顧春虎，殷晨波，朱亞軍，朱 斌

(南京工業(yè)大學(xué) 車輛與工程機(jī)械研究所，江蘇 南京211816)

0 引 言

氫氣具有無污染，高燃燒熱值，來源廣泛等特點(diǎn)，是石油理想的替代品。氫氣易燃易爆，因此，氫氣安全檢測(cè)是氫氣能運(yùn)用的必備環(huán)節(jié)。1982 年，聲表面波(SAW)技術(shù)被第一次運(yùn)用在對(duì)氫氣的檢測(cè)［1］，基于SAW 技術(shù)的氫氣傳感器有兩種，延遲線型和諧振型，兩種傳感器都由壓電基底、作為電極的叉指換能器(IDT)和氣敏薄膜組成。目前，為了提高SAW 氫氣傳感器的性能，研究者主要將目標(biāo)集中在搜尋高效氣敏薄膜材料上，而忽視了氣敏材料本身結(jié)構(gòu)對(duì)傳感器性能的影響。Jakubika W 等人發(fā)現(xiàn)CuPc 和Pd 雙層敏感膜對(duì)氫氣的靈敏度曲線線性度較高［2］，Ippolitoa S 等人通過在WO3中摻雜Pt 和Au 金屬，得到了具有較高靈敏度的氫敏感膜［3］。本文中主要以Pd 為氫敏材料，由于現(xiàn)階段MEMS 加工工藝的限制，Pd 納米線結(jié)構(gòu)很難加工得到，因此，通過有限元軟件建立了Pd 的納米線結(jié)構(gòu)，并通過磁控濺射得到與模型相同厚度的平面型Pd 膜，分析了模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，含Pd 納米線結(jié)構(gòu)的SAW 傳感器表現(xiàn)出比Pd面形結(jié)構(gòu)的SAW 傳感器更高的靈敏度。

1 模擬研究

1.1 建 模

SAW 器件通?？梢允褂玫刃щ娐纺Ｐ?，耦合模(COM)模型［4］和有限元模型進(jìn)行模擬研究。有限元法主要是運(yùn)用SAW 壓電耦合方程和邊界條件計(jì)算求得傳感器電學(xué)和力學(xué)的精確解。商用有限元軟件COMSOL 具有較好的多向耦合分析功能，可以作為SAW 器件的理想仿真軟件［5］，因此，本文中選用COMSOL 進(jìn)行仿真。

SAW 器件通常是由IDT 呈周期性和交錯(cuò)并排排列而成，使用COMSOL軟件中的周期性邊界條件可以將SAW器件簡(jiǎn)化為單電極和聲傳播鍍膜路徑區(qū)，同時(shí)為了減少計(jì)算量取x 方向的基底小薄片，簡(jiǎn)化模型如圖1 所示。

圖1 SAW 諧振器幾何模型和邊界俯視圖Fig 1 Geometric model for SAW resonator and top view of boundaries

選用的壓電基底材料為YZ 鈮酸鋰，SAW 的傳播方向?yàn)閦 方向，電極為金屬Al。模型相關(guān)參數(shù):波長(zhǎng)λ=40 μm，電極寬度a=10 μm，電極厚度h=0.150 μm，電極中心距p=20 μm，基底厚度為5λ=200 μm。SAW 傳感器激發(fā)的主要是瑞利波，其能量集中在基片表面1 ～2 個(gè)波長(zhǎng)內(nèi)并隨著基底深度增加振幅呈指數(shù)衰減，左邊界ML與右邊界MR設(shè)置為周期性邊界，基底底面為固定邊界條件。

選擇COMSOL 軟件中的壓電特征頻率求解模塊，確定求解范圍。從求解結(jié)果中很容易得到其具有的2 個(gè)正反特征頻率SAW 振型，如圖2 所示。正特征頻率為f+=87.133 MHz，反特征頻率f-=87.894 MHz。SAW 的傳播速度計(jì)算公式為可知v=3500.54 m/s。由文獻(xiàn)［6］給出在YZ 鈮酸鋰基底上傳播的SAW 速度為3 488 m/s，兩者的誤差僅為0.36%，表明采用COMSOL 建立模型計(jì)算的正確性。

圖2 基底總位移圖Fig 2 Total displacement diagram in substrate

1.2 模型結(jié)果分析

取正反諧振頻率的中間值為本征頻率 f0=87.514 MHz。為了研究Pd 納米線結(jié)構(gòu)對(duì)于傳感器靈敏度的影響，在模型中增加了線狀Pd，使得Pd 的長(zhǎng)度L 由0 nm按步長(zhǎng)10 nm 增至300 nm。通過使Pd 長(zhǎng)度L 在COMSOL中參數(shù)化，得到圖3。

圖3 Pd 納米線長(zhǎng)度與本征頻率關(guān)系Fig 3 Pd nanowires length vs eigenfrequency

從圖中可知，在L=190 nm 和L=0 時(shí)的本征頻率相同，也就是長(zhǎng)度為190 nm 的氫敏材料Pd 在SAW 聲路徑上的質(zhì)量加載效應(yīng)為零。造成這個(gè)現(xiàn)象的主要原因是Pd 納米線相當(dāng)于一端固定的簡(jiǎn)支梁，瑞利波在鈮酸鋰基底表面?zhèn)鞑r(shí)會(huì)引起基底表面振動(dòng)，Pd 納米線也隨之產(chǎn)生共振，當(dāng)其長(zhǎng)度L 恰好為190 nm 時(shí)，Pd 納米線底部對(duì)于壓電基底上表面的壓力剛好為零，即等效于未鍍膜傳感器的本征頻率。因此，采用長(zhǎng)度為190 nm 的Pd 納米線，可以使得Pd 吸收氫氣質(zhì)量增加對(duì)SAW 傳感器影響最為明顯。氫氣在Pd 材料表面被分解成氫原子并向材料內(nèi)部擴(kuò)散，氫原子會(huì)進(jìn)入面心立方Pd 原子間隙中，導(dǎo)致Pd 晶格晶胞體積線性增加。Fabre A 等人確定了不同氫氣體積分?jǐn)?shù)下Pd 材料參數(shù)［7］，文中采用其實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來模擬。為了得到SAW 傳感器IDT之間的電導(dǎo)納參數(shù)，還需要對(duì)其進(jìn)行諧響應(yīng)分析，電極上總電荷Q 與導(dǎo)納Y 的關(guān)系式為

