[发明专利]监测强腐蚀性气体的非接触电极压电传感器装置与方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种监测强腐蚀性气体的非接触电极压电传感器装置与方法。

背景技术

自1959年德国物理学家Sauerbrey提出石英晶体微天平(Quartz Crystal Microbalance,QCM)检测仪器技术以来，这种对表面质量变化高度敏感的传感器已经在环境监测、化学生物传感等方面获得广泛应用，并成为监测界面传质现象之有力工具。石英晶体微天平的核心器件是压电石英晶片，其谐振频率随表面质量的增加在一定条件下成线性下降关系，Sauerbrey推导出了QCM的谐振频率与质量负载的关系，被称为Sauerbrey方程，即：

ΔF＝-2.26×10^-6F₀²×Δm/A                        (1)

式中F₀是石英晶体的基频(Hz)，Δm为质量变化(g)，A为单面谐振区域的面积(cm²)

QCM的敏感区域集中在晶片表面两电极的重叠部分，因此电极表面必须与外界接触以感知界面的传质过程。虽然不少QCM中仍然使用银膜制备激励电极，但这种传感器的使用寿命较短，通常因为银电极受腐蚀而使其稳定性下降，故多用于一次性传感器。用于化学与生物传感领域的QCM目前的电极材料多为金膜，但因金膜在石英表面的附着力较弱，影响传感器的重复使用性，为增加金膜与石英表面之间的结合力使其能够承受较为苛刻的实验条件(化学生物传感中的表面处理等)，通常先在石英晶体表面真空喷镀钛(Ti)或铬(Cr)过渡层，然后再真空喷镀金膜电极，这种工艺条件所制备的石英晶体谐振器大幅度提高了QCM的使用寿命，成为各种QCM仪器中标配的传感器件，但因为工艺较为复杂加上生产规模不大，这种QCM传感器的价格较高。

利用QCM可研究各种薄膜材料的吸附特性，但是所吸附的物质不能具有强的腐蚀性，否则将会造成电极腐蚀，一方面干扰吸附量的测定，另一方面影响传感器的使用寿命。例如，碘、硫化氢等腐蚀性气体被修饰在石英晶体表面的薄膜吸附后，会穿透薄膜进而腐蚀镀在晶体表面的金膜或银膜，极易导致QCM谐振频率的不稳定和金膜或银膜的腐蚀而引起显著的测量误差。所以，本发明设计了可监测强腐蚀性气体的非接触电极压电传感器装置与方法。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种监测强腐蚀性气体的非接触电极压电传感器装置与方法，本装置能够实时监测石英及表面修饰膜吸附强腐蚀性气体的过程，有利于提高其谐振频率的稳定性，彻底消除了因石英晶片表面镀银膜或金膜被腐蚀而引起的吸附量测量误差。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种监测强腐蚀性气体的非接触电极压电传感器装置，包括压电石英晶片、激励电极、吸附测量池、控制器和阻抗分析仪；两个激励电极分别安装于压电石英晶片上下方，且与压电石英晶片分离，构成激励电场，其中上激励电极封装在薄壁玻璃管中，置于吸附测量池内，下激励电极置于吸附测量池底部，激励电场通过玻璃与空气的传导施加在压电石英晶片上使其谐振，其谐振频率由阻抗分析仪测定，并由控制器进行数据采集、分析和存贮。

所述控制器通过Sauerbrey方程计算石英晶体表面的质量变化量：

ΔF＝-2.26×10^-6F₀²×Δm/A

式中，F₀是石英晶体的基频(Hz)，Δm为质量变化(g)，A为单面谐振区域的面积(cm²)。

所述压电石英晶片为AT切型压电石英晶体，表面无电极，即为裸压电石英晶片，经过抛光处理后具有优良的透光性，可同时用于质量与光谱测定，测定时放在吸附测量池底部即可。

所述激励电极材质包括铜、铝、石墨、铁、不锈钢或钛，形状包括圆片、圆柱、球型、金属丝网和管状。

所述上激励电极根据需要在表面涂覆防腐蚀层或封装在薄壁玻璃管中，避免电极腐蚀。

如果不采用防腐蚀措施，直接将电极暴露在吸附测量池中，即使发生较轻微的电极腐蚀，只要不改变电极间距大小，也不会引起石英晶体谐振频率的变化，遭表面腐蚀的电极并不影响其使用。

所述下激励电极为圆片金属电极，置于石英晶片下方。

上下激励电极的形状、面积、材料可以相同或不同，两者的中心可以与压电石英晶片的圆心在同一直线上，也可以放置在不对称的位置上。