CN116087109A - 一种非接触式石英增强光声光谱气体探测装置 - Google Patents

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朱文国
钟永春
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Abstract

本发明提供了一种非接触式石英增强光声光谱气体探测装置，包括：气室和石英音叉；气室包括：两个气体缓冲区和一个声学谐振腔；声学谐振腔的中间开设有狭缝缺口，且狭缝缺口由弹性薄膜填补；石英音叉置于气室外侧，其振臂正对声学谐振腔上的弹性薄膜耦合，双方可以接触，也可以不接触；当激光穿过声学谐振腔后，在光声效应的作用下，激光光束所激发的声波在声学谐振腔内形成驻波，驻波对应的声波信号经过弹性薄膜形成振动波，振动波推动石英音叉振臂振动；石英音叉振臂振动信号强度与气室内气体的浓度正相关，气体探测装置能够在石英音叉不与气体接触的情况下实现对气体浓度的探测。本发明提供的装置对腐蚀性气体和含尘气体的检测意义重大。

Description

一种非接触式石英增强光声光谱气体探测装置
技术领域
本发明属于气体传感领域，更具体地，涉及一种非接触式石英增强光声光谱气体探测装置。
背景技术
光声光谱是一种痕量气体检测技术，被广泛用于各种应用。光声光谱优于其他光谱方法的优点是检测灵敏度不依赖于吸收长度。使用光声光谱技术可以对少量样品气体进行高灵敏度的检测。光声光谱技术的检测原理是一束经过调制激光将气体分子从基态驱动到激发态。处于激发态的分子通过非辐射弛豫释放能量并返回基态。释放的能量导致局部温度和压力升高，产生声波，即光声效应。再经麦克风将声波转化为电信号反演出检测气体的浓度。光声气体传感器已广泛用于大气环境监测、空间站空气监测、人类呼出气诊断、石油田天然气分析、火灾早期预报等实际应用中。2002年美国莱斯大学A.Kosterev等人在光声光谱技术的基础上提出了石英增强光声光谱，与光声光谱相比，石英增强光声光谱使用音叉式石英晶振代替麦克风作为换能器，通过压电效应将声信号转换为电信号。音叉式石英晶振是一种卓越的压电器件，在大气中具有高共振频率(32.7kHz)和高Q因子(10,000)。在石英增强光声光谱中，仅需几立方厘米的气体样品即可进行高灵敏度分析。石英增强光声光谱已成功用于温室气体检测中，例如二氧化碳、一氧化二氮和甲烷等。
在石英增强光声光谱中，激光束通常聚焦在音叉式石英晶振的两个力臂之间，从而产生的声波驱动音叉式石英晶振对称振动。为了提高石英增强光声光谱的性能，一对由不锈钢管组成的声学微谐振器放置在音叉式石英晶振的两侧，以通过纵向共振增强声压，在业界内把这种配置称为共轴石英增强光声光谱。香港中文大学任伟等人使用基于在～7.73μm运行的量子级联激光器的共轴石英增强光声光谱来实现过氧化氢的ppb级检测。安徽光机所刘锟等人展示了一个离轴石英增强光声光谱传感器，其中激光束不再需要聚焦在音叉式石英晶振的力臂中间。音叉式石英晶振靠近到谐振器狭缝以收集声信号，从而降低了激光准直的难度。山西大学董磊等人使用椭圆管作为离轴声学谐振器来匹配高功率多模激光二极管。暨南大学郑华丹等人展示了径向腔石英增强光声光谱传感器，以通过径向声共振提高灵敏度。法国巴黎萨克雷大学M.Duquesnoy开发了一种基于定制音叉式石英晶振的径向腔石英增强光声光谱传感器。