式中 Q 為電極間電荷，V 為電極間電勢(shì)差，ω 為諧響角頻率。

在電極上施加20V 電壓，并改變對(duì)應(yīng)氫氣體積分?jǐn)?shù)下Pd 材料參數(shù)后，得到如圖4，在氫氣體積分?jǐn)?shù)分別為0，500×10-6，1 000×10-6，1 500×10-6，2 000×10-6時(shí)，SAW傳感器的本征頻率偏移值為0，6.8，11.9，16.2，18.6 kHz。起初氫氣體積分?jǐn)?shù)的增加對(duì)電極上電導(dǎo)納的改變較大，之后對(duì)電導(dǎo)納的改變相對(duì)較小，通過其偏移值確定了傳感器相對(duì)于不同氫氣體積分?jǐn)?shù)的靈敏度。

圖4 在不同氫氣體積分?jǐn)?shù)下SAW 傳感器導(dǎo)納圖Fig 4 Admittance of SAW sensor under different volume fraction of hydrogen

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 樣品制作與測(cè)試

SAW 傳感器的制作:選好YZ 鈮酸鋰壓電基片，超聲波清洗表面油污雜質(zhì)，通過光刻剝離法(lift-off)在基片上制作Au 叉指電極，之后劃片再清洗，通過磁控濺射儀(濺射參數(shù):直流電壓252 V，電流0.11 A，真空度3×10-4Pa，樣品臺(tái)轉(zhuǎn)速70 r/min)濺射得到厚度為190 nm 的面狀Pd 膜，將壓電片固定于TO—8 系列管殼上，采用Au 絲球焊將匯流條與管殼引腳連接，制得傳感器原型如圖5 所示。

圖5 傳感器原型Fig 5 Prototype of sensor

測(cè)試系統(tǒng)的構(gòu)建:采用由恒流配氣系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集一體化的微氣體傳感器測(cè)試系統(tǒng)［8］，鑒于高頻信號(hào)互相干擾效應(yīng)，設(shè)計(jì)了具有屏蔽功能且?guī)в懈哳l信號(hào)連接接頭BNC的專用測(cè)試夾具［9］，使用了型號(hào)為DS7710A 網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行校準(zhǔn)測(cè)試。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖6 為未通氫氣時(shí)網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試結(jié)果，該SAW 傳感器的本征頻率為85.523 MHz，實(shí)驗(yàn)結(jié)果的本征頻率與仿真結(jié)果的本征頻率有一定的誤差，這是傳感器叉指制作時(shí)存在一些工藝誤差造成的。通過恒流配氣系統(tǒng)制得氫氣體積分?jǐn)?shù)分別為0，500×10-6，1000×10-6，1500×10-6，2000×10-6的混合氣，測(cè)試得到對(duì)應(yīng)的傳感器本征頻率偏移值分別為0，2.4，5.2，5.6，6.4 kHz。將仿真值與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比如圖7，當(dāng)體積分?jǐn)?shù)達(dá)到2 000×10-6時(shí)，含Pd 納米線的SAW 傳感器對(duì)氫氣的響應(yīng)值為18.6 kHz，而含面型Pd SAW傳感器的響應(yīng)僅為6.4 kHz，兩者接近3 倍。因此，得到了相同氫敏材料Pd，由于具有不同幾何形狀而導(dǎo)致了相差很大的靈敏度，即納米線結(jié)構(gòu)提高SAW 傳感器靈敏度。

圖6 網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試結(jié)果Fig 6 Measurement results of network analyzer

3 結(jié)束語

圖7 SAW 傳感器頻率偏移值與氫氣體積分?jǐn)?shù)關(guān)系Fig 7 Frequency shift of SAW sensor vs different volume fraction of hydrogen

本文使用COMSOL Multiphysics 軟件建立了含Pd 納米線結(jié)構(gòu)的SAW 傳感器模型，克服了由于實(shí)驗(yàn)加工缺陷而難以制作Pd 納米線的弱點(diǎn)，得到的Pd 納米線長(zhǎng)度在190 nm時(shí)，Pd 納米線對(duì)SAW 的質(zhì)量加載效應(yīng)為零。模型的本征頻率為87.514 MHz，通過在叉指電極上施加20 V 的電壓，得到了在不同氫氣體積分?jǐn)?shù)下的電導(dǎo)納值，從而由電導(dǎo)納的偏移值獲得了含Pd 納米線的SAW 傳感器靈敏度。通過實(shí)驗(yàn)制得了面型Pd 膜傳感器，其本征頻率為85.523 MHz，并測(cè)得了對(duì)于不同氫氣體積分?jǐn)?shù)的頻率偏移值，分析了模擬和實(shí)驗(yàn)值。結(jié)果表明:相同氫敏材料Pd，納米線結(jié)構(gòu)能有效提高SAW 傳感器的靈敏度，并提高傳感器性能。

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