瑞利型SAW氣體傳感器的設(shè)計(jì)與分析

翟佳鑫

摘 要：文章利用有限元軟件設(shè)計(jì)了兩種聲表面波（SAW）氣體傳感器，證實(shí)了雙向叉指換能器（IDT）和浮動(dòng)電極單向換能器（FEUDT）結(jié)構(gòu)激勵(lì)的SAW是瑞利波；用聚異丁烯（PIB）作為敏感膜材料，對(duì)兩種傳感器吸收二氯甲烷（DCM）的靈敏度進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)具有FEUDT結(jié)構(gòu)的SAW氣體傳感器靈敏度較高。

關(guān)鍵詞：聲表面波（SAW）；氣體傳感器；浮動(dòng)電極單向換能器（FEUDT）

中圖分類(lèi)號(hào)：TP212 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2019）04-0082-02

Abstract： Two kinds of surface acoustic wave （saw） （SAW） gas sensors are designed by using finite element software. It is proved that the SAW excited by bidirectional InterDigital transducer （IDT） and floating electrode unidirectional transducer （FEUDT） is Rayleigh wave. Polyisobutene （PIB） was used as sensitive membrane material. The sensitivity of dichloromethane （DCM） was compared between the two kinds of sensors. It was found that the SAW gas sensor with FEUDT structure was more sensitive.

Keywords： surface acoustic wave （SAW）； gas sensor； floating electrode uni-directional transducer （FEUDT）

1 概述

聲表面波（SAW）是瑞利在研究地震波時(shí)發(fā)現(xiàn)的一種能量集中于地表面?zhèn)鞑サ穆暡?。White和Volrmov利用叉指換能器（IDT）直接在壓電介質(zhì)表面有效的激勵(lì)出SAW，使得SAW技術(shù)發(fā)展起來(lái)。隨著半導(dǎo)體工藝水平的提高，SAW器件因其體積小、高穩(wěn)定性、高重復(fù)性等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、通信、遙感和導(dǎo)航等領(lǐng)域。SAW氣體傳感器是SAW器件最典型的應(yīng)用之一。與其他傳感器相比，SAW氣體傳感器具有抗干擾能力強(qiáng)、容易集成化、體積小[1]、重量輕、成本低、能夠進(jìn)行大批量生產(chǎn)[2]等優(yōu)點(diǎn)，因而受到人們的高度重視。

SAW氣體傳感器由壓電基底、IDT和位于壓電基底頂部的對(duì)特定氣體響應(yīng)的敏感膜組成。不同的壓電材料下，SAW的物理特性有所差異；針對(duì)不同的氣體，可以先用線(xiàn)性溶劑化能關(guān)系方程選擇合適的SAW氣體傳感器敏感膜材料；要設(shè)計(jì)出低損耗和高穩(wěn)定性的SAW氣體傳感器，關(guān)鍵在于IDT類(lèi)型的選擇。從傳播方向來(lái)看，IDT可以分為雙向IDT和單向換能器（UDT）兩種，雙向IDT最為常見(jiàn)，其激勵(lì)SAW沿兩個(gè)方向傳播；UDT激勵(lì)SAW主要沿一個(gè)方向傳播。目前，典型的UDT有單相單向換能器（SPUDT）、浮動(dòng)電極單向換能器（FEUDT）等，UDT結(jié)構(gòu)被逐漸地應(yīng)用到各類(lèi)SAW氣體傳感器中[3]。

所以本文對(duì)SAW氣體傳感器進(jìn)行有限元建模時(shí)，分別對(duì)常規(guī)的雙向IDT和FEUDT兩種類(lèi)型的IDT進(jìn)行了比較。

2 SAW氣體傳感器仿真

SAW氣體傳感器的工作原理為質(zhì)量負(fù)載效應(yīng)，吸附層由于吸收氣體分子后，增加了質(zhì)量負(fù)荷導(dǎo)致SAW傳播速度降低，從而導(dǎo)致傳感器頻率發(fā)生偏移。通過(guò)檢測(cè)頻率偏移？駐f表示吸附氣體的濃度。當(dāng)敏感膜非常薄且為各向同性絕緣材料時(shí)，偏移量公式[3]為？駐f=（k1+k2）fh，我們可以看出傳感器輸出與SAW器件表面上加載的質(zhì)量成比例，這是SAW傳感器檢測(cè)的理論基礎(chǔ)。

