（微电子学与固体电子学专业论文）一种便携saw气体传感器的电路设计.pdf

摘要 声表面波( s a w ，s u r f a c ea c o u s t i cw a v e ) 气体传感器由于其高灵敏度，易 于携带等独特的优点越来越受到人们的关注。评价一个s a w 气体传感器的好坏 主要从两个方面：s a w 器件及检测电路。因为s a w 器件的中心频率决定着检测 气体的灵敏度，s a w 器件的插损数值的大小关系着器件能否起振；检测电路又 关系到传感器的精度和稳定度。所以对二者的研究都有重要意义。 本文首先介绍如何设计制作中心频率为1 2 0 m h z 的延迟线型s a w 器件，然 后通过对各检测法进行比较，最终选择了受环境因素影响小的频率检测法来设计 检测电路。 对于器件的设计，采用双延迟线结构，并用耦合模( c o m ) t 里论进行了分析， 推导了整个单相单向换能器的混合矩阵( p 矩阵) ，最终结合等效电路模型得到器 件的幅频及相频响应等。在器件的制作方面，采用了铝牺牲层工艺。 为了消除环境影响，在电路设计方面，主要采用频率检测的方法，这种方法 ； 是将器件的两个通道( 参比通道及敏感通道) 产生的频率信号作混频处理，从而 判断出是何种气体。 最后在器件上涂覆敏感吸附膜，用动态配气的方式对电路作验证。结果表明， 该电路对微量气体有较高的精度，满足气体检测的需要。 关键词：声表面波，延迟线，器件，电路，气体传感器 a b s t r a c t p e o p l ec h o o s et o 璐es a w ( s u r f a c e a c o u s t i cw a v e ) g a s $ e l l s o l ，d u r i n gt oi t sh i g h s e n s i t i v i t y , p o r t a b i l i t ya n do t h e ru n i q u ea d v a n t a g e s w h e t h e ras a wg a ss e n s o l i s g o o do rb a d ，w eo f t e ne v a l u a t ei tf r o mt w oa s p e c t s ：s a wd e v i c ea n dd e t e c t i o nc i r c u i t s i n c et h ec e n t e rf r e q u e n c yo fs a wd e v i c ed e t e r m i n e st h es e n s i t i v i t yo fd e t e c t i n gg a s ， t h ei n s e r tl o s so fs a wd e v i c er e l a t e st ow h e t h e rt h ed e v i c ec 蛆s t a r t - u p ；d e t e c t i o n c i r c u i tr e l a t e st ot h es e n s o ra c c u r a c ya n ds t a b i l i t y s or e s e a r c h i n gb o t l lo ft h e mh a s g r e a ts i g n i f i c a n c e f i r s t l yh o wt od e s i g nad e l a yl i n et y p es a w d e v i c ei sd e s c r i b e di nt h i sp a p e r , w h i l eo fw h i c ht h ec e n t e rf r e q u e n c yi s12 0 m h z c o m p a r i n gt h ev a r i o u sd e t e c t i o n m e t h o d s ，w ec h o o s et h ef r e q u e n c yd e t e c t i o nm e t h o dt od e s i g nt h ec i r c u i t ，b e c a u s et h e e n v i r o n m e n t a lf a c t o r sh a v el i t t l ei n f l u e n c et ot h ef i e q u e n e yd e t e c t i o nc i r c u i t s f o rt h ed e v i c ed e s i g n , w eu s ed u a ld e l a yl i n es t r u c t u r e u s i n gt h ec o u p l i n go f m o d e s ( c o m ) t h e o r yt oa n a l y z et h i ss t r u c t u r e ，w ed e r i v et h em i x i n gm a t r i x ( pm a t r i x ) o ft h es i