CN114204914A

CN114204914A - 一种用于气体检测的声表面波横向耦合谐振器

Info

Publication number: CN114204914A
Application number: CN202210157015.3A
Authority: CN
Inventors: 齐晓琳; 刘建生; 李霄; 洪力; 杨凝; 戴扬; 汪志强
Original assignee: CETC Information Science Research Institute
Current assignee: CETC Information Science Research Institute
Priority date: 2022-02-21
Filing date: 2022-02-21
Publication date: 2022-03-18
Anticipated expiration: 2042-02-21
Also published as: CN114204914B

Abstract

本发明提供一种用于气体检测的声表面波横向耦合谐振器，属于气体检测设备技术领域。包括：压电基片、沿压电基片长度方向相对设置的第一金属反射栅阵和第二金属反射栅阵，以及，沿压电基片宽度方向相对设置且位于第一金属反射栅阵和第二金属反射栅阵之间的输入换能器和输出换能器；并且，声表面波横向耦合谐振器通带内两个低阶横向模式的谐振频率相匹配。本发明谐振器为横向耦合SAW谐振器结构，通过设计该谐振器通带内两个低阶横向模式的谐振频率极其接近，使器件幅频响应曲线呈现出单一峰值的现象，从而避免振荡器的谐振频率发生跳变的可能，实现横向耦合SAW谐振器低损耗、高Q值、单一模式控制，有助于提升传感器检测灵敏度、一致性与稳定性。

Description

一种用于气体检测的声表面波横向耦合谐振器

技术领域

本发明属于气体检测设备技术领域，具体涉及一种用于气体检测的声表面波横向耦合谐振器。

背景技术

气体传感器是传感器技术中的一个重要分支，涵盖功能材料、电子陶瓷、光电子元器件、声学技术、分析化学、物理化学、有机高分子等众多基础和应用学科。目前，在有毒、有害、易燃、易爆和挥发性物质检测领域以及空气污染等监测领域，气体传感器技术已被广泛地应用。

声表面波（Surface Acoustic Wave, SAW）气体传感器涉及到声学、电子学、弹性力学和物理化学等多门专业学科。它的特点是成本低、体积小、灵敏度高、可靠性好，并且可以在室温下工作，与现代传感器小型化、智能化的发展趋势相符，在军用毒剂检测、环境污染监测、药品食品分析、工业分析和公共安全等领域都有广阔的应用前景。

SAW气体传感器包括采用选择性敏感膜进行气体吸附和与气相色谱分离系统结合使气体直接附着在声表面波器件表面进行检测两种方式。其中覆盖选择性敏感膜的检测方式成本低、体积小、体积小、工艺简单已成为近年来的研究热点。覆盖敏感膜的SAW气体传感器基本响应机理是通过在SAW检测器表面吸附待测气体使边界条件发生改变，从而影响SAW传播的相速度，通过对SAW相速度变化量的测量实现对待测气体的监控和测量化。SAW的这一特点使得SAW器件对其压电基片表面或附近产生的任何物理上的或化学上的变化高度敏感。与其它类型的气体传感器相比，SAW气体传感器具有很多优点，最突出的就是它灵敏度高、响应时间短、体积小并且成本低，能够在有线和无线模式下工作并且与现代制造技术的可兼容性等。将压电基片、敏感材料和叉指换能器（Interdigital transducers, IDTs）等几个重要部件参数调整合适，并结合高性能的外围电路所构成的SAW气体传感器能够提供优异的选择性、快速的响应特性、可逆性、线性和稳定度。

然而，SAW气体传感器的基本性能如检测下限和灵敏度等指标十分重要，振荡器结构会对这些性能产生影响。影响振荡器性能的因素可概括为内部因素和外界因素，内部因素主要包括振荡回路的品质因数、SAW器件插入损耗、环路放大器和分立元件如电容、电感等的性能参数。SAW检测器在振荡器中起频率选择作用，其品质因数越大、插入损耗越低、相位特性更好则振荡回路的频率稳定度越好。

用于气体传感器的SAW检测器主要分为两种结构，一种是延迟线型结构，另一种是谐振器型结构。SAW延迟线通常由激发和接收两个叉指换能器构成，两个换能器中间可以提供较大的区域用于涂敷敏感膜，但是这种结构的器件损耗较大且Q值较低，基于延迟线的SAW振荡器的频率稳定度比较差。纵向耦合谐振器的存在的问题是相邻的两个工作模式的谐振频率间隔大，造成器件响应的带宽较大，Q值低，从而影响振荡器的稳定度，并且该结构还能导致频带边缘具有较高的寄生响应。即使采用石英等机电耦合系数小的压电材料，两个谐振峰仍然间隔较大且幅值相近，振荡器工作时容易在两个谐振峰上跳动。

