CN102798663A - 一种应用色散叉指换能器的saw气体传感器 - Google Patents

Abstract

本发明是一种应用色散叉指换能器的SAW气体传感器，即色散延迟线型气体传感器，色散叉指换能器和接收叉指换能器组成的延迟线Q值不需要很高，只要中间反射栅条数足够多，能阻止通过的SAW频带足够窄，Q值足够高即可。而反射栅条数足够多可使气敏膜面积加大，增加了吸收气体分子的数量，增加了传感器灵敏度。和谐振器型SAW气体传感器相比，由于本发明本质上是一种色散延迟线型气体传感器，检测机理与SAW谐振器不同，回避了振荡器停振、频率跳变的问题。

Description

一种应用色散叉指换能器的SAW气体传感器

【技术领域】

本发明涉及SAW气体传感器技术领域，特别是一种可以实现气体检测新方法的应用色散叉指换能器的SAW气体传感器。

【背景技术】

气体检测是指在环境检测中，要求实时快速地检测气相、液相等多参数微量化学物质；在现代医学诊断中，要求传感器在复杂环境中对病毒蛋白分子的秒级范围内的识别和检测；在军事安全领域，要求传感器对毒品、爆炸品等进行实时高精度的检测，特别是对如沙淋、芥子气等具有极高致命性生化战剂的检查。目前常用的SAW气体传感器有两种:延迟线型与谐振器型。

延迟线型SAW气体传感器由声表面波延迟线和放大电路组成。输入换能器激发出声表面波,声表面波经过吸附气体的敏感膜，传播到输出换能器转换成电信号输出。但延迟线型SAW气体传感器Q值较低，使其检测分辨率较低。

谐振器型SAW气体传感器由叉指换能器与谐振腔组成。Q值较高，但稳定性差，存在振荡器停振、频率跳变等问题。

【发明内容】

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，而提供一种应用色散叉指换能器的SAW气体传感器。

本发明为解决上述问题所采用的方案是设计一种应用色散叉指换能器的SAW气体传感器。其特征在于由频率固定脉冲信号发生器，色散叉指换能器，压电晶体或压电薄膜，敏感膜，中间反射栅，接收叉指换能器和频率检测装置组成；所述色散叉指换能器为线性调频叉指换能器，输入端外接频率固定脉冲信号发生器，所述中间反射栅为一组平行等距的金属条，所述接收叉指换能器为等周期的叉指换能器，外接频率检测装置。

所述色散叉指换能器中每条叉指的宽度和间隔宽度各不相等，叉指的宽度和间隔宽度的设计和分布排列与色散叉指换能器的频率变化规律相关，叉指的位置分布与频率分布相同；所述色散叉指换能器中叉指电极周期段的长度是随叉指位置线性变化的，所述色散叉指换能器的频响形状与色散叉指换能器的几何形状相同。

所述色散叉指换能器总的色散时间T₀≈N/2f₀,N是叉指总条数，f₀是色散叉指换能器的中心频率，色散信号的带宽就是色散叉指换能器的带宽ΔF=|f₂-f₁|，色散叉指换能器线性调频斜率μ=2πΔF/T₀。

所述中间反射栅是开路反射栅，由金属条组成，所有金属条的长×宽尺寸相同，各金属条间的间隔与金属条宽度相等，金属条呈直线状，两端互不相连；两个金属条的宽度加两个间隔的宽度为一个SAW波长λ，中间反射栅长度为100~150个SAW波长；中间反射栅止带频率为f₀’，可以阻止这一频率的SAW通过，色散叉指换能器下限频率f₁＜中间反射栅止带频率f₀’＜色散叉指换能器上限频率f₂；所述中间反射栅上附有可吸附待测气体的敏感膜。

所述的接收叉指换能器是等周期的，电极宽度与电极间隔宽度相等，其中心频率为f₀，接收叉指换能器带宽大于或等于色散叉指换能器频率的上、下限之差（f₂-f₁），不会改变色散叉指换能器频响。

所述色散叉指换能器、中间反射栅和接收叉指换能器制备在压电晶体或压电薄膜材料上。

所述频率固定脉冲信号发生器是产生连续脉冲，各个脉冲的脉宽为0.5T₀，脉冲信号各个脉冲的时间间隔大于或等于色散叉指换能器色散时间T₀，各个脉冲的时间间隔为1.5T₀，以使每个相邻脉冲激励的色散叉指换能器的频带不能互相交叉和覆盖。

