CN201348624Y - 多通道声表面波化学传感装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种多通道声表面波化学传感装置，包括多通道声表面波化学传感器和混频电路、振荡电路，多通道声表面波化学传感器通过在多通道声表面波传感器上的每个检测通道上贴附不同的敏感薄膜而构成。多通道声表面波传感器以压电晶体作为声表面波传感器的基底，该基底上制作多对并行的叉指换能器，构成多个检测通道和一个参考通道，每对叉指换能器包括输入换能器和输出换能器。多通道声表面波化学传感器件包括延迟线型和谐振型。混频电路用于获得每个检测通道与参考通道之间的差频信号，振荡电路用于驱动叉指换能器产生固定频率的振荡，作为多通道声表面波化学传感器的工作频率。本实用新型可对外界多种气体和化学物质成分进行检测，具有重大生产实践意义。

Description

多通道声表面波化学传感装置

技术领域

本实用新型涉及检测技术领域，特别是涉及一种多通道声表面波化学传感装置。

背景技术

声表面波化学传感装置具有独特的优点，与常用的半导体化学传感器相比，声表面波传感器具有受温度影响小并且易于补偿、灵敏度高、稳定性好等优点；而与光纤传感器相比，声表面波传感器设计结构灵活、成本低廉，受温度影响小并且易于补偿。

声表面波传感器，对电、热、力、声、光、化学及生物等多种因素敏感，而且采用声表面波技术。使得其输出信号表现为振荡器频率的变化，输出信号无需再经过模数A/D转换，易于直接与计算机进行接口。此外，声表面波化学传感装置还具有抗干扰能力强、灵敏度高、检测范围线性度好，测量重复性好、适合远距离传输和实现遥测遥控等优点，其可以采用半导体集成电路平面工艺制作，从而可以实现集成化、智能化，使得声表面波传感器体积小、重量轻、携带方便、成本低、能够大批量生产。

声表面波传感装置由压电材料、叉指换能器和振荡电路构成。声表面波传感装置通常采用石英、铌酸锂LiNbO₃或钽酸锂LiTaO₃等压电晶体作为基底，半导体集成电路平面工艺在基片上制作两个叉指换能器，分别用于发射和接收，两个叉指换能器之间的间距产生信号的时间延迟或振荡，构成声表面波延迟线或谐振器，当前，声表面波器件已经广泛地应用于通信、雷达、电子对抗、广播电视等民用和军用领域中。

在声表面波器件的声通道上贴附特定的敏感薄膜，可制成特殊的声表面波化学传感器件。目前国内外大多采用双通道结构，一个通道用于对环境温度、湿度、压力等因素的补偿，另一个通道用于测量，在该声波通道上贴附不同的吸附敏感薄膜。薄膜吸附气体和化学物质后引起声表面波速度和延迟时间的变化，从而引起谐振频率的变化，通过检测两通道的频率差，即可检测气体的浓度。

依据不同的基底材料、不同化学敏感薄膜可以检测SO₂、H₂、NH₃、H₂S、NO₂、丙酮、甲醇、水蒸气等多种化学成分。因此可广泛用于大气环境监测、化工过程控制、汽车排放尾气控制、临床分析等领域。

这种传感装置还可以检测破坏人体神经、血液的毒气，包括Sarin(沙林)、Soman(梭曼)、VX、Mustard(芥子气)、Nitrogen Mustard(氮芥)、HydrogenCyanide(氰化氢)、Cyanogen Chloride(氯化氰)、Lewisite(刘易士毒气)、有机磷、有机硫等化学战剂。

目前国内外报道基本上为检测单一气体的双通道声表面波传感装置，然而在军事和民用的实际应用中需要同时检测多种气体和化学物质成分，因此目前迫切开发出一种多通道声表面波化学传感装置，可以同时对外界的多种气体和化学物质成分进行检测。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的目的是提供一种多通道声表面波化学传感装置，可以同时对外界的多种气体和化学物质成分进行检测，其具有声场能量利用率高、结构合理、紧凑、成本更低、串扰小等优点，具有重大的生产实践意义。