现有技术之一的中国专利CN101865884B提出一种单模式突出的双端对谐振式声表面波检测器，对三换能器双端对纵向耦合谐振器进行优化，通过采用特殊的谐振器结构，降低了一个谐振峰的激发强度，从而获得了一种低插损（< 4 dB）、高Q值（> 2000）、两模式之间幅度差距足够大（> 10 dB）的声表面波检测器，较好的解决了这个问题，并有效的应用于GC/SAW。但其只针对应用于不需制作化学膜的传感器，当在覆盖敏感膜的SAW气体传感器中应用时，检测器覆盖敏感层后会造成主谐振峰插损变大，可能降低抑制措施的效果，使得两个谐振峰之间的幅值差距变小，进一步造成振荡器工作频率的跳变。

因此，基于上述技术问题，本发明提出一种用于气体检测的声表面波横向耦合谐振器。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种用于气体检测的声表面波横向耦合谐振器。

本发明提供一种用于气体检测的声表面波横向耦合谐振器，包括：压电基片、沿所述压电基片长度方向相对设置的第一金属反射栅阵和第二金属反射栅阵，以及，沿所述压电基片宽度方向相对设置且位于所述第一金属反射栅阵和所述第二金属反射栅阵之间的输入换能器和输出换能器；并且，

所述声表面波横向耦合谐振器通带内两个低阶横向模式的谐振频率相匹配。

可选的，所述输入换能器位于沿所述压电基片宽度方向的顶端；

所述输出换能器位于沿所述压电基片宽度方向的底端。

可选的，所述输入换能器和所述输出换能器均包括有叉指汇流电极以及与所述叉指汇流电极电连接并呈周期分布的叉指电极；

所述输入换能器与所述输出换能器通过所述叉指汇流电极电连接。

可选的，所述叉指电极的相对厚度范围为0.02～0.03；和/或，

所述叉指电极的金属化比范围为0.5～0.7；和/或，

所述叉指电极的声孔径范围为13λ～15λ。

可选的，所述第一金属反射栅阵和所述第二金属反射栅阵均包括有栅阵汇流电极以及与所述栅阵汇流电极电连接并呈周期分布的栅阵指电极；

所述第一金属反射栅阵与所述第二金属反射栅阵的栅阵指电

极均与所述叉指汇流电极电连接。

可选的，所述输入换能器和所述输出换能器的长度范围均为108λ~115λ；和/或，

所述输入换能器和所述输出换能器的波长均为λ。

可选的，所述第一金属反射栅阵和所述第二金属反射栅阵的长度范围均为82λ~88λ；和/或，

所述第一金属反射栅阵和所述第二金属反射栅阵的波长均为λ_G。

可选的，所述输入换能器和所述第一金属反射栅阵、所述第二金属反射栅阵之间的第一间隔相同；

所述输出换能器和所述第一金属反射栅阵、所述第二金属反射栅阵之间的第二间隔相同。

可选的，所述第一间隔和所述第二间隔的长度范围均为0.4λ~0.6λ。

可选的，所述压电基片为36º YX- LiTaO₃基片、42º YX-LiTaO₃基片、ST-X石英基片、64º YX-LiNbO₃基片和41º YX-LiNbO₃基片中的任一种。

本发明提供一种用于气体检测的声表面波横向耦合谐振器，包括：压电基片、沿所述压电基片长度方向相对设置的第一金属反射栅阵和第二金属反射栅阵，以及，沿所述压电基片宽度方向相对设置且位于所述第一金属反射栅阵和所述第二金属反射栅阵之间的输入换能器和输出换能器；并且，声表面波横向耦合谐振器通带内两个低阶横向模式的谐振频率相匹配。本发明采用横向耦合SAW谐振器结构，通过设计通带内两个低阶横向模式的谐振频率极其接近，使器件幅频响应曲线呈现出单一峰值的现象，从而避免振荡器的谐振频率发生跳变的可能，实现横向耦合SAW谐振器低损耗、高Q值、单一模式控制，将其作为SAW气体传感器的核心元件，有助于提升传感器检测灵敏度、一致性与稳定性。

