声表面波气体传感器的原理及研究进展

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1、http://www.paper.edu.cn1声表面波气体传感器的原理及研究进展薛力芳，刘建国，黄烨，刘爽英，赵启大，刘丽辉，董孝义（南开大学现代光学研究所天津300071）摘要：简要叙述了声表面波（SAW）气体传感器的传感原理和研究进展，详细阐述了声表面波气体传感器阵列的新型结构及其主要功能，为实现集成化，多参量测量和高灵敏度SAW气体传感器的优化结构设计提供了参考依据。关键词：声表面波气体传感器1引言声表面波(SAW)传感器的研究起源于70年代，当时人们在研究SAW电子器件的时候发现表面沉积物、应力

2、、温度、电场、磁场等外界因素均会对器件的特性产生较大的影响，这些影响是电子器件所不希望的，然而却十分适用于传感器的研究。由于这种传感器具有高精度、高灵敏度、高分辨率、抗电磁干扰能力强，不需要模/数转换，敏感器件采用半导体平面工艺制作，易于集成及大规模生产等优点，30多年来，以SAW延迟线或谐振器作为核心[1][2]敏感组件的SAW传感器技术得到了很大发展。到目前为止，人们不但已经研制了温度、[3][4][5][6]压力、质量传感器。特别是在气体传感器方面已经取得了可喜的科研成果。本文概述了近些年SAW气体

3、传感器的研究进展，对一些新型的SAW气体传感器结构设计做了详细的介绍，从而为SAW气体传感器优化设计提供了参考依据。2声表面波气体传感器的原理声表面波(SAW)气体传感器的基本结构如图1所示，在以压电材料为衬底的表面上，一端为输入叉指换能器（IDT1），另一端为输出叉指换能器（IDT2），两者之间的区域淀积了针对特定气体敏感的薄膜。此薄膜与被测气体发生相互作用，导致界面膜的物理性质发生变化，从而改变了SAW的速度或频率，因此通过测量声波的频率偏移或相位延迟可以反演得到气体的种类、浓度等待测量。下面以测量声

4、波的频率偏移为例来说明声表面波气体传感器原[7]理。1资助项目：教育部博士点基金（批准号：20020055036）、国家自然科学基金项目（批准号：69977006）和天津市自然科学基金重点资助项目（批准号：013800511）-1-http://www.paper.edu.cn图1SAW器件的基本结构SAW气体传感器提供的信号可用下面关系式表达：2µ002λµ+0f=+fhρ()kk+k−fh(4k+k)（1）01232012vλµ+2R00式中∆f：覆盖层由于吸附气体而引起的SAW频移的大小；kk,,

5、k：压电基片材料常数；123f：SAW振荡器未受扰动时的振荡频率；h：薄膜厚度；ρ：薄膜材料密度；µ：薄膜00材料剪切模量；λ：薄膜拉曼常数；v：为受扰动时SAW相速。0R由（1）式可知，传感器响应∆f主要取决于薄膜密度ρ的变化。应当指出，（1）式只适用于非常薄的膜（膜厚小于波长的0.2％），对于较厚的膜，（1）式只能给出信号幅度的估计值。当采用有机膜时，由于其剪切模量µ非常小，此式中第二项可以忽略，此时02f=fhρ(k+k+k)（2）0123当薄膜采用导电材料或金属氧化物半导体材料时，由于薄膜的电导

6、率随所吸附气体的浓度而变，引起SAW波速漂移和衰减，从而振荡频率发生变化。在这种情况下，SAW气体传感器的输出响应可以用下面的关系式表达：222kσh0ff=−(3)022222σhv+C0RS式中k：电耦系数；C：薄膜材料常数；σ：薄膜电导率。由（3）式可得，当采用导电s0膜或金属氧化物半导体膜时，膜层电导率的变化是SAW气体传感器响应的主要贡献。3声表面波气体传感器的基本结构3.1单通道SAW气体传感器的基本结构[8]单通道SAW气体传感器具有延迟线型和谐振型两种类型，如图2、3所示。-2-http

7、://www.paper.edu.cn图2延迟线型SAW气体传感器图3谐振型SAW气体传感器[9]Yu.V.Gulyaev在实验中采用的窄波导的形式用以提高灵敏性，如图4所示。在实验03中使用的基底为128Y切割的LiNbO3，其体积为12×5×0.25mm，输入和输出IDT都有30对指，周期为8µm，两个IDT之间的距离为6.5mm，25µm宽0.5mm长的声波导两端与两个喇叭形的集合器相连放在两个IDT之间，两个提供电压的铝电极放在声波导的两侧，间距为30µm，工作频率在486MHz附近，整个器件不涂

8、覆任何敏感膜，为消除环境温度的影响，此传感器必须放入温控箱中。在不改变电压值的情况下，不同种类的气体相位延迟不同，因此只要分析声波传过波导后相位的延迟就可以判断气体的种类。可以通过调节加在传感器上的电压来提高器件的灵敏性。Yu.V.Gulyaev等已在实验中有效的分辨了甲醇、乙醇、丙酮、0丙酮-2，实验在12C时相位延迟不低于0.1度。这种结构可用于现代气体分析系统，例如电子鼻等。图4SAW传感器示意图3.2双通道SAW气体传