質(zhì)量型壓電化學(xué)傳感器的結構和原理

質(zhì)量型壓電化學(xué)傳感器的結構和原理

1. 體聲波化學(xué)傳感器( QCM)

圖1 　QCM上帶有電極的石英晶片 Fig. 1 　QCM in standard holder

QCM一般采用AT2切壓電石英晶體,因為它的溫度系數在室溫時(shí)為零。QCM 裝置如圖1 所示 :在薄壓電晶體板片表面各有一金屬電極(Au 或Pt 沉積在壓電晶片的上表面和下表面) ,并與共振電路相連,在晶體板上施加一共振電場(chǎng)時(shí)就產(chǎn)生了聲波。厚度是這類(lèi)器件中頻率變化的決定因素 。當QCM 表面有物質(zhì)變化時(shí)(增加或減少)都可導致器件厚度的變化,進(jìn)而引起共振頻率的變化,如圖2所示。

M 是石英晶片質(zhì)量, A 是晶片的表面積,ρq 是石英密度, f 0是共振頻率,ΔMs 是沉積到石英表面上物質(zhì)的質(zhì)量,AT2切壓電石英晶體振動(dòng)頻率f0 = VqP/2l ,Vq 是橫波在石英中的傳播速度。

2 表面聲波化學(xué)傳感器( SAW)

英國科學(xué)家Rayleigh 在19 世紀末發(fā)現了在固體表面傳播的聲波,即表面聲波[11 ] (有的文獻也稱(chēng)為聲表面波,簡(jiǎn)稱(chēng)SAW) ,近幾十年來(lái)人們對SAW基本性質(zhì)的認識越來(lái)越深入。1965 年美國White 和Voltmer[12 ]發(fā)明了能在壓電晶體材料表面上激勵表面波的金屬叉指換能器(interdigital transducer , IDT) ,使得SAW的應用越來(lái)越廣泛。

SAW傳感器是電子技術(shù)與材料科學(xué)相結合的產(chǎn)物,它由SAW 振蕩器、敏感的界面膜材料和振蕩電路組成。SAW 傳感器的核心部件是SAW 振蕩器,由壓電材料基片和沉積在基片上不同功能的叉指換能器所組成,有延遲線(xiàn)型(DL 型) 和諧振器型(R 型) 兩種,如圖3 所示:

圖3 　SAW振蕩器類(lèi)型 Fig. 3 　Type of SAW sensors
金屬電極材料被蒸發(fā)或濺射到壓電基片上成叉指狀,形成產(chǎn)生表面聲波的部件。沿基片傳播的表面聲波由叉指電極激勵,當基片或基片上覆蓋的特異薄膜材料受被測對象調制時(shí),其表面聲波的工作
頻率將改變并由接收叉指電極(經(jīng)相反機理) 接收,從而構成頻率輸出的傳感器。1984 年Wohlfjen 等[13 ] 首先提出了表面聲波化學(xué)傳感器的質(zhì)量響應關(guān)系式:

該式與Sauerbrey 方程(4) 具有相同的形式,反映了質(zhì)量變化對頻移的影響,即振蕩頻率隨基片或基片所覆蓋的薄膜上吸附物質(zhì)的質(zhì)量增加而減小。由于QCM的基頻只能到幾十MHz ,而SAW的基頻可以達到GHz 水平,因此SAW化學(xué)傳感器比QCM 化學(xué)傳感器更為靈敏,其檢測下限理論上可達fg。

從上可以看出,質(zhì)量敏感性壓電化學(xué)傳感器QCM和SAW的原理是傳感器的敏感元件與被測物相互作用時(shí),引起振蕩器自身聲波參數振幅、頻率、波速等的變化,通過(guò)測量頻率變化而獲得測量量的質(zhì)量P濃度信息。