本文用有限元軟件對(duì)圖1、圖2中的雙向IDT和FEUDT結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，利用周期性邊界條件，分別建立了一個(gè)周期結(jié)構(gòu)的二維模型，壓電基底為Y-Z LiNbO3，基底深度5？姿，基底邊界條件為固定。雙向IDT的左電極接地，右電極具有輸入電壓；FEUDT的電極1接地，電極4具有輸入電壓，電極2和5為懸浮電位，電極3和6表面電荷密度為零。

傳感器對(duì)DCM氣體的吸附體現(xiàn)在PIB膜密度的略微增加，除了密度之外，吸附DCM后對(duì)材料性質(zhì)造成的任何影響都被忽略。

3 結(jié)果與分析

本文首先對(duì)兩種結(jié)構(gòu)的電極高度h進(jìn)行研究，總位移以及諧振、反諧振頻率的變化如圖3、圖4所示。SAW的波長(zhǎng)？姿=4？滋m，電極高度歸一化用h/？姿（%）表示，敏感膜厚度為80nm（h/？姿=2%）。從圖3中可看出，歸一化電極高度在0.01%～1.9%區(qū)間時(shí)，B略高于A，說(shuō)明FEUDT結(jié)構(gòu)的總位移更大一些；當(dāng)電極很小或很大時(shí)，總位移會(huì)有極大值。

從圖3、圖4中可以看出，當(dāng)電極歸一化高度為h/？姿=0.01%時(shí)，得到FEUDT結(jié)構(gòu)總位移最大值為3.27nm，頻率為1038771378Hz；得到雙向IDT結(jié)構(gòu)總位移最大值為3.05nm，頻率為1036776701Hz。此時(shí)，兩種結(jié)構(gòu)的總位移和電勢(shì)隨基底深度變化如圖5、圖6所示。兩種結(jié)構(gòu)的位移和電勢(shì)在1個(gè)？姿內(nèi)達(dá)到最大值后在2至3個(gè)？姿內(nèi)消失，說(shuō)明該SAW是典型的瑞利波。

將這兩種氣體傳感器暴露于濃度100ppm至3000ppm的DCM氣體中，得到的頻率偏移量如圖7所示。氣體傳感器的靈敏度S=？駐f/？駐C，其中？駐f是傳感器的頻率偏移量，？駐C是氣體濃度變化量。圖7中靈敏度曲線(xiàn)是線(xiàn)性的，兩種氣體傳感器的靈敏度分別為1.042Hz/ppm和1.035Hz/ppm。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文利用有限元軟件對(duì)SAW氣體傳感器的二維結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，利用周期性邊界條件對(duì)具有雙向IDT和FEUDT結(jié)構(gòu)的氣體傳感器進(jìn)行了仿真，仿真時(shí)用一個(gè)周期結(jié)構(gòu)代替整個(gè)器件，該方法適合周期性重復(fù)結(jié)構(gòu)，可以有效的縮短計(jì)算時(shí)間。采用PIB作為敏感膜材料，計(jì)算了兩種傳感器的靈敏度，通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)具有FEUDT結(jié)構(gòu)的氣體傳感器在吸收少量DCM氣體時(shí)靈敏度較好。

參考文獻(xiàn)：

[1]N. Barie， M. Rapp， H. J. Ache， Sens. Actuat. B Chem. B 46，97-103（1998）.

[2]F. Bender， L. Waechter， A. Voigt， M. Rapp， Proceedings of IEEE Sensors Conference， Toronto，Canada， October 22-24，2003，115-119.

[3]Ionescu， V. Design and analysis of a Rayleigh SAW resonator for GAS detecting applications. Rom. J. Phys 60.3-4（2015）：502-511.