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)測器件表面介質的化學、物理性質。應用較多的是傳播速度，因為在電子學中表面波傳播速度可以以較高的精度測量（10-7）；而輻度測量精度為10-3。精度速度的變化，可以轉變?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成。當一隨時間變化的電壓加在電極上時，晶格經受位移，產生彈性波，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的密度和質量有關：紂二-2?410白嚴AM" （1）這里是頻移（Hz），它與質量變化有關；F是晶體的固有諧振頻率（MHz）；AM是晶體表面質量變化（g），A是晶體的表面積（cm2）。當晶體表面鍍附一層吸收介質時，石英晶體微量天平可以制成化學傳感器。石英晶體微量天平傳感器的靈敏度是一個放射性函數(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）。當一個隨時間變化的電壓加上之后，晶格經歷一種機械變形，它只限定于晶體表面一個特定區(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）側視圖圖2表面聲波傳感器工作原理的延遲線結構中，實際上是一對傳感器，組成兩個表面聲波延遲線，并制作在同一塊基質上。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作為發(fā)射器，發(fā)射表面聲波，另一套手指交叉形電級作為接收器，把表面聲波變成電信號.在圖7-2所示的傳感器表面鍍一層非傳導的、各向同性的聚合物薄膜?其響應特性如方程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。方程的第一項是由質量加載引起的頻移；第二項描述了膜的彈性對共振頻率的改變。如果鍍層是一種軟的、橡膠樣的材料，那么對頻率變化的貢獻是很小的，方程（2）中的第二項可以忽略不計。若石英晶體為ST切割，計入其材數(shù)常數(shù)，那么方程（2）簡化為：Af=-1.26x106fQ-hp⑶因為鍍層的厚度和密度的乘積等于單位面積的質量。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）恰似一個硬幣的兩個面。兩者都是高頻、壓電晶體器件，它的表面對質量（或密度）變化都很敏感。實際上，一個表面聲波傳感器和一個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量靈敏度（?2倍）和更低的噪聲。可是石英晶體微量天平的諧振頻率是由晶體的厚度決定的，實際應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。實際應用的工作頻率可達GHz量級。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，造價更加低廉，更低的檢測限，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，采樣和受表面化學物質的相互作用而發(fā)生變化。作為一種化學傳感器，關鍵在于表面聲波器件的鍍層薄膜性質，即化學氣體與鍍層物質之間的反應。6.3表面聲波傳感器應用一一SAW-GC便攜式氣相色譜儀以表面聲波傳感器（SAW）作即檢測器與毛細管色譜柱聯(lián)用組成的便攜式氣相色譜儀SAW-GC

為例說明其特點。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、毛細管色譜柱、表面聲波傳感器（即檢測器）組成的氣相色譜儀；右邊部分是被加熱的進樣口和抽氣泵；兩部分由環(huán)形的吸附阱相聯(lián)接。工作過程分兩步，首先，含有有機物的氣（汽）體，由氣泵抽進富集器一—吸附阱中。吸附阱中填有Tanax或活性碳之類的吸附介質；然后，吸附阱轉換到左半部的氣相色譜儀。所富集的有機化合物，經加熱解吸附，進入色譜柱進行分離，再由表面聲波傳感器檢測。最后由數(shù)據(jù)采集器和計算機進行數(shù)據(jù)采集、處理、分析、顯示和存儲。由表面聲波傳感器的性質決定，SAW-GC系統(tǒng)具有體積小、靈敏度高、檢出限低的特點。實際應用的表面聲波傳感器，測量延遲線鍍以具有寬廣選擇性的鍍層，以適應更多的化學物質的檢測，但不應對永久氣體（02、N2、C02、H2O等）有響應。配備表面聲波傳感器的便攜式色譜