SAW氢气传感器频率特性分析

吴礼峰，殷晨波，朱亚军，杨 柳，唐光大

(南京工业大学车辆与工程机械研究所，江苏南京 211816)



SAW氢气传感器频率特性分析

吴礼峰，殷晨波，朱亚军，杨 柳，唐光大

(南京工业大学车辆与工程机械研究所，江苏南京 211816)

基于ANSYS13．0建立了声表面波(SAW)传感器的三维有限元模型，选择金属钯膜作为传感器敏感薄膜，选用128°YX铌酸锂作为基底材料，输入和输出叉指电极(IDT)耦合在基底表面。给输入IDT施加单位阶跃信号，并对所得到的时域响应数据进行傅里叶变换得到传感器的中心频率和插入损耗。将仿真所得频率特性与实验结果进行对比，得到了可以降低插入损耗、提高传感器性能的方法。

声表面波(SAW)；中心频率；插入损耗

0 引言

氢气来源广泛，可再生，污染低，燃烧热量大等优点已使得它成为21世纪的新能源之一,但其密度小易扩散，在湍流情况下，氢气的泄漏率是天然气的2．83倍[1]，更加严重的是氢气在空气中的最低含量达到4%的时遇明火就极易引起爆炸[2]。声表面波(SAW)气体传感器尺寸小、制造成本低、灵敏度高，使得它在氢气的检测中有着理想的性能，因此对SAW气体传感器的研究十分重要。

1 传感器的建模

模型中压电基底选择128°YX-LiNbO3，钯膜放置在基底中压，叉指电极分布在钯膜的两侧。压电基底划分单元选择适用于三维压电结构分析的8面体耦合单元Solid226，为了提高仿真的精度，相应的钯膜划分单元选择8面体Solid186。

SAW的能量随压电基底深度增加呈快速下降趋势，当深度达到3个波长时能量不足5%[3]，为了提高仿真的精确性，划分网格时基底下表面到上表面网格密度逐渐增大，且声表面波的传播路径处划分更加精细。为了简化计算，不进行叉指电极的建模，将与这6对叉指电极对应处的各节点进行耦合，对1个节点施加电压信号即可。图1为耦合了电极后的传感器结构模型，其中压电基底的尺寸为600 μm×360 μm×120 μm，钯膜尺寸为120 μm×65 μm×1．19 μm，最终模型中节点数为405 461，单元数为93 760。

图1 SAW传感器结构模型图

2 仿真结果与分析

2．1 仿真结果

三维SAW模型需要设定合适的边界条件[4-5]，设定上表面为自由表面，模型下表面设置为夹持边界条件，有ux=0，uy=0，uz=0，φ=0。进行瞬态分析时，施加给输入IDT的电压信号为单位阶跃信号，其函数形式为

(1)

式中：Vin为输入电压；t1等于仿真步长时间取0．9 ns，总仿真时间为200 ns，共223步。

图2为不同时间段声表面波在压电基底表面的传播过程，从图中可知声表面波是双向传播的。当传播时间t=42．3 ns时，向左边传播的声表面波已经达到基底边缘，此时会出现波的反射；当t=200 ns时，已经完成了整个波的传播过程。

(a)t=0.9 ns

(b)t=10.8 ns

(c)t=42.3 ns

(d)t=200 ns

2．2 仿真分析

在无氢气的情况下对输入IDT施加1 V的激励电压，图3为得到的传感器的电压输出图，将时域数据进行傅里叶变换得到传感器的频率响应。插入损耗反应了输出与输入的关系，是SAW氢气传感器性能的重要指标，其值越小越好。插入损耗公式为

(2)

式中：IL为插入损耗；Uout为传感器输出电压;Uin为输入电压。

由公式计算出各频率对应的插损。

图3 传感器电压输出图

图4为传感器的频率特性图，传感器工作于中心频率时插入损耗达到最大值。从图中可以看出传感器的中心频率为97．37 MHz，对应的插入损耗为28．002 8 dB。

图4 传感器频率特性

3 试验结果

3．1 传感器原型

课题组制作了各种形式的SAW氢气传感器原型，图5是128°YX-LiNbO3型传感器原型。用磁控溅射法将钯膜镀在基底表面，采用金丝球焊法连接汇流条和封装体引脚，并且在输入电极左侧和输出电极右侧涂有吸声胶。

