（生物医学工程专业论文）声表面波传感器在液相检测中的应用.pdf

a b s t r a c t an o v e lt r i p l e c h a n n e ls h e a r - h o r i z o n t a ls u r f a c ea c o u s t i cw a v e ( s h s a w ) l i q u i dd e t e c t i o ns y s t e mb a s e do n3 6 - y xl i t a 0 3w a sd e v e l o p e di nt h i sr e s e a r c h t h e s e n s o rw a sm a i n l yd e s i g n e dt od e t e c tl i q u i dc o n d u c t i v i t yi no r d e rt od e t e r m i n et h e c o n c e m t r a t i o no fh e a v ym e t a li nw a t e r t h es h - s a ws e n s o rc o n s i s t st h r e ed e l a yl i n e sw h o s ew o r k i n gf r e q u e n c i e sa r e 5 2 7 5m h z o n ec h a n n e li sm e t a l l ys h o r t e d ，a n o t h e ri se l e c t r o n i c a lo p e n e d ，a n dt h e t h i r do n ei sc o a t e dw i t hc h a l c o g e n i d eg l a s s e st oi m p r o v ei t ss e n s i t i v i yt of e 3 + b y a p p l y i n gs i l i c o nr u b b e rs e a lr i n ga n dr e s i nl i q u i dc e l l ，t h es e n s o ri sa b l et ow o r ki n l i q u i d t h ea p p l i c a t i o no ff l o wi n j e c t i o na n a l y z ei f i mt e - c 血o h i q u en o to n l ye n a b l e st h e s y s t e mw o r ka u t o m a t i c a l l y , b u ta l s oi m p r o v e si t sr e p r o d u c i b i l i t y f u r t h e rm o r e ，t h i s t e c h o n i q u ea l s os u p p l i e st i m ei n f o r m a t i o ni nd e t e c i o n ，b yu s i n gp a r t i a ll e s ts q u a r e ( p l s ) a l g o r i t h m ，w ea r e a b l et od i s e mi o nr a t i o ni nb i n a r ym i x t u r es o l u t i o n r e s u l t ss h o wt h a tt h es t a t i o n a r y r e s p o n s eo fs e n s o re x p r e s s e st h el i q u i d c o n d u c t i v i t y ( e r r o r o 2 4 ) ；t h el o w e rd e t e c t i o nl i m i ti s1 8 10 - 4s m ，a c c o r d i n gt o t h ee l e c t r o l y t e s c o n c e n t r a t i o nb e t w e e n1 0 - 41 0 。