压电化学传感器的基片材料

理论上, 任何压电晶体材料如石英、GaAs、LiTaO3 、LiNbO3 、Bi12 GeO2 等单晶都可用作压电化学传感器的基片。但由于在实际应用中,频率响应受很多因素如温度、质量、压力、湿度等的影响,故应根据实际制作传感器类型的需要,选用只对所需参数敏感的压电材料。

如QCM 一般选用AT2切石英晶体,因为它的温度系数为零(室温时) 。石英晶体的优点是它不需要人工极化处理,介电常数和压电常数的温度稳定性好。同时,它还具有机械强度高、绝缘性能好等优点。而在SAW 压电基片的材料因结构致密,尤其是有良好的表面性能,经抛光后能达到很好的粗糙度。目前,SAW气体传感器的基片材料一般选用Y2Z 切铌酸锂(LiNbO3 ) ,根据需要也可以采用石英或ZnO2SiO22Si 半导体压电基底结构。

由于Y2Z 切铌酸锂具有很高的耦合系数,因而可使用叉指数很少的低插入损耗叉指换能器( IDT) ,这样可增大被薄膜覆盖的SAW传播路径长度,以提高SAW气体传感器的灵敏度。铌酸锂SAW 振荡器的一个缺点是存在比较显著的温度效应。采用双通道延迟线振荡器结构,温度效应因差频输出而得到补偿,如
图4 所示。

图4 　双通道延迟线SAW振荡器
Fig. 4 　Dual delay line SAWoscillator

在双通道延迟线振荡器结构中, 一个通道的SAW传播路径被选择性吸附薄膜所覆盖而用于测量,另一个通道不覆盖薄膜而用作参考,两振荡器的频率经差频输出,以实现对环境温度和压力等的补偿。

QCM和SAW传感器的原理及其在现场检测中的应用