir la vibración del voladizo. Una desventaja adicional de los sensores de microvoladizo basados en silicio es que son mecánicamente frágiles. Sin embargo, no se pueden utilizar sensores de microvoladizo basados en silicio en ambientes de alto flujo de líquido. Adicionalmente, los sensores de microvoladizo basados en silicio normales pierden sensibilidad de detección en medio líquido bebido al amortiguamiento viscoso.

Otro tipo de sensor de voladizo, es un sensor piezoeléctrico de voladizo pasado un cuarzo. El cuarzo es un piezoeléctrico débil, y sin embargo, muchos de los sensores de voladizo basados en silicio similares, sensores piezoeléctricos en voladizo basados en cuarzo pierden la sensibilidad de detección en medio líquido debido al amortiguamiento viscoso. Adicionalmente, la sensibilidad de detección de los sensores basados en cuarzo se limita por la geometría plana del sensor.

Los sensores piezoeléctricos en voladizo convencionales se conocen por ser fabricados con una capa piezoeléctrica unida a una capa no piezoeléctrica sobre parte de la superficie completa de la capa piezoeléctrica. En algunos voladizos piezoeléctricos convencionales, la capa piezoeléctrica se fija en un extremo de tal manera que se excita el material piezoeléctrico, la capa no piezoeléctrica se flexiona para acomodarse a la tensión provocada en el material piezoeléctrico. Cuando la frecuencia de excitación es la misma que la frecuencia natural de la estructura mecánica subyacente, se produce la resonancia. Este tipo de sensor piezoeléctrico en voladizo es conocido por operar a menores frecuencias de aproximadamente 100 kHz en tamaño de milímetros. Actualmente, se obtienen mayores frecuencias sólo al fabricar el sensor de voladizo muy corto (menos de 1.0 mm de longitud) , muy angosto (menos de 0.1 mm de ancho) , y muy delgado (menos de 100 micras de espesor) . Sin embargo, al reducir las dimensiones del sensor en voladizo, particularmente el ancho, hace al sensor menos utilizable en un medio líquido debido al amortiguamiento viscoso. El amortiguamiento aumenta inversamente con el cuadrado del ancho del voladizo.

Los documentos WO 2005/043126, US2003/224551, EP 1536227, WO98/50773 y US5212988 describen voladizos que tienen capas piezoeléctricas y no piezoeléctricas en donde la capa no piezoeléctrica se une en el extremo cerca a la base.

Resumen Un aparato de detección y piezoeléctrico de voladizo de autodetección y autoexcitación incluye una capa piezoeléctrica y una capa no piezoeléctrica unida a la capa piezoeléctrica de tal manera que un extremo distal de la capa no piezoeléctrica se extiende más allá de un extremo distal de la capa piezoeléctrica o un extremo distal de la capa piezoeléctrica se extiende más allá de un extremo distal de la capa no piezoeléctrica. Es decir, la capa piezoeléctrica se acopla a la capa no piezoeléctrica de tal manera que la capa piezoeléctrica y la capa no piezoeléctrica no son coextensivas. La porción base no se une a la capa no piezoeléctrica. Los electrodos se asocian funcionalmente con la capa piezoeléctrica. El sensor y piezoeléctrico en voladizo de autodetección, autoexcitación se utiliza para detectar cambio de masa. Para determinar la masa de un analito en el aparato de detección, se mide la frecuencia de resonancia del elemento mecánico del sensor de voladizo. La frecuencia de resonancia medida se compara con una frecuencia de resonancia inicial para determinar una diferencia en la frecuencia. La diferencia en la frecuencia es indicadora de una masa de un analito en el aparato de detección.

Breve Descripción de los Dibujos El anterior resumen, así como la siguiente descripción detallada, se comprende mejor cuando se lee en conjunto con los dibujos adjuntos. Para el propósito de ilustrar un sensor piezoeléctrico o en voladizo de autodetección, autoexcitación, se muestran en los dibujos construcciones de ejemplo del mismo; sin embargo, un sensor piezoeléctrico en voladizo de autodetección, autoexcitación no se limita a los métodos específicos e instrumentalidades descritas.

La Figura 1 es una ilustración de una configuración de ejemplo de un sensor piezoeléctrico en voladizo de autodetección, autoexcitación.

La Figura 2 es una vista de sección transversal de un ejemplo de sensor piezoeléctrico en voladizo de autodetección, autoexcitación que describe regiones de ubicación de electrodos para electrodos asociados en forma funcional con la capa piezoeléctrica.

La Figura 3 es una vista de sección transversal de un ejemplo de un sensor piezoeléctrico en voladizo de autodetección, autoexcitación que describe la ubicación de electrodos de ejemplo dentro de una porción base del sensor piezoeléctrico en voladizo de autodetección, autoexcitación.

La Figura 4 es una vista de sección transversal de un sensor piezoeléctrico en voladizo de autodetección, autoexcitación de ejemplo que describe la ubicación de electrodo de ejemplo no dentro de una porción base del sensor piezoeléctrico en voladizo de autodetección, autoexcitación.