6 m o l l ；t h e s l o p eo ft r a n s i e n t r e s p o n s ed e n o t e st h e r a t i oo fb i n a r ym i x t u r ew i t hp l sm e t h o d ( e r r o r 3 ) ； c h a l c o g e n i d eg l a s s e sf i l mc a ni m p r o v et h el o w e rd e t e c t i o nl i m i to ff e 3 + f o ra b o u t1 o r d e r t h es y s t e mc a na l s od e t e c ta l c o h o lc o n c e n t r a t i o n ( e r r o r _ _ _ 0 2d e g ) a n dw a t e r r a t i oi no r g a n i cs o l u t i o n s ( e r r o r + 1 ) t h i sn o v e ls e n s o rs y s t e me x h i b i t sh i g h s t a b i l i t ya n dr e p r o d u e i b i l i t y ( 2 ) 的材料。理论上： 足2 ：! ( 2 4 ) 其中e 为材料的压电系数，c 为材料的劲度系数，r 为材料的介电系数。实 验上，1 9 6 8 年由c a m p b e l l 和j o n e s 获得f 的测量方法： k ：2 z ( 2 5 ) 其中v 为材料表面没有导体覆盖时的s a w 波速，av 为材料表面有导体覆 盖后s a w 波速的变化。式( 2 4 ) 和( 2 5 ) 可以通过电磁场公式统一起来口4 1 。 2 温度延迟系数小 温度变化时，基底材料发生热胀冷缩，声传播路径长度发生变化，同时基底 的弹性系数、密度、介电常数和压电系数等均发生改变，这些变化都将影响s a w 的波速。设声传播路径长度为l ，s a w 的声速为v ，信号频率为 丁为温度， 温度延迟系数t c d ( t e m p e r a t u r e c o e f f i c i e n to f d e l a y ) 定义为： 姗= 量鲁愕 = 三l 皓等一告鲁) = 圭堕d t 一吉鱼d t c z q 三d 丁ivjivd 丁 v 2d r ，v 、 温度延迟系数可以通过用弹性常数在不同温度下对波速进行计算获得，但是 由于t c d 包括材料的膨胀，所以只是一个近似的估计参数。对于同一种基底材 料来讲，晶体切割方向不同温度延迟系数也就不同，常用晶体的t c d 见表2 2 。 3 体波激励效应小 在激发表面波的同时也会激发体波，体波波速要比s a w 快，因此会导致器 件高频端频响发生畸变，同时体波也会消耗能量，增大器件的插入损耗，所以体 被激励越小越好。可以采用底面打磨的技术来吸收体波，或者选用合适的晶体切 形来获得( 如1 2 8 。y 二xl i n b 0 3 ) 和晶体形状对体波激发进行抑制，也可以通过 采用多条耦合器m s c ( m u l t is t r i pc o u p l e r ) ，对激发的体波进行抑制，但是m s c 会导致器件的体积增大，并且增加设计的烦琐程度。 4 声波传播受s a w 元件等的影响要小 s a w 元件( 如吸声材料、反射栅、i d t 、m s c 等) 都会影响介质表面的电 场分布，同时还会存在质量沉积效应，使s a w 传播的声阻抗发生变化。与传输 线阻抗变化对电信号传输的影响类似，声阻抗的变化将会引起s a w 的反射，改 变器件的频率响应。设计中尤其要考虑的是i d t 的反射，一般认为，当1 d t 的 厚度h 与波长x 的比小于l 时，反射可以忽略。根据具体应用的不同，s a w 的 反射可能有利，比如s a w 谐振器就是利用s a w 的反射形成驻波来工作的。 5 衍射、散射、衰减和非线性要小 理想情况下，i d t 各部分激发的s a w 应该保持平整的波阵面，经过同样的 延迟后到达接收i d t 。但实际上波阵砸略呈圆形，趋向圆形的程度由i d t 的孔径 和传播的路径长度决定。同时，压电晶体的各向异性使问题更加复杂【2 ”。s a w 的衍射会使器件的频率响应发生畸变，因此应该尽量避免。 k h a r u s i 和f a m e l l 于1 9 7 1 年发现波束偏移现象1 2 5 1 ，表明s a w 能量方向和波 阵面方向并不垂直。s a w 的衰减包括材料粘滞性带来的损耗( 与，2 成正比) 、 s a w 向体波转换带来的损耗( 与厂成f 比) ，以及声波向材料表面散射带来的损 耗等。对于抛光良好的晶体，损耗一般都很小，比如y - z 切l i n b 0 3 在1 g h z 时 的损耗约为1d b ，螂。但是压电陶瓷的损耗则比较大，因此压电陶瓷一般都用在 5 0m h z 以下。实际应用中希望可以做到传播损耗 作为 输出变量。频率信号不但具有测量方便，抗干扰能力强，测量精度高的特点，而 且频率信号是准数字信号，可以简化和数字电路的接口设计。 4 。可以实现无线传感 s a w 传感器的信号是由在r f 频端范围的高频电信号激励产生的，如果把 输出端用天线相连就可以实现信号的无线传输，这在遥感和遥测方面的贡献是非 常突出的，也是其他传感器所不具备的特点。 