CN205920087U - 一种具有双工作模式的压电晶体气体传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种具有双工作模式的压电晶体气体传感器，包括石英晶片和电极，电极包括第一金属电极、第二金属电极和第三金属电极，第一金属电极和第二金属电极设于石英晶片的正面，第一金属电极和第二金属电极形成交错环状叉指电极结构，第三金属电极设于石英晶片的反面，第三金属电极与第一金属电极、第二金属电极形成上下非对称的石英晶体微天平电极结构。本实用新型采用三电极结构，能够将质量敏感型的压电谐振频率测量方法与电阻敏感气体测量方式结合在一起；所设计的第一金属电极和第二金属电极具有交错环状叉指电极结构，既保证了压电谐振体的正常工作，又降低了阻抗测试中气体敏感材料的初始电阻值，提高了阻抗测试中的信号噪声比。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种压电晶体气体传感器，尤其涉及一种具有双工作模式的压电晶体气体传感器。
背景技术
石英晶体微天平(Quartz Crystal Mircrobalance，QCM)是一种在20世纪60年代兴起的新型的微小质量检测仪器，其核心部件是QCM质量传感器。QCM质量传感器是一种非常灵敏的质量传感器，它的质量测定可以精确到纳克级。QCM质量传感器是通过在AT切石英晶片的上下表面镀上金属电极而构成的一种高分辨率的压电传感器。在一定的外界条件下，当石英晶振表面吸附其它物质时，根据石英振子的压电谐振频率变化与晶体表面的所附物质质量变化成正比的这一原理，石英晶振的谐振频率将会随着吸附物质质量的大小而产生偏移。
基于QCM的压电晶体气体传感器，是具有上下电极结构的石英晶体谐振器。当金属电极表面修饰有对某种气体具有吸附作用的敏感物质膜层时，由于待测气体分子在石英晶振表面发生吸附，引起石英振子质量改变，导致QCM的压电谐振频率变化。在特定气体环境下，由于吸附量与环境中待测气体分子的浓度有关，通过谐振频率偏移量的测量，即可得到气体环境中待测气体的浓度。由于QCM传感器具有很高的灵敏度、较低成本低廉，而且测试装置简单、易于实现现场连续检测等众多优点，使得基于QCM的压电型气体传感器广泛应用于各类气体检测领域。
上述传统技术在应用中存在一个显著问题：基于QCM的压电型气体传感器的性能受到金属电极表面修饰的敏感物质特性的影响。特别是气体敏感物质对待测气体分子的选择性，直接影响了基于QCM的气体传感器的性能指标。
一般气体传感器采用的表面气体薄膜物质材料，往往对多种气体具有吸附特性。如常用做表面敏感物质的有机聚合物，虽然其气体吸附良好的可逆性，且灵敏度较高，但选择性较差，导致采用有机聚合物作为表面敏感薄膜材料的QCM气体传感器对NO、NO2、NH3、CO、CH4、SO2等多种气体均具有响应特性。由于选择性不佳，导致基于QCM的压电型气体传感器只能在相对单一的气体氛围下，实现对特定气体浓度测定的目的。
实用新型内容
本实用新型的目的就在于为了解决上述问题而提供一种可以实现质量敏感测试模式和阻抗测试模式的具有双工作模式的压电晶体气体传感器。
本实用新型通过以下技术方案来实现上述目的：
一种具有双工作模式的压电晶体气体传感器，包括石英晶片和电极，所述电极包括第一金属电极、第二金属电极和第三金属电极，所述第一金属电极和所述第二金属电极设于所述石英晶片的正面，所述第一金属电极和所述第二金属电极形成交错环状叉指电极结构，所述第三金属电极设于所述石英晶片的反面，所述第三金属电极与所述第一金属电极、所述第二金属电极形成上下非对称的石英晶体微天平电极结构。上述交错环状叉指电极结构和上下非对称的石英晶体微天平电极结构均为现有的常规电极结构，其中，交错环状叉指电极结构指两个圆环形电极呈内外间隔排列且通过线形导体将同一电极的多个圆环相连，线形导体与另一个电极交叉处则将另一个电极的圆环断开；上下非对称的石英晶体微天平电极结构指正面的两个电极的引出线形导体分别位于两侧且在一条直线上，反面的第三金属电极的引出线形导体与正面的两个电极的引出线形导体相互垂直且位于正面的两个电极的引出线形导体之间。