附图说明

图1为本发明一实施例的用于气体检测的声表面波横向耦合谐振器的结构示意图；

图2为本发明一实施例的用于气体检测的声表面波横向耦合谐振器的单周期三维模型结构示意图；

图3(a)为本发明一实施例的幅频响应仿真与实验对比图；

图3(b)为本发明一实施例的相频响应仿真与实验对比图；

图4为本发明一实施例的不同PVA厚度下的SAW器件响应结果图。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护范围。

除非另外具体说明，本发明中使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“包括”或者“包含”等既不限定所提及的形状、数字、步骤、动作、操作、构件、原件和/或它们的组，也不排除出现或加入一个或多个其他不同的形状、数字、步骤、动作、操作、构件、原件和/或它们的组。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示技术特征的数量与顺序。

在发明的一些描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”、“相连”或者“固定”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是通过中间媒体间接连接，可以是两个元件内部的连通或者两个元件的互相作用关系。以及，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

如图1和图2所示，本发明提供一种用于气体检测的声表面波横向耦合谐振器100，包括：压电基片（图中并未示出）、沿压电基片长度方向相对设置的第一金属反射栅阵110和第二金属反射栅阵120，以及，沿压电基片宽度方向相对设置且位于第一金属反射栅阵110和第二金属反射栅阵120之间的输入换能器130和输出换能器140。也就是说，本实施例中输入换能器与输出换能器设置的方向与第一金属反射栅阵、第二金属反射栅阵设置的方向相垂直，以形成横向耦合的SAW谐振器。并且，基于横向耦合的SAW谐振器结构，本实施例还设计该谐振器通带内两个低阶横向模式的谐振频率相匹配。

需要说明的是，为了克服现有技术的缺陷，例如，Q值低、损耗较大、谐振点跳变等问题，基于此，本发明创新性地提出采用横向耦合SAW谐振器结构作为SAW气体传感器的核心元件，以作为检测器用于气体检测，本实施例基于上述横向耦合结构可以做到低插损。其次，对于机电耦合系数小的压电材料也可以做到窄通带，带宽取决于两个低阶横向模式的频率差，利用这一特点，本实施例还设计该谐振器通带内两个低阶横向模式的谐振频率相匹配，即两个谐振频率基本一致，以使激发出一阶对称和一阶反对称模式的谐振频率差很小，叠加后呈现出单一峰值，避免幅频响应存在多个谐振峰而产生谐振频率跳变的现象，实现振荡器单一模式控制，同时可以获得高Q值。

另外，本实施例将该横向耦合谐振器结构作为检测器，可以用于覆盖敏感膜的SAW传感器，也可用于与气相色谱（gas chromatographic，GC）联用的GC SAW传感器，且可实现涂覆敏感膜前后谐振器仍保持良好的特性，避免实验中镀膜前后出现多个峰值且峰值较接近的情况、以及振荡器振荡频率发生跳变的可能。

如图1所示，本实施例的输入换能器130位于沿压电基片宽度方向的顶端，输出换能器140位于沿压电基片宽度方向的底端。也就是说，本实施例的输入端换能器、输出换能器分别作为横向耦合谐振器结构的输入端、输出端，并对应设置在结构中心的顶端和底端。

具体的，本实施例的输入换能器和输出换能器均包括有叉指汇流电极以及与叉指汇流电极电连接并呈周期分布的叉指电极；输入换能器与输出换能器通过叉指汇流电极电连接。

应当理解的是，输入换能器和输出换能器均包括有相对设置的两个叉指汇流电极，且每个叉指汇流电极上均设置有叉指电极。其中，输入换能器的其中一个叉指汇流电极与输出换能器的其中一个叉指汇流电极电连接，即该叉指汇流电极相当于位于中间的公共汇流条，而输入换能器的另外一个叉指汇流电极与输出换能器的另外一个叉指汇流电极分别位于压电基片的顶端与底端，为两端公共汇流条。也就是说，输入换能器和输出换能器通过中间的公共接地汇流条连接起来，其左右两侧是第一金属反射栅阵和第二金属反射栅阵。

需要说明的是，本实施例的叉指电极采用Al材料。

更进一步的，如图1所示，本实施例的第一金属反射栅阵110和第二金属反射栅阵120均包括有栅阵汇流电极以及与栅阵汇流电极电连接并呈周期分布的栅阵指电极；第一金属反射栅阵与第二金属反射栅阵的栅阵指电极均与叉指汇流电极电连接。也就是说，该第一金属反射栅阵与第二金属反射栅阵与上述输入换能器和输出换能器的中间公共汇流条电连接。