5 便于大批量生产，成本低 i d t 技术的发明和光刻技术的发展，以及晶体生长技术的完善是s a w 器件 大规模生产的保证，s a w 信号处理设备的年需求达几百万。所以结构类似的s a w 传感器可以得到大批量生产，并因此降低器件的成本。 2 - 4s a w 传感器分类 传统上。根据检测对象把s a w 传感器分为物理传感器和化学传感器：或者 根据传感器的响应原理分为质量传感器和非质量传感器p 引，这主要是从信号源 角度出发的分类方法。本节从s a w 响应的角度来对传感器迸行分类( 图2 - 1 2 ) ， 这种分类方法对传感器检测系统的设计有比较大的帮助。 根据波动方程y = a c o s ( c a t + ，决定一个波主要有波速、相位和幅度三个因 素。因此我们从这三个角度来对s a w 传感器进行分类。 9 首先是波速，即频率u 。因为在波长一定的条件下，波速和频率成线性关系： a f f = av v ，因此波速改变体现在输出信号上为频率的变化。波速变化的原因是 波的动能密度改变，如在器件上增加质量会增加动能脉动，从而使波速变小1 3 引。 改变波速的原因有很多。如温度、质量( 吸附类型的传感器) 、流速等。 其次是相位矿，影响相位变化的原因有波速的变化( 传播长度不变) 、环境 电特性的改变( 声阻抗发生变化一电导、介电传感器) 、传播途径的改变( 压力、 扭矩传感器) 等【3 3 1 。如果传感器工作在振荡检测电路中，无论那种原因都会引 起振荡频率的改变( 相位条件改变，引起频率跳变以重新符合相位条件) 。因此 根据检测手段的不同，相位改变的最终输出信号为频率或相位。 最后是幅度a ，也就是声波的能量。声波能量的衰减主要是由于声波在传递 过程中的散射( 分子量传感器、粘度传感器等) 造成的【33 1 ，体现在信号上就是 信号幅度的减小。因此，能量衰减的最终输出为幅度。 在实际应用中，以上三种影响因素有时候是同时发生的。如液体流量传感器， 实验中会发现幅度的改变和频率的偏移，原因在于对于粘滞性液体，声波能量会 散射到溶液中，而流动的液体带走了部分热量，改变了声动能：同样如气体传感 器，气体的吸附会导致质量的改变，但特异膜的粘弹性会吸附声波能量。因此在 实验中经常会发现有频率偏移和幅度衰减同时出现。 d 塑至亟垂要要习 然墅乎k 两礓稠圈 f 二二二一 l 墼塑圈r 研丽圃 h 顸丽雨则 哑巫叫咧蔷磕 hmh 0 i “l o 一 q 丽嘲 i 广_ 题匝王匦蟹馥- 逐塑匦煎鞫 l 丽丽瓣 _ 卜匦飘圈 l 隧万硼 图2 - 1 2 根据传感器响应类型的分类方法 s a w 传感器的传感方程基本上都可以从a u l d 的扰动理论川中得到，在这基 础上，还需要考虑很多问题。如，对于质量传感器，需要考虑的是吸附现象；对 于有吸附膜的传感器，还要考虑吸附膜的特性，如分子量、粘弹性、热膨胀、导 电能量等；对于液体，要考虑到固液界面作用、波在两相的传播和液体电特性等。 2 5s a w 传感器现状和发展 2 5 _ 1 现状 在s a w 器件技术的支持下，s a w 传感器由于其高灵敏度、良好的可重复性， 以及小巧便利等特点目前已经进入了产品化的应用阶段。美国国家环境保护组织 ( e p a ) 已经把s a w 气体传感器作为环境监测的手段之- - 3 4 j 。 目前已经产品化的s a w 传感器包括温度传感器、湿度传感器、气体传感器 和液体传感器。美国s a n d i a 国家实验室在研究工作中把s a w 传感器作为气相色 谱的检测机构实现了对空气中神经毒气的在线检测 3 5 , 3 6 】，检测下限为几个p p m ， 噪声限为1 0h z ；美国m i c r o s e n s o r 是专门从事s a w 化学传感器的公司，该公司 e a g l e 系列s a w 仪器可以实现对气体、液体各种环境参数的检测，并且应用在 工业现场当中【3 7 】。其他还有集成4 个s a w 传感器的手持式s a w 阵列气体检测 仪器【3 0 】等。 2 5 2 发展 就目前而言，s a w 传感器已经向阵列化、智能化、集成化方向发展，并且 开始应用在实时检测系统当中。 实际应用中传感器的交叉敏感性( c r o s st a l k ) 比较大，如气体传感器的选择 性吸附膜的选择性不是完全单一响应的，所以需要传感器阵列获得对同种影响的 不同响应，结合数据处理方法来分离各个影响因素，这就是智能阵列传感器1 3 ”。 g a a s 材料同时具有半导体和压电特性【4 0 】，以及压电薄膜( z n o 、a 1 n ) 1 4 1 1 的发现，可以采用m e m s 工艺把s a w 传感器和检测电路集成在一个芯片中。这 不但减小了体积和成本，还提高了系统的稳定性f 4 “。 