三維納米線SAW氣體傳感器及報警器設(shè)計

任彥宇，王 露，王音心，楊 靖

(1.東南大學(xué) 計算機科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 211189；2.中電科技集團重慶聲光電有限公司，重慶 401332)

0 引言

針對目前公共環(huán)境安全監(jiān)測手段不足，反恐形勢日益嚴峻的問題，本文提出了一種三維納米結(jié)構(gòu)聲表面波(SAW)氣體傳感器及報警器，并詳細介紹了傳感器、報警器的設(shè)計方案和過程，最后對傳感器進行了性能指標測試。本文的研究可以較好地解決國內(nèi)目前化學(xué)氣體傳感器體積大,靈敏度低,價格貴及有放射源等問題。

1 工作原理及總體方案設(shè)計

SAW傳感器是一類新型傳感器，其利用壓電效應(yīng)將電磁信號轉(zhuǎn)換為聲波信號，再將聲波信號通過逆壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡姶判盘?。若聲波路徑上材料的物理特?如質(zhì)量變化、電導(dǎo)率變化、溫度變化等)改變，則會導(dǎo)致聲波的傳播特性(頻率、相位及幅度)改變，因此，通過檢測聲波傳播信號的變化可以確定聲波路徑上材料的物理特性改變情況，進而確定周圍環(huán)境的變化[1-2]。如果作為氣體傳感器，當被檢測氣體吸附在SAW器件的敏感材料上，會引起材料的質(zhì)量變化，SAW器件的傳播頻率、相移等將隨著被檢測氣體濃度的變化發(fā)生相應(yīng)的變化[3]。圖1為SAW傳感器原理圖。

圖1 SAW傳感器原理圖

目前研究的熱點是納米線結(jié)構(gòu)，如碳納米管、氧化鎢納米線、ZnO納米線(見圖2)等。由于這些納米線結(jié)構(gòu)都具有非常高的比表面積和氣敏特性，是一種很有前途的新型氣體敏感材料。

圖2 ZnO納米線的掃描電鏡照片

本文結(jié)合SAW傳感技術(shù)與納米線技術(shù)的優(yōu)點，在SAW器件敏感區(qū)上設(shè)計制備如ZnO納米線等新型三維納米線結(jié)構(gòu)敏感材料，得到一種全新的三維納米線SAW氣體傳感器，如圖3所示。三維納米線結(jié)構(gòu)敏感材料吸附不同的氣體，引起其質(zhì)量的變化，SAW器件輸出頻率會發(fā)生相應(yīng)的變化，從而實現(xiàn)對目標氣體的快速檢測。

圖3 三維納米線SAW傳感器工作原理圖

2 三維納米線SAW傳感器設(shè)計

本文選擇諧振器結(jié)構(gòu)的SAW器件作為傳感器基底，器件實物如圖4所示，頻率響應(yīng)如圖5所示。諧振器的工作頻率為315.99 MHz，插入損耗為-11.2 dB，品質(zhì)因數(shù)(Q)約為1 822。

圖4 SAW諧振器實物圖

圖5 SAW諧振器頻率響應(yīng)測試圖

本文采用ZnO納米線進行研究，ZnO三維納米線陣列和SAW器件結(jié)合的設(shè)計結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。豎排納米線與指條間距為1個波長(c=7.268 62 μm或10.023 84 μm)，豎排納米線與指條平行生長，豎排納米線間距也為1個波長，橫排納米線與指條垂直生長，橫排納米線間距a=1 μm，納米線陣列距基片邊緣的距離與指條離邊緣的距離相同，均為b。ZnO的直徑和高度根據(jù)實驗條件調(diào)節(jié)。ZnO陣列下面是連續(xù)的ZnO顆粒(晶種)層。