La Figura 5 es una ilustración de una configuración de ejemplo de un sensor piezoeléctrico en voladizo de autodetección, autoexcitación en donde el extremo distal de la capa piezoeléctrica está a ras con el extremo distal de la capa no piezoeléctrica.

La Figura 6 es una ilustración de una configuración de ejemplo de un sensor piezoeléctrico en voladizo de autodetección, autoexcitación en donde el extremo distal de la capa piezoeléctrica se extiende más allá del extremo distal de la capa no piezoeléctrica y el extremo próximo de la capa piezoeléctrica se extiende más allá del extremo próximo de la capa no piezoeléctrica.

La Figura 7 es una ilustración de una configuración de ejemplo de un sensor piezoeléctrico en voladizo de autodetección, autoexcitación que tiene una porción no piezoeléctrica anclada y una porción piezoeléctrica no anclada.

La Figura 8 es una ilustración de una configuración de ejemplo de un sensor piezoeléctrico... [Seguir leyendo]

1. Un sensor (12) que comprende: una capa piezoeléctrica (14) que comprende un extremo próximo y un extremo distal; una porción de base (20) acoplada al extremo próximo de la capa piezoeléctrica; una capa no piezoeléctrica (16) que comprende un extremo próximo y un extremo distal, en donde por lo menos una

porción de la capa piezoeléctrica (14) se acopla a por lo menos una porción de la capa no piezoeléctrica (16) de tal

manera que la capa piezoeléctrica (14) y la capa no piezoeléctrica (16) no son coextensivas; y electrodos (28, 32) asociados operativamente con la capa piezoeléctrica (14) , caracterizada porque la porción de base (20) no se adhiere al extremo próximo de la capa no piezoeléctrica (16) .

2. Un sensor (12) de acuerdo con la reivindicación 1, en donde:

el extremo distal de la capa no piezoeléctrica (16) se extiende más allá del extremo distal de la capa piezoeléctrica (14) ; y

el extremo próximo de la capa piezoeléctrica (14) se extiende más allá del extremo próximo de la capa no piezoeléctrica (16) .

3. Un sensor (12) de acuerdo con la reivindicación 1, en donde: el extremo distal de la capa no piezoeléctrica (16) está a ras con el extremo distal de la capa piezoeléctrica (14) ; y el extremo próximo de la capa piezoeléctrica (14) se extiende más allá del extremo próximo de la capa no

piezoeléctrica (16) .

4. Un sensor (12) de acuerdo con la reivindicación 1, en donde:

el extremo distal de la capa piezoeléctrica (14) se extiende más allá del extremo distal de la capa no piezoeléctrica (16) ; y

el extremo próximo de la capa piezoeléctrica (14) se extiende más allá del extremo próximo de la capa no piezoeléctrica (16) .

5. Un sensor (12) de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende adicionalmente: una segunda porción de base (5) acoplada a una de la capa piezoeléctrica (14) y la capa no piezoeléctrica (16) .

6. Un sensor (12) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1-2, que comprende adicionalmente:

una segunda porción de base (50) acoplada a una de la capa piezoeléctrica (14) y la capa no piezoeléctrica (16) ; y en donde: el extremo distal de la capa no piezoeléctrica (16) se acopla a la segunda porción de base (50) ; y el extremo distal de la capa no piezoeléctrica (16) se extiende más allá del extremo distal de la capa piezoeléctrica (14) .

7. Un sensor (12) de acuerdo con la reivindicación 5, en donde: el extremo próximo de la capa piezoeléctrica (14) se acopla a la primera porción de base (20) ; el extremo distal de la capa no piezoeléctrica (16) se acopla a la segunda porción de base (50) ; el extremo distal de la capa no piezoeléctrica (16) se extiende más allá del extremo distal de la capa piezoeléctrica

(14) ; y

el extremo próximo de la capa piezoeléctrica (14) se extiende más allá del extremo próximo de la capa no piezoeléctrica (16) .

8. Un sensor (12) de acuerdo con la reivindicación 5, en donde: el extremo próximo de la capa piezoeléctrica (14) se acopla a la primera porción de base (20) ; el extremo distal de la capa piezoeléctrica (14) se acopla a la segunda porción de base (50) ; el extremo distal de la capa piezoeléctrica (14) se extiende más allá del extremo distal de la capa no piezoeléctrica

(16) ; y el extremo próximo de la capa piezoeléctrica (14) se extiende más allá del extremo próximo de la capa no piezoeléctrica (16) .

9. Un sensor (12) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 y 5, en donde la capa no piezoeléctrica (16) comprende por lo menos una capa de vidrio, de cerámica, de metal, de polímero, y un compuesto de polímero y cerámica.

10. Un sensor (12) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 y 5, en donde la capa no piezoeléctrica (16) comprende por lo menos una de dióxido de silicio, cobre, acero inoxidable, y titanio.

11. Un sensor (12) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 y 5, en donde la capa piezoeléctrica

(14) comprende por lo menos una de titanato zirconato de plomo, soluciones sólidas de niobato de magnesio plomotitanato de plomo, titanato de estroncio plomo, sílice de cuarzo, zirconato y titanato de plomo cerámico piezoeléctrico (PZT) , y un compuesto de fibra de polímero – piezocerámica.