进一步需要说明的是，本实施例通过设计SAW谐振器的模型参数和几何参数，将谐振器通带内两个低阶横向模式的谐振频率设计得极其接近，从而使器件幅频响应曲线呈现出单一峰值的现象，避免振荡器的谐振频率发生跳变的可能，实现低损耗、高Q值、单一模式控制。

示例性的，如图1所示，本实施例的输入换能器130和输出换能器140的长度（L _T）范围均为108λ~115λ。并结合图2所示，示出了横向耦合SAW谐振器单周期三维模型结构，其中，输入换能器130和输出换能器140的波长（λ）范围均为10μm～13μm。

进一步的，如图2所示，示出了横向耦合SAW谐振器单周期三维模型结构，其中，λ为SAW波长，h/λ为叉指电极的相对厚度，其范围为0.02～0.03；M/P为叉指电极的金属化比，其范围为0.5～0.7；W为叉指电极的声孔径，其范围为13λ～15λ。

更进一步的，本实施例将上述输入换能器和输出换能器相连接的其中一个叉指汇流电极，即位于中间的公共汇流条宽度（B₁）范围设置为0.6λ～0.9λ。而另外一个叉指汇流电极，即两端公共汇流条的宽度（B₂）范围设置为4λ～6λ。

示例性的，如图1所示，本实施例的第一金属反射栅阵110和第二金属反射栅阵120的长度（L _G）范围均为82λ~88λ。一并结合图2所示，示出了横向耦合SAW谐振器单周期三维模型结构，其中，第一金属反射栅阵110和第二金属反射栅阵120的波长（λ_G）范围均为10μm～13μm。

更进一步的，如图1所示，本实施例的输入换能器130和第一金属反射栅阵110、第二金属反射栅阵120之间的第一间隔（Ls）相同，以及，输出换能器140和第一金属反射栅阵110、第二金属反射栅阵120之间的第二间隔（Ls）相同。

需要说明的是，上述第一间隔和第二间隔也相同，并且，第一间隔和第二间隔的长度范围均为0.4λ~0.6λ。

进一步需要说明的是，本实施例的压电基片为36º YX- LiTaO₃基片、42º YX-LiTaO₃基片、ST-X石英基片、64º YX-LiNbO₃基片和41º YX-LiNbO₃基片中的任一种，对此不作具体限定，且该压电基片的厚度范围为8λ～12λ。

本发明通过设计IDT的长度、金属反射栅阵的长度、IDT与金属反射栅阵间隙长度等几何参数的比例关系，以及优化叉指电极的厚度、声孔径、金属化比等模型参数，将通带内两个低阶横向模式的谐振频率设计得极其接近，从而使器件幅频响应曲线呈现出单一峰值的现象，值得注意的是，这里实际是两个谐振峰，将两个模式靠近叠加后呈现出一个峰值的现象，从而实现横向耦合SAW谐振器低损耗、高Q值、单一模式控制。

下面将以具体实施例对该用于气体检测的声表面波横向耦合谐振器结构参数以及应用作进一步说明：

实施例1

本实施例采用横向耦合SAW谐振器的结构作为气体检测器。典型的横向耦合谐振器结构如图1所示，它的输入端和输出端分别位于结构中心的顶端和底端，输入换能器和输出换能器通过中间的公共接地汇流条连接起来，两边是金属反射栅阵，并且公共接地汇流条与两边的金属短路反射栅连接。

具体的，如图1和图2所示，本实施例通过设计SAW谐振器的模型参数和几何参数，将通带内两个低阶横向模式的谐振频率设计得极其接近，从而使器件幅频响应曲线呈现出单一峰值的现象，得到用于气体传感器的低损耗、高Q值、单一模式控制的SAW横向模式耦合谐振器。

其中，本实施例的输入换能器和输出换能器的长度相同，均为L _T。第一金属反射栅阵和第二金属反射栅阵的长度相同，均为L _G，以及换能器和金属反射栅阵的中间间隔长区度为L _S，具体值请参考表1。

另外，该结构采用ST-X石英材料作为压电基片，Al材料作为叉指电极，横向耦合SAW谐振器单周期三维模型结构如图2所示，其中，λ为SAW波长，h/λ为叉指电极的相对厚度，W为声孔径，M/P为叉指电极金属化比，B₁为中间公共汇流条宽度，B₂为两端公共汇流条宽度，G为耦合间隙的长度，H为压电基片厚度，具体数值请参考表1。

