專(zhuān)利名稱(chēng)：聲表面波液相陣列傳感器敏感膜的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用聲波測(cè)量同時(shí)檢測(cè)液體電特性和金屬離子成份的聲表面波液相陣列傳感器敏感膜的制備方法。
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(cè)在藥物、食品、臨床和環(huán)境監(jiān)測(cè)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(cè)方法(如原子吸收分光光度法、質(zhì)譜法)只能對(duì)重金屬離子作分析，而且檢測(cè)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(duì)液體的電特性作測(cè)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(méi)有可以應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)檢測(cè)的工具。

發(fā)明內(nèi)容
為了可以同時(shí)對(duì)液體的電特性及各種金屬離子作檢測(cè)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(duì)、延遲線(xiàn)通道、密封環(huán)和檢測(cè)腔蓋。所述的插指電極對(duì)有n對(duì)，延遲線(xiàn)通道有n個(gè)，包括通過(guò)暴露延遲線(xiàn)上的壓電基底形成的1個(gè)開(kāi)路通道、通過(guò)用金屬材料短路延遲線(xiàn)形成的1個(gè)短路通道和通過(guò)脈沖激光沉積(PLD)技術(shù)在n-2個(gè)延遲線(xiàn)上的壓電材料上制備對(duì)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(xiàn)上四周裝有保護(hù)插指電極的密封環(huán)，密封環(huán)上裝有檢測(cè)腔蓋，檢測(cè)腔蓋的進(jìn)出水口連接塑料導(dǎo)管。
所說(shuō)的聲表面陣列傳感器包括4個(gè)聲表面延遲線(xiàn)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(xiàn)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(guò)真空泵將真空腔抽成真空，然后通過(guò)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(guò)透鏡，利用照射在對(duì)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(cè)器件小，信號(hào)干擾?。欢嗤ǖ赖慕Y(jié)構(gòu)可以對(duì)液體電特性和金屬離子作同時(shí)測(cè)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(duì)液體電特性和金屬離子進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)的定性、定量檢測(cè)。


下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)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(cè)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(cè)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(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線(xiàn)；圖8為Fe3+敏感通道對(duì)Fe3+離子濃度的響應(yīng)曲線(xiàn)；圖9為敏感通道和開(kāi)路通道的對(duì)比實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)；圖10為開(kāi)路通道對(duì)液體總鹽度的響應(yīng)曲線(xiàn)；圖11為開(kāi)路通道對(duì)白酒酒精度的響應(yīng)曲線(xiàn)；圖12為開(kāi)路通道對(duì)汽油摻水率的響應(yīng)曲線(xiàn)。
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(kāi)路通道，9為檢測(cè)腔蓋，10為進(jìn)水口，11為出水口，12為透鏡，13為真空泵，14為真空腔，15為靶材料，16為等離子氛，17為充氣口，18為傳感器基底，19為激光發(fā)生器。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(dòng)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(duì)、延遲線(xiàn)通道，其特征在于所述的插指電極對(duì)有n對(duì)，延遲線(xiàn)通道有n個(gè)，包括通過(guò)暴露延遲線(xiàn)上的壓電基底形成的1個(gè)開(kāi)路通道8、通過(guò)用金屬材料短路延遲線(xiàn)形成的1個(gè)短路通道7和通過(guò)脈沖激光沉積(PLD)技術(shù)在n-2個(gè)延遲線(xiàn)上的壓電材料上制備對(duì)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(xiàn)四周裝有保護(hù)插指電極的密封環(huán)3，密封環(huán)3上裝有檢測(cè)腔蓋9，檢測(cè)腔蓋9的進(jìn)出水口10、11連接塑料導(dǎo)管。
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(cè)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(zhǎng)的100對(duì)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(shuō)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(xiàn)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(guò)真空泵13將真空腔抽成真空，然后通過(guò)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(guò)透鏡12，利用照射在對(duì)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(cè)系統(tǒng)的連接如圖5所示，每個(gè)通道通過(guò)各自?xún)啥说妮斎胼敵霾逯鸽姌O分別和高頻振蕩電路B的輸入輸出相連，開(kāi)路通道的信號(hào)和n-2個(gè)敏感通道的信號(hào)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(hào)相連，獲得的n-1個(gè)差頻信號(hào)由頻率計(jì)D檢測(cè)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(duì)電特性的響應(yīng)為零，所以可以通過(guò)檢測(cè)兩個(gè)聲道的聲波頻率差來(lái)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(guò)程啟動(dòng)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(kāi)去離子水閥，關(guān)閉樣液閥，同時(shí)打開(kāi)蠕動(dòng)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(kāi)啟和頻率計(jì)D的通訊；等待傳感器對(duì)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(kāi)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(duì)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(cè)過(guò)程。經(jīng)過(guò)檢測(cè)后的流出傳感器E的液體流到廢液槽F。取傳感器E對(duì)兩者穩(wěn)態(tài)頻響的差值為對(duì)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(duì)上述濃度Fe(NO3)3溶液的響應(yīng)曲線(xiàn)，圖9為傳感器敏感通道和傳感器開(kāi)路通道對(duì)10-3mol/l的Fe(NO3)3溶液對(duì)比響應(yīng)曲線(xiàn)。敏感通道對(duì)Fe(NO3)3溶液檢測(cè)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(kāi)路通道對(duì)它們進(jìn)行測(cè)量，可以得到如圖10所示的曲線(xiàn)，傳感器的檢測(cè)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(kāi)路通道進(jìn)行檢測(cè)，可以得到如圖11所示的曲線(xiàn)。傳感器的檢測(cè)靈敏度為1.5KHz/度，檢測(cè)精度為0.2度。
對(duì)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(kāi)路通道進(jìn)行測(cè)量，可以得到如圖12所示的曲線(xiàn)。可以有效識(shí)別＞5％的有機(jī)溶液摻水比例。
權(quán)利要求
1.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(xiàn)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(guò)真空泵(13)將真空腔抽成真空，然后通過(guò)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(guò)透鏡(12)，利用照射在對(duì)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敏感膜的制備方法，該傳感器由多個(gè)聲表面波延遲線(xiàn)傳感器組成，通過(guò)對(duì)延遲線(xiàn)作開(kāi)路、短路的方法可以檢測(cè)液體的總體電特性參數(shù)，通過(guò)用激光脈沖沉積(PLD)技術(shù)在延遲線(xiàn)上制備敏感薄膜的方法，可以對(duì)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(duì)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(cè)。
文檔編號(hào)H01L41/22GK1721571SQ20051008589
公開(kāi)日2006年1月18日 申請(qǐng)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, 楊明艷 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)