12. Un sensor (12) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 y 5, en donde una longitud de la capa no piezoeléctrica (16) está en un rango de aproximadamente 0.1 mm a aproximadamente 10.0 mm.

13. Un sensor (12) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 y 5, en donde una longitud de la capa piezoeléctrica (14) está en un rango de aproximadamente 0.1 mm a aproximadamente 10.0 mm.

14. Un sensor (12) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 y 5, en donde un ancho de la capa no piezoeléctrica (16) está en un rango de aproximadamente 0.1 mm a aproximadamente 4.0 mm.

15. Un sensor (12) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 y 5, en donde un ancho de la capa piezoeléctrica (14) está en un rango de aproximadamente 0.1 mm a aproximadamente 4.0 mm.

16. Un sensor (12) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 y 5, en donde por lo menos una dimensión física de por lo menos una de la capa piezoeléctrica (14) y la capa no piezoeléctrica (16) es no uniforme.

17. Un sensor (12) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 y 5, en donde los electrodos (28, 32) se utilizan para medir una frecuencia de resonancia del sensor (12) .

18. Un sensor (12) de acuerdo con la reivindicación 17, en donde la frecuencia de resonancia medida es indicativa de una cantidad de analito acumulado sobre el sensor (12) .

19. Un sensor (12) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 y 5, en donde: la oscilación asociada con la tensión se concentra en una ubicación en la capa piezoeléctrica (14) ; y los electrodos (28, 32) se posicionan próximos a la ubicación de la tensión concentrada.

20. Un método para detectar un analito, el método comprende las etapas de: proporcionar (120) un sensor (12) que comprende: una capa piezoeléctrica (14) ;

una capa no piezoeléctrica (16) , en donde por lo menos una porción de la capa piezoeléctrica (14) se acopla a por lo menos una porción de la capa no piezoeléctrica (16) de tal manera que la capa piezoeléctrica (14) y la capa no piezoeléctrica (16) no son coextensivas;

una porción de base (20) acoplada al extremo próximo de la capa piezoeléctrica (14) ; y

electrodos (28, 32) asociados operativamente con la capa piezoeléctrica (14) ; que exponen (124) por lo menos una porción de la capa no piezoeléctrica (16) a un medio;

medir (126) , a través de los electrodos (28, 32) , una frecuencia de resonancia del sensor (12) ;

comparar (128) la frecuencia de resonancia medida con una frecuencia de resonancia inicial; y

si la frecuencia de resonancia medida difiere de la frecuencia de resonancia inicial, determinar (132, 134) que un analito está presente en el medio,

caracterizado porque la porción de base (20) no se adhiere al extremo próximo de la capa no piezoeléctrica (16) .

21. Un método de acuerdo con la reivindicación 20, en donde la frecuencia de resonancia inicial es una frecuencia de resonancia del sensor (12) que no tiene analito acumulado allí.

22. Un método de acuerdo con la reivindicación 20, en donde el medio comprende uno de un líquido, un gas, y un vacío.

23. Un método de acuerdo con la reivindicación 20, en donde el analito comprende por lo menos uno de un agente de bioterrorismo, un patógeno transmitido por alimento, un patógeno de agua, un tipo de célula en fluidos corporales, un biomarcador en un fluido corporal, una indicación de un material explosivo, una toxina transportada por aire, una toxina transportada por agua, y una entidad biológica.

24. Un método de acuerdo con la reivindicación 20, que comprende adicionalmente determinar (136) una cantidad de analito acumulado sobre el sensor (12) de acuerdo con la diferencia entre la frecuencia de resonancia medida y la frecuencia de resonancia inicial.

25. Un método de acuerdo con la reivindicación 20, que comprende adicionalmente determinar un cambio en una cantidad de de masa de un analito acumulado sobre el sensor (12) de acuerdo con la diferencia entre la frecuencia de resonancia medida y la frecuencia de resonancia inicial, en donde una diferencia de 1 Hertz entre la frecuencia de resonancia medida y la frecuencia de resonancia inicial es indicativa de un cambio en masa de aproximadamente 100 attogramos.

26. Un método de acuerdo con la reivindicación 20, que comprende adicionalmente detectar (132, 134) una presencia de un analito en el medio, en donde el analito comprende por lo menos uno de una proteína, una lipoproteína, ADN, y ARN en el medio en una concentración de de 1 femtogramo por mL.

27. Un método de acuerdo con la reivindicación 20, que comprende adicionalmente detectar (132, 134) una presencia de un analito en el medio, en donde el analito comprende un patógeno en el medio en una concentración de 1 patógeno por mL.

28. Un método de acuerdo con la reivindicación 20, en donde una diferencia en la frecuencia de resonancia medida y la frecuencia de resonancia inicial es indicativa de una tensión en la capa piezoeléctrica (14) .

29. Un método de acuerdo con la reivindicación 20, en donde la oscilación asociada con la tensión se concentra en una ubicación en la capa piezoeléctrica (14) , el método comprende adicionalmente posicionar los electrodos (28, 32) próximos a la ubicación de la tensión concentrada.

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