n g l e - p h a s eu n i d i r e c t i o n a lt r a n s d u c e r a n dt h e nc o m b i n i n g 、i mt h ed e v i c e e q u i v a l e n tc i r c u i tm o d e l ，w ec a l lf i n a l l ye d u c et h ed e v i c e sa m p l i t u d ef i e q u e n e y , p h a s ef i e q u e n e ya n ds oo n t h ep r o c e s so fa l u m i n u ms a c r i f i c i a ll a y e ri sc h o s e nt o p r o d u c td e v i c e i no r d e rt oe l i m i n a t et h ee n v i r o n m e n t a li m p a c t ，w eu s ef r e q u e n c yd e t e c t i o n m e t h o dt od e s i g nc i r c u i t i ti sm a i n l yt om i xt h ef r e q u e n c ys i g n a lg e n e r a t e db yt w o c h a n n e l s ，r e f e r e n c ec h a n n e la n ds e n s i t i v ec h a n n e l ，t h e ne d u c et h ek i n do fg a s f i n a l l y , w ep u tt h es e n s i t i v ea d s o r p t i v ef i l mo nt h ed e v i c e ，a n d1 1 5 eam e t h o do f d y n a m i cg a sd i s t r i b u t i o n , a n dt h e nv a l i d a t et h ec i r c u i t t h or e s u l t ss h o wt h a tt h e c i r c u i th a sh i g ha c c u r a c yf o rd e t e c t i n gt r a c eg a s ，a n dm e e tt h en e e d so fg a sd e t e c t i o n k e y w o r d s ：s u r f a c ea c o u s t i cw a v e ，d e l a yl i n e ，d e v i c e , c i r c u i t ，g a ss e n s o r i l 第一章绪论 1 1 课题研究背景 第一章绪论 气体传感器是一种可以感知某种气体及其浓度的设备，它利用敏感元件与气 体间的吸附关系，将气体种类及与其浓度有关的信息转换成为电信号，从而进行 环境的检测、监控、分析、报警等。随着科技、工业的发展，环境污染越来越严 重，如何检测气体、监测环境、及时获知环境中特定气体的浓度，也越来越受到 人们的关注。目前检测气体的技术主要有接触燃烧法、气相色谱法、红外吸收法、 半导体型检测法、导热法、电化学法、光纤法等。但是基于以上方法研制出的设 备基本都是价格较贵、体积较大、分析较复杂、耗时较久的，不适用在野外实时 监测。而有些便携式的气体传感器，如电阻式半导体型传感器和电化学传感器， 也有严重的不足。其中电化学传感器在检测时，对干扰气体也会有响应，会发生 误报，且仅有1 2 年的寿命；电阻式半导体型传感器必须在加热条件下工作， 一般需要3 0 0 5 0 0o c ，这会导致半导体内部晶粒生长，长期将使传感器性能恶 化，而且该种传感器工作时输出的是模拟信号，不易与微处理机、计算机等连接。 声表面波( s a w ，s u r f a c ea c o u s t i cw a v e ) 技术是新型高端传感器领域非常 引人注目的一个分支，它综合了微电子、材料、物理、信号处理等多种学科，也 是传感器界的后起之秀。 声表面波是在1 8 8 5 年，由英国物理学家瑞利发现的。他在论文“沿弹性体平 滑表面传播的波”中，阐述了一种将能量集中在弹性体的浅表层，仅在弹性体的 表面传播的波，这就是“声表面波”，也被称之为“瑞利波”。 而声表面波被用于气体传感器，是在1 9 7 9 年，由w o h l t j e i l 和d e s s y 采用延 迟线型s a w 振荡器检测有毒气体的基础上发展起来的【1 1 。声面波气体传感器测 量气体具有高精度、高灵敏度、便于大量生产、体积小、重量轻、功耗低、结构 工艺性好等优点。s a w 气体传感器也是s a w 传感器中最复杂，涉及学科较广的 传感器类型【z j 。 目前，s a w 气体传感器在很多领域都有非常广泛的应用。