CN1243977C - 声表面波液相阵列传感器 - Google Patents

Abstract

一种声表面波液相阵列传感器。该传感器由多个声表面波延迟线传感器组成，通过对延迟线作开路、短路的方法可以检测液体的总体电特性参数，通过用激光脉冲沉积(PLD)技术在延迟线上制备敏感薄膜的方法，可以对液体中多种金属离子成份进行分析。本发明可在食品、工业、生物医学(如血液、体液)等领域中对液体的电特性以及多种金属离子进行定性和定量的检测。

Description

声表面波液相阵列传感器

技术领域

本发明涉及用声波测量同时检测液体电特性和金属离子成份的声表面波液相阵列传感器。

背景技术

重金属离子能够对人体产生有害甚至致命的影响，因此重金属的定量检测在药物、食品、临床和环境监测等方面有着非常重要的意义；同时液体的电特性(电导率等)也是描述液体背景值的一个重要参数。目前的检测方法(如原子吸收分光光度法、质谱法)只能对重金属离子作分析，而且检测手段复杂的确定，同时盐度计、电导率仪尽管可以对液体的电特性作测量，但是也存在重复性不好，电极维护复杂的缺点。而且目前没有可以应用于工业现场实时检测的工具。

发明内容

为了可以同时对液体的电特性及各种金属离子作检测分析，本发明的目的是提供一种声表面波液相阵列传感器。

本发明采用的技术方案是：

1.声表面波液相阵列传感器：包括铜板、压电基底、叉指电极对、延迟线通道、密封环和检测腔盖。所述的叉指电极对有4对，延迟线通道有4个，包括通过暴露延迟线上的压电基底形成的1个开路通道、通过用金属材料短路延迟线形成的1个短路通道和通过脉冲激光沉积(PLD)技术在2个延迟线上的压电材料上制备对不同金属敏感的薄膜形成2个敏感通道，各个通道按Y方向依次顺序并联组成在同一个压电基底上；延迟线四周装有保护叉指电极的密封环，密封环上装有检测腔盖，检测腔盖两端装有开液体进水口和出水口的塑胶管。

2.声表面波液相阵列传感器敏感膜的制备方法：

采用脉冲激光沉积(PLD)技术在声表面波延迟线阵列传感器上制备敏感单元，即：脉冲激光沉积设备主要由激光发生器、透镜和真空腔组成，在通过真空泵将真空腔抽成真空，然后通过充气口充入N₂气，将传感器基底升温到100℃，预热20分钟，由激光器产生激光，通过透镜，利用照射在对不同金属离子敏感的靶材料上后形成的等离子氛将靶材料沉积在敏感单元的传感器基底上，沉积结束后保持10分钟，然后在真空腔中自然降温。工艺参数为：

能量密度	波长	脉冲宽度	重复频率	沉积时间	压力(N2)	基底温度
							0.2J/cm2	248nm	30ns	1.4Hz	30min	0.2mbar	423K

本发明与背景技术相比，具有的有益的效果是：它采用声表面波传感器可以使检测器件小，信号干扰小；多通道的结构可以对液体电特性和金属离子作同时测量。本传感器可在食品、工业、生物医学(如血液、体液)等领域中对液体电特性和金属离子进行动态实时的定性、定量检测。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明；

图1为本发明的结构俯视图；

图2为本发明的加检测腔盖的结构俯视图；

图3为本发明的装配示意图；

图4为图2的I-I’剖视图；

图5为本发明的检测系统示意图；

图6为PLD制备传感器敏感通道的原理图；

图7典型的传感器动态响应曲线；

图8为Fe³⁺敏感通道对Fe³⁺离子浓度的响应曲线；

图9为敏感通道和开路通道的对比实验曲线；

图10为开路通道对液体总盐度的响应曲线；

图11为开路通道对白酒酒精度的响应曲线；

图12为开路通道对汽油掺水率的响应曲线。

图中：1为铜板，2为压电基底，3为密封环，4为敏感膜材料，5为金属层，6为敏感通道，7为短路通道，8为开路通道，9为检测腔盖，10为进水口塑胶管，11为出水口塑胶管，12为透镜，13为真空泵，14为真空腔，15为靶材料，16为等离子氛，17为充气口，18为传感器基底，19为激光发生器。A为计算机，B为高频振荡电路，C为混频低通电路，D为频率计，E为传感器，F为废液槽，G为进样装置，H为蠕动泵。

