質量型壓電化學傳感器的結構和原理

質量型壓電化學傳感器的結構和原理

1. 體聲波化學傳感器( 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時就產生了聲波。厚度是這類器件中頻率變化的決定因素 。當QCM 表面有物質變化時(增加或減少)都可導致器件厚度的變化,進而引起共振頻率的變化,如圖2所示。

M 是石英晶片質量, 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的質量,AT2切壓電石英晶體振動頻率f0 = VqP/2l ,Vq 是橫波在石英中的傳播速度。

2 表面聲波化學傳感器( SAW)

英國科學家Rayleigh 在19 世紀末發現了在固體表面傳播的聲波,即表面聲波[11 ] (有的文獻也稱為聲表面波,簡稱SAW) ,近幾十年來人們對SAW基本性質的認識越來越深入。1965 年美國White 和Voltmer[12 ]發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的應用越來越廣泛。

SAW傳感器是電子技術與材料科學相結合的產物,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,有延遲線型(DL 型) 和諧振器型(R 型) 兩種,如圖3 所示:

圖3 　SAW振蕩器類型 Fig. 3 　Type of SAW sensors
金屬電極材料被蒸發或濺射到壓電基片上成叉指狀,形成產生表面聲波的部件。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,其表面聲波的工作
頻率將改變并由接收叉指電極(經相反機理) 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傳感器的質量響應關系式:

該式與Sauerbrey 方程(4) 具有相同的形式,反映了質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的質量增加而減小。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化學傳感器比QCM 化學傳感器更為靈敏,其檢測下限理論上可達fg。

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