4. Гравиметрические сенсоры

Чувствительным элементом гравиметрического (массочувствительного) сенсора является пьезоэлектрический датчик. В основе действия таких сенсоров лежит изменение массы чувствительного элемента в присутствии определяемого вещества (например, газа) и вызванное этим изменение резонансной частоты. Возможно также использование явления поверхностно-акустических волн.

Схематически устройство кварцевого пьезоэлектрического датчика изображено на рис. 7.27. Вибрирующая кварцевая пластина покрыта слоем адсорбента, способного поглощать определяемый газ. В результате вибраций пластины с некоторой частотой вследствие пьезоэлектрического эффекта возникает переменное электрическое поле той же частоты

Рис. 7.27. Схема устройства пьезоэлектрического датчика для химических сенсоров.

При адсорбции газа масса пластины изменяется. Соответственно, изменяется частота вибраций и частота переменного поля. Связь между изменением массы пластины и изменением частоты поля характеризует следующее соотношение:

(7.13)

где А — площадь поверхности пластины, ν₀ — первоначальная резонансная частота вибраций.

Обычно резонансные частоты пьезоэлектрических датчиков составляют порядка 10-15 МГц. При этом возможно надежно зарегистрировать изменение частоты электромагнитных колебаний вплоть до 0,01 Гц, что соответствует изменению массы порядка 10~^и г. Таким образом, пьезоэлектрический датчик служит высокочувствительными весами. Выбор возможных адсорбентов для определения различных веществ очень широк. Например, фосфорорганические соединения можно определять при помощи комплексов меди с диаминами, химически закрепленных на поверхности полимера:

Такой сенсор является обратимым. Он позволяет детектировать диизопропилметилфосфонат при содержаниях до 20 частей на миллиард. Пьезоэлектрические сенсоры можно применять для непрерывного контроля за содержанием вредных газов или задымленностью атмосферы.

Более чувствительны гравиметрические сенсоры, основанные на явлении поверхностных акустических волн. Их резонансная частота существенно выше, чем у кварцевых пьезоэлектрических весов, и составляет около 1 ГГц. Соответственно, нижняя граница измеряемых масс меньше и находится уже в фемтограммовой (10^-15г) области. Схема резонатора на поверхностных акустических волнах изображена на рис. 7.28. Между двумя парами электродов — излучателем и приемником высокочастотного электромагнитного излучения — расположена кварцевая пьезоэлектрическая пластина (подложка) с нанесенным на нее слоем адсорбента. При облучении пластины импульсом электромагнитного излучения с резонансной частотой возникает обратный пьезоэлектрический эффект — механические колебания пластины, распространяющиеся в ее приповерхностном слое (поверхностные акустические, или релеевские, волны). Как и для кварцевых пьезоэлектрических весов, резонансная частота зависит от массы пластины. В результате адсорбции определяемого вещества на слое адсорбента масса пластины изменяется, что можно зарегистрировать по изменению резонансной частоты колебаний.