具体实施方式

1、传感器的结构：

如图1、图2、图3、图4、图5所示：声表面波液相阵列传感器，包括铜板1、压电基底2、叉指电极对、延迟线通道，所述的叉指电极对有4对，延迟线通道有4个，包括通过暴露延迟线上的压电基底形成的1个开路通道8、通过用金属材料短路延迟线形成的1个短路通道7和通过脉冲激光沉积(PLD)技术在2个延迟线上的压电材料上制备对不同金属敏感的敏感膜4形成2个敏感通道6，各个通道按Y方向依次顺序并联组成在同一个压电基底上；延迟线四周装有保护叉指电极的密封环3，密封环3上装有检测腔盖9，检测腔盖9两端装有开液体进水口和出水口的塑胶管10、11。

2、传感器制备：

传感器参数：选用36°Y切割，X方向传播的LiTaO₃压电晶体作为基底材料，压电基底的尺寸16.5×9.5×1mm³；检测腔的尺寸为3×20×1mm³。每一个通道参数为：输入和输出IDT均为单指、等长的100对叉指换能器；IDT周期60um，中心频率50MHz；IDT孔径2.43mm，中心间距12mm；短路金属层为A1膜，厚度为3000。

敏感膜制备：

本方案以Fe³⁺离子敏感材料成膜技术为例作具体说明。选择Fe_1.2(Ge₂₈Sb₁₂Se₆₀)_98.8硫系玻璃为Fe³⁺离子的敏感材料。采用脉冲激光沉积(PLD)技术在声表面波延迟线阵列传感器上制备敏感单元，脉冲激光沉积设备主要由激光发生器19、透镜12和真空腔14组成，在通过真空泵13将真空腔抽成真空，然后通过充气口17充入N₂气，将传感器基底18升温到100℃，预热20分钟，由激光器产生激光，通过透镜12，利用照射在对不同金属离子敏感的靶材料15上后形成的等离子氛16将靶材料15沉积在敏感单元的传感器基底18上，沉积结束后保持10分钟，然后在真空腔中自然降温。工艺参数为：

能量密度	波长	脉冲宽度	重复频率	沉积时间	压力(N2)	基底温度
							0.2J/cm2	248nm	30ns	1.4Hz	30min	0.2mbar	423K

传感器与检测系统的连接：

如图5所示，每个通道通过各自两端的输入输出叉指电极分别和高频振荡电路B的输入输出相连，开路通道的信号和2个敏感通道的信号分别和各自的混频低通电路C的一个输入端口相连，所有混频低通电路的另一个输入端口和短路通道的信号相连，获得的3个差频信号由频率计D检测后传送给计算机A。

传感器原理：

36°Y切割，X方向传播的LiTaO3压电晶体可以有效的激发水平剪切波，该波型在液体中传播而极少有能量衰减。在表面液体物理特性一定的前提下，压电材料中声波的相速度波速取决于液体的电特性。由于电短路声道对电特性的响应为零，所以可以通过检测两个声道的声波频率差来反映液体的电导率和介电常数。声电效应的原理公式为：