到目前为止，所有已经报道的石英增强光声光谱传感器都是把音叉式石英晶振放入到气室中的。这些传感器有一个无法克服的问题。那就是音叉式石英晶振表面的金属膜电极会被腐蚀性气体腐蚀，所以不能用于高浓度的腐蚀性气体检测。另一个问题是石英增强光声光谱传感器不能用于含尘气体检测，那是因为附着在音叉式石英晶振上的微粒会显着影响其振动。为了解决这个问题，哈尔滨工业大学马欲飞等人提出光诱导热弹性光谱技术，音叉式石英晶振作为光电检测器放置在吸收池后面。然而，光诱导热弹性光谱技术本质上是吸收光谱，而非光声光谱，其检测灵敏度取决于光学吸收长度。与石英增强光声光谱技术相比，光诱导热弹性光谱技术放弃了传感器结构紧凑、气体采样体积小的优势。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种非接触式石英增强光声光谱气体探测装置，旨在解决基于石英增强光声光谱传感器在检测高浓度腐蚀性气体或含灰尘气体时抗腐蚀性不强、系统不稳定的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种非接触式石英增强光声光谱气体探测装置，包括：气室和石英音叉；
所述气室包括：两个气体缓冲区和一个声学谐振腔；所述声学谐振腔置于两个气体缓冲区之间，将两个气体缓冲区连通；两个气体缓冲区上分别设有一个气孔，一个作为进气口，另一个作为出气口；两个气体缓冲区的外侧均为透光窗口；所述声学谐振腔的中间开设有狭缝缺口，且所述狭缝缺口由弹性薄膜填补；
所述石英音叉置于气室外侧，不与气室内气体接触，且其振臂与声学谐振腔上弹性薄膜的距离在预设距离范围内，所述预设距离范围的最大值为正数，最小值为负数；
当激光从一个气体缓冲区入射，穿过声学谐振腔后，从另一个气体缓冲区出射，在光声效应的作用下，激光光束所激发的声波在声学谐振腔内形成驻波，驻波对应的声波信号经过弹性薄膜传导后在空气中形成振动波，振动波推动石英音叉振臂振动；所述石英音叉振臂振动信号强度与气室内气体的浓度正相关，所述气体探测装置能够在石英音叉不与气体接触、且与弹性薄膜距离在预设距离范围的情况下实现对气体浓度的探测。
在一个可选的示例中，所述弹性薄膜为非透气的薄而有弹性的薄膜，由耐腐蚀性材料制成。
在一个可选的示例中，所述两个气体缓冲区和声学谐振腔的材质为耐腐蚀性材料。
在一个可选的示例中，所述弹性薄膜为派瑞林薄膜或聚乙烯薄膜。
在一个可选的示例中，所述两个气体缓冲区和声学谐振腔的材质为不锈钢。
在一个可选的示例中，两个气体缓冲区的外侧的透光窗口为氟化钙或石英窗口。
在一个可选的示例中，所述弹性薄膜与石英音叉振臂的耦合点相对振臂顶端的距离在0mm-2mm之间。
在一个可选的示例中，所述弹性薄膜的长度小于或等于声学谐振腔的半周长，宽度取值在0.6mm-1mm之间，厚度取值小于10μm。
在一个可选的示例中，所述声学谐振腔的腔长是其直径的4倍以上，使其长度远大于直径。
在一个可选的示例中，所述石英音叉振臂与弹性薄膜的距离范围在0.4mm到-0.07mm之间。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
本发明提供了一种非接触式石英增强光声光谱气体探测装置，在装置中合成弹性薄膜用于声波传导，弹性薄膜和声学谐振腔与音叉式石英晶振共振耦合，实现了石英音叉与待检测气体、声学谐振腔的非接触检测，而且在信噪比方面得到了大大提升。因此，本发明提供的非接触式石英增强光声光谱对于腐蚀性气体和含尘气体的检测意义重大，突破了传统石英增强光声光谱目前的瓶颈，具有广阔的实用前景。
附图说明
图1(a)为本发明实施例提供的非接触式石英增强光声光谱光谱测声器示意图。
图1(b)为本发明实施例提供的非接触石英增强光声光谱传感器装置示意图。