圖6 三維納米線陣列SAW傳感器設(shè)計結(jié)構(gòu)示意圖

為實現(xiàn)此設(shè)計，具體生長過程如下：

1) 光刻膠(PMMA)保護整個器件。圖7為PMMA保護SAW器件示意圖。

圖7 光刻膠保護SAW器件示意圖

2) 刻蝕出敏感區(qū)。將中間區(qū)域刻蝕掉，用于長種子層，兩邊的PMMA用于保護叉指換能器(IDT)(見圖8)。

圖8 刻蝕出敏感區(qū)示意圖

3) 生長ZnO晶種層。采用磁控濺射或溶膠-凝膠法在SAW敏感區(qū)域鍍?nèi)隯nO晶種，用于生長ZnO納米線(見圖9)。

圖9 生長ZnO晶種層示意圖

4) 再次PMMA鍍膜保護，其示意圖如圖10所示。

圖10 再次鍍膜示意圖

5) 生長點陣列的刻蝕(見圖11)。如果不用光刻膠保護，直接生長ZnO納米線，ZnO納米線會緊密的覆蓋整個器件的表面，無法形成具有一定間隙的陣列。為了生長具有特定距離的ZnO納米線陣列，鍍?nèi)隤MMA膜保護整個器件，然后采用電子束按照特定的距離和大小設(shè)計要求刻蝕PMMA，裸露出陣列結(jié)構(gòu)的ZnO晶種，形成特定的晶種窗口點陣，在此種子層點陣上生長ZnO納米線陣列。三維納米線陣列分布的疏密度可以通過刻蝕裸露出的晶種密度進行控制。

圖11 生長點陣列刻蝕示意圖

6) 生長納米線陣列(見圖12)。將開好陣列結(jié)構(gòu)的ZnO晶種窗口的SAW器件置入溶液中，水熱法生長ZnO納米線簇陣列。水熱法制備的ZnO三維納米線陣列反應(yīng)條件溫和，SAW器件通過光刻膠保護不會受到損傷。通過控制制備ZnO三維納米線陣列的條件，如酸度、生長時間、生長溫度、添加劑等，可以控制納米線的長度、直徑等。

圖12 生長納米線陣列示意圖

7) 去除PMMA。最后采用丙酮洗去光刻膠，三維納米結(jié)構(gòu)陣列器件形成。圖13為SAW器件表面納米線陣列形成示意圖。

圖13 SAW器件表面納米線陣列形成示意圖

8) 納米線修飾改性。把對氣體敏感的手性有機高分子材料溶于氯仿中，配置成低濃度的溶液，然后采用浸漬或旋涂法將有機高分子材料在納米陣列上成膜。低濃度的高分子溶液可以浸漬到三維納米陣列結(jié)構(gòu)中，納米棒為自立狀態(tài)且具有一定的距離，通過控制溶液浸漬時間、烘干條件等實現(xiàn)對每一條納米棒表面鍍膜改性，如圖14所示。

圖14 SAW器件三維納米ZnO線簇設(shè)計結(jié)構(gòu)示意圖

本文制備了三維ZnO納米線如圖15所示。鍍膜修飾后的ZnO納米線如圖16所示。

圖15 ZnO納米線陣列

圖16 鍍膜修飾后的ZnO納米線陣列

SAW上生長納米線并進行修飾后，整改器件的插入損耗由-11.2 dB變到了-21.1 dB，插入損耗增大了約10 dB；諧振頻率也發(fā)生了一定的偏移，由原來的315.99 MHz變成了315.96 MHz，偏移了300 kHz(見圖17)。

圖17 生長納米線并進行修飾后的SAW性能測試圖

3 報警器設(shè)計

首先進行傳感器信號檢測電路的設(shè)計。諧振型SAW傳感器信號的檢測就是對SAW諧振頻率的測試[4-5]。本文設(shè)計了一個振蕩環(huán)路，將傳感器輸出端信號放大后，再正反饋到它的輸入端。設(shè)置適當?shù)姆糯笃髟鲆?，只要增益能大于諧振器及線路損耗，同時又能滿足相位條件，振蕩器就可以起振。

由于本文研究的傳感器是在大氣環(huán)境中工作，SAW器件受溫、濕度等環(huán)境因素影響較大。為了降低環(huán)境變化的影響，本文的氣體傳感器采用差分雙通道結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，一個通道敏感區(qū)域被氣敏材料覆蓋用于測量，另一通道未覆蓋氣敏材料用于參考，兩個振蕩器的頻率經(jīng)混頻取差頻輸出，降低外界環(huán)境的干擾。

