瑞利型SAW气体传感器的设计与分析

翟佳鑫

摘 要：文章利用有限元软件设计了两种声表面波（SAW）气体传感器，证实了双向叉指换能器（IDT）和浮动电极单向换能器（FEUDT）结构激励的SAW是瑞利波；用聚异丁烯（PIB）作为敏感膜材料，对两种传感器吸收二氯甲烷（DCM）的灵敏度进行比较，发现具有FEUDT结构的SAW气体传感器灵敏度较高。

关键词：声表面波（SAW）；气体传感器；浮动电极单向换能器（FEUDT）

中图分类号：TP212 文献标识码：A 文章编号：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

声表面波（SAW）是瑞利在研究地震波时发现的一种能量集中于地表面传播的声波。White和Volrmov利用叉指换能器（IDT）直接在压电介质表面有效的激励出SAW，使得SAW技术发展起来。随着半导体工艺水平的提高，SAW器件因其体积小、高稳定性、高重复性等优点被广泛应用于雷达、通信、遥感和导航等领域。SAW气体传感器是SAW器件最典型的应用之一。与其他传感器相比，SAW气体传感器具有抗干扰能力强、容易集成化、体积小[1]、重量轻、成本低、能够进行大批量生产[2]等优点，因而受到人们的高度重视。

SAW气体传感器由压电基底、IDT和位于压电基底顶部的对特定气体响应的敏感膜组成。不同的压电材料下，SAW的物理特性有所差异；针對不同的气体，可以先用线性溶剂化能关系方程选择合适的SAW气体传感器敏感膜材料；要设计出低损耗和高稳定性的SAW气体传感器，关键在于IDT类型的选择。从传播方向来看，IDT可以分为双向IDT和单向换能器（UDT）两种，双向IDT最为常见，其激励SAW沿两个方向传播；UDT激励SAW主要沿一个方向传播。目前，典型的UDT有单相单向换能器（SPUDT）、浮动电极单向换能器（FEUDT）等，UDT结构被逐渐地应用到各类SAW气体传感器中[3]。

所以本文对SAW气体传感器进行有限元建模时，分别对常规的双向IDT和FEUDT两种类型的IDT进行了比较。

2 SAW气体传感器仿真

SAW气体传感器的工作原理为质量负载效应，吸附层由于吸收气体分子后，增加了质量负荷导致SAW传播速度降低，从而导致传感器频率发生偏移。通过检测频率偏移？驻f表示吸附气体的浓度。当敏感膜非常薄且为各向同性绝缘材料时，偏移量公式[3]为？驻f=（k1+k2）fh，我们可以看出传感器输出与SAW器件表面上加载的质量成比例，这是SAW传感器检测的理论基础。

本文用有限元软件对图1、图2中的双向IDT和FEUDT结构进行建模，利用周期性边界条件，分别建立了一个周期结构的二维模型，压电基底为Y-Z LiNbO3，基底深度5？姿，基底边界条件为固定。双向IDT的左电极接地，右电极具有输入电压；FEUDT的电极1接地，电极4具有输入电压，电极2和5为悬浮电位，电极3和6表面电荷密度为零。

传感器对DCM气体的吸附体现在PIB膜密度的略微增加，除了密度之外，吸附DCM后对材料性质造成的任何影响都被忽略。

3 结果与分析

本文首先对两种结构的电极高度h进行研究，总位移以及谐振、反谐振频率的变化如图3、图4所示。SAW的波长？姿=4？滋m，电极高度归一化用h/？姿（%）表示，敏感膜厚度为80nm（h/？姿=2%）。从图3中可看出，归一化电极高度在0.01%～1.9%区间时，B略高于A，说明FEUDT结构的总位移更大一些；当电极很小或很大时，总位移会有极大值。

从图3、图4中可以看出，当电极归一化高度为h/？姿=0.01%时，得到FEUDT结构总位移最大值为3.27nm，频率为1038771378Hz；得到双向IDT结构总位移最大值为3.05nm，频率为1036776701Hz。此时，两种结构的总位移和电势随基底深度变化如图5、图6所示。两种结构的位移和电势在1个？姿内达到最大值后在2至3个？姿内消失，说明该SAW是典型的瑞利波。

将这两种气体传感器暴露于浓度100ppm至3000ppm的DCM气体中，得到的频率偏移量如图7所示。气体传感器的灵敏度S=？驻f/？驻C，其中？驻f是传感器的频率偏移量，？驻C是气体浓度变化量。图7中灵敏度曲线是线性的，两种气体传感器的灵敏度分别为1.042Hz/ppm和1.035Hz/ppm。

4 结束语

本文利用有限元软件对SAW气体传感器的二维结构进行建模，利用周期性边界条件对具有双向IDT和FEUDT结构的气体传感器进行了仿真，仿真时用一个周期结构代替整个器件，该方法适合周期性重复结构，可以有效的缩短计算时间。采用PIB作为敏感膜材料，计算了两种传感器的灵敏度，通过对比发现具有FEUDT结构的气体传感器在吸收少量DCM气体时灵敏度较好。

参考文献：

[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.