声表面波气体传感器器件的设计

第28卷第2期2006年4月舰　船　科　学　技　术SH I P SC I E NCE AND TECHNOLOGY Vol .28,No .2Ap r .,2006文章编号:1672-7649(2006)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:　AThe desi gn of surface acousti ce wave chem i ca l ga s sen sorF U Shu 2xia,Y ANG Zhen 2xia(The 718Research I nstitute of CSI C,Handan 056027,China )Abstract:　The paper studied the effects of the S AW che m ical warfare detect or πs designing .ST quartz and AT quartz were used f or substrate of three types of S AW oscillat ors .The oscillat ors are designed,fabri 2cated and tested .W e selected the op ti m ized S AW oscillat ors t o be S AW devices thr ough experi m ents .Key words:　surface acoustice wave;che m ical gas sens or;oscillat or收稿日期:2006-03-200　引　言声表面波(S AW )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(S AW )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 D T )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 D T )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:150～500MHz 。

中心频率越高,传感器的灵敏度越高。

(2)Q 值:≥200。

Q 值是品质因子,S AW 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:≤30d B 。

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、L i N b O 3等[3]。

我们选择石英(即二氧化硅S O 2)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:(1)y 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。

(2)y 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 D T )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=v Sf 0。

(1)式中:λ为波长,m;v S 为声速,m /s;f 0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,v S 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 D T [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S AW 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,S AW 在其中的传播速度v S 为3152m /s 。

df =(k 1+k 2)f 2hKC 。

(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;k 1,k 2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f =146MHz 为设计频率。

即由式(1)可得到:λ=21.536μm 。

在本试验的设计中指条宽度取为λ3和λ12,指间宽度为λ6,每一周期的宽度为波长λ。

λ=λ3+λ6+λ12+λ6+λ12+λ6。

(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(10～100)λ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7.134mm ,高度H 为4.082mm;输入和输出的I D T 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　DL 21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S AW 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S AW 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S AW 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　S AW器件的电性能参数型号晶体切向中心频率MHzQHz/Hz插入损耗/d BDL146ST146.151925135.9830.065DL21型AT199.462114321.7814.636 NDR2201AT199.1522209680.77.4566 NDR2202AT199.1372739512.67.27477.2　结果讨论由测试结果可知,DL146采用ST切割石英,中心频率为146.15MHz,插入损耗为30.065d B。

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d33=2.023×10-12C/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32.24d B,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。