为此，本实用新型提供了一种多通道声表面波化学传感装置，包括有多通道声表面波化学传感器和混频电路、振荡电路，其中，

所述多通道声表面波化学传感器通过在多通道声表面波传感器上的每个检测通道上贴附不同的敏感薄膜而构成，所述多通道声表面波传感器以压电晶体作为声表面波传感器的基底，其上具有多个检测通道和一个参考通道，该基底上制作有多对并行的阵列叉指换能器，每对叉指换能器包括输入换能器和输出换能器，分别用于构成延迟线型和谐振型声表面波器件；

所述混频电路用于获得每个检测通道与参考通道之间的差频信号；

所述振荡电路，用于驱动叉指换能器产生固定频率的振荡，作为多通道声表面波化学传感器的中心工作频率。

优选地，所述声表面波传感器的基底为YZ切铌酸锂LiNbO₃晶体或石英晶体。

优选地，所述多通道声表面波化学传感器通过在多通道声表面波传感器上的每个检测通道上用涂敷或蒸镀或沉积的方法来贴附不同的特定敏感薄膜而构成。

优选地，在基底上制成叉指换能器的方法为半导体集成电路平面工艺。

优选地，延迟型声表面波传感器的中心工作频率为100MHz，谐振型声表面波传感器的中心工作频率为148MHz。

优选地，所述敏感薄膜为在石英基底上镀厚度为1.2μm的氧化锌，再镀厚度为40-200nm的合适配比的氧化铟和氧化锡构成。

优选地，还包括与混频电路相连接的整形电路，该整形电路用于将由混频电路所得到的检测通道与参考通道之间的差频信号进行整形，形成一个与差频信号同频的方波信号。

优选地，所述整形电路的信号输出端连接有计数器，该计数器用于记录经过整形电路进行整形所输出的方波数目。

由以上本实用新型提供的技术方案可见，本实用新型与现有技术相比，本实用新型的多通道声表面波化学传感装置可同时检测四种及以上的气体和化学物质成分，其中，四个通道用于测量，另一个通道用于对环境的温度等因素进行补偿，与通常声表面波化学传感装置采用双通道结构相比，由于提出和采用多通道并行技术，可以同时测量不同的气体和化学物质成分。

此外，本实用新型提供的多通道声表面波化学传感装置具有声场能量利用率高、结构合理、紧凑、成本更低、串扰小等优点，因此具有重大的生产实践意义。

附图说明

图1为本实用新型提供的多通道声表面波化学传感装置中叉指换能器的结构示意图；

图2为本实用新型提供的多通道声表面波化学传感装置中的五通道声表面波化学传感器的结构示意图；

图3为本实用新型提供的多通道声表面波化学传感装置中表面波化学传感器的检测原理示意图；

图4为本实用新型提供的多通道声表面波化学传感装置中混频电路的示意图；

图5为本实用新型提供的多通道声表面波化学传感装置中对混频电路输出的差频信号进行整形的电路示意图；

图6为本实用新型提供的多通道声表面波化学传感装置中表面波化学传感器的叉指换能器产生振荡和进行放大的电路示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面结合附图和实施方式对本实用新型作进一步的详细说明。

本实用新型采用和加工不同材料(机电耦合系数较高的YZ切铌酸锂LiNbO3、石英等)的压电晶体作为声表面波传感器的基底。并且在基底上制作有多对并行的阵列叉指换能器，分别作为输入和输出换能器。输入换能器中输入电信号产生交变电场，由于压电效应在基底内激发弹性振动，产生声表面波，输出换能器接收声表面波信号并转换为电信号，构成延迟线型和谐振型声表面波器件。

在本实用新型中，所述声表面波传感器的基底为YZ切铌酸锂LiNbO₃晶体或石英晶体。

此外，在多个声通道(本实用新型为五通道)上用涂敷、蒸镀、沉积等方法，贴附不同的敏感薄膜，形成多通道(五通道)声表面波化学传感器，其吸附气体和化学物质后引起声表面波速度或延迟时间上的变化，从而引起信号振幅(插入损耗)和谐振频率的变化，通过检测与参考通道的频率差或振幅的变化，根据基底材料种类和切向、薄膜种类等，可检测出待测物质的种类或浓度。