图2(a)为本发明实施例提供的弹性薄膜与不锈钢管组成的声学谐振腔示意图。
图2(b)为本发明实施例提供的弹性薄膜振动频率与其宽度的关系示意图。
图2(c)为本发明实施例提供的弹性薄膜上的声压与声学谐振腔长度的关系示意图。
图3(a)为本发明实施例提供的不同耦合距离和音叉式石英晶振的频率和Q因子的关系示意图。
图3(b)为本发明实施例提供的不同耦合距离和归一化信号幅度的关系示意图。
图4(a)为本发明实施例提供的传统的接触式石英增强光声光谱和非接触式石英增强光声光谱的2f信号示意图。
图4(b)为本发明实施例提供的传统接触式石英增强光声光谱和非接触式石英增强光声光谱的噪音示意图。
图5为本发明实施例提供的非接触式石英增强光声光谱传感器的阿伦方差示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1为函数发生器，2为正弦波信号，3为锯齿波信号，4为加法器，5为激光驱动器，6为半导体激光器，7为光纤聚焦镜，8为光谱测声器，9为阻抗前置放大器，10为锁相放大器，11为计算机。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
在本发明的描述中，若干的含义是一个以上，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
本发明的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
本发明为解决基于石英增强光声光谱传感器在检测高浓度腐蚀性气体或含灰尘气体时系统不稳定的问题，提出了一种使用弹性薄膜把音叉式石英晶振与检测气体分离开的方法，并把该技术命名为非接触式石英增强光声光谱。与之前报道的石英增强光声光谱传感器不同，音叉式石英晶振不再放在气室内与检测气体接触。合成了一层薄而有弹性的弹性薄膜，然后将其贴到石英增强光声光谱声学谐振器的缺口上，构成了一个封闭的光声气室。音叉式石英晶振放置气室的外侧，靠近弹性薄膜进行耦合，形成整个光谱测声器，具体可见图1(a)。
需要说明的是，本发明实施例选取派瑞林薄膜作为弹性薄膜以进行举例说明，后续将不再对此做特别说明。另外，本领域技术人员可根据需要选取其他类型的弹性薄膜实现本发明技术方案，可以理解的是，凡是能够实现声波振动传导的薄膜均应属于本发明的保护范围。
同样地，本发明实施例以不锈钢作为气室主结构，进行举例说明。可以理解的是，本领域技术人员可根据耐腐蚀需求选取其他合适的材料作为气室主结构的材质，本发明不再对此做特别限定。
相应地，本发明中气室的透光窗口可以选用氟化钙窗口，当然本领域技术人员也可以根据实际需要选取其他对激光透光性能比较好的透光窗口。以下实施例仅以氟化钙窗口作为透光窗口进行举例说明，并不做对本发明实施例的任何限定。
首先对谐振器和薄膜的几何形状进行了详细研究，以实现其与音叉式石英晶振的谐振增强。使用带有两个气体缓冲区的不锈钢管作为声学微谐振器来容纳气体，在该声学谐振腔内的声波会形成驻波。管道的内径和外径分别为0.8毫米和1.2毫米。两端为直径为10mm的气体缓冲区并用氟化钙窗口封闭。采用了真空热蒸发系统合成具有优良弹性的薄膜。镀膜工艺在压力为0.1Torr下进行。将材料放入真空蒸发室，在180℃下蒸发成气态分子，最后形成薄膜。通过光谱椭圆光度法测量弹性薄膜的厚度为1μm。如图1(a)插图所示，在声学谐振腔的中间有一条缝隙，把弹性薄膜贴在狭缝上，从而构成了一个封闭的光声单元。音叉式石英晶振位于气室外和弹性薄膜耦合。由于弹性薄膜的弹性，声波能量可以传递到空气中形成振动波，然后通过振动波传递给音叉式石英晶振。此过程中，气体分子是与音叉式石英晶振不接触的。