如为了在地铁等 公共场所预防恐怖分子投毒恐怖活动的发生，西方国家装备可以检测化学毒剂的 一种便携s a w 气体传感器的电路设计 基于s a w 原理的报警器【3 】；在机场、车站、码头等一些人员多、人流速度快、 随身物品多、背景复杂的地方，利用毛细管色谱柱与s a w 传感器探头取样，检 测毒品、炸药等违禁物品【4 5 】；在工业上，可以检测s o z 、n 0 2 、h 2 s 等多种化 工废气及大气中的c c h 浓度【6 】；在食品市场上，可以使用s a w 气体传感器检测 食品上挥发出来的微量气味，来辨别食品质量的好坏阴。 1 2s a w 气体传感器的研究现状 近十几年来，美国、德国、日本、法国、意大利及俄罗斯等国家都投入了大 量的人力、物力、财力进行s a w 气体传感器的积极开发，并取得了很大的进步。 但目前已经商品化的仅有美国的m i c r o s e n s o rs y s t e m si n c ( m s i ) 公司和b a e s y s t e m 公司，其中b a es y s t e m 公司研制的j c a d ( j o i n tc h e m i c a la g e n td e t e c t o r ， 联合化学物质探测器) s a w 传感器综合性能最为突出，它能够对多种毒剂，如 神经类、糜烂类等气体进行检测。 我国自二十世纪7 0 年代初便开始了s a w 传感器的研究，目前中科院微电 子所、防化研究院、南京大学、中科院声学所、上海交通大学等科研单位，在声 表面波的理论和应用等方面投入了大量的人力和物力，并获得了不错的成果和进 步。 但是，s a w 气体传感器离应用到现实环境的检测上还有一段很长的距离， 尤其是电路的稳定性、器件的响应时间、传感器的选择性等性能指标还达不到国 际标准。其中有电路的设计问题，s a w 器件的设计问题，也有器件上敏感吸附 膜的材料选择、制备工艺和镀膜方式等方面的因素。所以对s a w 气体传感器的 研究不仅有很大的理论意义，又有很广阔的市场前景。 1 3 课题的工作目的 随着社会的进步，人们越来越关注环境问题，国际上也对毒气和污染物的排 放设立了严格的法案。社会上迫切需要一种便携的、高灵敏度的气体传感器，来 进行实时的环境检测。s a w 气体传感器由于它独特的优势，而得到了人们极大 的关注。s a w 气体传感器主要由s a w 器件，敏感吸附膜，s a w 器件的外围电 路及后端的信息处理电路组成。在对气体检测时，敏感吸附膜与待测气体发生相 2 第一章绪论 互作用，s a w 器件输出的信号就会发生改变。由外围电路对这个变量作相应处 理，从而得到信号的特性。外围电路的优劣直接关系到s a w 气体传感器的稳定 性和灵敏度。所以，外围电路的设计在s a w 气体传感器中十分重要。 在s a w 气体传感器的外围电路设计中，一般采用相位检测法和频率检测法。 相位检测法是根据s a w 器件又指换能器上输入与输出信号间的相位延迟来检测 敏感吸附膜上的质量附载、电导率变化、粘滞系数等的变化，但它的灵敏度较低， 不适用于传感器；频率检测法是利用混频的方式，将双通道的s a w 器件的信号 作比较，从而测出是何种气体及气体浓度。频率检测法虽比相位检测法有更高的 灵敏度，但其电路往往不易起振，输出频率不稳定【引，而且在气体测试中会出现 频率跳变【9 】的问题。 频率跳变是指s a w 振荡电路在多个频率之间发生跳变，这主要是由于s a w 器件的相频特性曲线在器件的中心频率附近存在多个相位零点，而反馈回路相位 为零的条件又决定了振荡频率【l o 1 1 1 。 s a w 气体传感器一般采用双通道结构，一个为敏感通道，另一个为参比通 道。由于混频电路的输出是这两个通道的频率差的绝对值，而因器件制造工艺的 离散性，以及敏感吸附膜的不同导致频率发生变化【1 2 1 3 1 ，从而导致传感器在检 测微量气体时存在测试盲区。有文献指出：采用两次混频电路结构【1 4 】或采用y 型和s 型组合的双声道结构【l 习，都能解决测试盲区问题，但是，这些方法都使 器件设计或电路构成复杂化。 基于目前s a w 传感器的电路上的不易起振，输出频率不稳，频率跳变等问 题，本课题的主要目的是： ( 1 ) 选择自制的双通道延迟线型s a w 器件，从而得到性能更好的传感器。 ( 2 ) 从s a w 器件着手，围绕s a w 器件的起振及s a w 信号的传输，设计 s a w 气体传感器外围电路。 ( 3 ) 设计电路解决s a w 传感器电路存在的问题。 1 4 论文结构安排 本论文一共分为五个章节，每章的主要内容如下： 第一章主要介绍课题的研究背景。概述s a w 气体传感器的国内外发展状况， 3 一种便携s a w 气体传感器的电路设计 提出s a w 气体传感器电路上的问题，并由此引出论文目的。 第二章主要介绍s a w 气体传感器的基本原理。并对s a w 器件的结构，检测 原理等作简单描述。 等。 第三章介绍s a w 器件的制作和测试，为电路挑选合适的器件。 第四章主要针对挑选的合适s a w 器件设计外围电路，并对电路作性能测试 第五章对论文作总结，并对s a w 气体传感器的未来作展望。 