Page 91 - 《应用声学》2022年第3期
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第 41 卷 第 3 期    邹亮桃等： 基于指条厚度优化的冷凝式声表面波气体传感器灵敏度提升方法                                          413


                                                               体中的声波传播到液体中时的边界条件和声波在
             0 引言                                              两种固体之间传播时差别较大，所以对液膜负载的
                                                               模拟是很有必要的。因此，本文基于流固耦合理论
                 声表面波 (Surface acoustic wave, SAW) 气体
                                                               与压电效应相结合理论，探究了液态负载下谐振器
             传感器因其灵敏度高、几何尺寸小、易于集成及
                                                               指条厚度对灵敏度的影响。
             大规模生产等优点         [1] ，在环境保护、公共安全以及
                                                                   本文采用有限元商业软件建立流体负载与压
             国防科技等多个领域具有广阔的应用前景。由于
                                                               电效应相耦合的三维有限元模型，并结合 SAW 的
             SAW检测器本身对待测气体没有选择性，只能够确
                                                               耦合模 (Coupling-of-modes, COM) 理论实现对器
             定检测量的大小，而不能分辨检测物的成分，需要与
                                                               件的快速准确模拟。从理论和实验两方面研究了负
             化学手段结合才能实现定性。因此，典型的SAW气
                                                               载为液膜时，谐振器指条厚度对冷凝式 SAW 气体
             体传感器常采用在器件表面涂覆选择性敏感膜的
                                                               传感器灵敏度的影响，为 GC/SAW 系统检测性能
             方法来检测待测气体，但该方案受限于敏感膜限制
                                                               的提升提供新思路。
             了气体检测的种类，并且存在交叉干扰问题                     [2] 。20
             世纪末，研究人员提出将 SAW 技术与传统的气相
                                                               1 理论分析
             色谱 (Gas chromatograph, GC) 联用    [3] ，首先通过
             气相色谱分离气体实现定性分析，继而将不同时间                                GC/SAW 系统的原理是首先利用 GC 柱出口
             上分离出来的气体附着于 SAW 器件表面实现定量                          温度与 SAW 检测器表面温度之间的温度差，使待
             分析，从而克服了典型 SAW 气体传感器的缺点，成                         测气体从 GC 柱口出来遇冷快速凝结吸附在 SAW
             功实现复杂环境下的气体分析。因此，GC/SAW 系                         检测器表面，从而在器件表面形成了一层薄液膜；然
             统的相关研究受到广泛关注             [2−7] 。                  后再利用液膜负载引起的器件表面边界条件的改
                 在此基础之上，为了使 GC/SAW 联用技术更                       变，进而引起检测器频率的变化，如图1所示                    [12] 。在
             好地满足实际应用的需求，研究人员进一步对影                             检测过程中待测气体冷凝形成液膜覆盖在器件表
             响其灵敏度的因素进行了研究，包括谐振器的谐振                            面时，液膜直接接触的边界分为两种：一种与金属
             腔长度   [8] 、谐振器的负载区域位置           [9]  以及退火温        指条直接接触；一种与压电基底直接接触。压电基
             度  [10]  等，进一步提升了 GC/SAW 系统的性能。然                  底上表面的边界条件是由液膜与压电基底和金属
             而，在指条厚度对 SAW 检测器灵敏度的影响方面，                         指条与压电基底两种情况交叉形成的，如图 2 所示。
             相关研究较少。2019年，郝文昌等             [11]  研究了负载为        同时，声波在不同物质中的波动方程也是不一样的。
             固体时，谐振器指条厚度对灵敏度的影响。然而，当                           液体层只能耦合声纵波，而固体层却能耦合纵波和
             负载为液态时，指条厚度对 SAW 检测器灵敏度的                          剪切波，因此，固体中的声波传播到液体中和声波在
             影响分析的研究却较少。考虑到液体层只能耦合声                            两种固体之间传播的边界条件不同造成了声波的
             纵波，而固体层却能耦合纵波和剪切波，因此，当固                           传播方式的改变。



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                                                                             GCѣ԰200 C   ші
                                  ᧔ನด                Оᤰ᫙
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                                                       ඐጺኮᓤ៨ಏ                 ೝ฾٨ 40 C
                                                       图 1  吸附原理
                                                  Fig. 1 Adsorption principle
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