质量型压电化学传感器的结构和原理

质量型压电化学传感器的结构和原理

1. 体声波化学传感器( QCM)

图1 　QCM上带有电极的石英晶片   Fig. 1 　QCM in standard holder

QCM一般采用AT2切压电石英晶体,因为它的温度系数在室温时为零。QCM 装置如图1 所示 :在薄压电晶体板片表面各有一金属电极(Au 或Pt 沉积在压电晶片的上表面和下表面) ,并与共振电路相连,在晶体板上施加一共振电场时就产生了声波。厚度是这类器件中频率变化的决定因素 。当QCM 表面有物质变化时(增加或减少)都可导致器件厚度的变化,进而引起共振频率的变化,如图2所示。

M 是石英晶片质量, A 是晶片的表面积,ρq 是石英密度, f 0是共振频率,ΔMs 是沉积到石英表面上物质的质量,AT2切压电石英晶体振动频率f0 = VqP/2l ,Vq 是横波在石英中的传播速度。

2 表面声波化学传感器( SAW)

英国科学家Rayleigh 在19 世纪末发现了在固体表面传播的声波,即表面声波[11 ] (有的文献也称为声表面波,简称SAW) ,近几十年来人们对SAW基本性质的认识越来越深入。1965 年美国White 和Voltmer[12 ]发明了能在压电晶体材料表面上激励表面波的金属叉指换能器(interdigital transducer , IDT) ,使得SAW的应用越来越广泛。

SAW传感器是电子技术与材料科学相结合的产物,它由SAW 振荡器、敏感的界面膜材料和振荡电路组成。SAW 传感器的核心部件是SAW 振荡器,由压电材料基片和沉积在基片上不同功能的叉指换能器所组成,有延迟线型(DL 型) 和谐振器型(R 型) 两种,如图3 所示:

图3 　SAW振荡器类型   Fig. 3 　Type of SAW sensors
金属电极材料被蒸发或溅射到压电基片上成叉指状,形成产生表面声波的部件。沿基片传播的表面声波由叉指电极激励,当基片或基片上覆盖的特异薄膜材料受被测对象调制时,其表面声波的工作
频率将改变并由接收叉指电极(经相反机理) 接收,从而构成频率输出的传感器。1984 年Wohlfjen 等[13 ] 首先提出了表面声波化学传感器的质量响应关系式:

该式与Sauerbrey 方程(4) 具有相同的形式,反映了质量变化对频移的影响,即振荡频率随基片或基片所覆盖的薄膜上吸附物质的质量增加而减小。由于QCM的基频只能到几十MHz ,而SAW的基频可以达到GHz 水平,因此SAW化学传感器比QCM 化学传感器更为灵敏,其检测下限理论上可达fg。

从上可以看出,质量敏感性压电化学传感器QCM和SAW的原理是传感器的敏感元件与被测物相互作用时,引起振荡器自身声波参数振幅、频率、波速等的变化,通过测量频率变化而获得测量量的质量P浓度信息。

QCM和SAW传感器的原理及其在现场检测中的应用