本发明应用色散叉指换能器的SAW气体传感器，其主要结构由压电晶体或压电薄膜、压电晶体或压电薄膜上的叉指换能器以及位于叉指换能器之间的气体敏感膜组成。气体敏感膜不同,所吸附的气体就不同。叉指换能器产生声表面波在吸附气体前与吸附气体后的物理特性,如频率、振幅、相位等是有差别的。SAW气体传感器正是利用了这种变化来探测气体的种类和浓度。通过色散叉指换能器、中间反射栅和接收叉指换能器作为检测待测气体浓度的检测手段有几个优势：

①本发明本质上是一种色散延迟线型气体传感器，色散叉指换能器和接收叉指换能器组成的延迟线Q值不需要很高，只要中间反射栅条数足够多，能阻止通过的SAW频带足够窄，Q值足够高即可。而反射栅条数足够多可使气敏膜面积加大，增加了吸收气体分子的数量，增加了传感器灵敏度。

②和谐振器型SAW气体传感器相比，由于本发明本质上是一种色散延迟线型气体传感器，检测机理与SAW谐振器不同，回避了振荡器停振、频率跳变的问题。

【附图说明】

图1为SAW气体传感器结构图；

图2为色散叉指换能器频率与时间的关系；

图3为脉冲信号图；

图4为无中间反射栅输出频率响应图；

图5为有中间反射栅输出频率响应图；

图6为吸附气体后吸收峰偏离图。

图中：1、频率固定脉冲信号发生器；2、色散叉指换能器；3、压电晶体或压电薄膜；4、敏感膜；5、中间反射栅；6、接收叉指换能器；7、频率检测装置。

以下结合本发明的实施例参照附图进行详细叙述。

【具体实施方式】

本发明是一种应用色散叉指换能器、中间反射栅和接收叉指换能器作为检测待测气体浓度的新的检测手段。其色散叉指换能器为线性调频叉指换能器，频率范围为f₁~f₂，输入端外接频率固定脉冲信号发生器；所述中间反射栅为平行等距金属条，止带频率为f₀’，f₁＜f₀’＜f₂，其上附有可选择性吸附待测气体的敏感膜；所述接收叉指换能器为一组等周期叉指换能器，外接频率检测装置。

本发明的应用色散叉指换能器的SAW气体传感器。其中色散叉指换能器，中间反射栅和接收叉指换能器制备在压电晶体或压电薄膜上，色散叉指换能器输入端外接频率固定脉冲信号发生器，中间反射栅上附有可选择性吸附待测气体的敏感膜，接收叉指换能器外接频率检测装置。

具体实施方式为：

1.设计接收叉指换能器。例如接收叉指换能器叉指对数为30对，电极宽度与电极间隔相等，均为2.4μm，当压电薄膜为AlN压电材料时，SAW的相速度约为5280m/s，把两个电极的宽度加两个电极间隔的宽度作为一个SAW波长λ，如图1所示，可以算出接收叉指换能器的中心频率f0=550MHz，其带宽为18.3MHz。

2.设计中间反射栅，中间反射栅的金属条宽度与金属条之间间隔的宽度相等，把两个金属条的宽度加两个间隔的宽度作为一个SAW波长λ，如图1所示，中间反射栅全长为100~150个SAW波长，即金属条为100~150对，远大于接收叉指换能器和色散叉指换能器叉指对数，这样可使中间反射栅带宽很窄，即吸收峰很窄，如图5所示；例如压电薄膜为AlN压电材料时，SAW的相速度约为5280m/s，设计金属条宽度及金属条之间间隔的宽度均为2.4μm，可得出止带频率f₀’=550MHz，与接收叉指换能器中心频率相同。

3.设计色散叉指换能器，色散叉指换能器中每条叉指的宽度（包括间隔）各不相等，叉指的宽度（包括间隔）是严格的按频率变化规律排列起来的，可以将指的位置分布看成频率分布，色散叉指换能器中叉指电极周期段的长度是随位置线性变化的，色散叉指换能器的频响形状与其几何形状相同，叉指对数50对；色散叉指换能器总的色散时间T₀≈N/2f₀,如图2所示，N是叉指总条数，f₀是色散叉指换能器的中心频率，例如压电薄膜为AlN压电材料时，SAW的相速度约为5280m/s，通过设计每条指的宽度（包括间隔）使其中心频率f₀=550MHz，频率上限f₂=555MHz，频率下限f₁=545MHz，色散信号的带宽就是色散叉指换能器的带宽，ΔF=|f₂-f₁|=10MHz，线性调频斜率μ=2πΔF/T₀，色散叉指换能器频率的上、下限之差（f₂-f₁）小于接收叉指换能器带宽。

