專利名稱：聲表面波液相陣列傳感器及其敏感膜的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用聲波測量同時(shí)檢測液體電特性和金屬離子成份的聲表面波液相陣列傳感器及其制備方法背景技術(shù)重金屬離子能夠?qū)θ梭w產(chǎn)生有害甚至致命的影響，因此重金屬的定量檢測在藥物、食品、臨床和環(huán)境監(jiān)測等方面有著非常重要的意義；同時(shí)液體的電特性(電導(dǎo)率等)也是描述液體背景值的一個(gè)重要參數(shù)。目前的檢測方法(如原子吸收分光光度法、質(zhì)譜法)只能對重金屬離子作分析，而且檢測手段復(fù)雜的確定，同時(shí)鹽度計(jì)、電導(dǎo)率儀盡管可以對液體的電特性作測量，但是也存在重復(fù)性不好，電極維護(hù)復(fù)雜的缺點(diǎn)。而且目前沒有可以應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場實(shí)時(shí)檢測的工具。

發(fā)明內(nèi)容
為了可以同時(shí)對液體的電特性及各種金屬離子作檢測分析，本發(fā)明的目的是提供一種聲表面波液相陣列傳感器及其敏感膜的制備方法。
本發(fā)明采用的技術(shù)方案是1.聲表面波液相陣列傳感器包括銅板、壓電基底、插指電極對、延遲線通道、密封環(huán)和檢測腔蓋。所述的插指電極對有n對，延遲線通道有n個(gè)，包括通過暴露延遲線上的壓電基底形成的1個(gè)開路通道、通過用金屬材料短路延遲線形成的1個(gè)短路通道和通過脈沖激光沉積(PLD)技術(shù)在n-2個(gè)延遲線上的壓電材料上制備對不同金屬敏感的薄膜形成n-2個(gè)敏感通道，各個(gè)通道按Y方向依次順序并聯(lián)組成在同一個(gè)壓電基底上；延遲線上四周裝有保護(hù)叉指電極的密封環(huán)，密封環(huán)上裝有檢測腔蓋，檢測腔蓋兩端裝有開液體進(jìn)水口和出水口的塑膠導(dǎo)管。
所說的聲表面陣列傳感器包括4個(gè)聲表面延遲線傳感器，即n＝4。
2.聲表面波液相陣列傳感器敏感膜的制備方法采用脈沖激光沉積(PLD)技術(shù)在聲表面波延遲線陣列傳感器上制備敏感單元，即脈沖激光沉積設(shè)備主要由激光發(fā)生器、透鏡和真空腔組成，在通過真空泵將真空腔抽成真空，然后通過充氣口充入N2氣，將壓電基底升溫到100℃，預(yù)熱20分鐘，由激光器產(chǎn)生激光，通過透鏡，利用照射在對不同金屬離子敏感的靶材料上后形成的等離子氛將靶材料沉積在敏感單元的壓電基底上，沉積結(jié)束后保持10分鐘，然后在真空腔中自然降溫。工藝參數(shù)為

本發(fā)明與背景技術(shù)相比，具有的有益的效果是它采用聲表面波傳感器可以使檢測器件小，信號干擾小；多通道的結(jié)構(gòu)可以對液體電特性和金屬離子作同時(shí)測量。本傳感器可在食品、工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)(如血液、體液)等領(lǐng)域中對液體電特性和金屬離子進(jìn)行動態(tài)實(shí)時(shí)的定性、定量檢測。


下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明；圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)俯視圖；圖2為本發(fā)明的加檢測腔蓋的結(jié)構(gòu)俯視圖；圖3為本發(fā)明的裝配示意圖；圖4為圖2的I-I’剖視圖；圖5為本發(fā)明的檢測系統(tǒng)示意圖；圖6為PLD制備傳感器敏感通道的原理圖；圖7典型的傳感器動態(tài)響應(yīng)曲線；圖8為Fe3+敏感通道對Fe3+離子濃度的響應(yīng)曲線；圖9為敏感通道和開路通道的對比實(shí)驗(yàn)曲線；圖10為開路通道對液體總鹽度的響應(yīng)曲線；圖11為開路通道對白酒酒精度的響應(yīng)曲線；圖12為開路通道對汽油摻水率的響應(yīng)曲線。
圖中1為銅板，2為壓電基底，3為密封環(huán)，4為敏感膜材料，5為金屬層，6為敏感通道，7為短路通道，8為開路通道，9為檢測腔蓋，10為進(jìn)水口塑膠管，11為出水口塑膠管，12為A為計(jì)算機(jī)，B為高頻振蕩電路，C為混頻低通電路，D為頻率計(jì)，E為傳感器，F(xiàn)為廢液槽，G為進(jìn)樣裝置，H為蠕動泵。
