一种新型的声表面波液相分析仪器的研究

　　1　引　　言

　　目前,借助仪器分析的手段对液体某些参数进行分析的仪器主要有光学分析仪器、高效液相色谱仪器、质谱仪等。这些仪器的分析时间一般较长,分析过程烦琐复杂,此外,由于体积较大、使用条件苛刻,使得它们适合在实验室内而不适合于测试现场使用。目前能够在现场直接进行液相成分分析的传感器主要有离子选择性电极(ISE)化学传感器,然而其测量电极电位和电流的方法在使用中存在如下问题:(1)普通电极形式的传感器体积较大;(2)测量直流弱电压(或电流)信号增加了测量系统的难度,测量结果易受电气干扰;(3)普通电极形式的传感器不易稳定(或达到稳定需较长时间)且重复性存在较多的问题[1]。因此,一种能实时在线检测溶液中某种特性参数的分析仪器在环境监测和工业生产等众多场合有着广泛的应用前景。

　　基于压电材料制作而成的声表面波(surfaceacoustic wave SAW)传感器自20世纪70年代以来被广泛地应用于气体检测。声表面波传感器“电子鼻系统”开始广泛应用于工业过程控制和环境监测中,国外的一些研究者把SAW传感器作为气相色谱的检测机构,实现了空气中神经毒气的在线检测[2]。随着微加工技术的不断成熟和发展,SAW传感器已经向阵列化、智能化、集成化方向发展,并且以产品化的形式应用在实际的检测系统中。目前国际市场上已经出现了集成4个SAW传感器的手持式SAW阵列气体检测仪器[3],一些国家的环境保护组织已经把SAW传感器作为环境监测的手段之一[4]。考虑到在液相传播中,水平剪切模式的声表面波不易衰减,文中设计了一种双通道水平剪切声表面声波SH-SAW的传感器作为分析仪器的检测机构,并将流动注射分析技术应用于该系统。从本质上分析,液体中质量、电导率等参数的变化将引起基于压电效应的SH-SAW传感器的输出频率的变化,从而间接测量溶液中的物质成份和浓度。水体中金属离子的含量与生态环境直接相关,为了检测水体中金属离子的含量,对基于SH-SAW传感器的金属离子传感器作了相应的基础研究并取得了较好的结果[5]。为了拓宽SH-SAW传感器在工业和质量管理领域的应用,相继用这种传感器对溶液中的酒精度,食用油、汽油中水的含量等参数进行了定量检测并获得了良好的效果[6]。

　　在基于LABVIEW虚拟仪器测试平台的研究基础上,根据在此平台下构架形成的测试方法和原理,从仪器化的角度出发,以DSP、CPLD以及USB接口设计为核心将以往的测试系统微机化,形成一种新型的分析仪器。

　　2　传感器检则原理和设计制作

　　2.1　传感器检测原理

　　如图1所示,这是一种基于延迟线结构的声表面波传感器的结构示意图。通过半导体微电子工艺可在压电材料的基底上制作出两个叉指电极(IDT),两个叉指电极的中间区域称为延迟线。在输入与输出叉指电极间引入足够增益的电压放大器,由于压电材料的压电效应,在相位和振幅满足振荡的条件下,将会引起叉指电极对间的自激振荡。声传播路径中的延迟线形　　成声表面波传感器的敏感部分。声表面波器件的延迟线暴露在某种环境下,声波的传播受到环境因素(湿度、温度、压力、质量、粘度、密度等)的影响将导致声波频率的变化;或者是环境对声波的能量产生了吸收或散射作用,使得声波能量发生衰减(振幅)。这些变化最终体现在输出信号频率或幅度的差异上,这就是表面波传感器的基本传感原理。由于延迟线结构具有较长的声波传播途径,因此这种结构的声表面波传感器可以获得较大的敏感面积进而被经常应用于生物化学传感器中。