表面声波传感器工作原理.doc

3.2 表面声波传感器工作原理 表面声波的辐度和传播速度都可以用于监测器件表面介质的化学、物理性质。应用较多的是传播速度，因为在电子学中表面波传播速度可以以较高的精度测量（10-7）；而辐度测量精度为10-3。 精度速度的变化，可以转变为频率的变化。在这一方表面声波器件类似于石英晶体微量天平（QMB, quartz crystal microbalance）。为了更好地理解表面声波器件工作原理和它的特性，我们把它与石英晶体微量天平做一比较。 石英晶体微量天平由一块石英压电晶体与电极构成。当一随时间变化的电压加在电极上时，晶格经受位移，产生弹性波，从晶体的一边，传到另一边。波速和振荡频率与晶体表面接触物质的密度和质量有关： 这里Δf 是频移（Hz），它与质量变化有关；F 是晶体的固有谐振频率（MHz ）；ΔM 是晶体表面质量变化（g），A 是晶体的表面积（㎝ 2）。当晶体表面镀附一层吸收介质时，石英晶体微量天平可以制成化学传感器。石英晶体微量天平传感器的灵敏度是一个放射性函数，最大灵敏度出现在器件中心，并向周边降低。 表面声波传感器也要求使用一块压电晶体，但与石英晶体微量天平传感器不同，电极制在压电晶体的同一面，形状为手指形交叉形（IDTS）。当一个随时间变化的电压加上之后，晶格经历一种机械变形，它只限定于晶体表面一个特定区域，形成表面声波,如图7１所示。 图１ 表面声波在表面声波延迟线上的传播 (a)顶视图 (b)侧视图 图2 表面声波传感器工作原理 的延迟线结构中，实际上是一对传感器，组成两个表面声波延迟线,并制作在同一块基质上。每一套表面声波延迟线，都由发射器和接收器组成。表面声波延迟线手指交叉形电级作为发射器，发射表面声波，另一套手指交叉形电级作为接收器，把表面声波变成电信号．在图7-2 所示的传感器表面镀一层非传导的、各向同性的聚合物薄膜．其响应特性如方程２所示： 这里K1、K2是石英基质材料常数；VR是瑞利波传播速度；h 是膜的厚度；ρ是密度；μ是膜材料的剪切模数，λ是朗伯（Lamb）常数； o f 是器件的固有频率。方程的第一项是由质量加载引起的频移；第二项描述了膜的弹性对共振频率的改变。如果镀层是一种软的、橡胶样的材料，那么对频率变化的贡献是很小的，方程（2）中的第二项可以忽略不计。若石英晶体为ST 切割，计入其材数常数，那么方程（2）简化为： 因为镀层的厚度和密度的乘积等于单位面积的质量。方程（３）类似于方程（１）。表面表面声波传感器和石英晶体微量天平（QMB）恰似一个硬币的两个面。两者都是高频、压电晶体器件，它的表面对质量（或密度）变化都很敏感。实际上，一个表面声波传感器和一个具有类似频率的石英晶体微量天平相比较，石英微量天平具有更大的质量灵敏度（～2 倍）和更低的噪声。可是石英晶体微量天平的谐振频率是由晶体的厚度决定的，实际应用的工作频率的上限是10-20MHz。表面声波传感器却没有这一限制。实际应用的工作频率可达GHz 量级。由公式（3）可以看出它的灵敏度是随晶体固有频率o f 的平方而增加的，具有更高的灵敏度。其次，随着频率的增加，器件几何尺寸减少，造价更加低廉，更低的检测限，更适合于便携仪器使用。还有，与石英微量天平灵敏度显现的放射性函数相比，表面声波传感器的灵敏度，在晶体表面是均匀的。最后表面声波器件上的表面声波只局限于器件的表面区域，易于接近，采样和受表面化学物质的相互作用而发生变化。作为一种化学传感器，关键在于表面声波器件的镀层薄膜性质，即化学气体与镀层物质之间的反应。 6.3表面声波传感器应用——SAW-GC 便携式气相色谱仪 以表面声波传感器（SAW）作即检测器与毛细管色谱柱联用组成的便携式气相色谱仪SAW-GC 为例说明其特点。 SAW-GC 系统示于图3。它由两部分组成。左半部是由充气钢瓶、毛细管色谱柱、表面声波传感器（即检测器）组成的气相色谱仪；右边部分是被加热的进样口和抽气泵；两部分由环形的吸附阱相联接。工作过程分两步，首先，含有有机物的气（汽）体，由气泵抽进富集器——吸附阱中。吸附阱中填有Tanax 或活性碳之类的吸附介质；然后，吸附阱转换到左半部的气相色谱仪。所富集的有机化合物，经加热解吸附，进入色谱柱进行分离，再由表面声波传感器检测。最后由数据采集器和计算机进行数据采集、处理、分析、显示和存储。由表面声波传感器的性质决定，SAW-GC 系统具有体积小、灵敏度高、检出限低的特点。实际应用的表面声波传感器，测量延迟线镀以具有宽广选择性的镀层，以适应更多的化学物质的检测，但不应对永久气体（O2、N2、CO2、H2O 等）有响应。配备表面声波传感器的便携式色谱仪，使用惰性气体作载气。这种气体的化学物理惰性，决定了它不与测量延迟线的选择性镀层不发生任何物理化学反应。这种才能保证低的背景