声表面波气体传感器器件的设计.pdf

第28卷第2期 2006年4月 舰 船 科 学 技 术 SH IP SCIENCE AND TECHNOLOGY Vol . 28, No. 2 Apr . , 2006 文章编号 1672 - 76492006 02 - 0072 - 04 声表面波气体传感器器件的设计 付曙霞,杨震夏 中国船舶重工集团公司第七一八研究所,河北 邯郸056027 摘 要 论述了声表面波气体传感器器件的结构设计及设计参数的选择,设计了ST和AT不同切向的石英 晶体材料做压电基片材料的3种振荡器,通过电性能参数的测试,比较了3种振荡器的性能优劣。 关键词 声表面波;气体传感器;振荡器 中图分类号 TP212 文献标识码 A The design of surface acoustice wave chem ical gas sensor FU Shu2xia, YANG Zhen2xia The 718 Research Institute of CSI C, Handan 056027, China Abstract The paper studied the effects of the SAW chemicalwarfare detectorπs designing . ST quartz and AT quartzwere used for substrate of three types of SAW oscillators . The oscillators are designed, fabri2 cated and tested. We selected the optimized SAW oscillators to be SAW devices through experi ments . Key words surface acoustice wave; chemical gas sensor; oscillator 收稿日期 2006 - 03 - 20 0 引 言 声表面波SAW气体传感器是一种将声表面技 术与电子技术结合起来的新型传感器,它将非电量信 息的气体转化为声表面波振荡器频率的变化,比一般 用电压、 电流输出的传感器的测量精度高,且不需要 A /D转换而直接用于数据处理,实现传感器的实时 监测和智能化 [1, 2 ]。 声表面波气体传感器器件的设计包括压电基材 选择、 叉指换能器、 放大器电路等。 1 工作原理 声表面波SAW气体传感器是由压电基片和沉 积在基片表面的一对金属叉指换能器组成,见图1。 声表面波传感器的工作原理是叉指换能器 I DT中的一个为表面波发射器,它将施加在该叉指 换能器上的电信号转换为相同频率的声表面波信号; 另一个叉指换能器为接收器,接收由发射器产生的声 表面波经基片表面传递来的声信号并转换成电信号。 沿基片传播的声表面波由叉指电极激励,当基片上覆 盖的特殊材料的薄膜吸附被测气体时,其表面声波的 工作频率将改变,并由接收叉指电极拾取,从而构成 频率输出传感器。通过检测振荡频率的变化量即可 测出被吸附气体的浓度变化。 图1 声表面波传感器的基本构造 2 技术参数 声表面波气体传感器器件的主要技术参数包括 中心频率、 品质因子Q、 插入损耗等。在器件设计中 基片选择、 叉指换能器 I DT的设计等都是围绕器件 第2期付曙霞,等声表面波气体传感器器件的设计 的技术参数来进行的。 1中心频率 150～500 MHz。中心频率越高, 传感器的灵敏度越高。 2Q值≥200。Q值是品质因子, SAW带宽 对中心频率的比值,是决定振荡器频率稳定性的重要 参数。 3插入损耗≤30 dB。 3 基片 3. 1 选择基片的影响因素 基片的选择在换能方面要求基片材料压电耦合 系数高,则能量转换效率高;基片材料的声速低,则声 表面波在两个换能器间传播的时间长,有充分时间对 信号存取;基片的温度系数低,可以减小传感器由于 环境温度变化引起的频率变化的测量误差。 3. 2 基片的选择 声表面波气体传感器的压电材料有石英、LiNbO3 等 [3 ]。我们选择石英 即二氧化硅SO2做基片材料, 因为用水热合成法生长α2 石英晶体的技术已经很成 熟,商用石英基片质量高,价格合理,每批每片石英材 料的性质变化很小。天然石英晶体的结构是六面体, 见图2和图3。图中,z轴为光轴纵向轴 , x 轴为电 轴, y轴为机械轴。沿x轴方向上施加作用力,产生 电荷的压电效应称为纵向压电效应;在y轴方向上施 加作用力产生电荷的压电效应称为横向压电效应;在 z轴方向上无论施加多大的作用力都不会产生压电 效应。 