声表面波传感技术用于微液滴尺寸检测的研究

    液相是普遍存在的一种状态,对于液相的检测在生命科学、环境监、化学处理控制、及材料科学等许多领域中都占有重要的地位,因而使得液体传感器的重要性日益凸现.随着微机电技术的发展,许多领域对测试器件的微型化也有了相对较高的要求.声表面波传感技术具有成熟、工艺简单、且易于集成等优点,是适应微传感器(microsensors)和微机电系统(MEMS)发展趋势的一种新型传感器,在液相检测深入到各行各业的应用背景下,受到了广泛关注和重视.国内外许多学者研究了声表面波(surface acoustic wave,SAW)在液相中的传输,并制作了相应的液相传感器.White等[1-2]将声表面波技术应用于与生物学有关的液相系统.施文康等[3-4]对声表面波技术用于液相检测传感器进行了研究.叶学松等[5]设计了可用于检测溶液中溶质含量的分析系统,并对溶液的总盐度、白酒的酒精度,以及食用油、汽油等有机溶液中水的质量分数进行了检测.笔者采用声表面波技术研究微液滴大小的检测,设计了声表面波传感器以及检测系统,并以5~10LL的微液滴为测量对象,讨论了声表面波衰减与微滴大小之间的关系.同时还针对液相的黏性对声表面波技术测量微液滴的影响进行了讨论和实验验证.

    1 检测原理

    声表面波是一种能够在固体表面传递的弹性能量波,其传递的能量百分之九十都集中在表面以下大约一个波长的深度.拉姆波(LAMB)作为声表面波的一种,能够被叉指换能器(interdigital trans-ducer, IDT)激发在厚度为1~2 mm的平板上,如果平板上存在液滴,就会对声波的振幅以及传播速度产生影响,LAMB与液滴作用后将在液滴的另一面继续传播.这样通过检测与液体作用后的信号,就可以获得有关液滴的体积大小信息.

    一个基本的声表面波(SAW)器件主要由压电基片、金属换能器和在固体中传播的声波3部分组成.基片材料由具有压电效应的晶体在特定的方向上切割而成,叉指换能器IDT采用集成电路工艺沉积在基片材料上而成.当输入IDT接收射频电压信号时,由于逆压电效应,在基片材料上产生与射频信号相同频率的声表面波;声表面波沿着基片传输到接受IDT时,又因正压电效应转换为相同频率的电信号.如果在SAW波的传播路径上存在干扰,就会对声的振幅以及传播速度产生影响,这样通过在输出IDT测量接收的电信号,就会获得干扰源的信息,据此原理可以利用声表面波技术实现液滴的检测.

    2 测试系统及过程

    测试系统的结构如图1所示.实验时,采用安捷伦信号发生器Agilent 33220A产生电信号施加在发射IDT的两个电极上.为了产生较强的SAW波信号,采用正弦脉冲电信号作为激励源,使IDT基体在较长时间内都能激发出声表面波.采用1 MHz正弦信号,信号幅度峰峰值20 V,并且每产生5个周期的正弦信号,就暂定输出100 ms,然后再重复输出下一组5个周期的正弦波.在接收IDT一端,采用数字示波器接收IDT输出的电压信号.由于输入为1 MHz的电信号,因此接收端需要高采样频率,这对示波器的带宽要求较高.本系统采用美国力科示波器(WaveRunner600Xi),其带宽为600MHz,同时利用函数发生器的触发输出端口对示波器测量信号同步.