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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图 1 吸附原理
Fig. 1 Adsorption principle