图2 石英晶体图 如果在片状压电晶体材料的两个电极面上加以 交流电压,压电片在电极方向有伸缩现象,能产生机 械振动,这种现象称为电致伸缩效应,又称为逆压电 现象。声表面波传感器就是利用基片的输入叉指换 能器通过逆压电效应将加到换能器上的电信号转变 为声表面波,通过输出换能器的压电基片的压电效应 将入射的声表面波转变为电信号输出,其作用与输入 图3 石英晶体受力模型 换能器相反。 选择以下2种切向的石英晶体做基片材料 1y轴旋转42 切x传播的石英,即这种石英 的切割面是y轴关于x轴旋转42后与x轴构成的平 面,这种切向的石英称为ST切石英。 2y轴旋转36切x传播的石英,称为AT切石 英。 在选择了2种切向的石英做基片材料后,又根据 基片材料的不同进行了不同的叉指换能器的设计,以 便达到激励出声表面波的目的。 4 叉指换能器 I DT的设计 4. 1 设计依据 因为声音波长与声速和频率的关系为 λ vS f0 。1 式中λ为波长, m;vS为声速, m /s;f0为声音的频 率,每秒振动的次数, Hz。 式1是叉指换能器设计的基本依据。如果选 定了叉指换能器的压电基片材料,vS就是一个确定的 值。如再选定了实验所用的频率,就可以确定声表面 波波长,从而设计I DT [4 ]。 4. 2 ST切石英晶体的延迟线型振荡器DL146型 的设计 声表面波传感器的核心是振荡器。振荡器有延 迟线型和谐振器型两种结构。自Marnes于1969年 提出延迟线振荡器结构后,国外报道的SAW传感器 大部分采用了延迟线结构的设计。我国最早研究的 声表面波化学传感器也是采用的延迟型结构,因为器 37 舰 船 科 学 技 术第28卷 件制作简单,理论成熟,应用较为广泛。作者在设计 初期采用了延迟线型结构。 设计的压电基片材料采用ST切石英晶体, SAW 在其中的传播速度vS为3 152 m /s。 df k1 k2 f 2 hKC。2 式中df为被测气体在气敏膜上的吸附导致振荡频 率产生的变化, Hz;k1, k2为压电材料固有常数; f为 回路振荡的基本频率, Hz;h为气敏膜厚度,m;K为被 测气体在气敏膜上的吸附常数; C为被测气体的气相 浓度, kg/L。 由式2可知,频率f的增大引起气体敏感产生 的df增大越多,传感器的灵敏度就越高;但相应的叉 指电极的指条宽度和指条间隙就越小,加工难度增 大,且随着频率f的增加,干扰信号加大 [5]。根据经 验和加工设计能力初步选用频率f146 MHz为设计 频率。即由式1可得到λ21. 536μm。在本试验 的设计中指条宽度取为 λ 3和 λ 12,指间宽度为 λ 6 ,每一 周期的宽度为波长λ。 λ λ 3 λ 6 λ 12 λ 6 λ 12 λ 6 。3 换能器孔径即指条长度W的增大可以增强声波 强度和减少整个器件的能量损耗,但由于受整个器件 尺寸及阻抗匹配的限制, W通常取值在 10 ～100λ 的范围内,本设计W取100λ。由叉指换能器的尺寸 确定整个器件尺寸,器件的整体长度L为7. 134 mm, 高度H为4. 082 mm;输入和输出的I DT的叉指个数 相同,每个I DT有90个重复周期。 4. 3 AT切石英晶体的延迟线型叉指换能器 DL 21 型的设计 AT切石英晶体的延迟线型叉指换能器的设计采 用指条相等重叠、 均匀周期的叉指换能器设计,特点 是叉指图形简单,制作方便。输入换能器和输出换能 器的叉指对数均为200个重复周期,换能器孔径为 100λ。实物见图4所示。 图4 DL21型叉指电极实物图500倍放大 4. 4 AT切石英晶体的谐振器型振荡器NDR型的 设计 因谐振器型结构与延迟线型结构相比,具有插入 损耗小和制作尺寸小的特点,并具有较高的Q值,所 以谐振器型SAW振荡器最近得到了开发利用。由于 Q值是决定振荡器频率稳定性的重要参数之一,所以 谐振器型振荡器基频的稳定度比延迟线型高,因此, 这种高Q值的谐振器结构可以进一步提高SAW传 感器的灵敏度和分辨率,但器件制造复杂。所采用的 谐振器振荡器的部分设计参数如图5所示 图5 AT切石英晶体的谐振器型叉指换能器的设计 5 器件的制造 声表面波器件的制作过程包括压电基片的准备、 制作金属铝膜、 涂光刻胶、 制作掩膜版、 曝光、 显影、 腐 蚀及去胶等工序。 6 放大电路的设计 声表面波传感器是以SAW振荡器作为一种反馈 型振荡器而形成的反馈网络。提高振荡频率的稳定 性是电子线路设计中主要考虑的问题。它涉及放大 器和匹配网络的设计。