4 第二章s a w 气体传感器的基本原理 第二章s a w 气体传感器的基本原理 2 1 声表面波的性质 声表面波( 瑞利波) 是指沿固体界面或表面传播的声波，就像是在水面上传 播的波浪一样。如果在半无限固体的表面放一个线性振动源，在固体中就会激发 出三种模式的体波，这三种体波分别是垂直剪切波s v ( s h e a rv e r t i c a l ) 、纵波l ( l o n g i t u d i n a l ) 及模向剪切波s h ( s h e a rh o r i z o n t a l ) 。沿着表面的方向传播的 s v 和l 波在通过边界条件时发生耦合，这时就组成了一个新的波即是s a w 。因 为声表面波是s v 波和l 波在通过边界条件时耦合产生的，所以在它的质点的振 动方向就有两个分量，一个沿波的传播方向称之为x 1 ，另一个是与波垂直的方 向称之为x 3 ，如图2 1 所示。 埋靴 图2 1 点振动源在固体中所激发出的波动模式 e 2 1t h ew a v em o d ei se x c i t e db yp o i n ts o u r c eo fv i b r a t i o ni nt h es o l i d 因为边界条件或材料的物理性质不同，除了瑞利波，还存在其它类型的表面 波。根据振的类型，可以把s a w 分为：l o v e 波、s e z e w a 波、b g s 波、l e a k y s a w 以及s s b w ( s u r f a c es k i m m i n gb u l kw a v e s ) 等。这些波与瑞利波相比，各有各 的特点。例如，s s b w 的波速可以比s a w 的波速高出6 0 左右，所以在相同的 光刻工艺条件下能制作出更高频率的器件；b g s 波在高介电常数的媒质的自由 边界条件下可以发生完全反射，通过利用这一特性能制成体积很小的谐振器。由 于瑞利波是最先被发现而且应用到实际的，因此一般情况下s a w 指的就是瑞利 波。 对于声波，可以用质点离开平衡位置的位移磊( i 是三维空间中矢量的分量， 其中i = l ，2 ，3 ) 来描述。声在压电晶体中传播时，还伴有电场和电势，我们经 s 厂；j 一种便携s a w 气体传感器的电路设计 常用伊来描述电势变量，及四个随空间坐标x i ( 其中i = l ，2 ，3 ) 而变和随时间 t 而变的场量。那么，各向同性压电基体s a w 的波动方程可以表示为： i 似乞1 写1 l ( 2 1 ) 其中，而为空间坐标，t 为时间，p 为密度，占为介电张量，为弹性劲度 张量，e 压电张量。 假定有平面波解： i = 1 ，2 ，3 ( 2 2 ) 其中，彩为圆周率，1 ，为波的传播速度，4 ( a 予l ，2 ，3 ，4 ) 为各分量的振 幅，n ( 1 = 1 ，2 ，3 ) 为波传播方向的方向余弦。将式( 2 1 ) 代入式( 2 2 ) ，如 果得到的解能够满足波动方程，则传播速度 ，和振幅4 必须满足下面的这个方 程： z ( r 曲一屯2 ) 4 a = l ，2 ，3 ，4( 2 3 ) 其中既定义为： 毛= 氏= 1 1 0 f , i = k 后咖l ，2 ，3 瓯。= 吒4 = o ；口= 1 ，2 ，3 ，4 ( 2 4 ) r 是克里斯托夫( c h r i s t o f e l ) 矩阵，其中，矩阵的元值是： l = 彘啊；f ，k = 1 ，2 ，3 f = im f f i - i r “= r 4 = 心吩 k f f i ! i f f i l 1 l = 一6 ；t n l r l 。 6 ( 2 5 ) 丝扩 p = 、， 蔓饥。旦魄物一缸嘈杂厶柚絮菇粥一讹堑碱罐 1j r_j 一、，、， w 订 一 一 西 而 嘞 嘞 ，m，m 缈一v 彩一y ， ， _。l p。l p p 娃 懿 4 4 第二章s a w 气体传感器的基本原理 如果要得到振幅4 不全为零的解，则须使线性方程组的系数行列式等于零， 即： l l 一屯2 i = 0 ( 2 6 ) 各种问题的解都可以从方程( 2 1 ) ，( 2 2 ) 和( 2 6 ) 出发，并结合各个问题 的对称性及其边界条件来求得。 声表面波是一个在半无限介质表面传播的波，它的波前是一平面，但在离表 面不同的深度外有着不一样的振幅。这样，在深度方向上的分量( n 3 ) 就是一个 复数。对c h r i s t o f e l 矩阵( 2 6 ) 求解，并将自由表面上的法线应力为零的边界条 件代入之后，就可以得到各向同性基体上声表面波的速度v ，其解由下式决定： ( 考) 8 8 ( 专) 4 + ( 2 4 一t 6 号 ( 詈) 2 一6 ( t 一号 = 。 c 2 7 ) 其中v 是体声波横波速度，m 是体声波纵波速度。声表面波的速度y 比横波 速度稍小，它们的比值，即y v f 随介质的一m 值而改变，但是m m 的值，只 与介质的泊松比有关系： 昔= 厩= 隅 汜8 ) 如果设s a w 传播的方向是x l ，采用空间直角坐标系，- x 3 是表面法线方向 轴，x 3 = 0 是表面所处位置，如图2 2 所示。 