傳感器驅(qū)動電路是由諧振器和外圍信息提取電路共同組成，原理框圖如圖18所示。

圖18 SAW振蕩環(huán)路及信號處理電路原理框圖

報警器設(shè)計主要包括氣路設(shè)計和電路設(shè)計兩方面。

如何產(chǎn)生穩(wěn)定的氣流是報警器氣路設(shè)計的關(guān)鍵。本文利用Fluent仿真軟件對空間拓撲結(jié)構(gòu)生成計算網(wǎng)格進行流線和壓力分布計算，從而指導(dǎo)報警器氣動設(shè)計。圖19為Fluent生成的部分管道的計算網(wǎng)格。

圖19 Fluent生成的部分管道的計算網(wǎng)格

圖20為本文設(shè)計的報警器樣機的氣路結(jié)構(gòu)示意圖。由于SAW傳感器的敏感機理是吸附而非反應(yīng)，所以其靈敏度較電化學(xué)傳感器低，于是本文在氣路中加入了預(yù)富集。在材料選擇方面，對于低濃度氣體而言，氣路的管材對氣體分子的吸附作用會對測試造成很大的影響，因此氣路管材上全部使用不銹鋼和聚四氟乙烯材料。

圖20 報警器的氣路結(jié)構(gòu)示意圖

硬件系統(tǒng)采用嵌入式控制系統(tǒng)，設(shè)計方案如圖21所示。在處理器的基礎(chǔ)上，我們通過SPI外接一個LCD顯示屏，用來實現(xiàn)顯示界面的輸入、輸出，同時也可以通過串口與上位機進行通信，根據(jù)收到的指令，與控制氣路選擇的FPGA進行通信，實現(xiàn)對它的控制。FPGA同時需要完成頻率的測量。USB Host接口用來下載編譯好的應(yīng)用程序，需要一個FLASH和一個RAM來存儲系統(tǒng)文件和數(shù)據(jù)文件。

圖21 嵌入式控制和通信系統(tǒng)框圖

由于系統(tǒng)中都是使用高頻信號，信號間的串擾也是報警器設(shè)計中需要著重考慮的問題。利用ADS軟件先進的HFSS仿真技術(shù)，對整個報警器殼體結(jié)構(gòu)進行電磁輻射仿真及優(yōu)化，仿真圖如圖22所示。比較圖22(a),(b)可知，利用電磁干擾抑制技術(shù)的結(jié)構(gòu)對電磁干擾抑制達到了理想水平。設(shè)計的報警器如圖23所示。

圖22 優(yōu)化前、后電磁場分布圖

圖23 報警器設(shè)計圖及實物圖

4 測試及結(jié)果

本文采用GB模擬劑進行傳感器性能指標測試，測試框圖如圖24所示。

圖24 傳感器測試框圖

圖24中，GB模擬劑配氣系統(tǒng)主要為測試提供各種濃度的氣體樣本，SAW報警器用于對氣體濃度進行檢測并顯示，采樣裝置是將配氣系統(tǒng)產(chǎn)生的氣體用其他成熟的定量分析方法來進行標定。

測試時，將裝有傳感器的報警器樣品放入恒溫、恒濕箱內(nèi)，設(shè)置溫度為25 ℃，濕度為40%，待達到了設(shè)置溫、濕度后保持2 h，報警器開機，進行測試，重復(fù)測3次，記錄報警器的報警時間和顯示濃度。

我們采用三維納米線SAW傳感器和二維平面膜SAW傳感器進行對比測試，測試結(jié)果如表1所示。

表1 SAW傳感器對GB模擬劑的測試結(jié)果

通過表1的測試結(jié)果可看出，普通二維平面膜SAW傳感器的響應(yīng)閾值約為50 mg/m3，響應(yīng)時間約為30 s；納米線結(jié)構(gòu)SAW傳感器的響應(yīng)閾值低達2 mg/m3，響應(yīng)時間僅為20 s。

5 結(jié)束語

本文提出了一種將聲表面波技術(shù)和納米線技術(shù)相結(jié)合的新型氣體傳感器的設(shè)計及制備方法，并在此基礎(chǔ)上研制出氣體報警器樣品。該氣體傳感器為小型化有毒有害氣體檢測器的研制提供了可能，可以推動爆炸物檢測、毒品檢測、高危行業(yè)(如礦山，化工危險工段)預(yù)先報警、環(huán)保監(jiān)測及食品(如蔬菜殘留農(nóng)藥)檢測等領(lǐng)域的化學(xué)傳感設(shè)備的研發(fā)，具有廣闊的應(yīng)用前景。