与气相色谱联用的声表面波检测器灵敏度影响因素研究

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SAW气相色谱仪(Surface Acoustic Wave Gas Chromatography,SAW/GC)是基于声表面波传感器与气相色谱分离联用的有机气体分析仪,通过气相色谱分离系统实现待测气体不同组分时间上的分离,根据时间先后进行定性,再将分离出的各组分气体冷凝在SAW器件表面,通过SAW传感器实现量的测量。因其灵敏度高,检测速度快(<5min),可实现现场分析等优点,SAW/GC广泛应用于公共安全,环境污染监测和食品、饮料、化妆品质量监测方面。  本文首先研究了SAW检测器不同电极宽度对传感器灵敏度的影响。基于耦合模(coupling-of-modes,COM)模型,推导出周期短路栅阵和开路栅阵的禁带边界频率与COM参量之间的关系,利用有限元软件COMSOL对周期栅阵进行模态分析、谐响应分析和稳态分析,得到禁带边界频率,从而进一步可求得COM参量。将求出的COM参量代入到P矩阵中,利用P矩阵级联技术,即可得到SAW检测器的频率响应。使用这种方法即可得到无负载和有负载时SAW检测器的频率响应。通过分析频率响应的中心频率,即可解得对应的灵敏度,进一步可模拟出SAW检测器灵敏度与电极宽度之间的关系。随着电极宽度的增加,灵敏度提高。  其次分析了SAW检测器的电极表面粗糙度对传感器灵敏度的影响。理论分析了表面粗糙度对SAW器件性能的影响,找到了改变表面粗糙度的因素。  然后介绍了不同电极宽度SAW器件的制备以及不同表面粗糙度SAW器件的制备。  最后针对不同电极宽度和不同电极表面粗糙度对SAW检测器灵敏度的影响进行了实验验证。结果表明,不同电极宽度对SAW检测器灵敏度影响的实验结果与理论分析结果相一致;当退火温度为200℃时,表面粗糙度最大;随着退火温度的增大,苯系物的灵敏度下降,DMMP的灵敏度提高,与未退火时相比,200℃退火条件下DMMP的灵敏度提高了约50%,300℃退火条件下DMMP的灵敏度提高了近一倍。
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