图2 2 声表面波空间直解坐标系的取向 e 2 2t h eo r i e n t a t i o no fs a wi nt h ed i r e c t l yc o o r d i n a t es p a c e 对于非压电晶体来说，基本上所有的压电张量元都是为零的，也就是说声波 7 一种便携s a w 气体传感器的电路设计 和其电势缈是解耦的，与此同时，声表面波中不包含x 2 方向上的振动，磊和声 表面波也是解耦的，这样，就可以将声表面波的解写为： 磊 磊 从式( 2 9 ) 中我们可以得到，声表面波可以看成是波磊和磊这两个部分的线 性叠加。但是，波磊是声表面波的x 1 方向上的振动分量，它与x 3 方向上的振动 分量磊之问的相位差是9 0 0 ，这就表明声表面波的振动轨迹是椭圆形的。卣和磊 随着远离表面逐渐深入基体内部，其振动呈指数衰减，但是磊和磊的衰减系数是 不一样的。一般来说，这两个部分的波石和磊，都是满足波动方程解的，但是它 们不一定都满足其边界条件。所以，如果一个声表面波既满足波动方程的解，又 满足其边界条件，那么，这个声表面波必然是这两个部分波的线性的组合。其中， 组合的比例系数c 和速度1 ，是由边界条件所确定的，但是组合而成的声表面波磊 和磊仍然会有着9 0 0 的相位差，也就是说声表面波的质点振动轨迹还是椭圆形 的，而且随着x 3 指数衰减，它的衰减系数是卣和磊相互叠加的结果。在各向同 性的固体中，声表面波的纵横振动随深度的变化如图2 3 所示。 图2 3 各向同性基体上声表面波的振幅随深度的变化示意图 f 2 3t h ec h a n g eo fs a w a m p l i t u d e 、析t hd e p t hi ni s o t r o p i cm e d i u m 8 m山厂mv劂惭 竺v 一户 卫v l i_l 一 p 2一哼斗蒜专；霸 p 一 唧 r ，k0 “ 竺y一户一哆陆z 谚 p 厂n 唧年 能 第二章s a w 气体传感器的基本原理 声表面波是不同于声体波的平面波，它在不一样的基体深处会有不一样的声 能通量密度。对于任意的各向同性的压电介质来说，可以用下式算出它在x l 方 向上单位面积的声能通量，。 卟一圭r e 倭一瓦一删) 亿l 。) 其中，r c 是复数的实数部分，t 是介质的应力张量，d 是介质的电位移， 是复数的共轭。各向同性基体的声表面波的单位面积上声能通量随深度的变化如 图2 4 所示。 1 通0 量 密0 度 啦o 深度( x 3 波长) 图2 4 各向同性基体的声表面波声能通量随深度的变化示意图 e 2 4t h e c h a n g eo fs o u n de n e r g yf l u xw i t hd e p t hi na l li s o t r o p i cm e d i u m 将图2 3 及图2 4 联系在一起，我们可以看出：当离开基体表面大约一个多 波长时，声表面波的振动就会很弱；如果基片有一定的厚度，但不是半无限大的 固体，这时仍然可以将该波看成是满足了声表面波的边界条件；在距表面一个波 长左右的深度处，声表面波的绝大部分能量都集中在此。所以，声表面波的能量 在一个波长深度的表层内较为集中，而且声表面波的振荡频率越高，集中能量的 表层就会越薄。所以鉴于声表面波的这个特点，声表面波比声体波有更强的优势， 这种优势主要体现在更容易获得高声强。于此同时这个特点使基片的背面对声表 面波的传播有很小的影响。所以对声表面波器件而言，基片的厚度和基片背面质 盘的质量无严格要求，即是在实际声表面波器件的制作中，基片的厚度可以选择 小一些的。 9 一种便携s a w 气体传感器的电路设计 2 2s a w 器件原理 s a w 器件关键在于s a w 的激发和接收，激发和接收的方式是多种多样的， 其主要是为了机械量与电学量之间的相互转换。考虑到设计灵活度、加工难度、 产出效率等因素，现在制作的s a w 器件基本都是使用叉指换能器( t ) 来激 发和接收s a w ，s a w 器件的原理如图2 5 所示。 图2 5s a w 器件工作原理 f 2 5t h ew o r k i n gp r i n c i p l eo ft h ed e v i c e 正压电效应是指当材料在某个特定方向发生应变时，在其特定的表面上就会 积累电荷；同样，逆压电效应是指当材料处在某个特定方向的电场时，材料发生 某个特定方向的应变。这种材料就是压电材料，激发s a w ，就是用到这一原理。 所以s a w 器件一般使用压电材料作衬底，将i d t 制作在压电材料上就能完成激 发和接收s a w 。 i d t 是一系列像手指一样交插排列而成的金属条，将电压加在叉指对上时， 电极间就会产生交变的电场。因为选择了压电材料作为衬底，从而在交变的电场 下，衬底产生逆压电效应，这样就形成s a w ，也就是激发s a w 。当s a w 传播 到另外一端时，由于伴随的压电效应，s a w 激发的电场就会被另一端的i d t 接 收，即是s a w 的接收。 2 3i d t 简介 2 3 1i d t 基本原理 如图2 6 所示，是两种不同设计的i d t ，从图中我们可以看出，它们的每一 1 0 第二章s a w 气体传感器的基本原理 个周期都是由周期性排列的并且与总线交替连接起来的多根电极( 也称为指条) 构成。