本实用新型上述结构的设计原理是：
对于某些具有气体吸附性的敏感物质，使其吸收不同种类不同浓度的气体时，其电阻发生变化。由于吸收气体同时必然导致气体敏感物质薄膜的质量变化，则在同一测试环境的不同气体浓度条件下，本实用新型所设计的压电晶体气体传感器可得到两组输出数据。选择特定种类的气体敏感物质，使得对于不同被测气体，在气体吸附质量相同的条件下，敏感物质的电阻变化量不同。本实用新型所述气体传感器，其输出的质量改变数据和电阻改变数据作为传感器函数的输入量，使得传统压电晶体气体传感器的一元传感方程变为二元传感方程组，可求解两个未知数，使得本实用新型所述气体传感器可以在更加复杂的气氛环境下，实现对两种特定气体浓度的测定。
作为优选，所述第一金属电极、所述第二金属电极和所述第三金属电极为金电极或铂电极。
所述第一金属电极、所述第二金属电极和所述第三金属电极的外侧覆盖有气体敏感材料薄膜。
所述石英晶片为AT切石英晶片。
所述第一金属电极和所述第二金属电极中各圆环的圆心重叠。
本实用新型的有益效果在于：
本实用新型通过对石英晶体谐振器增加一个电极形成三电极结构，使得压电型气体传感器在得到与吸附气体质量正相关的频率偏移的同时，可得到与气体吸附量相关的电阻改变，从而能够将质量敏感型的压电谐振频率测量方法与电阻敏感气体测量方式结合在一起；所设计的第一金属电极和第二金属电极具有交错环状叉指电极结构，既保证了压电谐振体的正常工作，又降低了阻抗测试中气体敏感材料的初始电阻值，提高了阻抗测试中的信号噪声比；传感器可以在阻抗测试模式及质量测试模式之间自由切换，使得传感器的探测数据种类增多。
附图说明
图1是本实用新型所述具有双工作模式的压电晶体气体传感器的主视结构示意图；
图2是本实用新型所述具有双工作模式的压电晶体气体传感器的后视结构示意图；
图3是图1中的A-A剖视放大图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型作进一步说明：
如图1、图2和图3所示，本实用新型所述具有双工作模式的压电晶体气体传感器包括石英晶片1和电极，所述电极包括第一金属电极3、第二金属电极2和第三金属电极4，第一金属电极3和第二金属电极2设于石英晶片1的正面，第一金属电极3和第二金属电极2形成交错环状叉指电极结构，第一金属电极3和第二金属电极2中各圆环的圆心重叠，第三金属电极4设于石英晶片1的反面，第三金属电极4与第一金属电极3、第二金属电极2形成上下非对称的石英晶体微天平电极结构，第一金属电极3、第二金属电极2和第三金属电极4的外侧覆盖有气体敏感材料薄膜5；第一金属电极3、第二金属电极2和第三金属电极4为金电极或铂电极；石英晶片1为AT切石英晶片；气体敏感材料薄膜5对特定气体具有吸附特性，并且在吸附不同特定气体后其电导率发生不同的改变，为现有材料薄膜；第一金属电极3、第二金属电极2和第三金属电极4采用物理气相沉积的方法在石英晶片1上成型。气体敏感材料薄膜5则将气体敏感材料采用滴涂法、喷涂法、真空溅射法或二次生长自组装的方式在石英晶片1的正反两面形成薄膜。
使用时，通过导电胶将第一金属电极3、第二金属电极2和第三金属电极4分别与不同导线连接，并将导线引出既可。
结合图1、图2和图3，本实用新型所述具有双工作模式的压电晶体气体传感器的两种工作模式如下：