图6是用振荡频率法的振荡 回路示意图 [6 ]。 图6 声表面波气体传感器放大电路示意图 7 实验结果与讨论 7. 1 测试结果 我们对制作的声表面波器件用HP8752C网络分 析仪进行了电性能参数测试,试验数据见表1。 47 第2期付曙霞,等声表面波气体传感器器件的设计 表1 SAW器件的电性能参数 型号 晶体 切向 中心频率 MHz Q Hz/Hz 插入损耗/ dB DL146ST146. 151 925135. 9830. 065 DL21型AT199. 462 114321. 7814. 636 NDR2201AT199. 152 2209 680. 77. 456 6 NDR2202AT199. 137 2739 512. 67. 274 7 7. 2 结果讨论 由测试结果可知,DL146采用ST切割石英,中心 频率为146. 15 MHz,插入损耗为30. 065 dB。沿ST 切割的石英,当声表面波沿X方向传播时,室温条件 下温度系数为0,能保持很高的频率稳定性。它的压 电系数d332. 02310 - 12 C/N,在几百度的温度范围 内,压电系数不随温度变化。缺点是机电耦合系数 小,输出信号较弱。在传感器设计时,必须根据传感 器的性能兼顾各方面的要求,采取适当措施对基片材 料的缺点进行补偿。选择ST石英做基片材料后,插 入损耗较大,必须通过选用高倍率放大电路克服基片 本身带来的缺陷。又因为气体传感器需要涂敷敏感 材料,涂敷后插入损耗增大为32. 24 dB,最终的传感 器插入损耗太大,信号弱,放大器功率有限,通过电路 设计而放大、 增益信号后,仍不能得到稳定信号,不能 达到试验要求。 引起实验中插入损耗增大的原因有 1基片的 机电耦合系数; 2叉指对数。最初选择的ST基片 材料机电耦合系数小,传播损耗大;而且由于加工制 作单位的加工设备所限,叉指对数不能增大,导致 DL146型插入损耗过大,不能满足实验要求,所以在 以后的实验中选择比ST切的机电耦合系数大,传播 速度相似的AT切作基片材料。 由于DL21型SAW器件的基片材料选择了AT石 英晶体,并对叉指换能器进行了重新设计,振荡器的中 心频率由146 MHz提高到了199 MHz,提高了振荡器 的稳定性;Q值由135提高到了321,提高了传感器的 分辨率;插入损耗由30. 065 dB降低为14. 636 dB,可以 满足放大电路的信号要求,各方面性能有了显著地提 高。 NDR2201,NDR2202型SAW器件的基片材料选择 了AT石英晶体,并采用了谐振器型结构,振荡器在中 心频率199 MHz时,Q值由321提高到了9 680. 7和 9 512. 6,得到了数量级的提高,从而可以大幅度提高 传感器的分辨率;插入损耗由14. 636 dB再降低为 7. 456 6 dB和7. 274 7 dB,进一步得到了提高,完全满 足放大电路的信号要求,各方面性能有了大幅度提高。 8 结 语 1通过对ST切和AT切石英晶体为基片制作 的DL146, DL21型延迟线型振荡器的电性能参数的 研究表明,AT切石英晶体比ST切石英晶体基片插入 损耗小,可以满足实验要求。 2 DL21延迟线型和NDR谐振器型振荡器电 性能较好,可以对其进行电路匹配设计。 3通过对AT切石英晶体为基片制作的延迟 线型和谐振器型振荡器的电性能参数测试研究表明, 谐振器型振荡器的电性能参数最优,中心频率为199 MHz时,Q值高达9 680. 7和9 512. 6,比延迟线型振 荡器在这个指标上有数量级的提高,从而可以大幅度 提高传感器的分辨率;插入损耗也降低为7. 456 6 dB 和7. 274 7 dB,适合作SAW传感器使用。 参考文献 [1 ] 李晖,潘峰.声表面波器件的研究进展[J ].真空科学 与技术, 2001, 21 376 - 380. [2 ] 施文康,刘艾,蔡萍,杨明.声表面波传感器及其应用 [J ].仪器仪表学报, 1999, 20 26 - 28. [3 ] 朱长纯,卢文科.声表面波式小波变换器件与应用 [M ].北京国防工业出版社, 2004. [4 ] HASH I MOTO Ken2ya.声表面波器件模拟与仿真[M ]. 北京国防工业出版社, 2002. [5 ] 金篆芷,王明时.现代传感器技术[M ].北京电子工 业出版社, 1955. [6 ] 黄浙隆.基于微波微机械技术的生物传感器结构研究 [D ].杭州浙江大学, 2001. 作者简介 付曙霞1971 - ,女,高级工程师,硕士,现从事 化学战剂的侦检防护工作。 57