其中图2 6 ( a ) 中，我们可以看到i d t 每一周期岛都包含有两根电极， 被称为单指叉指换能器或者是叉指换能器。而图2 6 ( b ) 中，i d t 的每一个周期 里包含有四根电根，则被称为分裂指叉指换能器或者是双电极叉指换能器。图中 方向相反的两根电极称为一对电极，或称为一对叉指。 ( a ) ( b ) 图2 6i d t 结构示意图 f 2 6t h es t r u c t m eo fi d t 以上两种i d t 相比较，由于图2 6 ( a ) 的单电极叉指换能器结构简单，而且 电极相对较宽( 约为 ) ，在用光刻工艺制作时，对精度的要求也较低，所以这 4 种结构的应用最为广泛。单电极叉指换能器的机械波反射和周期为p = 导的栅阵 的机械波反射相当，所以当指条宽度旯研时会发生布拉格反射，这样就与s a w 的激励揩振调节一样。也就是说i d t 的指条对数越多，i d t 的特性也就会越复杂。 双电极叉指换能器( 指条宽度约为詈) 对光刻精度要求较高，其机械波反射 和周期为p = 导的栅阵的机械波相当，所以这种结构的i d t 对s a w 揩振时的布 拉格反射有很好的抑制作用。当对频率响应要求精确控制时，则采用该种结构。 s a w 的激励可以看成是发生在换能器的中心( 称为激励中心) ，这是因为i d t 一种便携s a w 气体传感器的电路设计 的每对叉指激励的s a w 场是中心对称的，而且它的电极结构也是几何对称的。 i d t 的上下两根总线上加上电压时，压电基片会产生应变，这种应变以s a w 的形式在i d t 上传播。如果把i d t 的周期扔设计成s a w 波长的整数倍，就可 以使每对叉指激励的s a w 相互叠加，从而增强s a w 的强度。 i d t 的特性主要是由指条周期、指对数、基片材料等因素决定的。基片材料 主要是从基片方向和电场分布等复杂函数上来影响i d t 的特性。但是，在对s a w 器件进行设计和模拟时，主要是将s a w 的特性等效成电学量，不需要知道声波 特性本身等参数。 2 3 2i d t 静态特征 首先讨论i d t 的电荷分布。如果假足i d t 的长厦为尤限长，并且兵义捂条冤 度和间隔都是相等的，设它的静电荷分布为q ( x t ) 。则对于单电极的i d t ，其静 态电荷分布为【1 6 】： g ( 而) = 矿面丽而再c s 丽p i p - j l 2 ( c o l s ( 2 n w p 1 ) ) ( 2 1 1 ) 而对于双电极的i d t ，其静态电荷分布为： 九矽而意篇瓦丽2 丽丽组 其中，c s 是i d t 的一个周期的静电容，对于单电极的i d t ，其静电容为： c s ：w 占( ) 旦丛竺堕翌垒监 ( 2 1 3 ) 、见1 ，2 ( c o s ( - 2 n w 易) ) 对于双电极i d t ，其静电容为： c s ：形玉细) p - , 4 ( c o s ( 4 万w e 1 ) ) 一 ( 2 1 4 ) 、p l i ( e o s ( - 4 7 r w p ln 其中，w 是i d t 的孔径宽度，w 是i d t 的指条宽度，占( s ) 是等效介电常数， e v ( x ) 是l e g e n d r e 函数。如果i d t 处于低频，s ( ) 可以表示为【1 7 1 ： 占( ) ：岛+ 詹t 孺t t 2 ( 2 1 5 ) 1 2 第二章s a w 气体传感器的基本原理 其中，为没有应力时所得到的介电常数，这里的没有应力并不是应变为0 。 由式( 2 1 3 ) 与式( 2 1 4 ) 得到的c s ( 6 ( o o ) w ) 与w 研的关系曲线如图2 7 所示。 图2 7c a ( s ( ) 形) 与电极宽度的关系曲线图 f 2 7t h er e l a t i o n s h i pc x l r v eo fc a p ( ) 形) a n de l e c t r o d ew i d t h 对于i d t 的机电耦合系数的讨论，我们先假设e x p ( j t o t ) 是不随时间变化的。 如果把一个线电荷g ( 而) = 筘“) 放在西 - - 0 处的平坦表面上，那么，随着s a w 传播的表面电势( 而) 为： 矽( 而) = j i u f c r e x p ( - j f l , fi 西i ) ( 2 1 6 ) 其中，纷为常数，岛为自由表面上传播的s a w 的波数。 那么，由电荷提供的功率p 可以表示为： p = 形吨e 扣，幸掣奶r 嘶州 隰 也可以由公式o r = c s v w ，得到： 尸= 国c 鲥皤l y l 2 ( 2 1 8 ) 其中群= l a ：c s 2 w ，它表示的是自由表面的机电耦合系数。 由于s a w 是沿着而的两个方向并且以相同的振幅传播，因此沿着而方向传 播的s a w 的两功率相等，总和为p 。由式( 2 1 6 ) 和式( 2 1 8 ) 。