1、工作模式1，即质量敏感测试模式：此时第一金属电极3、第二金属电极2通过外部导线相连，与第三金属电极4成及石英晶片1组成具有上下电极结构的石英晶体谐振器。该谐振器在外加电压情况下，会在一特定频率下发生谐振，该频率为气体传感器固有谐振频率f0。气体传感的测试原理，即石英晶体微天平测试原理。当第一金属电极3、第二金属电极2和第三金属电极4表面的气体敏感材料薄膜5吸附特定气体时，使得石英晶体谐振器表面电极吸附的质量变化，导致谐振器谐振频率f0发生偏移变为f1，且谐振频率偏移量Δf＝f1-f0，与气体敏感材料吸收的气体质量成正比。又由于气体敏感材料吸附气体质量，与传感器所处环境中该气体的浓度成正比，故可计算得到所处气体环境中特定气体的浓度。
2、工作模式2，即阻抗测试模式：此时第三金属电极4表不工作，第一金属电极3、第二金属电极2组成叉指对电极。当第一金属电极3、第二金属电极2表面的气体敏感材料薄膜5吸附特定气体时，导致该材料的电阻率发生改变，且电阻率改变可通过测试第一金属电极3、第二金属电极2之间的阻抗得到。由于气体敏感材料薄膜5的电阻率改变与吸附特定气体的量成比例关系，而吸附量与环境中该特定气体的浓度成正比，故可计算得到传感器所处气体环境中的特定气体的浓度。
气体测试时，本压电晶体气体传感器可以在上述两个模式下自由切换。考虑到气体敏感材料薄膜5吸收不同气体时，导致的质量改变、电阻改变不同，在双测试模式下，气体传感器具有比传统的基于QCM的气体传感器更好的选择性。
上述实施例只是本实用新型的较佳实施例，并不是对本实用新型技术方案的限制，只要是不经过创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案，均应视为落入本实用新型专利的权利保护范围内。
Claims (5)
1.一种具有双工作模式的压电晶体气体传感器，包括石英晶片和电极，其特征在于：所述电极包括第一金属电极、第二金属电极和第三金属电极，所述第一金属电极和所述第二金属电极设于所述石英晶片的正面，所述第一金属电极和所述第二金属电极形成交错环状叉指电极结构，所述第三金属电极设于所述石英晶片的反面，所述第三金属电极与所述第一金属电极、所述第二金属电极形成上下非对称的石英晶体微天平电极结构。
2.根据权利要求1所述的具有双工作模式的压电晶体气体传感器，其特征在于：所述第一金属电极、所述第二金属电极和所述第三金属电极为金电极或铂电极。
3.根据权利要求1或2所述的具有双工作模式的压电晶体气体传感器，其特征在于：所述第一金属电极、所述第二金属电极和所述第三金属电极的外侧覆盖有气体敏感材料薄膜。
4.根据权利要求1或2所述的具有双工作模式的压电晶体气体传感器，其特征在于：所述石英晶片为AT切石英晶片。
5.根据权利要求1或2所述的具有双工作模式的压电晶体气体传感器，其特征在于：所述第一金属电极和所述第二金属电极中各圆环的圆心重叠。
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106153718A (zh) * | 2016-08-18 | 2016-11-23 | 中国工程物理研究院总体工程研究所 | 一种具有双工作模式的压电晶体气体传感器 |
| US20220113236A1 (en) * | 2019-07-10 | 2022-04-14 | Murata Manufacturing Co., Ltd. | Analysis device |
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- 2016-08-18 CN CN201620903722.2U patent/CN205920087U/zh not_active Expired - Fee Related
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