Гравиметрические детекторы

Датчики, в которых очень маленькие изменения массы, происходящие из-за адсорбции молекул, приводят к изменению механических свойств системы, называются гравиметрическими детекторами, или микровесами. Такие датчики относятся к физическим датчикам, поскольку в них нет протекания никаких химических реакций. Измерение микроскопических масс не может быть выполнено при помощи обычных весов. Для этого могут применяться акустические гравиметрические детекторы, работающие на ультразвуковых частотах. Принцип действия таких детекторов заключается в изменении резонансной частоты пьезоэлектрических кристаллов при осаждении на их поверхностях дополнительных масс. Пьезоэлектрический кварцевый генератор вибрирует на частоте, которая в зависимости от вида схемы называется либо последовательной (fr), либо параллельной (far) резонансной частотой. Любая резонансная частота определяется массой кристалла и его формой. В упрощённом виде гравиметрический датчик может быть представлен в виде пластины с собственной частотой, зависящей от её массы. Добавление некоторого количества вещества к этой массе приводит к сдвигу частоты, который может быть измерен при помощи соответствующих электронных схем:

где /о — собственная частота ненагруженного детектора; Д/ — сдвиг частоты под нагрузкой (Д/=/нагр -/0); Дт — добавленная масса на единицу площади; Sm — чувствительность детектора. Значение чувствительности определяется конструкцией, материалом и рабочей частотой (длиной волны) акустического детектора. Следовательно, гравиметрический датчик преобразует изменение массы в сдвиг по частоте. Поскольку значения частоты и времени несложно определить с высокой точностью, точностные характеристики микровесов определяются стабильностью параметра Sm во время проведения измерений.

Молекулы или большие частицы химических веществ, осаждаясь на поверхности кристалла, увеличивают его массу, и, следовательно, снижают резонансную частоту. Сдвиг по частоте, измеряемый при помощи соответствующей электронной схемы, как правило, практически линейно зависит от концентрации искомого компонента в исследуемом образце газа. Абсолютная точность этого метода определяется такими факторами, как: механическая фиксация кристалла, температура и т. д. Поэтому для обеспечения требуемого уровня точности необходимо проводить калибровку датчиков во всём диапазоне рабочих значений.

Гравиметрические датчики обладают очень высокой чувствительностью. Например, типовая чувствительность таких датчиков составляет порядка 5 МГц • см2/кг; это значит, что при увеличении веса на 17 нг/см2 сдвиг по частоте равен 1 Гц. Динамический диапазон микровесов также довольно широк: до 20 мкг/см2. Для обеспечения химической избирательности детекторов на кристалл наносится специальное покрытие, состав которого определяется типом исследуемого вещества.

Другой разновидностью гравиметрических датчиков являются детекторы, реализованные на основе поверхностных акустических волн (ПАВ). ПАВ — это механические волны, распространяющиеся по поверхности твёрдого тела на границе раздела со средой, обладающей меньшей плотностью, например воздухом. Эти волны иногда называются волнами Релея. Это название они получили в честь учёного, предсказавшего их открытие в 1885 году. ПАВ-детектор состоит из трёх основных компонентов: пьезоэлектрического передатчика, линии передач с химически селективным покрытием и пьезоэлектрического приёмника. Электрический генератор заставляет электроды передатчика изгибать подложку, что приводит к формированию механической волны, распространяющейся по поверхности линии передач в сторону приёмника. Подложка часто изготавливается из LiNb03, обладающего очень высоким пьезоэлектрическим коэффициентом. Однако линия передач не обязательно должна быть пьезоэлектрической. Это обстоятельство даёт возможность изготавливать датчики из других материалов, например кремния. В зависимости от типа покрытия на поверхности линии передач осаждаются те или иные химические вещества, в результате чего меняются параметры распространяющихся по ней механических волн. Механические волны, доходя до приёмника, преобразуются на нём в выходной электрический сигнал. ПАВ-датчики часто имеют дифференциальную структуру, в которой используется ещё один эталонный детектор, сигнал которого вычитается из сигнала основного детектора.

