第11章_压电传感器与SAW传感器.ppt

　　对于起振后的声表面波振荡器，当基片材料由于外力或温度等物理量的变化而发生形变时，在其上传播的SAW速度就会改变，从而导致振荡器频率发生改变。频率的变化量可以作为被测物理量的量度。  　SAW化学传感器是利用作为声传输区的衬底材料或者其上的某种敏感膜对化学量敏感而对SAW速度进行调制的。当传输区接触到被测气体时，由于敏感膜与被测气体的相互作用， 使得膜层的质量或者电导率发生变化，就会改变SAW的传播速度。气体浓度不同，敏感膜质量或电导率变化的程度也不同， 振荡器输出的频率变化量也就不同。通过检测频率的变化， 即可得到气体浓度的大小。 　　基于非质量效应的传感理论研究，一般是从上述三个不同角度出发，对研究体系的表面质量负载、表面性状、密度、粘度、电导率、介电常数等因素中的一个或几个进行考察，建立相应的理论模型和公式。其中有代表性的是运用机电耦合模型， 导出的频移与溶液粘度、密度、介电常数和电导率的关系式： （11.14） 式中：Ci（i＝1,2,3,4）——与研究体系、晶体、振荡器、检测池、温度等条件有关的系数；  　　ρl——液体密度；  　　ηl——液体粘度；  　　εl——液体介电常数；  　　σ——液体电导率。 基于石英晶体连续介质机电模型的质量和液体阻尼的频移公式为 （11.15） 式中：ΔFm——附着质量引起的频移；  　　ΔFf——液体阻尼引起的频移；  　　　N——晶体谐波次数；  　　　μ——晶体剪切模量；  　　　ρ——晶体密度。 　　对于仅对液相介质的电导率和介电常数有灵敏响应的串联电极式压电晶体传感器（SPQC），频率与电导率具有如下关系： （11.16） 式中：Cq——晶体的动态电容；  C0——空气中的静态电容；  Cs——液体中的电容；  G——溶液电导；  F——振荡频率；  F0——基频；  Y——tanθ； θ——谐振器相位。 11.5.2 QCM装置  QCM主要由石英谐振器（探头）、振荡器、信号检测和数据处理等部分组成，基本组成如图11.21所示。其中石英晶体振荡器是传感器的接受器和转换器，由AT切型晶片经真空淀积或蒸镀方式在晶片表面修饰两个平行的金属电极，常用的金属有Au、Ag、Pt、Ni、Pd等， 其结构简图如图11.22所示。 图 11.21 QCM组成示意图 图 11.22 石英谐振器(QCR)结构示意图 11.5.3 应用举例 　　1． 在电化学与导电材料方面的应用 　　物质的电化学变化过程总是伴随着电子、离子或基团的变迁，从而引起微小的质量变化。以QCM探头表面电极作为工作电极，与参比电极和辅助电极组成三电极系统， 即构成电化学石英微天平（EQCM）。通过监测频率来确定探头电极表面质量负载及表面性状，从而可破译电化学变化的微观过程。 　　EQCM用于化学合成的研究中，石英探头表面电极既是传感面，又是电化学反应场所，合成过程引起电极表面微小的质量变化，即可被现场监测出来，其灵敏度可达到亚单层表面分子， 因此适用于研究电化学反应实际过程中各种因素对反应的影响， 为确定合成条件提供依据。此外，EQCM还应用于导电聚合物材料的研究、 电化学沉积与溶解过程的研究、表面/界面物理及化学过程的在线监测等方面。 　　2． 在生物医学方面的应用 利用QCM的高质量敏感性，在其探头电极上修饰具有生物活性的特异选择功能膜，就做成了压电晶体生物传感器。 其中应用最广的一类是基于抗体对抗原的特异识别和结合功能的免疫传感器，利用抗体与抗原空间构像的互补性，实现其对形状或分子结构的特异选择性识别。另一类是多核苷酸的杂交反应的监测。这在医学诊断、细菌学、病理学、生化和分子生物学方面有特殊用途。此外，在有机化学和分析化学领域也有广泛的应用前景。  　　从QCM获得的信号（频率、电流、电量等）都是非选择性的，其选择性依赖于功能膜的识别功能。从获得的信息，仍只能对微观变化过程和作用机理做间接推测；QCM获取的定量信号与引起信息变化的因素间关系复杂，因此需要针对不同体系， 建立符合该体系的传感理论模型。 11.6 SAW传感器的基本知识 11.6.1 SAW传感器及其特点 　　声表面波简称SAW（Surface Acoustic Wave），是英国物理学家瑞利（Rayleigh）于19世纪末期在研究地震波的过程中发现的一种集中在地表面传播的声波。后来发现，任何固体表面都存在这种现象。1965年美国的White和Voltmov发明了能在压电晶体材料表面上激励声表面波的金属叉指换能器（IDT， Inter Digital Transducer）之后， 大大加速了声表面波技术的研究， 使SAW技术逐步发展成一门新兴的、声学与电子