我们可以得到： 1 3 一种便携s a w 气体传感器的电路设计 = 歹丽州一娼k i ) 压 ( 2 1 9 ) 如果将金属膜沉积在基片表面，而且在而= 0 处有一条非常窄的狭缝时，则 需要定义以下新的变量： j i l ( 而) = q ( x t ) d x l ( 2 2 0 ) 如果外加电压v ，则感应产生电场p ( 而) = 髓( 而) ，那么激励s a w 的变量j j l ( 而) 可以表示成： j i l ( 而) = 一办矿e ) 【p ( 一乃l 而1 ) ( 2 2 1 ) 其中心代表一个常量，办是金属表面上的波数。则由式g ( 西) = 号等，可 以得出g ( 而) 的功率p 为： p = 矿婀 i ：三地) 幸掣奶 = 国哦i 矿r 仫2 2 ) 式中，磕= l f w 2 g ，它表示金属表面的机电耦合系数。 由于s a w 是沿着而的两个方向并且以相同的振幅传播，因此沿着西方向传 播的s a w 的两功率相等，总和为p 。由式( 2 2 1 ) 和式( 2 2 2 ) ，我们可以得到： 地) - - 胪1 1 孚c x p ( 协m ) 厄 ( 2 2 3 ) 对于瑞利波，它们可由如下公式近似求解得到： k 2 ：三丝2 三釜玉兰2 y y ( 2 2 4 ) v t t 譬2y 警 其中，是自由表面的s a w 波速，是金属表面的s a w 波速，而噶和吃 相同，可以用k 2 表示。 2 4s a w 气体传感器的信号检测原理 对于制造好的s a w 器件，还不能用来直接检测气体，因为这样的器件不能 选择性吸附气体。考虑到这个原因，我们将敏感吸附材料涂覆在s a w 的传播路 1 4 第二章s a w 气体传感器的基本原理 径上，如果有特定气体存在，敏感吸附材料就会和气体发生作用，从而改变材料 的质量、电导率、粘滞系数等，这样s a w 在经过敏感吸附材料时，就会产生频 率、相位、幅度等的改变，经过测量这些参数，并通过模式识别技术，就能检测 出该特定气体，和这种气体的浓度。 下面我们具体讨论下频率变化量的问题。当敏感吸附材料和特定气体发生作 用后，其质量密度是m ( g m 2 ) ，电导率是8 ( s m 2 ) ，弹性系数c ( n m 2 ) ，介电 常数g 都将会发生变化，从而使声表面波的v 叠发生变化。如果设环境的压强是 p ( p a ) ，环境温度是f ( 。c ) ，根据表面扰动原理，我们可以推导出频率变化的公 式为： 堕：一堕：一土f 肌+ c + 针加- - 0 8 + p 一门 ( 2 2 5 ) 氏v rv r t , 0 m o c8 s8 6 a p l 乱) 这样就能得出频率改变了多少，进而可以算出各个被测物质的改变量，这就 是声表面波气体传感器的测频原理【1 8 】。 当敏感吸附膜与空气中的特定气体发生吸附作用时，会导致反射栅的反射率 减小，而敏感吸附膜区的插损会增大，这样s a w 的相位延迟就会不断的发生改 变【1 3 】，我们利用可以测量相位改变的电路进行信号的测量，就能得到待测气体 的特性，这就是声表面波气体传感器的相位检测原理。 当敏感吸附膜与气体发生作用后，吸附膜的厚度、面积等就会增加，从而导 致了s a w 器件的插损增大，当s a w 从吸附膜上经过时，其振幅就会发生变化。 所以，可以通过检测信号幅度的变化，得到敏感吸附膜的变量，这就是声表面波 气体传感器的幅度检测原理。 2 5s a w 气体传感器的信号检测方法 由上节我们知道，s a w 气体传感器的检测方法主要是通过敏感吸附膜和待 测气体作用后，s a w 的频率、相位、幅度发生改变，通过检测电路测出这些变 化量，从而得知待测气体的信息。常用的s a w 气体传感器检测方法如下【1 9 】： ( 1 ) s a w 振荡器检测法：其基本原理是将s a w 器件当作选频元件放在射频放 大器的正反馈电路上，当环路总相位是3 6 0 0 的整数倍，且振荡环路的总增益大 1 5 一种便携s a w 气体传感器的电路设计 于l 时，振荡器就会发生振荡，其电路框图如图2 8 所示。因为s a w 的相频特 性曲线会随着s a w 波速的变化而发生偏移，所以当s a w 波速变化时，振荡器 的频率也会生改变，从而确保整个环路的总相位依然可以满足起振的相位条件。 这种方法是一种测量频率的手段，检测出了振荡器频率的变化量，就能得到被测 气体的相关信息【1 1 1 3 , 2 0 - 2 2 。 射频放大器 it 图2 8s a w 振荡器检测法 f 2 8t h es a wo s c i l l a t o rd e t e c t i o nm e t h o d ( 2 ) 混频检测法：其原理主要是将s a w 器件设计成两个通道，其中一个是 敏感通道，该通道是将敏感吸附材料涂于s a w 的传播路径上，这样敏感吸附膜 与相应气体发生作用后，膜的质量、电导率、粘滞系数等会发生改变，且反射栅 的反射率减小，敏感区的插损增大，这样就导致了振荡电路的频率发生变化；另 一个通道为参比通道，该通道的s a w 传播路径上不涂覆任何材料，即是在整个 测量过程中，其频率是固定不变的。这两通道输出的频率，经由混频电路算出其 频率差，从而进行分析得出待测气体的特性。这种电路也叫做双通道差分结构， 其电路框图如图2 9 所示。