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1、3.2表面声波传感器工作原理 表面声波的辐度和传播速度都可以用于监测器件表面介质的化学、物理性质。应用较多的是 传播速度，因为在电子学中表面波传播速度可以以较高的精度测量（10-7）；而辐度测量精 度为10-3。精度速度的变化，可以转变为频率的变化。在这一方表面声波器件类似于石英晶体微量天平 （QMB,quartz crystal microbalance）。为了更好地理解表面声波器件工作原理和它的特性，我 们把它与石英晶体微量天平做一比较。石英晶体微量天平由一块石英压电晶体与电极构成。当一随时间变化的电压加在电极上时， 晶格经受位移，产生弹性波，从晶体的一边，传到另一边。波速和振荡频率与晶体
2、表面接触 物质的密度和质量有关：M = -23x$F 沁（ 1 ）这里是频移（Hz），它与质量变化有关；F是晶体的固有谐振频率（MHz）； AM是 晶体表面质量变化（g）, A是晶体的表面积（cm 2）。当晶体表面镀附一层吸收介质时， 石英晶体微量天平可以制成化学传感器。石英晶体微量天平传感器的灵敏度是一个放射性函 数，最大灵敏度出现在器件中心，并向周边降低。表面声波传感器也要求使用一块压电晶体，但与石英晶体微量天平传感器不同，电极制在压 电晶体的同一面，形状为手指形交叉形（IDTS）。当一个随时间变化的电压加上之后，晶格 经历一种机械变形，它只限定于晶体表面一个特定区域，形成表面声波如图7
3、1所示。O) +图1表面声波在表面声波延迟线上的传播（a）顶视图（b）侧视图图2表面声波传感器工作原理的延迟线结构中，实际上是一对传感器，组成两个表面声波延迟线，并制作在同一块基质上。 每一套表面声波延迟线，都由发射器和接收器组成。表面声波延迟线手指交叉形电级作为发 射器，发射表面声波，另一套手指交叉形电级作为接收器，把表面声波变成电信号.在图7-2 所示的传感器表面镀一层非传导的、各向同性的聚合物薄膜其响应特性如方程2所示：纣=% + Kjph凭K皿（g/ 璋）（八“）心-2“） （ 2 ）这里K、企是石英基质材料常数；Vr是瑞利波传播速度；h是膜的厚度；P是密度；卩是膜12R材料的剪切模数
4、，入是朗伯（Lamb）常数；of是器件的固有频率。方程的第一项是由质量 加载引起的频移；第二项描述了膜的弹性对共振频率的改变。如果镀层是一种软的、橡胶样 的材料，那么对频率变化的贡献是很小的，方程（2）中的第二项可以忽略不计。若石英晶 体为ST切割，计入其材数常数，那么方程（2）简化为：A f = - 1 .26 x 10 6 fQ - h p 因为镀层的厚度和密度的乘积等于单位面积的质量。方程（3）类似于方程（1）。表面表 面声波传感器和石英晶体微量天平（QMB ）恰似一个硬币的两个面。两者都是高频、压电晶 体器件，它的表面对质量（或密度）变化都很敏感。实际上，一个表面声波传感器和一个具 有
5、类似频率的石英晶体微量天平相比较，石英微量天平具有更大的质量灵敏度（2倍）和 更低的噪声。可是石英晶体微量天平的谐振频率是由晶体的厚度决定的，实际应用的工作频 率的上限是10-20MHZ。表面声波传感器却没有这一限制。实际应用的工作频率可达GHz量级。 由公式（3）可以看出它的灵敏度是随晶体固有频率。f的平方而增加的，具有更高的灵敏度。 其次，随着频率的增加，器件几何尺寸减少，造价更加低廉，更低的检测限，更适合于便携 仪器使用。还有，与石英微量天平灵敏度显现的放射性函数相比，表面声波传感器的灵敏度， 在晶体表面是均匀的。最后表面声波器件上的表面声波只局限于器件的表面区域，易于接近， 采样和受表
6、面化学物质的相互作用而发生变化。作为一种化学传感器，关键在于表面声波器 件的镀层薄膜性质，即化学气体与镀层物质之间的反应。6.3表面声波传感器应用一一SAW-GC便携式气相色谱仪以表面声波传感器（SAW）作即检测器与毛细管色谱柱联用组成的便携式气相色谱仪SAW-GC为例说明其特点。SAW-GC系统示于图3。它由两部分组成。左半部是由充气钢瓶、毛细管色谱柱、表面声波传 感器（即检测器）组成的气相色谱仪；右边部分是被加热的进样口和抽气泵；两部分由环形 的吸附阱相联接。工作过程分两步，首先，含有有机物的气（汽）体，由气泵抽进富集器吸附阱中。吸附阱中填有Tanax或活性碳之类的吸附介质；然后，吸附阱转换到左半部的 气相色谱仪。所富集的有机化合物，经加热解吸附，进入色谱柱进行分离，再由表面声波传 感器检测。最后由数据采集器和计算机进行数据采集、处理、分析、显示和存储。由表面声 波传感器的性质决定，SAW-GC系统具有体积小、灵敏度高、检出限低的特点。实际应用的 表面声波传感器，测量延迟线镀以具有宽广选择性的镀层，以适应更多的化学物质的检测， 但不应对永久气体（02、N2、C02、H2O等）有响应。配备表面声波传感器的便携式色谱仪， 使用惰性气体作载气。这种气体的化学物理惰性，决定了它不与测量延迟线的选择性镀层不图7-3 SAW-GC系统
