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声表面波气敏传感器原理结构与特点

2014-02-21 sensor 684

声表面波气敏传感器,亦称SAW(Surface Acoustic Wave)气敏传感器,是众多传感器中最为复杂,涉及面较广的传感器类型。声表面波(SAW)器件由压电材料、叉指换能器(IDT)和振荡电路构成,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。声表面波气敏传感器通常有延迟线和谐振器两种结构,目前国内外大多数SAW气敏传感器都是基于SAW延迟线振荡器的气敏元。

声表面波气敏传感器涉及重点在于化学界面膜、SAW传感器及电子线路3个方面。在应用中,为了消除环境温度、压力、湿度等因素对测量结果的影响,通常采用双通道结构,如下图所示。一个通道上镀以敏感膜用于测量,另一个是未镀膜的参考通道用于对环境温度、压力、湿度等因素的补偿,通过计算可以得到两者间频率的差,从而得出待测气体浓度。

一个完整的声表面波气敏传感器通常由石英声表面波装置(ST-Quartz SAW Device)、SAW装置检测片(SAW Device Detector Block)、振幅测量系统(Amplitude Measurement System)、相测量系统(Phase Measurement System)、频率测量系统(Frequency Measurement System)、压力监测系统(Pressure Mitoring System)、温度控制系统(Temperature Control System)、温度压力检测仪(Temperatureand Pressure Test Apparatus)、数据软件(Data Acquisition Software)等组成,这些设备共同构成SAW传感器完成检测。

声表面波气敏传感器工作原理

声表面波器件之波速和频率会随外界环境的变化而发生漂移。声表面波气敏传感器就是利用这种性能在压电晶体表面涂覆一层选择性吸附某气体的气敏薄膜,当该气敏薄膜与待测气体相互作用(化学作用或生物作用,或者是物理吸附),使得气敏薄膜的膜层质量和导电率发生变化时,引起压电晶体的声表面波频率发生漂移;气体浓度不同,膜层质量和导电率变化程度亦不同,即引起声表面波频率的变化也不同。通过测量声表面波频率的变化就可以准确的反应气体浓度的变化。

声表面波气敏传感器特点

与其他传感器相比,声表面波气敏传感器具有以下一些独特的优点:精度高、分辨率高、抗干扰能力强、适合远距离传送;输出信号为振荡器频率的变化,易于与计算机接口组成自适应实时处理系统;灵敏度高,有效检测范围线性好;采用集成电路中的平面工艺制作,实现单片多功能化、集成化、智能化,减小了传感器的体积和重量,携带方便。此外,声表面波气敏传感器的成本低,能够进行大批量生产。尽管SAW传感器发展时间不长,但它符合信号系统数字化、微机控制化,正向高精度、高可靠性、高度集成化的方向发展,因而受到人们的高度重视。

新型声表面波气敏传感器

1.激光激发声表面波气敏传感器

传统的声表面波气敏传感器大多采用金属叉指换能器(IDT)制成的,但传统的声电换能器由于固有的缺点,如频响低,接触式等,越来越多地被不断发展的光学方法所代替。光学方法可以分为干涉法和非干涉法,并且有光纤化的趋势,光纤传感器由于固有的诸多优点,例如小巧灵活,抗干扰强,易于微型化和集成化,已越来越多地被用在超声检测中,替代已有的复杂光路检测手段。

激光超声检测技术以其非接触和适合运动检测等显着优点,已成为无损检测领域中的一种重要技术和手段。结合传统声表面波气敏传感器的吸附性薄膜与气体作用的原理与激光超声检测技术,可提出一种新的气体传感器原理,即采用激光在覆有吸附性薄膜的金属表面激发声表面波,用单芯光纤耦合的反射式光束偏转法在薄膜处对所激发声表面波进行探测,进而准确检测出气体的浓度。此气体传感器的优点在于采用光学方法来检测由激光激发的声脉冲,不仅非接触,而且也为气体监测提供了一种新的途径。

2.基于气液相转变效应的声表面波气敏传感器

针对传统涂敷敏感膜的声表面波(SAW)气敏传感器存在成膜困难、选择性差、重复性差以及再生性差等问题,通过建立气液相转换效应模型,推导出传感器灵敏度与温度、有机蒸气质量分数之间的函数关系,进而建立VOCs液相凝聚层负载下的SAW波传模型,仿真计算波传频散和波传衰减,可以提出一种基于气体气液相转变效应来检测痕量挥发性有机气体(VOCs)的声表面波气敏传感器。同时引入气相色谱(GC)分离柱作为无敏感膜涂敷SAW气体传感器的选择性虚拟列阵,解决这种高灵敏度气体传感器用于混合VOCs测量时的选择性问题。初步的实验结果表明,基于气液相转变效应的声表面波气敏传感器系统具有灵敏度高(可检测质量分数为10-9的VOCs)、分析时间短、选择性好、微型化、成本低等优势。

声表面波气敏传感器的发展潜力

1.提高敏感膜的选择性。

要对现有敏感材料的性能进行优化并对成膜技术进行改进以提高材料的选择性和稳定性。另外,还要不断研制和开发选择性更强的气敏材料。

2.提高声表面波(SAW)气敏传感器的灵敏度和稳定性。

要求能够在很短的时间内检测到剂量很小的有毒有害气体。同时还要尽可能增强SAW气敏传感器的抗干扰能力。

3.缩小气敏传感器的体积。

可以通过进一步集成SAW气敏传感器的电路,减小其体积和重量。

4.传感器阵列化和信息融合。

由于单个传感器检测气敏的精度和个数有限,阵列化有助于提高传感器的精度,缩小传感器体积,并且可以检测多个气敏。运用信息融合技术对阵列传感器的数据进行融合,可以提高精度和可靠性。

5.更高频率的声表面波器件的研制,缩短声表面波器件从实验室到生产线的开发周期,使其易于产品化。

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