具體實(shí)施例方式
1、傳感器的結(jié)構(gòu)
如圖1、圖2、圖3、圖4、圖5所示聲表面波液相陣列傳感器，包括銅板1、壓電基底2、插指電極對、延遲線通道，其特征在于所述的插指電極對有n對，延遲線通道有n個(gè)，包括通過暴露延遲線上的壓電基底形成的1個(gè)開路通道8、通過用金屬材料短路延遲線形成的1個(gè)短路通道7和通過脈沖激光沉積(PLD)技術(shù)在n-2個(gè)延遲線上的壓電材料上制備對不同金屬敏感的敏感膜4形成n-2個(gè)敏感通道6，各個(gè)通道按Y方向依次順序并聯(lián)組成在同一個(gè)壓電基底上；延遲線四周裝有保護(hù)叉指電極的密封環(huán)3，密封環(huán)3上裝有檢測腔蓋9，檢測腔9蓋兩端裝有開液體進(jìn)水口和出水口的塑膠導(dǎo)管10、11。
2、傳感器制備傳感器參數(shù)選用36°Y切割，X方向傳播的LiTaO3壓電晶體作為基底材料，壓電基底的尺寸16.5×9.5×1mm3；檢測腔的尺寸為3×20×1mm3。每一個(gè)通道參數(shù)為輸入和輸出IDT均為單指、等長的100對插指換能器；IDT周期60um，中心頻率50MHz；IDT孔徑2.43mm，中心間距12mm；短路金屬層為Al膜，厚度為3000。
敏感膜制備本方案以Fe3+離子敏感材料成膜技術(shù)為例作具體說明。選擇Fe1.2(Ge28Sb12Se60)98.8硫系玻璃為Fe3+離子的敏感材料。采用脈沖激光沉積(PLD)技術(shù)在聲表面波延遲線陣列傳感器上制備敏感單元，脈沖激光沉積設(shè)備主要由激光發(fā)生器11、透鏡12和真空腔14組成，在通過真空泵13將真空腔抽成真空，然后通過充氣口17充入N2氣，將傳感器18升溫到100℃，預(yù)熱20分鐘，由激光器產(chǎn)生激光，通過透鏡12，利用照射在對不同金屬離子敏感的靶材料15上后形成的等離子氛16將靶材料15沉積在敏感單元的壓電材料18上，沉積結(jié)束后保持10分鐘，然后在真空腔中自然降溫。工藝參數(shù)為

傳感器與檢測系統(tǒng)的連接如圖5所示，每個(gè)通道通過各自兩端的輸入輸出叉指電極分別和高頻振蕩電路B的輸入輸出相連，開路通道的信號和n-2個(gè)敏感通道的信號分別和各自的混頻低通電路C的一個(gè)輸入端口相連，所有混頻低通電路的另一個(gè)輸入端口和短路通道的信號相連，獲得的n-1個(gè)差頻信號由頻率計(jì)D檢測后傳送給計(jì)算機(jī)A。
傳感器原理36°Y切割，X方向傳播的LiTaO3壓電晶體可以有效的激發(fā)水平剪切波，該波型在液體中傳播而極少有能量衰減。在表面液體物理特性一定的前提下，壓電材料中聲波的相速度波速取決于液體的電特性。由于電短路聲道對電特性的響應(yīng)為零，所以可以通過檢測兩個(gè)聲道的聲波頻率差來反映液體的電導(dǎo)率和介電常數(shù)。聲電效應(yīng)的原理公式為Δff=-Ks22(δ′/ω)2+ϵ0(ϵr′-ϵr)(ϵr′ϵ0+ϵpT)(δ′/ω)2+(ϵr′ϵ0+ϵpT)2]]>Ks，εpT，δ′，εr′，ε0分別是壓電材料的機(jī)電耦合系數(shù)和介電常數(shù)、液體的電導(dǎo)率、液體的介電常數(shù)，空氣的介電常數(shù)，振蕩頻率的改變體現(xiàn)了液體的電特性。
機(jī)電效應(yīng)的原理公式為Δff=-Vhv224P(ρ′-μ′V2)]]>h，p分別在敏感通道上吸附物質(zhì)的厚度和密度。
系統(tǒng)的工作過程啟動高頻振蕩電路B、混頻低通電路C和頻率計(jì)工作；計(jì)算機(jī)A打開去離子水閥，關(guān)閉樣液閥，同時(shí)打開蠕動泵H，向傳感器E進(jìn)去離子水；待液體完全進(jìn)入傳感器E后計(jì)算機(jī)A開啟和頻率計(jì)D的通訊；等待傳感器對去離子水的響應(yīng)穩(wěn)定(10s內(nèi)讀數(shù)偏差范圍＜20Hz)，或者控制一定的進(jìn)樣時(shí)間(如20s)；然后打開樣液閥關(guān)閉去離子水閥，向傳感器E進(jìn)樣液，等待傳感器E對樣液的響應(yīng)穩(wěn)定(10s內(nèi)讀數(shù)偏差范圍＜20Hz)，或者控制一定的進(jìn)樣時(shí)間(如20s)。如此就完成了一次檢測過程。經(jīng)過檢測后的流出傳感器E的液體流到廢液槽F。取傳感器E對兩者穩(wěn)態(tài)頻響的差值為對樣液的響應(yīng)值，即y＝f(樣液)-f(水)，如圖7所示。