本实用新型的多通道声表面波化学传感器可以同时探测多种气体。选用不同的表面敏感薄膜材料与不同的基底组合，用以检测不同的气体，并且敏感薄膜的厚度、声延迟线长度等因素也对检测灵敏度有很大的影响。例如，当敏感薄膜采用各向同性绝缘材料、导电材料和金属氧化物半导体材料时，声表面波化学传感器对气体的吸附作用分别转变为覆盖层密度、薄膜的电导率的变化，从而引起声表面波波速改变，使得振荡频率发生变化。

具体实现上，本实用新型可以在YZ切铌酸锂晶体上涂覆三乙醇胺膜，从而可以检测SO₂、H₂S气体成分及其浓度；涂覆WO₃膜可以检测H₂S气体成分及其浓度；涂覆酞菁膜可以检测NO₂、NH₃、CO、SO₂等气体成分及其浓度；涂覆钯膜(Pd)膜可以检测氢气；涂覆聚合物可以检测蒸气、烟雾等。

本实用新型在晶体基底上采用半导体集成电路平面工艺来制成叉指换能器，利用多种加权方法和采用分裂叉指换能器可以改善换能器的频率响应特性。本实用新型在同一晶体基底上制作多个通道，每一通道由两个叉指换能器来分别组成，多个通道共同构成延迟型或谐振型声表面波传感器。

在本实用新型中，延迟型声表面波传感器的中心工作频率优选为100MHz，谐振型声表面波SAW传感器的中心工作频率优选为148MHz。需要说明的是，SAW传感器的谐振频率越高，其检测的灵敏度越高，但是同时通道之间的串扰及制作工艺难度越大。

参见图3，图3为表面波化学传感器的检测原理示意图。在本实用新型中，声表面波化学传感器的检测电路包括放大器A和混频器，该放大器A用于给叉指换能器提供反馈，使叉指换能器能够产生固定频率的振荡。

为了得到检测通道与参考通道间的频率差，我们使用了混频器(体现为混频电路)。混频电路由乘法器与低通滤波器组成，根据公式：

$\sin {\mathrm{\ω}}_{1}t\·\sin {\mathrm{\ω}}_{2}t=\frac{1}{2}[\sin ({\mathrm{\ω}}_1+{\mathrm{\ω}}_2)t+\sin ({\mathrm{\ω}}_1-{\mathrm{\ω}}_2)t];$

ω₁和ω₂分别为两个通道的正弦信号频率，由公式可知，两个通道的正弦函数信号相乘后可得到这两个正弦信号的频率和与频率差，通过低通滤波滤掉高频分量，就可以得到检测通道与参考通道间的差频信号(频率差信号)。混频检测的优点是可以减小环境的影响，因为温度、压力等周围环境对检测通道与参考通道有同样的影响。

鉴于检测通道上贴附的敏感薄膜可以吸附待测气体和化学物质，参考通道上没有敏感薄膜而不吸附待测气体和化学物质，所以检测通道与参考通道之间的差频是由于待测物质产生的，因此差频检测可以消除环境因素的影响。

混频电路的具体电路结构如图4所示。在这个混频(即频率相乘)电路中，其核心部件为mc1496(双平衡调制解调集成电路)，mc1496通过图中的外围电路来完成其混频目的。实验中RC分别采用直插或贴片电阻电感，12V电源使用了稳压电源。

该混频电路将参考通道与监测通道的信号分别连接至mc1496的car-引脚与sio+引脚上，其他外围电路按如上电路图链接，此时可在out+引脚产生两路信号的差频，将其通过一个隔直耦合电容直接至输出即可。

需要说明的是，图4中，所述参考声路端与参考通道相连接，所述输入端与多个检测通道相连接，mc1496的引脚含义分别为：SIO：信号输入，CAR：载波输入，OUT：信号输出，BIAS：电压偏置，GADJ：增益调节，VEE：负电源端口。混频电路可以得到两路信号(检测通道与参考通道)的频率差并输出。混频的原理在上面已经阐述。