$\frac{\mathrm{\Δf}}{f}=-\frac{{K_s}^2}{2}\frac{{({\mathrm{\δ}}^{\′}/\mathrm{\ω})}^2+{\mathrm{\ϵ}}_0({{\mathrm{\ϵ}}_r}^{\′}-{\mathrm{\ϵ}}_r)({{\mathrm{\ϵ}}_r}^{\′}{\mathrm{\ϵ}}_0+{{\mathrm{\ϵ}}_p}^T)}{{({\mathrm{\δ}}^{\′}/\mathrm{\ω})}^2+{({{\mathrm{\ϵ}}_r}^{\′}{\mathrm{\ϵ}}_0+{{\mathrm{\ϵ}}_0}^T)}^2}$

K_s，ε_p ^T， δ′，ε_r′，

ε₀分别是压电材料的机电耦合系数和介电常数、液体的电导率、液体的介电常数，空气的介电常数，振荡频率的改变体现了液体的电特性。

机电效应的原理公式为

$\frac{\mathrm{\Δf}}{f}=-\frac{{\mathrm{Vhv}}_2^2}{4P}({\mathrm{\ρ}}^{\′}-\frac{{\mathrm{\μ}}^{\′}}{V^2})$

h，p分别在敏感通道上吸附物质的厚度和密度。

系统的工作过程：

启动高频振荡电路B、混频低通电路C和频率计工作；计算机A打开去离子水阀，关闭样液阀，同时打开蠕动泵H，向传感器E进去离子水；待液体完全进入传感器E后计算机A开启和频率计D的通讯；等待传感器对去离子水的响应稳定(10s内读数偏差范围＜20Hz)，或者控制一定的进样时间(如20s)；然后打开样液阀关闭去离子水阀，向传感器E进样液，等待传感器E对样液的响应稳定(10s内读数偏差范围＜20Hz)，或者控制一定的进样时间(如20s)。如此就完成了一次检测过程。经过检测后的流出传感器E的液体流到废液槽F。取传感器E对两者稳态频响的差值为对样液的响应值，即y＝f(样液)-f(水)，如图7所示。

传感器特性描述：

按10^-2～10^-6mol/l的浓度间隔10倍配比Fe(NO₃)₃溶液，选择Fe_1.2(Ge₂₈Sb₁₂Se₆₀)_98.8硫系玻璃用脉冲激光沉积(PLD)技术在敏感通道上制备敏感膜材料。图8为传感器敏感通道对上述浓度Fe(NO₃)₃溶液的响应曲线，图9为传感器敏感通道和传感器开路通道对10^-3mol/l的Fe(NO₃)₃溶液对比响应曲线。敏感通道对Fe(NO₃)₃溶液检测下限可以达到10^-5mol/l。

用电导率仪标定0.024S/m、0.039S/m、0.1S/m、0.18S/m、0.32S/m、0.58S/m的KCl溶液，用开路通道对它们进行测量，可以得到如图10所示的曲线，传感器的检测下限为1.2×10^-4S/m。

将35度、36度、37度、38度和39度的白酒作为样液，用开路通道进行检测，可以得到如图11所示的曲线。传感器的检测灵敏度为1.5KHz/度，检测精度为0.2度。

对于食用油，按掺水比例2％，5％，10％，15％和20％进行混合后作为样液，用传感器的开路通道进行测量，可以得到如图12所示的曲线。可以有效识别＞5％的有机溶液掺水比例。

Claims (1)

1、一种声表面波液相阵列传感器，包括铜板(1)、压电基底(2)、叉指电极对、延迟线通道，其特征在于：所述的叉指电极对有4对，延迟线通道有4个，包括通过暴露延迟线上的压电基底形成的1个开路通道(8)、通过用金属材料短路延迟线形成的1个短路通道(7)和通过脉冲激光沉积技术在2个延迟线上的压电材料上制备对不同金属敏感的敏感膜(4)形成2个敏感通道(6)，各个通道按Y方向依次顺序并联组成在同一个压电基底上；延迟线四周装有保护叉指电极的密封环(3)，密封环(3)上装有检测腔盖(9)，检测腔盖(9)两端装有开液体进水口和出水口的塑胶管(10、11)。

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