图1(b)为本发明实施例提供的非接触石英增强光声光谱传感器装置示意图，如图1(b)所示，函数发生器1的一个通道产生一个频率为f0/2的正弦波信号2，f0为音叉的共振频率，另一个通道产生一个频率为4mHz的锯齿波信号3，两个信号通过加法器4叠加后输送到激光驱动器5上，激光器驱动器5可以通过调整半导体激光器6的注入电流以及温度从而调整半导体激光器6输出光的功率以及波长。半导体激光器6输出的激光光束经光纤传导至光纤聚焦镜7中，聚焦后的激光光束从自由空间入射到光谱测声器8中。
光谱测声器8如图1(a)所示。光谱测器中的气室由两个气体缓冲区和一个声学谐振腔构成，类似一个哑铃状。每个气体缓冲区上都有一个气孔，分别为出气口以及进气口。两个气体缓冲区的外侧都有由氟化钙制成窗口封闭，声学谐振腔的缺口由一块弹性薄膜填补，由此形成一个密封的气室。激光光束从其中一个窗口进入到气室中，穿过其中一个气体缓冲区进入到声学谐振腔，并聚焦到弹性薄膜处，最后通过另一个气体缓冲区离开气室。由光声效应产生的声波经过弹性薄膜传导后到达音叉式石英晶振，声波推动音叉式石英晶振的力臂振动激发压电效应产生电信号，电信号经过音叉式石英晶振的引脚传输到跨阻抗前置放大器9中进行放大，然后传输到锁相放大器10进行二次谐波解调，解调所需的同步信号又函数发生器产生1产生，频率为f0/2。锁相放大器解调后的信号传输到计算机11上记录下。
本发明装置可以实时在线的对含有高浓度腐蚀性气体以及含灰尘气体的目标气体进行长时间监测。
图2(a)中展示了贴上弹性薄膜后的声学谐振腔示意图。使用了有限元法对弹性薄膜的振动频率进行分析。弹性薄膜的长度约为1.88毫米，该长度与声学谐振腔的半周长相同。弹性薄膜的振动频率与其宽度的关系如图2(b)所示。随着薄膜宽度从0.6mm增加到1mm，振动频率单调下降。当薄膜宽度增加到0.98mm时，薄膜的振动频率降低到32.7kHz，与音叉式石英晶振频率相匹配。由于声学谐振腔的长度远大于其直径，因此声学谐振腔可被视为一维纵向声谐振器。所以声学谐振腔中的声学模式主要由谐振器的长度决定。所以分析了具有不同声学谐振腔长度的弹性薄膜上的声波压力。声波的频率被设置为32.7kHz。如图2(c)所示，当声学谐振腔长度为5mm时，弹性薄膜上的压力呈现峰值。所以仿真获得的最佳长度5mm与32.7kHz的声波波长的一半相匹配。最后制成的薄膜宽度为0.98mm，声学谐振腔长度为5mm，弹性薄膜有望与音叉式石英晶振产生共振，从而实现非接触式石英增强光声光谱传感器的增强。
需要说明的是，上述气体探测装置各部件的参数可根据实际需要进行调节，本发明实施例仅以个别示例进行举例说明，并不用做对装置的参数的具体限定。
为了通过实验评估非接触式石英增强光声光谱传感器的性能，所以建立了基于非接触式石英增强光声光谱的气体传感系统，如图1(b)所示。作为概念证明，使用1.3μm近红外分布式反馈激光器检测水蒸气(H2O)。将函数发生器生成的频率为6mHz的斜坡信号和频率为f0/2的正弦信号添加到激光驱动器。由光纤聚焦器聚焦的激光束穿过整个气室。纯氮气通过气体加湿器加湿并被导入到非接触式石英增强光声光谱气室。光声效应产生的声波经弹性薄膜传输到音叉式石英晶振产生共振。最后，音叉式石英晶振通过其压电效应产生电信号。电信号由具有10MΩ反馈电阻的定制跨阻抗前置放大器放大。锁定放大器对电信号进行二次谐波解调。
