声表面波气体传感器的原理及研究进展

声表面波气体传感器的原理及研究进展1

薛力芳，刘建国，黄烨，刘爽英，赵启大，刘丽辉，董孝义

（南开大学现代光学研究所 天津 300071）

摘 要：简要叙述了声表面波（SAW）气体传感器的传感原理和研究进展，详细阐述了声表面波气体传感器阵列的新型结构及其主要功能，为实现集成化，多参量测量和高灵敏度SAW 气体传感器的优化结构设计提供了参考依据。

关键词：声表面波 气体传感器

1 引言

声表面波(SAW)传感器的研究起源于70年代，当时人们在研究SAW电子器件的时候发现表面沉积物、应力、温度、电场、磁场等外界因素均会对器件的特性产生较大的影响，这些影响是电子器件所不希望的，然而却十分适用于传感器的研究。由于这种传感器具有高精度、高灵敏度、高分辨率、抗电磁干扰能力强，不需要模/数转换，敏感器件采用半导体平面工艺制作，易于集成及大规模生产等优点，30多年来，以SAW延迟线或谐振器作为核心敏感组件的SAW传感器技术得到了很大发展。到目前为止，人们不但已经研制了温度[1][2]、压力[3]、质量传感器[4]。特别是在气体传感器方面已经取得了可喜的科研成果[5][6]。本文概述了近些年SAW气体传感器的研究进展，对一些新型的SAW气体传感器结构设计做了详细的介绍，从而为SAW气体传感器优化设计提供了参考依据。

2 声表面波气体传感器的原理

声表面波(SAW)气体传感器的基本结构如图1所示，在以压电材料为衬底的表面上，一端为输入叉指换能器（IDT1），另一端为输出叉指换能器（IDT2），两者之间的区域淀积了针对特定气体敏感的薄膜。此薄膜与被测气体发生相互作用，导致界面膜的物理性质发生变化，从而改变了SAW的速度或频率， 因此通过测量声波的频率偏移或相位延迟可以反演得到气体的种类、浓度等待测量。下面以测量声波的频率偏移为例来说明声表面波气体传感器原理[7]。

1资助项目：教育部博士点基金（批准号：20020055036）、国家自然科学基金项目（批准号：69977006）和天津市自然科学基金重点资助项目（批准号：013800511）

图1 SAW 器件的基本结构

SAW 气体传感器提供的信号可用下面关系式表达：

220

00012301200()(42R 2

)f f h k k k f h k k v µλµρλµ+=++−++ （1） 式中f ∆：覆盖层由于吸附气体而引起的SAW 频移的大小；：压电基片材料常数；123,,k k k 0f ：SAW 振荡器未受扰动时的振荡频率；h ：薄膜厚度；ρ：薄膜材料密度；0µ：薄膜材料剪切模量；0λ：薄膜拉曼常数；：为受扰动时SAW 相速。

R v 由（1）式可知，传感器响应f ∆主要取决于薄膜密度ρ的变化。应当指出，（1）式只适用于非常薄的膜（膜厚小于波长的0.2％），对于较厚的膜，（1）式只能给出信号幅度的估计值。当采用有机膜时，由于其剪切模量0µ非常小，此式中第二项可以忽略，此时

2012(3)f f h k k k ρ=++ （2）

当薄膜采用导电材料或金属氧化物半导体材料时，由于薄膜的电导率随所吸附气体的浓度而变，引起SAW 波速漂移和衰减，从而振荡频率发生变化。在这种情况下，SAW 气体传感器的输出响应可以用下面的关系式表达： 222

0022220

2R S h k f f h v C σσ=−+ (3) 式中k：电耦系数；s C ：薄膜材料常数；0σ：薄膜电导率。由（3）式可得，当采用导电膜或金属氧化物半导体膜时，膜层电导率的变化是SAW 气体传感器响应的主要贡献。 3 声表面波气体传感器的基本结构

3.1 单通道SAW 气体传感器的基本结构

单通道SAW 气体传感器具有延迟线型和谐振型两种类型[8]，如图2、3所示。

图2 延迟线型SAW 气体传感器 图3 谐振型SAW 气体传感器

Yu.V. Gulyaev [9]在实验中采用的窄波导的形式用以提高灵敏性，如图4所示。在实验中使用的基底为1280Y切割的LiNbO 3，其体积为12×5×0.25mm 3，输入和输出IDT都有30对指，周期为8 m µ，两个IDT 之间的距离为6.5mm ，25 m µ宽0.5mm 长的声波导两端与两个喇叭形的集合器相连放在两个IDT 之间，两个提供电压的铝电极放在声波导的两侧，间距为30m µ，工作频率在486MHz 附近，整个器件不涂覆任何敏感膜，为消除环境温度的影响，此传感器必须放入温控箱中。在不改变电压值的情况下，不同种类的气体相位延迟不同，因此只要分析声波传过波导后相位的延迟就可以判断气体的种类。可以通过调节加在传感器上的电压来提高器件的灵敏性。Yu.V. Gulyaev等已在实验中有效的分辨了甲醇、乙醇、丙酮、丙酮-2，实验在120

C时相位延迟不低于0.1度。这种结构可用于现代气体分析系统，例如电子鼻等。

图4 SAW 传感器示意图

3.2 双通道SAW 气体传感器的基本结构

为了补偿温度、湿度、压力等环境因素，在实际应用中，SAW气体传感器可以使用双通路结构[8]

，如图5所示。在双通道ＳＡＷ延迟线型或振荡器型传感器结构中,一个通道的SAW 传播路径被气敏薄膜覆盖用于测量,另一通道未覆盖薄膜而用于参考。两个振荡器的频率经差频输出，从而得到了对环境因素补偿后的频移响应。

图5 双通道SAW 气体传感器

3.3 声表面波气体传感器阵列

在传感阵列中，一种是在晶片基底上同方向传输，只是在各路途径上改变传播条件；另一种是利用SAW 在单个的各向异性晶体上沿不同方向传输得到一种气体的浓度或湿度，这种方法可有效地控制灵敏性。

图6为Tooru Nomura于2002年设计的边缘反射式声表面波传感器阵列

[10]，实验中使用的基底为36o YXLiTaO 3，传输的表面波模式为HS模，中心频率为40MHz。实验中的三个阵列分

别为：表面是开路的条件下会产生掠过表面的体波，并产生干涉；表面是短路时输出的电特性不能作为传感使用；只有使用表面是周期地剥离金属得到的金属栅格的通路可作为传感。声表面波两次通过传输表面，其传输长度是单向的两倍，有利于提高灵敏度，并使仪器小型化。实验证实通过测量反射波的相移特性，反射型SAW传感器对气体和液体的传感是有效的。

图6 边缘反射型SAW 传感器

Vladimir I.[11]等人设计了另外一种新型气体湿度传感器结构，实验装置如图7所示。薄膜是由Pd和Ni合金组成，由于Pd和Ni的沸点相近（2940和2900），实验中，是通过对0.9999度纯的Pd和Ni在10C °C °-7

帕的压强下加热蒸发得到。在ST切割的石英表面有四个不同

的传播方向：x轴方向（d线）；距x轴＋60o 和－50o 方向（分别是b线和a线）

；和与x轴垂直的方向（c线）。在c线方向的叉指换能器上加电磁场，以形成剪切横波，这样，可避免生成体