表面聲波傳感器工作原理

3.2表面聲波傳感器工作原理表面聲波的輻度和傳播速度都可以用于監(jiān)測(cè)器件表面介質(zhì)的化學(xué)、物理性質(zhì)。應(yīng)用較多的是傳播速度，因?yàn)樵陔娮訉W(xué)中表面波傳播速度可以以較高的精度測(cè)量（10-7）；而輻度測(cè)量精度為10-3。精度速度的變化，可以轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率的變化。在這一方表面聲波器件類似于石英晶體微量天平（QMB,quartzcrystalmicrobalance）。為了更好地理解表面聲波器件工作原理和它的特性，我們把它與石英晶體微量天平做一比較。石英晶體微量天平由一塊石英壓電晶體與電極構(gòu)成。當(dāng)一隨時(shí)間變化的電壓加在電極上時(shí)，晶格經(jīng)受位移，產(chǎn)生彈性波，從晶體的一邊，傳到另一邊。波速和振蕩頻率與晶體表面接觸物質(zhì)的密度和質(zhì)量有關(guān)：紂二-2?410白嚴(yán)AM" （1）這里是頻移（Hz），它與質(zhì)量變化有關(guān)；F是晶體的固有諧振頻率（MHz）；AM是晶體表面質(zhì)量變化（g），A是晶體的表面積（cm2）。當(dāng)晶體表面鍍附一層吸收介質(zhì)時(shí)，石英晶體微量天平可以制成化學(xué)傳感器。石英晶體微量天平傳感器的靈敏度是一個(gè)放射性函數(shù)，最大靈敏度出現(xiàn)在器件中心，并向周邊降低。表面聲波傳感器也要求使用一塊壓電晶體，但與石英晶體微量天平傳感器不同，電極制在壓電晶體的同一面，形狀為手指形交叉形（IDTS）。當(dāng)一個(gè)隨時(shí)間變化的電壓加上之后，晶格經(jīng)歷一種機(jī)械變形，它只限定于晶體表面一個(gè)特定區(qū)域，形成表面聲波如圖71所示。(b) + +(b) + +圖1表面聲波在表面聲波延遲線上的傳播（a）頂視圖（b）側(cè)視圖圖2表面聲波傳感器工作原理的延遲線結(jié)構(gòu)中，實(shí)際上是一對(duì)傳感器，組成兩個(gè)表面聲波延遲線，并制作在同一塊基質(zhì)上。每一套表面聲波延遲線，都由發(fā)射器和接收器組成。表面聲波延遲線手指交叉形電級(jí)作為發(fā)射器，發(fā)射表面聲波，另一套手指交叉形電級(jí)作為接收器，把表面聲波變成電信號(hào).在圖7-2所示的傳感器表面鍍一層非傳導(dǎo)的、各向同性的聚合物薄膜?其響應(yīng)特性如方程2所示：紂=g+Kjph—K肘;（4A/Vl）［（八Q心-2“）］ （2）這里K］、企是石英基質(zhì)材料常數(shù)；Vr是瑞利波傳播速度；h是膜的厚度；P是密度；卩是膜1 2 R材料的剪切模數(shù)，入是朗伯（Lamb）常數(shù)；of是器件的固有頻率。方程的第一項(xiàng)是由質(zhì)量加載引起的頻移；第二項(xiàng)描述了膜的彈性對(duì)共振頻率的改變。如果鍍層是一種軟的、橡膠樣的材料，那么對(duì)頻率變化的貢獻(xiàn)是很小的，方程（2）中的第二項(xiàng)可以忽略不計(jì)。若石英晶體為ST切割，計(jì)入其材數(shù)常數(shù)，那么方程（2）簡(jiǎn)化為：Af=-1.26x106fQ-hp⑶因?yàn)殄儗拥暮穸群兔芏鹊某朔e等于單位面積的質(zhì)量。方程（3）類似于方程（1）。表面表面聲波傳感器和石英晶體微量天平（QMB）恰似一個(gè)硬幣的兩個(gè)面。兩者都是高頻、壓電晶體器件，它的表面對(duì)質(zhì)量（或密度）變化都很敏感。實(shí)際上，一個(gè)表面聲波傳感器和一個(gè)具有類似頻率的石英晶體微量天平相比較，石英微量天平具有更大的質(zhì)量靈敏度（?2倍）和更低的噪聲?？墒鞘⒕w微量天平的諧振頻率是由晶體的厚度決定的，實(shí)際應(yīng)用的工作頻率的上限是10-20MHZ。表面聲波傳感器卻沒有這一限制。實(shí)際應(yīng)用的工作頻率可達(dá)GHz量級(jí)。由公式（3）可以看出它的靈敏度是隨晶體固有頻率。f的平方而增加的，具有更高的靈敏度。其次，隨著頻率的增加，器件幾何尺寸減少，造價(jià)更加低廉，更低的檢測(cè)限，更適合于便攜儀器使用。還有，與石英微量天平靈敏度顯現(xiàn)的放射性函數(shù)相比，表面聲波傳感器的靈敏度，在晶體表面是均勻的。最后表面聲波器件上的表面聲波只局限于器件的表面區(qū)域，易于接近，采樣和受表面化學(xué)物質(zhì)的相互作用而發(fā)生變化。作為一種化學(xué)傳感器，關(guān)鍵在于表面聲波器件的鍍層薄膜性質(zhì)，即化學(xué)氣體與鍍層物質(zhì)之間的反應(yīng)。6.3表面聲波傳感器應(yīng)用一一SAW-GC便攜式氣相色譜儀以表面聲波傳感器（SAW）作即檢測(cè)器與毛細(xì)管色譜柱聯(lián)用組成的便攜式氣相色譜儀SAW-GC

為例說明其特點(diǎn)。SAW-GC系統(tǒng)示于圖3。它由兩部分組成。左半部是由充氣鋼瓶、毛細(xì)管色譜柱、表面聲波傳感器（即檢測(cè)器）組成的氣相色譜儀；右邊部分是被加熱的進(jìn)樣口和抽氣泵；兩部分由環(huán)形的吸附阱相聯(lián)接。工作過程分兩步，首先，含有有機(jī)物的氣（汽）體，由氣泵抽進(jìn)富集器一—吸附阱中。吸附阱中填有Tanax或活性碳之類的吸附介質(zhì)；然后，吸附阱轉(zhuǎn)換到左半部的氣相色譜儀。所富集的有機(jī)化合物，經(jīng)加熱解吸附，進(jìn)入色譜柱進(jìn)行分離，再由表面聲波傳感器檢測(cè)。最后由數(shù)據(jù)采集器和計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理、分析、顯示和存儲(chǔ)。由表面聲波傳感器的性質(zhì)決定，SAW-GC系統(tǒng)具有體積小、靈敏度高、檢出限低的特點(diǎn)。實(shí)際應(yīng)用的表面聲波傳感器，測(cè)量延遲線鍍以具有寬廣選擇性的鍍層，以適應(yīng)更多的化學(xué)物質(zhì)的檢測(cè)，但不應(yīng)對(duì)永久氣體（02、N2、C02、H2O等）有響應(yīng)。配備表面聲波傳感器的便攜式色譜