吳禮峰，殷晨波，朱亞軍，楊 柳，唐光大

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

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SAW氫氣傳感器頻率特性分析

吳禮峰，殷晨波，朱亞軍，楊 柳，唐光大

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

基于ANSYS13．0建立了聲表面波(SAW)傳感器的三維有限元模型，選擇金屬鈀膜作為傳感器敏感薄膜，選用128°YX鈮酸鋰作為基底材料，輸入和輸出叉指電極(IDT)耦合在基底表面。給輸入IDT施加單位階躍信號(hào)，并對(duì)所得到的時(shí)域響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換得到傳感器的中心頻率和插入損耗。將仿真所得頻率特性與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，得到了可以降低插入損耗、提高傳感器性能的方法。

聲表面波(SAW)；中心頻率；插入損耗

0 引言

氫氣來(lái)源廣泛，可再生，污染低，燃燒熱量大等優(yōu)點(diǎn)已使得它成為21世紀(jì)的新能源之一,但其密度小易擴(kuò)散，在湍流情況下，氫氣的泄漏率是天然氣的2．83倍[1]，更加嚴(yán)重的是氫氣在空氣中的最低含量達(dá)到4%的時(shí)遇明火就極易引起爆炸[2]。聲表面波(SAW)氣體傳感器尺寸小、制造成本低、靈敏度高，使得它在氫氣的檢測(cè)中有著理想的性能，因此對(duì)SAW氣體傳感器的研究十分重要。

1 傳感器的建模

模型中壓電基底選擇128°YX-LiNbO3，鈀膜放置在基底中壓，叉指電極分布在鈀膜的兩側(cè)。壓電基底劃分單元選擇適用于三維壓電結(jié)構(gòu)分析的8面體耦合單元Solid226，為了提高仿真的精度，相應(yīng)的鈀膜劃分單元選擇8面體Solid186。

SAW的能量隨壓電基底深度增加呈快速下降趨勢(shì)，當(dāng)深度達(dá)到3個(gè)波長(zhǎng)時(shí)能量不足5%[3]，為了提高仿真的精確性，劃分網(wǎng)格時(shí)基底下表面到上表面網(wǎng)格密度逐漸增大，且聲表面波的傳播路徑處劃分更加精細(xì)。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，不進(jìn)行叉指電極的建模，將與這6對(duì)叉指電極對(duì)應(yīng)處的各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行耦合，對(duì)1個(gè)節(jié)點(diǎn)施加電壓信號(hào)即可。圖1為耦合了電極后的傳感器結(jié)構(gòu)模型，其中壓電基底的尺寸為600 μm×360 μm×120 μm，鈀膜尺寸為120 μm×65 μm×1．19 μm，最終模型中節(jié)點(diǎn)數(shù)為405 461，單元數(shù)為93 760。

圖1 SAW傳感器結(jié)構(gòu)模型圖

2 仿真結(jié)果與分析

2．1 仿真結(jié)果

三維SAW模型需要設(shè)定合適的邊界條件[4-5]，設(shè)定上表面為自由表面，模型下表面設(shè)置為夾持邊界條件，有ux=0，uy=0，uz=0，φ=0。進(jìn)行瞬態(tài)分析時(shí)，施加給輸入IDT的電壓信號(hào)為單位階躍信號(hào)，其函數(shù)形式為

(1)

式中：Vin為輸入電壓；t1等于仿真步長(zhǎng)時(shí)間取0．9 ns，總仿真時(shí)間為200 ns，共223步。

圖2為不同時(shí)間段聲表面波在壓電基底表面的傳播過(guò)程，從圖中可知聲表面波是雙向傳播的。當(dāng)傳播時(shí)間t=42．3 ns時(shí)，向左邊傳播的聲表面波已經(jīng)達(dá)到基底邊緣，此時(shí)會(huì)出現(xiàn)波的反射；當(dāng)t=200 ns時(shí)，已經(jīng)完成了整個(gè)波的傳播過(guò)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

在無(wú)氫氣的情況下對(duì)輸入IDT施加1 V的激勵(lì)電壓，圖3為得到的傳感器的電壓輸出圖，將時(shí)域數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換得到傳感器的頻率響應(yīng)。插入損耗反應(yīng)了輸出與輸入的關(guān)系，是SAW氫氣傳感器性能的重要指標(biāo)，其值越小越好。插入損耗公式為

(2)

式中：IL為插入損耗；Uout為傳感器輸出電壓;Uin為輸入電壓。

由公式計(jì)算出各頻率對(duì)應(yīng)的插損。

圖3 傳感器電壓輸出圖

圖4為傳感器的頻率特性圖，傳感器工作于中心頻率時(shí)插入損耗達(dá)到最大值。從圖中可以看出傳感器的中心頻率為97．37 MHz，對(duì)應(yīng)的插入損耗為28．002 8 dB。

圖4 傳感器頻率特性

3 試驗(yàn)結(jié)果

3．1 傳感器原型

課題組制作了各種形式的SAW氫氣傳感器原型，圖5是128°YX-LiNbO3型傳感器原型。用磁控濺射法將鈀膜鍍?cè)诨妆砻?，采用金絲球焊法連接匯流條和封裝體引腳，并且在輸入電極左側(cè)和輸出電極右側(cè)涂有吸聲膠。

叉指電極是傳感器的重要組成部分，其制作質(zhì)量直接影響聲表面波的激勵(lì)與接收。圖6為在100倍顯微鏡下觀察到的叉指電極，叉指電極對(duì)數(shù)為100，指寬為5 μm。

3．2 測(cè)試結(jié)果

利用網(wǎng)絡(luò)分析儀和相應(yīng)夾具，測(cè)得在不通氫氣的情況下128°YX-LiNbO3型SAW氫氣傳感器的頻率特性，如圖7所示。從圖中可以觀察到中心頻率為97．05 MHz，插入損耗為6．352 dB。

圖5 128°YX-LiNbO3 型SAW氫氣傳感器原型

圖6 叉指電極

圖7 128°YX-LiNbO3 SAW氫氣傳感器頻率特性

4 結(jié)論

基于ANSYS軟件對(duì)SAW氫氣傳感器進(jìn)行了建模與仿真，得到了器件的頻率特性，中心頻率為97．37MHz，相應(yīng)的插入損耗為28．002 8dB。制作了SAW氫氣傳感器原型，測(cè)得了其在鈀膜沒(méi)有吸附氫氣情況下的頻率特性,中心頻率為97．05MHz，插入損耗為6．352dB。兩者在傳感器中心頻率方面表現(xiàn)出了較好的一致性，但插入損耗存在較大差異，原型的插損效果更好。插入損耗與電極對(duì)數(shù)、聲孔徑寬度等有關(guān)，原型中電極對(duì)數(shù)、聲孔徑遠(yuǎn)大于仿真模型中的設(shè)計(jì)數(shù)值。實(shí)驗(yàn)原型涂有吸聲膠，有效地抑制了聲波的反射，而仿真中聲波的反射干擾較為嚴(yán)重。結(jié)果表明，叉指電極對(duì)數(shù)相對(duì)較多、反射被有效抑制的情況下，可以有效降低插入損耗，提高傳感器性能。

[1] 馮馬,馬淑娟,倪維斗，等．氫能的安全性和燃電池汽車(chē)的氫安全問(wèn)題.太陽(yáng)能學(xué)報(bào),2003，24(5):677-682．

[2] 唐一科,刁顯珍,侯長(zhǎng)軍，等．氫氣傳感器的研究進(jìn)展．傳感器與微系統(tǒng),2006,25(11): 9-11．

[3] 薛齊齊,孫崇波,孫毅．YX128°-LiNbO3SAW傳感器IDT的有限元仿真．哈爾濱工業(yè)大學(xué)報(bào),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

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50875122)

2014-02-13 收修改稿日期：2014-10-04

TP212．2

A

1002-1841(2015)03-0001-02

吳禮峰(1989—)，碩士研究生，研究方向?yàn)槲錃鈧鞲衅?。E-mail:wulifengiacm@163．com