环境因素对传感器的影响

作为气体传感器，最理想也是最方便的检测方式就是将涂有选择性吸附膜的QCM或SAW谐振器直接放置在待测量的气体环境中。然而，由于吸附膜的选择性都不是很强，且在检测的过程中，谐振器容易受到如气体湿度、温度、气体流速等因素的影响，所以得先了解这些因素的影响特点，以便更好地排除干扰因素的影响。

在诸多影响因素中，气体湿度的影响最为显著。由于水分子为极性小分子，与大部分材料都存在一定的结合能力，气体环境中的湿度变化一般都会影响谐振器的频率输出。从图3-9可以看出，刚开始通入氮气时，频率上升，由处于空气中PDMEB的红外光谱（图3-4）可知3500～3200 cm−1有较宽样品吸水所表现出来的吸收峰，初步判断是由于空气中的水蒸汽的影响，估计是氮气将PDMEB薄膜中的水蒸汽从孔洞里吹出，使得材料表面质量变小，导致谐振频率上升。为了更为详细的了解湿度对传感器的影响，分别测试了空白的QCM谐振器和镀膜之后的QCM谐振器在不同湿度下谐振频率的变化。

图3-16给出了空白的和镀PDMEB膜的8MHz，AT切型的QCM谐振器对空气湿度变化的敏感情况。显然，空白的QCM对水的吸附不是很强，因此仅是在高湿呈现一定的敏感性，并且很快会恢复到干燥空气中的状态。而表面制备有PDMEB气体敏感膜时，湿度变化所导致的频率偏移足以对测量结果产生影响，在湿度达到95%时谐振器甚至停止振动。因此在用于气体测量时，一般需要设计专门的除湿装置，或将湿度变化稳定于某一范围内，以消除湿度的影响。

温度对检测结果的影响主要体现在石英晶体本身的频率温度特性上。AT切割是近似三次曲线外，其他切割方式基本都是二次曲线。图3-17显示了AT切割时微小的切角偏差造成的温度特性曲线的偏移，其特点是在偏移时依然保持近似的三次特性曲线不变，只有一次项有较大变化。可以看出，在室温附近，AT切型的谐振器的温度系数为最小。但切角稍微有点偏差的谐振器碎温度的变化则比较大。

图3-16 空白的和镀PDMEB膜的8MHz，AT切型的QCM谐振器对空气湿度变化

图3-17　AT切割中不同切断角度对应的f-T曲线[127]

温度对传感器性能的影响还体现在气体的表面吸附特性方面。气液色谱研究表明，低浓度下气体的分配系数K与温度满足阿累尼乌斯关系[128]，即

其中，K0是与温度无关的因子；ΔHc为气体的摩尔凝聚热，此处为负值；ΔHm为气体与聚合物间的摩尔混合热，理想情况下为零，在聚合物体系中一般为正。一般来说，温度比较高时，吸附量比较大，传感器的灵敏度也比较高。但由于温度高出一定范围后，谐振器的频率迅速上升，不利于克服温度对谐振频率的影响。在实际制作时，需要综合考虑两方面的因素，合理选择工作温度点。