傳感器特性描述按10-2～10-6mol/l的濃度間隔10倍配比Fe(NO3)3溶液，選擇Fe1.2(Ge28Sb12Se60)98.8硫系玻璃用脈沖激光沉積(PLD)技術(shù)在敏感通道上制備敏感膜材料。圖8為傳感器敏感通道對上述濃度Fe(NO3)3溶液的響應(yīng)曲線，圖9為傳感器敏感通道和傳感器開路通道對10-3mol/l的Fe(NO3)3溶液對比響應(yīng)曲線。敏感通道對Fe(NO3)3溶液檢測下限可以達(dá)到10-5mol/l。
用電導(dǎo)率儀標(biāo)定0.024S/m、0.039S/m、0.1S/m、0.18S/m、0.32S/m、0.58S/m的KCl溶液，用開路通道對它們進(jìn)行測量，可以得到如圖10所示的曲線，傳感器的檢測下限為1.2×10-4S/m。
將35度、36度、37度、38度和39度的白酒作為樣液，用開路通道進(jìn)行檢測，可以得到如圖11所示的曲線。傳感器的檢測靈敏度為1.5KHz/度，檢測精度為0.2度。
對于食用油，按摻水比例2％，5％，10％，15％和20％進(jìn)行混合后作為樣液，用傳感器的開路通道進(jìn)行測量，可以得到如圖12所示的曲線?？梢杂行ёR別＞5％的有機(jī)溶液摻水比例。
權(quán)利要求
1.一種聲表面波液相陣列傳感器，包括銅板(1)、壓電基底(2)、插指電極對、延遲線通道，其特征在于所述的插指電極對有n對，延遲線通道有n個(gè)，包括通過暴露延遲線上的壓電基底形成的1個(gè)開路通道(8)、通過用金屬材料短路延遲線形成的1個(gè)短路通道(7)和通過脈沖激光沉積技術(shù)在n-2個(gè)延遲線上的壓電材料上制備對不同金屬敏感的敏感膜(4)形成n-2個(gè)敏感通道(6)，各個(gè)通道按Y方向依次順序并聯(lián)組成在同一個(gè)壓電基底上；延遲線四周裝有保護(hù)叉指電極的密封環(huán)(3)，密封環(huán)(3)上裝有檢測腔蓋(9)，檢測腔(9)蓋兩端裝有開液體進(jìn)水口和出水口的塑膠導(dǎo)管(10、11)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聲表面波液相陣列傳感器，其特征是所述的聲表面陣列傳感器包括4個(gè)聲表面延遲線傳感器，即n＝4。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聲表面波液相陣列傳感器的敏感膜的制備方法，其特征是采用脈沖激光沉積技術(shù)在聲表面波延遲線陣列傳感器上制備敏感通道，即脈沖激光沉積設(shè)備主要由激光發(fā)生器(19)、透鏡(12)和真空腔(14)組成，在通過真空泵(13)將真空腔抽成真空，然后通過充氣口(17)充入N2氣，壓力為0.2mbar，將傳感器基底(18)升溫到90～120℃，預(yù)熱15～25分鐘，由激光器產(chǎn)生激光，通過透鏡(12)，利用照射在對不同金屬離子敏感的靶材料(15)上后形成的等離子氛(16)將靶材料(15)沉積在敏感單元的壓電基底(18)上，沉積結(jié)束后保持8～15分鐘，然后在真空腔中自然降溫。
全文摘要
一種聲表面波液相陣列傳感器及其敏感膜的制備方法，該傳感器由多個(gè)聲表面波延遲線傳感器組成，通過對延遲線作開路、短路的方法可以檢測液體的總體電特性參數(shù)，通過用激光脈沖沉積(PLD)技術(shù)在延遲線上制備敏感薄膜的方法，可以對液體中多種金屬離子成分進(jìn)行分析。本發(fā)明可在食品、工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)(如血液、體液)等領(lǐng)域中對液體的電特性以及多種金屬離子進(jìn)行定性和定量的檢測。
文檔編號G01N29/02GK1558226SQ20041001590
公開日2004年12月29日 申請日期2004年1月14日 優(yōu)先權(quán)日2004年1月14日
發(fā)明者葉學(xué)松, 樊海濤, 楊明艷, 王平 申請人:浙江大學(xué)