随着s a w 传感器在液相检测应用的发现，现在已经丌始在生物、医学和化 学分析领域1 4 2 1 得到了广泛的应用，并且获得了令人满意的效果。但是由于固液 界面的复杂性以及液体的能量散射作用，所以液相应用还是个难题 3 8 1 。 目前s a w 传感器已经成为在线环境检测上的重要手段之一，并且开始应用 在大气检测、生化武器的探测以及水体检测当中p 。 s a w 传感器由于其独特的特点将会在环境监测和临床诊断方面得到越来越 广泛的应用，并且成为现代传感器的重要支柱之一。 集成s a w 气体传感器 s a w 液相生物传感器s a w 智能气体实验室 s a w 在线检测探头 参考文献 1 b a a d u l d ，a c o u s t i cf i e l d sa n dw a v e si ns o l i d n e wy o r k ：w i e l y , i9 7 3 ，v 0 1 2 2 g r a t e j w ，b a e r , r l ，i n ：c u r r e n tt o p i c si nb i o l c l h y s i c s ：b i o s e n s o r s ，f r a n g e p o l ，p 一， n i l o l e l i s ，d p ( e d s ) ；l a s i ，r o m a n i a ：l a s iu n i v e r s i t yp r e s s ，1 9 9 6 1 5 1 6 j 7 18 1 9 2 0 2 1 2 2 2 3 2 4 2 5 2 6 2 7 2 8 2 9 l o r dr a y l e i g h o nw a v ep r o p a g a t i o na l o n et h ep l a n es u r f a c eo fa ne l a s t i cs o l i d p r o c l o n d o nm a t h s o c ，1 7 ，4 - 1 l ( 】8 8 5 ) r o b e r tw e i g e le ta l ，m i c r o w a v ea c o u s t i cm a t e r i a l s ，d e v i c e s ，a n da p p l i c a t i o n s 【j 】i e e et r a n s m 丌，v 0 1 5 0 ，n o 3 ，m a r c h2 0 0 2 a e h l o v e s o m ep r o b l e m so f g e o d y n a m i c s c a m b r i d g e ，1 9 11 ；d o v e r1 9 6 7 s u t i l o v , v a i n ：p h y s i kd e su l t r a s c h a l l s ，h a u p t m a n np ( e d ) ；s p r i n g e lv i e n n a ：1 9 8 4 m e l e i w i s i e e eu l t r a s o n i e ss y r u p 1 9 7 7 ，p 1 7 4 4 - 7 5 2 d r o b e ，h ，l e i d l ，a ，r e s t ，m ，r u g e ，1 ，s e n s a c t u a t o r sa3 7 ( 1 9 9 3 ) 1 4 l 一1 4 8 m o r i i z u m i ，t ，u n n o ，y ，s h i o k a w a , s ，i n ：p r o c e e d i n g so ft h e i e e eu l t r a s o n i c s s y m p o s i u m ；1 9 8 7 p p 5 7 9 - 5 8 2 h e n g a n k a 1 n g e b r i g t s e na n d a t o n n i n g a p p l p b y s l e t t ，1 0 ，3 1 1 - 3 j 3 ( 】9 6 7 ) b a a u l d ，j i g a n e p a i na n dm t a n e l e c t r o n i c sl e t t ，1 2 ，6 5 0 - 6 5 1 ( 1 9 7 6 ) i - d a v r a m o v g i g a h e r t zr a n g er e s o n a n td e v i c e s f o r o s c i l l a t o ra p p l i c a t i o nu s i n gs h e a r h o r i z o n t a la c o u s t i