2003年美国亚利桑那州立大学 N. J. Tao 领导的团队巧妙地采用石英音叉谐振器,分别将基于微米尺度和通过聚焦离子束系统将聚合物线直径减小到100-150nm的纳米尺度的硝化纤维/甲苯磺酰胺甲醛树脂材料的聚合物线,通过胶水粘合在石英音叉谐振器的音叉臂上,构成yi种新颖的聚合物线化学传感器,如图所示。【高压断路器】
聚合物线石英音叉传感器
该传感器中的石英音叉采用低成本标准商用频率器件石英音叉谐振器,在无聚合物线的状态下,石英音叉谐振器在真空状态下谐振频率为32.768 k Hz,通过微纳聚合物线复合后谐振频率约为34.620k Hz和32.189k Hz,具有较高的品质因数。将聚合物线传感器置于yi定浓度的乙醇蒸汽中,利用聚合物线的吸附特性,通过锁相放大器实现对微弱信号进行提取,结果表明该传感器可以实现对乙醇浓度的在线监测。【高压断路器】
2005年该团队通过进yi步研究,提出yi种低成本,小体积的基于聚合物线的石英音叉化学传感器,并搭建了传感器阵列,采用聚乙烯聚合物薄膜涂层覆盖在石英音叉谐振器上实现对湿度的检测;采用阿皮松聚合物线和石英音叉谐振器结合,实现空气污染成分乙苯和氮氧化合物结合的产物—硝基乙苯浓度的检测,传感器阵列如图所示。
聚合物线石英音叉传感器阵列
同时,通过选择不同材料的聚合物线结合石英音叉谐振器构成石英音叉传感器阵列,通过传感器阵列中的湿度传感器检测湿度,对不同湿度条件下对乙醇浓度进行的校验,实现对乙醇浓度的检测,研究结果表明,采用聚合物线石英音叉传感器阵列可以实现对小于 100ppb 的硝基乙苯和大约100ppb 乙醇的浓度的检测。
2007年该团队采用聚N-异丙基丙烯酰胺( N-isopropylacrylamide ,N-IPAA)聚合物线与石英音叉谐振器复合,研制出复合了聚合物线的石英音叉红外温度传感器,聚N-异丙基丙烯酰胺聚合物线的热弛豫时间为50ms,并搭建相应的测试系统对传感器的特性进行测试,采用 635nm 纳米的红光激光器,对 4cm 外的聚合物线石英音叉红外温度传感器进行测试,测试结果表明聚合物线吸收红外辐射能量后,传感器的频率响应可以跟随激光脉冲响应信号的变化,实现对短波红外辐射测量。
另外,传感器还对中波红外与长波红外辐射的测量进行测试,实验结果表明,作为热探测器可以实现对红外辐射的测量,噪声等效温差 (NETD) 为20°C 时 0.5 m K,极限热噪声为 5μ°C,响应时间为 5ms。但作为温度传感器且应用受限,其主要原因在于石英晶体的频率温度系数对传感器测量精度的影响,测温范围仅为 20-25.5°C。
参考文献:
[1] A. Bontempi, D. Teyssieux, J. M. Friedt. Photo-thermal quartz tuning fork excitation for dynamic mode atomtic force microscope[J]. Applied physics letter, 2014, 105(15): 4104.
[2] 冯冠平.谐振传感器理论及器件[M].北京:清华大学出版社,2008,1-20.
[3] L. halski, K. Eckersdort, J. Kucharski.Temperature measurement[M]. USA: John Wiley&Sons. LTD, 2001: 139-149
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