4.使用电子束蒸发系统，在压电晶体或压电薄膜表面制备金属薄膜，使用光刻系统，制备出色散叉指换能器、中间反射栅和接收叉指换能器。

5.色散叉指换能器输入端外接频率固定脉冲信号发生器，将可选择性吸附待测气体的敏感膜涂覆在中间反射栅上，接收叉指换能器外接频率检测装置。

开启信号发生器后，产生连续脉冲，各个脉冲时间间隔1.5T₀，脉冲脉宽0.5T₀，如图3所示，色散叉指换能器产生频率范围为f₁~f₂的SAW，在压电晶体或压电薄膜上传播，当没有中间反射栅时，其输出频响曲线如图4所示；当有中间反射栅时，SAW经过反射栅后，频率为f₀’的SAW被反射栅阻止，接收叉指换能器外接频率检测装置，可检测出原来频率范围为f₁~f₂的SAW中频率为f₀’的缺失，如图5所示。

检测气体时，敏感膜吸附待测气体后，其质量密度，弹性参数都将发生改变，SAW在经过反射栅时，传播特性发生改变，被阻止的频率变为f₀”,接收叉指换能器将SAW转换成电信号后，频率检测器可以检测出f₁~f₂的频率范围内缺失的频率变为f₀”，如图6所示，利用Δf＝f₀”-f₀’，通过计算来读取被检测气体的浓度。

Claims (7)

1.一种应用色散叉指换能器的SAW气体传感器，其特征在于由频率固定脉冲信号发生器，色散叉指换能器，压电晶体或压电薄膜，敏感膜，中间反射栅，接收叉指换能器和频率检测装置组成；所述色散叉指换能器为线性调频叉指换能器，输入端外接频率固定脉冲信号发生器，所述中间反射栅为一组平行等距的金属条，所述接收叉指换能器为等周期的叉指换能器，外接频率检测装置。

2.按照权利要求1所述的应用色散叉指换能器的SAW气体传感器，其特征在于所述色散叉指换能器中每条叉指的宽度和间隔宽度各不相等，叉指的宽度和间隔宽度的设计和分布排列与色散叉指换能器的频率变化规律相关叉指的位置分布与频率分布相同；所述色散叉指换能器中叉指电极周期段的长度是随叉指位置线性变化的，所述色散叉指换能器的频响形状与色散叉指换能器的几何形状相同。

3.按照权利要求1和2所述的应用色散叉指换能器的SAW气体传感器，其特征在于所述色散叉指换能器总的色散时间T0≈N/2f₀,N是叉指总条数，f₀是色散叉指换能器的中心频率，色散信号的带宽就是色散叉指换能器的带宽ΔF=|f₂-f₁|，色散叉指换能器线性调频斜率μ=2πΔF/T₀。

4.按照权利要求1所述的应用色散叉指换能器的SAW气体传感器，其特征在于所述中间反射栅是开路反射栅，由金属条组成，所有金属条的长×宽尺寸相同，各金属条间的间隔与金属条宽度相等，金属条呈直线状，两端互不相连；两个金属条的宽度加两个间隔的宽度为一个SAW波长λ，中间反射栅长度为100~150个SAW波长；中间反射栅止带频率为f₀’，可以阻止这一频率的SAW通过，色散叉指换能器下限频率f₁＜中间反射栅止带频率f₀’＜色散叉指换能器上限频率f₂；所述中间反射栅上附有可吸附待测气体的敏感膜。

5.按照权利要求4所述的应用色散叉指换能器的SAW气体传感器，其特征在于所述的接收叉指换能器是等周期的，电极宽度与电极间隔宽度相等，其中心频率为f₀，接收叉指换能器带宽大于或等于色散叉指换能器频率的上、下限之差（f₂-f₁），不会改变色散叉指换能器频响。

6.按照权利要求1所述的应用色散叉指换能器的SAW气体传感器，其特征在于所述色散叉指换能器、中间反射栅和接收叉指换能器制备在压电晶体或压电薄膜材料上。

7.按照权利要求1所述的应用色散叉指换能器的SAW气体传感器，其特征在于所述频率固定脉冲信号发生器是产生连续脉冲，各个脉冲的脉宽为0.5T₀，脉冲信号各个脉冲的时间间隔大于或等于色散叉指换能器色散时间T₀，各个脉冲的时间间隔为1.5T₀。

Images