关于频率差与气体浓度之间的关系，气体吸附到敏感薄膜上，气体浓度将会影响到薄膜材料的密度，从而改变通过薄膜的声速，导致声信号频率变化，致使输出电信号频率变化。

参见频率变化公式：

$\mathrm{\Δf}={f_0}^{2}h\{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{sh}}(k_1+k_2+k_3)-\frac{\mathrm{\μ}}{v_R^2}[4k_1\frac{(\mathrm{\λ}+\mathrm{\μ})}{(\mathrm{\λ}+2\mathrm{\μ})}+k_2\left]\right\};$

式中，Δf-覆盖层内由于吸附气体而引起的声表面波传感器频移的大小；k₁，k₂，k₃-压电基片材料常数；f₀-声表面波传感器未受扰动时的中心振荡频率；h-薄膜厚度；ρ-薄膜材料密度；μ₀-薄膜材料剪切模量；λ-薄膜拉莫常数；v_R-未受扰动时声表面波相速度。

由上述公式可见，频率变化与气体浓度密切相关，也与器件的晶体基底材料、切向、气体种类、薄膜材料和厚度等参量有关。对于确定的传感器其他各参量是确定的，因此可以通过频率变化检测气体浓度的变化。

参见图5，图5为整形电路的示意图，混频电路与该整形电路相连接，由混频电路得到的两路信号(检测通道与参考通道)的频率差信号，因此可以由该整形电路进行整形，形成一个与差频信号同频的方波信号。

图5中的LM306为高速电压比较器，由于计数器在记录时需要方波的形式，故需要把混频后的信号由正弦形式转换为方波形式，以便计数器识别，本实用新型将混频电路的输出接至该比较器的一个输入引脚，比较器的另一个输入引脚接地，这样就可以利用模数转换产生一个与差频频率一样的方波信号以供后面的计数器识别。

需要说明的是，混频后的得到的差频是正弦信号，已经可以通过仪器观察和检测传感器输出信号，得到气体和化学物质的定量结果。为了便于电路设计以及后端的数字信号处理。可以在整形电路的信号输出端后面加入计数器，该计数器用来将前端整形后的序列信号进行计数，在定时器的规定时间内记录一定的方波数，由于该方波序列的频率与差频信号频率相等，所以在后端的信息处理单元里就可以计算得到差频信号的频率，最后把输出信号以数字形式显示，以便记录和存储。

为了使叉指换能器能够产生固定频率的振荡，作为多通道声表面波化学传感器的中心工作频率，参见图6，本实用新型提供了一个振荡放大电路，该振荡放大电路为产生振荡信号的基础，通过它来驱动声表面波化学传感器的叉指换能器，产生所需要的振荡频率。通过对其中的参数不断试验和改进以提高频率的稳定性，从而加大了实验的精度。

上述振荡放大电路利用了反馈原理，通过三极管使晶体产生振荡，这就需要将晶体有本身固有的振荡频率与电路的反馈频率都设计为我们需要的频率。在电路中，三极管采用了9018或3sk122，可调电容、电阻R、电感L、电容C均采用贴片封装。图中三个插座板JP1、JP2、P1是为了插入检测器件设计的。电路右侧为放大电路，将振荡电路产生的信号加以放大，经放大后的信号将接入混频电路中的一个输入端。

集成电路插座板用于插入我们研制的声表面波化学传感器，以分别接入器件的地，输入，输出。各个针脚是插入孔，与声表面波化学传感器件上的输入、输出和接地针脚对应。

实施例：

具体实现上，参见图2，本实用新型的五通道器件中的四个通道作为检测通道，是在YZ切铌酸锂晶体上涂覆或镀上酞菁膜和金属氧化物薄膜，以检测NO₂、NH₃、CO、SO₂等气体。剩余一个无涂覆薄膜的通道作为参考通道，用于消除温度、压力等外界影响。

此外，在本实用新型中，还可以在石英基底上镀厚度为1.2μm的氧化锌，再镀厚度为40-200nm的合适配比的氧化铟和氧化锡构成敏感薄膜，以检测NO₂，NH₃，CO，SO₂和蒸气等气体的浓度。