弹性薄膜和音叉式石英晶振之间的耦合作用决定了非接触式石英增强光声光谱传感器的性能。所以研究了弹性薄膜与音叉式石英晶振之间的位置效应。为了获得最大力矩，声学谐振腔的位置接触到音叉式石英晶振力臂的侧面顶部。弹性薄膜与音叉式石英晶振力臂的一侧对齐，如图1(a)所示。
图3(a)展示了音叉式石英晶振的Q因子和共振频率与弹性薄膜和音叉式石英晶振插脚之间距离的关系。0mm的距离意味着音叉式石英晶振刚刚接触到声学谐振腔。负值的距离表示音叉式石英晶振挤压弹性薄膜使其产生弹性变形。正值的距离表示音叉式石英晶振远离弹性薄膜。弹性薄膜和音叉式石英晶振之间的距离从3.9毫米变为-0.07毫米。随着弹性薄膜从3.9mm逐渐接近音叉式石英晶振，由于空气阻尼，音叉式石英晶振的Q因子逐渐降低。
当弹性薄膜恰好接触到音叉式石英晶振时，音叉式石英晶振的Q因子和频率发生了巨大变化。Q因子降低，而共振频率增加。随着距离继续减小，阻尼效应继续增加，Q因子逐渐接近0，共振频率增加到>33kHz。归一化的2f信号幅度和弹性薄膜和音叉式石英晶振之间耦合距离的关系可见图3(b)。同样音叉式石英晶振和弹性薄膜之间的距离从3.9mm减少到-0.07mm。当距离>0mm时，主要由声波耦合。随着距离的减小，石英增强光声光谱2f信号幅度单调增加。当距离<0mm时，音叉式石英晶振接触弹性薄膜，通过弹性波进行强耦合。非接触式石英增强光声光谱信号幅度在～-30μm的距离处达到最大值，如图3(b)中的五角星所示。在约-30μm的距离后，阻尼效应开始占主导地位，信号幅度急剧下降。最后，在非接触式石英增强光声光谱传感器中获得了-30μm的最佳耦合距离。
图4(a)展示了通过传统接触式石英增强光声光谱和非接触式石英增强光声光谱(非接触式石英增强光声光谱)获得的2f信号的比较。对于接触式石英增强光声光谱，将裸露的音叉式石英晶振放置在充满水蒸气气体的石英增强光声光谱气室中。对于非接触式石英增强光声光谱，裸露的音叉式石英晶振位于石英增强光声光谱气室外部。分别测量了两个石英增强光声光谱传感器的2f信号和背景噪声。实验在常温常压下进行。使用加湿器控制水蒸气浓度为2.8％。激光温度设置为18.5℃，输入电流从38mA调至52.5mA，以覆盖位于7194.8cm-1的H2O吸收线，该吸收线的吸收强度为3.07×10-21cm/mol。激光器的调制深度为1.01cm-1。石英增强光声光谱信号幅度由2f信号的峰值决定。非接触式石英增强光声光谱获得的信号幅度为1.52×10-3V，是传统接触式石英增强光声光谱的5倍。
传统接触式石英增强光声光谱和非接触式石英增强光声光谱的背景噪声如图4(b)所示。在测量背景噪声时把激光的波长调制知至远离H2O的吸收线。噪声值通过计算噪声点的1σ标准差获得。非接触式石英增强光声光谱的1σ噪声比接触式石英增强光声光谱小0.38倍。最后结果显示，非接触式石英增强光声光谱的信噪比相比传统接触式石英增强光声光谱提高了13倍。
最后，通过计算艾伦方差证明了非接触式石英增强光声光谱传感器的长期稳定性，如图5所示。总共测量了1万多个点进行评估。当积分时间为1秒，获得的H2O检测限为2.8ppm。通过1,000秒的更长积分时间，检测限提高到0.4ppm。非接触式石英增强光声光谱传感器的归一化噪声等效吸收系数为8.8×10-9cm-1W Hz-1/2。
基于音叉式石英晶振的光谱气体检测技术有四种类型：直接吸收光谱、波长调制光谱、光致热弹性光谱和光声光谱。在前三个光谱中，音叉式石英晶振被用作光电探测器，光谱检测灵敏度取决于其光吸收长度。而在光声光谱学中，音叉式石英晶振被用作声学检测器。检测灵敏度与吸收长度无关，传感器结构紧凑，灵敏度高。但是传统的音叉式石英晶振声波检测器在气室中存在腐蚀和容易受污染的问题。非接触式石英增强光声光谱结合了上述技术的优点，提供耐腐蚀、不受检测气体干扰和紧凑的传感器结构。
