瑞利型SAW氣體傳感器的設計與分析

翟佳鑫

摘 要：文章利用有限元軟件設計了兩種聲表面波（SAW）氣體傳感器，證實了雙向叉指換能器（IDT）和浮動電極單向換能器（FEUDT）結構激勵的SAW是瑞利波；用聚異丁烯（PIB）作為敏感膜材料，對兩種傳感器吸收二氯甲烷（DCM）的靈敏度進行比較，發(fā)現(xiàn)具有FEUDT結構的SAW氣體傳感器靈敏度較高。

關鍵詞：聲表面波（SAW）；氣體傳感器；浮動電極單向換能器（FEUDT）

中圖分類號：TP212 文獻標識碼：A 文章編號：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發(fā)現(xiàn)的一種能量集中于地表面?zhèn)鞑サ穆暡āhite和Volrmov利用叉指換能器（IDT）直接在壓電介質表面有效的激勵出SAW，使得SAW技術發(fā)展起來。隨著半導體工藝水平的提高，SAW器件因其體積小、高穩(wěn)定性、高重復性等優(yōu)點被廣泛應用于雷達、通信、遙感和導航等領域。SAW氣體傳感器是SAW器件最典型的應用之一。與其他傳感器相比，SAW氣體傳感器具有抗干擾能力強、容易集成化、體積小[1]、重量輕、成本低、能夠進行大批量生產[2]等優(yōu)點，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特定氣體響應的敏感膜組成。不同的壓電材料下，SAW的物理特性有所差異；針對不同的氣體，可以先用線性溶劑化能關系方程選擇合適的SAW氣體傳感器敏感膜材料；要設計出低損耗和高穩(wěn)定性的SAW氣體傳感器，關鍵在于IDT類型的選擇。從傳播方向來看，IDT可以分為雙向IDT和單向換能器（UDT）兩種，雙向IDT最為常見，其激勵SAW沿兩個方向傳播；UDT激勵SAW主要沿一個方向傳播。目前，典型的UDT有單相單向換能器（SPUDT）、浮動電極單向換能器（FEUDT）等，UDT結構被逐漸地應用到各類SAW氣體傳感器中[3]。

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

2 SAW氣體傳感器仿真

SAW氣體傳感器的工作原理為質量負載效應，吸附層由于吸收氣體分子后，增加了質量負荷導致SAW傳播速度降低，從而導致傳感器頻率發(fā)生偏移。通過檢測頻率偏移？駐f表示吸附氣體的濃度。當敏感膜非常薄且為各向同性絕緣材料時，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量成比例，這是SAW傳感器檢測的理論基礎。

本文用有限元軟件對圖1、圖2中的雙向IDT和FEUDT結構進行建模，利用周期性邊界條件，分別建立了一個周期結構的二維模型，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后對材料性質造成的任何影響都被忽略。

3 結果與分析

本文首先對兩種結構的電極高度h進行研究，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？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，B略高于A，說明FEUDT結構的總位移更大一些；當電極很小或很大時，總位移會有極大值。

從圖3、圖4中可以看出，當電極歸一化高度為h/？姿=0.01%時，得到FEUDT結構總位移最大值為3.27nm，頻率為1038771378Hz；得到雙向IDT結構總位移最大值為3.05nm，頻率為1036776701Hz。此時，兩種結構的總位移和電勢隨基底深度變化如圖5、圖6所示。兩種結構的位移和電勢在1個？姿內達到最大值后在2至3個？姿內消失，說明該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中靈敏度曲線是線性的，兩種氣體傳感器的靈敏度分別為1.042Hz/ppm和1.035Hz/ppm。

4 結束語

本文利用有限元軟件對SAW氣體傳感器的二維結構進行建模，利用周期性邊界條件對具有雙向IDT和FEUDT結構的氣體傳感器進行了仿真，仿真時用一個周期結構代替整個器件，該方法適合周期性重復結構，可以有效的縮短計算時間。采用PIB作為敏感膜材料，計算了兩種傳感器的靈敏度，通過對比發(fā)現(xiàn)具有FEUDT結構的氣體傳感器在吸收少量DCM氣體時靈敏度較好。

參考文獻：

[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.