表1 横向耦合SAW谐振器的几何参数和模型参数

进一步的，本实施例还给出了横向耦合SAW谐振器仿真与实验结果，通过幅频响应对比图3(a)，可以发现本实施例的横向耦合SAW谐振器可以实现低插损（-2.829dB）和高Q值（3120）。进一步的，通过相频响应对比图3(b)，可以发现当谐振器相位变化2π时，对应的频率点落在幅频响应通带以外，此时插入损耗可以达到20dB，不再满足振荡器幅度起振条件，无法起振，因此振荡器不会发生谐振频率跳变现象，这样可以满足振荡器的单一模式控制要求。

实施例2

本实施例还对横向耦合SAW谐振器涂覆敏感膜进行了实验。具体的，本实施例采用聚乙烯醇（polyvinyl alcohol, PVA）作为敏感材料，通过在上述谐振器结构的整个表面以旋涂的方式涂覆不同厚度（0μm、0.09μm、0.12μm、0.17μm、0.23μm）的PVA敏感膜，测得横向耦合SAW谐振器器件响应结果如图4所示。

本实施例证明了涂覆敏感膜前后谐振器仍保持良好的特性，避免实验中镀膜前后出现多个峰值且峰值较接近的情况，以及振荡器振荡频率发生跳变的可能。也就是说，本发明提出了一种应用于声表面波气体传感器的低损耗、高Q值、满足振荡器单一模式控制的声表面波横向耦合谐振器。

本发明提供一种用于气体检测的声表面波横向耦合谐振器，具有以下有益效果：本发明针对声表面波气体传感器，采用横向耦合谐振器结构作为检测器，通过优化设计几何参数和模型参数将通带内两个低阶横向模式的谐振频率设计得极其接近，从而使器件幅频响应曲线呈现出单一峰值的现象，进一步实现横向耦合SAW谐振器低损耗、高Q值、单一模式控制。以及通过器件制作和实验对比验证了谐振器低损耗、高Q值、单一模式控制的特点，并且涂覆敏感膜前后谐振器仍保持良好的特性，避免实验中镀膜前后出现多个峰值且峰值较接近的情况、以及振荡器振荡频率发生跳变的可能。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种用于气体检测的声表面波横向耦合谐振器，其特征在于，包括：压电基片、沿所述压电基片长度方向相对设置的第一金属反射栅阵和第二金属反射栅阵，以及，沿所述压电基片宽度方向相对设置且位于所述第一金属反射栅阵和所述第二金属反射栅阵之间的输入换能器和输出换能器；并且，

2.根据权利要求1所述的声表面波横向耦合谐振器，其特征在于，所述输入换能器位于沿所述压电基片宽度方向的顶端；

所述输出换能器位于沿所述压电基片宽度方向的底端。

3.根据权利要求2所述的声表面波横向耦合谐振器，其特征在于，所述输入换能器和所述输出换能器均包括有叉指汇流电极以及与所述叉指汇流电极电连接并呈周期分布的叉指电极；

4.根据权利要求3所述的声表面波横向耦合谐振器，其特征在于，

所述叉指电极的相对厚度范围为0.02～0.03；和/或，

所述叉指电极的金属化比范围为0.5～0.7；和/或，

所述叉指电极的声孔径范围为13λ～15λ。

5.根据权利要求3所述的声表面波横向耦合谐振器，其特征在于，所述第一金属反射栅阵和所述第二金属反射栅阵均包括有栅阵汇流电极以及与所述栅阵汇流电极电连接并呈周期分布的栅阵指电极；

所述第一金属反射栅阵与所述第二金属反射栅阵的栅阵指电极均与所述叉指汇流电极电连接。

6.根据权利要求1至5任一项所述的声表面波横向耦合谐振器，其特征在于，所述输入换能器和所述输出换能器的长度范围均为108λ~115λ；和/或，

所述输入换能器和所述输出换能器的波长均为λ。

7.根据权利要求1至5任一项所述的声表面波横向耦合谐振器，其特征在于，

所述第一金属反射栅阵和所述第二金属反射栅阵的长度范围均为82λ~88λ；和/或，

8.根据权利要求1至5任一项所述的声表面波横向耦合谐振器，其特征在于，所述输入换能器和所述第一金属反射栅阵、所述第二金属反射栅阵之间的第一间隔相同；

9.根据权利要求8所述的声表面波横向耦合谐振器，其特征在于，所述第一间隔和所述第二间隔的长度范围均为0.4λ~0.6λ。

10. 根据权利要求1至5任一项所述的声表面波横向耦合谐振器，其特征在于，所述压电基片为36º YX- LiTaO₃基片、42º YX-LiTaO₃基片、ST-X石英基片、64º YX-LiNbO₃基片和41º YX-LiNbO₃基片中的任一种。