声表面波气体传感器

声表面波气体传感器的模拟与仿真
由于恐怖活动日益猖獗,爆炸物检测技术受到了世界各地的广泛关注。

声表面波(SAW)技术因具有灵敏度高、抗辐射能力强、波长短的独特优势成为了研究热点。

本文以高频高敏度声表面波TNT气体传感器为研究目标。

首先,根据微扰理论对SAW爆炸物传感器的响应机制进行了研究,选定了初始膜厚h0=htrd/10的玻璃-橡胶态PDMS作为TNT传感器敏感膜;其次,利用有限元软件对200MHz延迟线型和谐振型传感器进行建模仿真,结果表明所得为瑞利波;最后,在500ppbTNT气体浓度下,计算了两种类型传感器插入损耗和灵敏度,得到了谐振型传感器的插入损耗更小(-24.5dB)、灵敏度更高(94.8Hz/ppb)的结论。

声表面波传感器的工作原理发布时间：2021-09-16T02:31:42.791Z 来源：《教育学》2021年6月总第253期作者：逄珂李英棣邓海峰吴一丁少娜[导读] 会改变声传播速度等特性，通过检测声速变化量，可以表征待测参量的大小。

91206部队山东青岛266100摘要：如今，传感器在我们生活中发挥着非常重要的作用，如移动设备采用环境光传感器来优化显示，同时利用加速度传感器实现高水平的交互性；汽车采用了接近传感器来避免事故。

声表面波传感器是一种利用声表面波芯片作为传感元件，以声表面波速度或频率的变化来表征被测量的传感器。

本文主要对声表面波传感器的工作原理及模式进行了阐述。

关键词：声表面波传感器原理声表面波传感器是一种对生物、物理、化学等物质量进行检测的新型传感器，它利用IDT和晶体的压电效应激发声表面波，使其以一定的声波速在输入输出换能器之间的压电基片表面传播，如果在声波传播路径上施加如压力、温度等被测参量时，会改变声传播速度等特性，通过检测声速变化量，可以表征待测参量的大小。

一、声表面波传感器的定义表面声波(Surface Acoustic Wave,SAW)首先由Rayleigh勋爵解释，他描述了压电材料中声波传播的表面模式。

后来，White和V oltmer通过使用叉指式换能器(IDT)发现了一种产生表面声波的简便方法，从此，SAW器件因其各种优点在许多领域发挥了重要作用。

声表面波传感器是一种对生物、物理、化学等物质量进行检测的新型传感器，其原理是由于物理量变化，声表面波振荡器频率也发生变化。

就现在传感器元件的发展，可以制作成研究气体、压力、温度等参数的传感器。

它通过监测声波在毫米大小的压电基板上的调制来工作，小尺寸的声表面波传感器允许它们对环境参数的变化做出快速反应。

此外，频率调制的使用使它们能够进行精确的测量，这在很大程度上不受信号衰减的影响。

二、声表面波传感器的结构类型SAW传感器的类型各种各样，按其供电方式可以分为有源传感器和无线无源传感器两种。

声表面波气体传感器的原理及研究进展1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、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[1][2]、压力[3]、质量传感器[4]。

特别是在气体传感器方面已经取得了可喜的科研成果[5][6]。

本文概述了近些年SAW气体传感器的研究进展，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。

下面以测量声波的频率偏移为例来说明声表面波气体传感器原理[7]。

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）图1 SAW 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：22000012301200()(42R 2)f f h k k k f h k k v µλµρλµ+=++−++ （1） 式中f ∆：覆盖层由于吸附气体而引起的SAW 频移的大小；：压电基片材料常数；123,,k k k 0f ：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；0µ：薄膜材料剪切模量；0λ：薄膜拉曼常数；：为受扰动时SAW 相速。

声表面波甲醛气体传感器研究的开题报告开题报告题目：声表面波甲醛气体传感器研究一、研究背景及意义随着人们对生活环境的要求不断提高，空气质量的问题也愈加引起人们的关注。

甲醛是一种有害气体，是室内和车内污染的主要因素之一。

甲醛不仅会对人的健康造成危害，还会加速建材的老化和腐蚀，导致室内环境污染。

因此，需要对甲醛气体进行快速、准确的检测。

目前常用的甲醛气体传感器有光学传感器、电化学传感器和半导体传感器等。

然而，这些传感器存在一些问题，如响应时间较长、灵敏度不足、稳定性差等。

为了解决这些问题，本研究将探究一种新型甲醛气体传感器——声表面波传感器。

声表面波传感器是一种基于压电效应的传感器，具有高灵敏度、迅速响应的优点，能够检测微小的表面变化并转化为电信号。

在甲醛气体检测中，声表面波传感器可以通过测量甲醛引起的质量变化来实现气体的检测。

二、研究目的和内容本研究旨在开发一种基于声表面波技术的甲醛气体传感器，并研究其检测性能。

具体研究内容包括：1. 建立声表面波甲醛气体传感器的电路系统和信号处理方法。

2. 制备并优化声表面波传感器的传感膜材料，提高其灵敏度和选择性。

3. 考察声表面波传感器在不同甲醛浓度下的响应特性、响应时间和稳定性等性能。

4. 结合计算机软件开发出一套完整的甲醛气体检测系统。

三、研究方法和技术路线本研究将采用如下方法和技术路线：1. 设计制备声表面波传感器芯片。

2. 优化传感膜材料制备方法，测试选择性和灵敏度。

3. 构建实验室实验平台，对甲醛气体进行检测，测量传感器的响应特性和稳定性，并对传感器进行性能评估。

4. 建立甲醛气体检测系统，通过计算机软件控制并实时采集传感器输出信号。

5. 进行数据分析并综合评价传感器的性能。

四、预期研究成果本研究预期可达到以下成果：1. 成功开发基于声表面波技术的甲醛气体传感器。

2. 实现甲醛气体的快速、准确检测。

3. 对声表面波甲醛气体传感器的性能进行分析和评价，为进一步优化传感器提供数据支持。

声表面波气体传感器的研究声表面波（SAW）气体传感器是一种新型的传感器，SAW气体传感器有很多突出的优点，例如测量气体时精度高、分辨率高，对外界干扰的抵抗能力较强，较为稳定，同时容易集成并且功耗小等特点。