在本发明中提出了用于痕量气体分析的非接触式石英增强光声光谱，非接触式石英增强光声光谱旨在解决传统石英增强光声光谱由于音叉式石英晶振放置在气室中而不能用于腐蚀性和多尘气体检测的问题。在非接触式石英增强光声光谱中，合成了1μm厚的弹性薄膜用于声波传导。通过FEM方法分析了弹性薄膜和声学谐振腔的共振行为。在实验上，弹性薄膜和声学谐振腔的几何形状经过精心设计从而与音叉式石英晶振共振耦合。详细研究了耦合过程中的位置效应，以优化非接触式石英增强光声光谱性能。凭借优化的共振行为和位置效应，非接触式石英增强光声光谱不仅展示了非接触检测的能力，而且在信噪比方面提高了13倍。通过计算艾伦方差表明所开发的非接触式石英增强光声光谱传感器具有>1,000秒的长期稳定性。非接触式石英增强光声光谱对于腐蚀性气体和含尘气体的检测意义重大，而这正是传统石英增强光声光谱目前的瓶颈所在。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种非接触式石英增强光声光谱气体探测装置，其特征在于，包括：气室和石英音叉；
所述气室包括：两个气体缓冲区和一个声学谐振腔；所述声学谐振腔置于两个气体缓冲区之间，将两个气体缓冲区连通；两个气体缓冲区上分别设有一个气孔，一个作为进气口，另一个作为出气口；两个气体缓冲区的外侧均为透光窗口；所述声学谐振腔的中间开设有狭缝缺口，且所述狭缝缺口由弹性薄膜填补；
所述石英音叉置于气室外侧，不与气室内气体接触，且其振臂与声学谐振腔上弹性薄膜的距离在预设距离范围内，所述预设距离范围的最大值为正数，最小值为负数；
当激光从一个气体缓冲区入射，穿过声学谐振腔后，从另一个气体缓冲区出射，在光声效应的作用下，激光光束所激发的声波在声学谐振腔内形成驻波，驻波对应的声波信号经过弹性薄膜传导后在空气中形成振动波，振动波推动石英音叉振臂振动；所述石英音叉振臂振动信号强度与气室内气体的浓度正相关，所述气体探测装置能够在石英音叉不与气体接触、且与弹性薄膜距离在预设距离范围的情况下实现对气体浓度的探测。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述弹性薄膜为非透气的薄而有弹性的薄膜，由耐腐蚀性材料制成。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述两个气体缓冲区和声学谐振腔的材质为耐腐蚀性材料。
4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述弹性薄膜为派瑞林薄膜或聚乙烯薄膜。
5.根据权利要求1至3任一项所述的装置，其特征在于，两个气体缓冲区的外侧的透光窗口为氟化钙或石英窗口。
6.根据权利要求1至3任一项所述的装置，其特征在于，所述弹性薄膜与石英音叉振臂的耦合点相对振臂顶端的距离在0mm-2mm之间。
7.根据权利要求1至3任一项所述的装置，其特征在于，所述弹性薄膜的长度小于或等于声学谐振腔的半周长，宽度取值在0.6mm-1mm之间，厚度取值小于10μm。
8.根据权利要求1至3任一项所述的装置，其特征在于，所述声学谐振腔的腔长是其直径的4倍以上。
9.根据权利要求1至3任一项所述的装置，其特征在于，所述石英音叉振臂与弹性薄膜的距离范围在0.4mm到-0.07mm之间。
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