叉指电极是传感器的重要组成部分，其制作质量直接影响声表面波的激励与接收。图6为在100倍显微镜下观察到的叉指电极，叉指电极对数为100，指宽为5 μm。

3．2 测试结果

利用网络分析仪和相应夹具，测得在不通氢气的情况下128°YX-LiNbO3型SAW氢气传感器的频率特性，如图7所示。从图中可以观察到中心频率为97．05 MHz，插入损耗为6．352 dB。

图5 128°YX-LiNbO3 型SAW氢气传感器原型

图6 叉指电极

图7 128°YX-LiNbO3 SAW氢气传感器频率特性

4 结论

基于ANSYS软件对SAW氢气传感器进行了建模与仿真，得到了器件的频率特性，中心频率为97．37MHz，相应的插入损耗为28．002 8dB。制作了SAW氢气传感器原型，测得了其在钯膜没有吸附氢气情况下的频率特性,中心频率为97．05MHz，插入损耗为6．352dB。两者在传感器中心频率方面表现出了较好的一致性，但插入损耗存在较大差异，原型的插损效果更好。插入损耗与电极对数、声孔径宽度等有关，原型中电极对数、声孔径远大于仿真模型中的设计数值。实验原型涂有吸声胶，有效地抑制了声波的反射，而仿真中声波的反射干扰较为严重。结果表明，叉指电极对数相对较多、反射被有效抑制的情况下，可以有效降低插入损耗，提高传感器性能。

[1] 冯马,马淑娟,倪维斗，等．氢能的安全性和燃电池汽车的氢安全问题.太阳能学报,2003，24(5):677-682．

[2] 唐一科,刁显珍,侯长军，等．氢气传感器的研究进展．传感器与微系统,2006,25(11): 9-11．

[3] 薛齐齐,孙崇波,孙毅．YX128°-LiNbO3SAW传感器IDT的有限元仿真．哈尔滨工业大学报,2010,42(3): 364-367．

[4]TIKKAAC,AI-SARAWISF,ABBOTTD．Finiteelementanalysisofa3-dimensionalacousticwavecorrelatorresponseforvariableacousticmodes．Proc．OfSPIE,2008,6926: 1-8．

[5]ATASHBARMZ,BAZUINBJ,SIMPEHM,etal．3DFEsimulationofH2SAWgassensor．Sens．ActuatorsB,2005,111-112: 213-218．

[6]ELGOWINIMM,MOUSSAWA．AfiniteelementmodelofaMEMS-basedsurfaceacousticwavehydrogensensor．Sensors,2010,10： 1232-1250．

Frequency Characteristic Analysis of SAW Hydrogen Sensor

WU Li-feng,YIN Chen-bo,ZHU Ya-jun,YANG Liu,TANG Guang-da

(Institute of Automation and Construction Machinery,Nanjing Tech University,Nanjing 211816,China)

A three-dimensional finite element model of surface acoustic wave(SAW) sensor was developed based on ANSYS13．0．The sensor consisted of 128°YX-lithium niobate substrate with input and output interdigital electrodes(IDT) coupled on the surface,and palladium(Pd) film was selected as the sensitive film．A unit step signal was applied on the input IDT and the result of time-domain response date was transformed using the Fourier Transform,from which the center frequency and insertion loss were obtained．The method of lowering the insertion loss and improving the performance of the sensor was obtained by comparing the frequency characteristics of the simulation results with the experimental results．

surface acoustic wave(SAW);center frequency;insertion loss

国家自然科学基金资助项目(50875122)

2014-02-13 收修改稿日期：2014-10-04

TP212．2

A

1002-1841(2015)03-0001-02

吴礼峰(1989—)，硕士研究生，研究方向为微氢气传感器。E-mail:wulifengiacm@163．com