Гравиметрический ПАВ-детектор, используемый для измерения концентраций газов, изготовлен на гибкой тонкой кремниевой пластине, на которую методом напыления нанесены две пары гребенчатых электродов (рис. 11.13).

ПАВ-детектор газов (величина отклонений мембраны для ясности понимания сильно преувеличена)

Рис. 11.13. ПАВ-детектор газов (величина отклонений мембраны для ясности понимания сильно преувеличена)

Под электродами формируется тонкий пьезоэлектрический слой из ZnO, необходимый для электрической генерации механических ПАВ на поверхности кремниевой пластины. Эта плёнка придаёт кремниевой пластине пьезоэлектрические свойства. Верхняя поверхность чувствительной пластины покрывается тонким слоем химически селективного материала (или клея, если датчик предназначен для детектирования веществ, загрязняющих воздух). Вся эта конструкция размешается внутри трубки, сквозь которую продувается исследуемый газ. Обе пары электродов включены в схему колебательного контура, частота которого /о определяется собственной механической частотой подложки детектора.

В состав схемы входит усилитель, выходное напряжение которого управляет электродами передатчика. Благодаря пьезоэлектрическому эффекту, подача напряжения на электроды приводит к изгибу мембраны и распространению механической волны справа налево. Скорость волны определяется состоянием мембраны и её покрытия. Изменение механических свойств покрытия зависит от его взаимодействия с исследуемым газом. В зависимости от скорости распространения волны по мембране меняется время, через которое она достигнет приёмника. Преобразованный электрический сигнал с выхода приёмника подаётся на вход усилителя. Таким образом формируется петля ОС, заставляющая схему работать в колебательном режиме. Выходная частота является мерой измерения концентрации исследуемого газа. Перед подачей исследуемого газа обычно проводится определение контрольной частоты.

Такой метод может применяться для мониторинга состава гетерогенных образцов, таких как аэрозоли и суспензии. Увеличение массы за счёт прилипания частиц аэрозолей и суспензии приводит к значительному частотному сдвигу. При этом по выходной частоте можно судить о величине частиц этих составов. Для улучшения эффекта прилипания кристаллы обрабатываются специальными химическими или электростатическими методами.

Теоретически чувствительность рассматриваемого датчика определяется как Sm = -1/2р d, где р — средняя плотность пластины, ad — её толщина. На рабочей частоте 2,6 МГц чувствительность датчика составляет 900 сш2/у. Поэтому при площади поверхности 0,2 см2 увеличение массы на 10 нг (10-8г) соответствует изменению частоты на Д/= -(900) (2,6 • 106)(10-8 / 0,2) = -117 Гц.

ПАВ-детекторы очень универсальны и могут адаптироваться для измерения концентрации многих химических компонентов. В таблице 11.4 приведены описания некоторых ПАВ-датчиков.

Таблица 11.4

Химические датчики на ПАВ

Компоненты

Химическое покрытие

ПАВ-подложка

Пары органических веществ

Полимерная плёнка

Кварц

S02

Триэтаноламин

Ниобат лития

н2

Pd

Ниобат лития, кремний

NH3

Pt

Кварц

H2S

wo3

Ниобат лития

Пары воды

Гигроскопическое

Ниобат лития

no2, nh3, so2, сн4

Фталоцианин

Ниобат лития

Пары взрывчатых веществ, наркотики

Полимер

Кварц

Окончание табл. 11.4

Компоненты

Химическое покрытие

ПАВ-подложка

S02, метан

Покрытие не используется. Детектирование основано на изменении теплопроводности через газ

Ниобат лития

Вопросы и упражнения к главе 11

  • 1. Как пьезоэлектрический эффект используется в сенсорах?
  • 2. Каким образом обеспечивается селективность гравиметрических сенсоров?
  • 3. Каковы минимальные пределы обнаружения гравиметрического сенсора?
  • 4. Какие химические датчики являются одноразовыми, а какие многоразовыми?
  • 5. Каким образом достигается избирательность в кондуктометрических газовых датчиках?
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >