沈 斌， 楊海洋， 劉新蕾， 姜雷鳴

(黑龍江科技大學 安全工程學院， 哈爾濱 150022)

0 引 言

隨著聲表面波(SAW)器件制造水平的不斷提升，SAW器件向著體積小、靈敏度高及易集成方向發(fā)展，逐漸應用于多個領域。叉指換能器結(jié)構(gòu)是影響SAW氣體傳感器性能的重要因素，近年來，高性能叉指換能器是的研究熱點。Hartmann等[1]提出具有低損耗的單相單向換能器(SPUDT)。中國科學院聲學研究所在設計SAW傳感器時，采用SPUDT結(jié)構(gòu)用于降低插入損耗實現(xiàn)單向傳播[2]。Shuai等[3]通過有限元分析，得到雙向叉指換能器(IDT)結(jié)構(gòu)的參數(shù)對SAW器件的機電耦合性能產(chǎn)生一定的影響。Zhai等[4]利用有限元軟件，設計浮動電極單向換能器(FEUDT)結(jié)構(gòu)的SAW傳感器，通過與傳統(tǒng)的單電極換能器構(gòu)建的SAW傳感器進行了對比分析，獲得FEUDT結(jié)構(gòu)可以有效降低SAW傳感器的插入損耗。翟佳鑫等[5]通過COMSOL有限元仿真軟件設計了低損耗FEUDT結(jié)構(gòu)的諧振型和延遲線型SAW氣體傳感器。以上研究表明，雖然單向叉指換能器(UDT)結(jié)構(gòu)被越來越多的學者研究與使用。但是相較于IDT結(jié)構(gòu)，UDT結(jié)構(gòu)能夠降低SAW氣體傳感器的插損尚未研究清晰,在UDT結(jié)構(gòu)中，F(xiàn)EUDT結(jié)構(gòu)的SAW氣體傳感器使用較多，筆者通過設計特征頻率為204 MHz的FEUDT和IDT結(jié)構(gòu)模型，研究兩種結(jié)構(gòu)輸出端的插入損耗，揭示FEUDT結(jié)構(gòu)的低損耗性。

1 SAW氣體傳感器模型的構(gòu)建

通過COMSOL有限元仿真軟件，基于固體力學和靜電學物理場[6-8]，利用SAW氣體傳感器的周期性結(jié)構(gòu)，選取其中一個周期單元進行二維建模[9]。其幾何參數(shù)如表1所示。其中：λ為波長；p為電極中心間距；b為電極寬度；a為電極間隙；h為電極厚度；d為壓電基底的厚度。

根據(jù)上述參數(shù)建立SAW傳感器的幾何模型，在IDT結(jié)構(gòu)中，對電極1施加終端條件，電極2施加接地條件。在FEUDT結(jié)構(gòu)中，分別對電極1和4施加終端和接地條件,對電極2和5施加以懸浮電位條件，對電極3和6施加以表面電荷密度為零的條件[10]。

根據(jù)周期性結(jié)構(gòu)條件，IDT結(jié)構(gòu)的每一個周期單元由2個電極構(gòu)成[11]，而FEUDT結(jié)構(gòu)的每一個周期單元則是由6個電極構(gòu)成。IDT結(jié)構(gòu)和FEUDT結(jié)構(gòu)的示意與二維模型分別如圖1和2所示。

選取YZ-LiNbO3作為壓電基底材料，其標準傳播速度為3 488 m/s。兩類結(jié)構(gòu)的SAW氣體傳感器特征頻率預期為204 MHz。選取聲阻抗較小的Al作為叉指電極材料，其楊氏模量E為7×1010Pa，泊松比μ為0.33，密度ρ為2.7×103kg/m3。

對SAW氣體傳感器結(jié)構(gòu)施加相應的邊界條件，上表面邊界條件ГT，機械邊界條件為自由邊界條件，電邊界條件為零電荷邊界條件；下表面邊界條件ГB，機械邊界條件為固定約束邊界條件，電邊界條件為零電荷邊界條件；左右邊界條件ГL和ГR，機械和電邊界條件均為周期性邊界條件。

對模型劃分網(wǎng)絡過程中，考慮SAW主要沿介質(zhì)表面?zhèn)鞑サ奶匦?，因此，將模型的上部精細劃分，下部的進行大網(wǎng)格劃分，以減少計算量，提高仿真效率。IDT結(jié)構(gòu)與FEUDT結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分如圖3所示。

2 SAW氣體傳感器仿真分析

2.1 模態(tài)分析

模態(tài)是壓電基片的固有特性，通過模態(tài)分析，計算出SAW器件每個模態(tài)下的諧振頻率，獲得器件結(jié)構(gòu)的相關參數(shù)。通過COMSOL有限元軟件分別對IDT和FEUDT結(jié)構(gòu)進行仿真，得到SAW的對稱模態(tài)和反對稱模態(tài)，如圖4和5所示。