c sw a v e s ，i e e e t r a n s u f f c ，4 0 ，4 5 9 - 4 6 8 ( 1 9 9 3 ) 刘德忠，姚守拙声表面波传感器的发展与应用化学传感器，1 9 9 5 ，1 5 ( 4 ) - 2 4 1 - 2 5 7 ，2 7 2 t o n g ，x ，z h a n d ，s a n s a c t u a t o r sa7 8 ( 1 9 9 9 ) 1 6 0 _ 1 6 2 j e n ，ck ，o l i v e i r a , j e b ，y u ， j c h ，d a i ，j d ，b u s s i e r e ，j e ，a p p l p h y s l e t t 5 6 ( 19 9 0 ) 2 18 3 - 2 18 5 g r a t e ，j w ，m a r t i n ，s j ，w h i t e ，r m ，a n a l c h e m a6 5 ( 1 9 9 3 ) 9 4 0 - 9 4 8 j l b l e u s t e i n a p p l p h y s l e t t ，1 3 4 1 2 - 4 1 3 ( 1 9 6 8 ) c c a m p b e l l s u r f a c ea c o u s t i cw a v ed e v i c e sf o rm o b i l ea n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s 【m 】 a c a d e m i ep r e s s ，n e wy o r k ，i9 9 8 c u r i ea n dp c u r i e b u l l s o c m i n f r a n c e ，l8 8 0 ，3 ，9 0 g l i p p m a n n a n c h j m p h y s s e t 5 ，1 8 8 1 ，2 4 ，1 4 5 m i c h a e lt h o m p s o n ，a n dd a v i dc s t o n e ，s u r f a c e - l a u n c h e da c o u s t i cw a v es e n s o r s ， w i l e y - i n t e r s c i e n c e 19 9 7 郝俊杰徐廷献声表面波用基片材料硅酸盐通报2 0 0 0 ，1 9 ( 6 ) 一3 2 3 6 樊海涛，叶学松等，声表面波液相传感器及其应用，s t c 2 0 0 3 d p m o r g a n ，h i s t o r yo f s a wd e v i c e s c 1 9 9 8i e e ei n t f r e q ，c e n t s y m p c o l i nc a m p b e l l ，s u r f a c ea c o u s t i cw a v ed e v i c e sa n dt h e i rs i g n a lp r o c e s s i n ga p p l i c a t i o n s ， p 2 1 ，19 8 9a c a d e m i cp r e s s ，i n c m s k h a r u s ia n dgw f a r n e l l d i f f r a c t i o na n db e a ms t e e r i n gf o rs u r f a c e - w a v ec o m b s t r u c t u r e so na n i s o t r o p i cs u b s t r a t e s ，i e e et r a n s ，s u - 1 8 ，3 4 - 4 2 ( 1 9 7 1 ) j rk l a u d er ，a c p r i c e s s d a r l i n g t o na n dw j a i b e r s h e i m t h et h e o r ya n dd e s i g no fc h i n r a d a p s b e l ls y s tt e c h j ，3 9 ，7 4 8 8 0 8 ( 1 9 6 0 ) w s m o r l l y b r i t i s hp a t e n t 9 8 8 ，1 0 2 ( 1 9 6 3 ) j h r o w a n ，u s p a t e n t3 ，2 8 9 ，1 1 4 ( 1 9 6 3 ) r m w h i t ea n df w , v o l t m e r , d i r e c tp i e z o e l e c t r i cc o u p l i n gt os u r f a