输出信号检测是分别将每一通道输出与参考通道输出用混频电路进行差频检测。

具体实现上，例如，本实用新型装置中五通道声表面波化学传感器为采用铌酸锂基底的五通道器件时，其各项指标为：

基底材料为Y Z铌酸锂，声波波长λ为34.85μm，中心频率为100MHz，

输入叉指换能器(ITD)指对数：25.5对，输出叉指换能器(ITD)指对数：35.5对，声孔径为100个波长，具体为3485.00μm，输入输出ITD之间的边对边的距离L₀为1099.04μm，指条和缝隙的宽度比例为1∶1，叉指换能器铝膜的厚度为300nm。

叉指换能器IDT采用1/8波长分裂指结构，用以减小叉指边缘反射的影响，叉指换能器的具体结构参见图1所示。

在本实用新型中，对于不同的气体，具有不同的检测浓度范围，约为ppm(百万分之一)量级，随气体种类与浓度不同，声表面波SAW传感器的响应时间为几秒至几十秒。

综上所述，本实用新型与现有技术相比，本实用新型的多通道声表面波化学传感装置可同时检测四种及以上的气体和化学物质，其中，四个通道用于测量，另一个通道用于对环境的温度等因素进行补偿，与通常声表面波化学传感装置采用双通道结构相比，由于提出和采用多通道并行技术，可以同时测量不同的气体和化学物质。

鉴于本实用新型提供的多通道声表面波化学传感装置采用多个探测通道与一个参考通道并行结构，其具有声场能量利用率高、结构合理、紧凑、成本更低、串扰小等优点，具有重大的生产实践意义。

本实用新型提供的多通道声表面波化学传感装置可以检测外界气体和化学物质，应用于环境保护、安全监测、化学战剂检测、临床分析等多种民用、军用领域。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (8)

1、一种多通道声表面波化学传感装置，其特征在于，包括有多通道声表面波化学传感器和混频电路、振荡电路，其中，

所述多通道声表面波化学传感器通过在多通道声表面波传感器上的每个检测通道上贴附不同的敏感薄膜而构成，所述多通道声表面波传感器以压电晶体作为声表面波传感器的基底，其上具有多个检测通道和一个参考通道，该基底上制作有多对并行的阵列叉指换能器，每对叉指换能器包括输入换能器和输出换能器，分别用于构成延迟线型和谐振型声表面波器件；

所述混频电路用于获得每个检测通道与参考通道之间的差频信号；

所述振荡电路，用于驱动叉指换能器产生固定频率的振荡，作为多通道声表面波化学传感器的中心工作频率。

2、如权利要求1所述的多通道声表面波化学传感装置，其特征在于，所述声表面波传感器的基底为YZ切铌酸锂LiNbO₃晶体或石英晶体。

3、如权利要求1所述的多通道声表面波化学传感装置，其特征在于，所述多通道声表面波化学传感器通过在多通道声表面波传感器上的每个检测通道上用涂敷或蒸镀或沉积的方法来贴附不同的特定敏感薄膜而构成。

4、如权利要求1所述的多通道声表面波化学传感装置，其特征在于，在基底上制成叉指换能器的方法为半导体集成电路平面工艺。

5、如权利要求1所述的多通道声表面波化学传感装置，其特征在于，延迟型声表面波传感器的中心工作频率为100MHz，谐振型声表面波传感器的中心工作频率为148MHz。

6、如权利要求1所述的多通道声表面波化学传感装置，其特征在于，所述敏感薄膜为在石英基底上镀厚度为1.2μm的氧化锌，再镀厚度为40-200nm的合适配比的氧化铟和氧化锡。

7、如权利要求1所述的多通道声表面波化学传感装置，其特征在于，还包括与混频电路相连接的整形电路，该整形电路用于将由混频电路所检测得到的检测通道与参考通道之间的差频信号进行整形，形成一个与差频信号同频的方波信号。

8、如权利要求7所述的多通道声表面波化学传感装置，其特征在于，所述整形电路的信号输出端连接有计数器，该计数器用于记录经过整形电路进行整形所输出的方波数目。

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