因为这两个通道均在同样的环境中，所以它可以忽略 温度，湿度等环境因素对气体传感器的影响。 1 6 第二章s a w 气体传感器的基本原理 参比 通道 气敏 通道 图2 9 混频检测法 f 2 9t h em i x i n gf r e q u e n c yd e t e c t i o nm e t h o d ( 3 ) 锁相环( p h a s el 0 c kl o o p ，p l l ) 检测法：其原理主要是将s a w 气体 传感器嵌入锁相环中，当压控振荡器( v o l t a g ec o n t r o l l e do s c i l l a t o r ，v c o ) 输出 发生变化时，s a w 器件两端的相位差也会发生改变，这样就会引起鉴相器( p h a s e d e t e c t o r ，p d ) 输出电压改变，进而调节压控振荡器的输出频率值。这种电路主 要是由压控振荡器、鉴相器和环路滤波器( l o o pf i l t e r ，l f ) 组成【2 1 1 ，其输出是 一个频率信号，所以可以用于频率的检测，其电路组成如图2 1 0 所示。其中l f 的作用是提取鉴相器输出电压的低频分量。压控振荡器将环路中的频率、电压和 相位差调整至一个稳定值并输出，这也就是我们常说的锁定状态。如果s a w 的 波速发生改变，s a w 器件的输入与输出端的相位差就会发生改变，锁相环电路 需重新调整，使电路达到一个新的平衡，于是输出频率随之发生改变，从而实现 s a w 气体传感器的频率检测。 图2 1 0 锁相环检测法 f 2 1 01 1 1 ep l ld e t e c t i o nm e t h o d 1 7 一种便携s a w 气体传感器的电路设计 ( 4 ) 直接数字频率合成( d i r e c td i g i t a ls y n t h e s i s ，d d s ) 扫描检测法：这种 检测法也是用于检测频率，其原理和锁相环检测法类似。其电路主要是由d d s 芯片搭建的数字v c o ，微控制器( m i c r o c o n t r o l l c ru n i t ，m c u ) 和a d 转换器 ( a n a l o g - t o - d i g i t a lc o n v e r t e r ，a d c ) 组成，如图2 1 1 所示，其中m c u 是控制 d d s 芯片产生频率信号的。 图2 i id d s 扫描检测法 f 2 1 lt h ed d ss c a nd e t e c t i o nm e t h o d ( 5 ) 相位检测法【2 3 】：这种方法主要是利用鉴相器，将s a w 器件的输入端与 输出端的相位差转换为电压信号，对这个电压信号进行测量，从而得到待测气体 的特性。这种方法设计的电路主要是由电压测量部分、鉴相器和信号发生器构成， 如图2 1 2 所示。 2 6 本章总结 图2 1 2 相位检测法 f 2 12t h ep h a s ed e t e c t i o nm e t h o d 本章围绕声表面波，分别从s a w 器件结构和对s a w 的信号处理进行了理论 分析。最后列举了近年来各种s a w 气体传感器的检测方法。 1 8 第三章s a w 器件的设计与制作 第三章s a w 器件的设计与制作 3 1s a w 器件的设计考虑 目前，应用在气体传感器的s a w 器件其结构大致分为两种：一种是由 w o l h t j e n 提出的延迟线结构，另外一种是由m a r t i n 等提出的谐振器结构 2 4 - 2 6 。 其中延迟线结构如图3 1 所示。它是由发射叉指换能器、接收叉指换能器和延迟 线组成。其工作原理就是利用逆压电效应将电信号转换成声波信号在压电晶体表 面传输，然后再利用压电效压将表面转换成电信号，最后由电路部分分析待测气 体的种类和浓度。 叉指 图3 1 延迟线结构的s a w 器件 f 3 1t h es a wd o v i c , eo fd e l a yl i n es t r u c t u r e 对于谐振器结构，它与延迟线结构最大的不同在于多了反射栅条，且没有延 迟线。如图3 2 所示，它主要是将发射叉指换能器和接收叉指换能器的两端放置 一些反射栅条。当由两个叉指换能器激发的声表面波与从反射栅条反射回来的声 表面波形成驻波时，就构成了类似体波振子的谐振状态，这也就是谐振器结构的 工作原理。其中谐振频率是由声表面波的速度和叉指条的周期决定的，当被测气 体通过时，会改变s a w 的波长或波速，从而引起揩振频率的改变，再由电路部 分分析得出被测参数。 1 9 一种便携s a w 气体传感器的电路设计 图3 2 揩振器结构的s a w 器件 e 3 2t h es a wd c v i r 宅o fa r r a n g e m e n t sv i b r a t i o ns t r u c t u r e 后来，有人分别对这两种结构的振荡器进行了比较【2 7 。2 8 】：谐振器结构的s a w 器件具有高品质因子和低损耗的特点，用它作为频