從圖4和5可以看出，IDT結(jié)構(gòu)的諧振頻率fsc+與反諧振頻率fsc-分別約為202.47和205.7 MHz，F(xiàn)EUDT結(jié)構(gòu)的fsc+與fsc-分別約為202.92和205.6 MHz。特征頻率計算公式為

(1)

式中：fsc+——諧振頻率；

fsc-——反諧振頻率。

由式(1)可求得，IDT結(jié)構(gòu)的特征頻率為204.085 MHz，F(xiàn)EUDT結(jié)構(gòu)的特征頻率為204.26 MHz，所設計的兩類結(jié)構(gòu)的特征頻率基本一致

(2)

通過式(2)計算得，SAW氣體傳感器的有效波速vs約為3 447 m/s，與標準YZ-LiNbO3的波速3 488 m/s有所降低。其主要是由于SAW在傳播過程中，電極對聲波的傳播有一定的阻礙作用，導致其波速下降[13]。

2.2 導納

在相同特征頻率下，分析其導納，通過研究添加頻域，在特征頻率204 MHz周圍進行掃頻，掃頻范圍為190～220 MHz。

(3)

式中：Y——導納；

V——激勵電壓；

ω——角頻率；

Q——激勵電極所帶電荷量。

根據(jù)計算激勵產(chǎn)生的電流或電荷，由式(3)求出IDT及FEUDT結(jié)構(gòu)的導納值，得到SAW氣體傳感器的頻率-導納特性曲線，如圖6所示。

圖中，foc+為高邊帶開路柵頻率；foc-為低邊帶開路柵頻率；foc+為高邊帶短路柵頻率；foc-為低邊帶短路柵頻率。

從圖6a可以看出，IDT結(jié)構(gòu)只有極小值點fsc和極大值點foc。在圖6b中，F(xiàn)EUDT結(jié)構(gòu)存在兩個極大值點foc-和foc+，兩個極小值點foc-和foc+，F(xiàn)EUDT結(jié)構(gòu)四個極值點的邊帶頻率各不相同，說明該結(jié)構(gòu)具有單向傳播性[10]。

2.3 插入損耗

插入損耗是SAW器件的一個關鍵指標，是指聲波在器件表面?zhèn)鞑ミ^程中的衰減程度[11-13]。插入損耗的表達式為

βIL=20lg|F(Uo)/F(Ui)|，

(4)

式中：βIL——插入損耗；

F(Uo)——器件輸出電壓的傅里葉變換；

F(Ui)——器件輸入電壓的傅里葉變換。

仿真時采用時域研究，將時域分析的結(jié)果轉(zhuǎn)成頻域，利用式(4)，分別求出SAW傳感器兩個傳播方向上的插入損耗。IDT結(jié)構(gòu)和FEUDT結(jié)構(gòu)插入損耗的仿真結(jié)果如圖7和8所示。

從圖7和8可以看出，在特征頻率為204 MHz時，IDT結(jié)構(gòu)的SAW傳感器輸出端1與輸出端2的插入損耗十分相近，分別約為9.398和9.113 dB，說明基本沒有損耗降低。而FEUDT結(jié)構(gòu)輸出端1的插入損耗比輸出端2的大4 dB左右，有明顯降低損耗的作用。

3 結(jié) 論

利用COMSOL有限元仿真分析軟件，通過添加固體力學和靜電學物理場，設計了FEUDT和IDT兩種結(jié)構(gòu)模型，對比分析兩種結(jié)構(gòu)性能，得出FEUDT結(jié)構(gòu)能有效降低SAW在傳播過程中所產(chǎn)生的損耗。

(1)借助COMSOL有限元軟件，設計出特征頻率為204 MHz的IDT和FEUDT結(jié)構(gòu)模型，通過模態(tài)分析計算出兩種結(jié)構(gòu)的有效波速為3 447 m/s，比標準YZ-LiNbO3中的波速3 488 m/s略低。

(2)對比IDT和FEUDT結(jié)構(gòu)的SAW傳播特性，通過導納分析發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)EUDT結(jié)構(gòu)四個各不相同的邊帶頻率，表明FEUDT結(jié)構(gòu)具有單向傳播性。

(3)通過插入損耗分析發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)EUDT結(jié)構(gòu)相較于IDT結(jié)構(gòu)，能降低SAW氣體傳感器4 dB左右的插損。FEUDT結(jié)構(gòu)的設計優(yōu)化了傳感器本身的結(jié)構(gòu)特征，提高了SAW氣體傳感器的敏感性能。