其结构主要是由压电材料，以及压电材料上用于激发或者接收声表面波的叉指换能器(IDT)，还有位于叉指换能器之间的气敏吸附膜构成。

气敏吸附膜不同,所能吸附检测的气体就不同。

由于气敏吸附膜在吸附气体前与吸附气体后的质量效应、弹性模量和电导率的变化，叉指换能器激发的声表面波在一些物理特性上，如频率、振幅、相位等是会发生改变的。

SAW气体传感器正是利用气敏吸附膜的不同以及声表面波在SAW气体传感器吸附气体前后物理特性差异的程度来探测气体的种类和浓度。

应用于SAW气体传感器的谐振器主要的三个技术参数是，灵敏度、Q值和频率稳定性。

由于吸附待测气体成分后引起谐振器频移正比于谐振器的中心频率平方，这就要求SAW谐振器具有很高的中心频率（GHz）；要精确的分辨出SAW谐振器中心频率的微小偏移（即有很高的测量分辨率），就要求SAW谐振器具有很高的Q值；SAW谐振器中心频率会随温度而变化，影响SAW谐振器频率稳定性，频率温度系数（TCF）是量度SAW谐振器频率稳定性最重要参数，SAW谐振器基片应该有很低的频率温度系数（TCF），以最大限度的减小中心频率随温度变化的漂移。

本文在论述声表面波气体传感器工作原理的基础上，通过对几种常用压电材料的比对，充分考虑SAW气体传感器在应用领域的要求，决定采用氮化硼（BN）作为压电材料制备压电薄膜。

氮化硼是III-V族化合物，共价键结合，比较常见的是立方氮化硼（c-BN）和六角氮化硼（h-BN）。

两者均可作为压电材料，应用于SAW器件。

射频磁控溅射是制备BN的主要手段之一，但要得到纯净的c-BN或者h-BN 是比较困难的，在制备的过程中立方相和六角相总会各占一部分比例。

本文用射频磁控溅射的方法在硅衬底上制备BN薄膜，通过正交试验分析，以c-BN和h-BN 的含量为指标，分别优化了用射频磁控溅射的方法制备c-BN和h-BN薄膜的工艺条件。

第32卷 第4期Vol.32, No.42013年7月 Applied Acoustics July, 20132013-05-07收稿; 2013-05-20定稿*国家自然科学基金重点项目(10834010)、面上项目(11074268)和863课题(2006AA06Z413)作者简介: 何世堂 (1958- ), 男, 湖南平江人, 研究员, 博士生导师, 研究方向: 声表面波传感器、声表面波滤波器组、声表面波低插损滤波器及其在移动通信中的应用。

王文 (1976- ), 男, 研究员。

刘久玲 (1976- ), 女, 副研究员。

刘明华 (1978- ), 男, 副研究员。

李顺洲(1953-), 男, 副研究员。

†通讯作者: 何世堂, E-mail : heshitang@纪念应崇福院士诞辰95周年声表面波气体传感器研究进展*何世堂†王 文 刘久玲 刘明华 李顺洲（中国科学院声学研究所 北京 100190）摘要 基于声表面波技术的气体传感器包括采用敏感膜和结合气相色谱两种方式。

比较而言，采用敏感膜的声表面波气体传感器体积小、功耗低，适应小型化毒气报警器的发展要求，但可检测的气体种类少、灵敏度低、存在交叉干扰问题；声表面波与气相色谱联用的气体分析仪灵敏度高、可检测气体种类多、很好地解决交叉干扰问题，特别适合于复杂大气背景条件下的气体成分分析。

本文从传感器响应机理分析与物理功能结构两方面出发介绍了两类声表面波气体传感器的研究进展情况。

关键词 声表面波，气体传感器，敏感膜，气相色谱，灵敏度 中图分类号：O429文献标识码：A文章编号：1000-310X(2013)04-0252-11Research progress of surface acoustic wave based gas sensorsHE Shitang WANG Wen LIU Jiuling LIU Minghua LI Shunzhou(Institute of Acoustics , Chinese Academy of Sciences , Beijing 100190, China )Abstract Two approaches are used for gas sensing of the surface acoustic wave (SAW) based gas sensor, one is using the sensitive film coated onto the SAW device directly, interacting with the target specifics by absorbing; the other way is joint detection using the naked SAW sensor and gas chromatography (GC). The first one is characterized by small size, low power in the practical application, and it adapts to the development of miniaturization poison gas sensor requirements. However, it still suffers from some problems as low sensitivity, few detectable gas types and crossed-interference. It is fortunate that these problems can be solved just right by the joint detection using the naked SAW sensor and GC, the method is especially suitable for the gas composition analysis in the complicated atmosphere background. This paper reviews the development of the SAW gas sensor using the two detection methods.Key words Surface acoustic wave, Gas sensor, Sensitive film, Gas chromatography, Sensitivity第32卷第4期何世堂等:声表面波气体传感器研究进展2531 引言声表面波（Surface acoustic wave，SAW）是在压电材料上淀积叉指电极通过压电效应所激发的沿基片表面传播的一种表面声波，对表面扰动的物理、化学或者其他机械参量相当敏感，由此可实现各种具有高灵敏度的传感器。