气体声表面波传感器的研究进展

主要从声表面波(SAW)结构和敏感膜的角度综述了SAW气体传感器的研究现状。重点分析了国外出现的换能器新型结构,对其优点进行了初步分析,并和传统的SAW气体传感器结构做了比较,指出这些新结构尽管存在一些缺点,目前还不能取代传统的通用式结构,但是在某些特殊场合具有传统结构所不具备的优点。在敏感膜方面,主要从新材料方面入手,分析了目前主要使用的敏感膜材料,并结合SAW气体传感器的发展趋势,总结出敏感膜的发展方向。同时,对SAW气体传感器的其他组成部分如衬底材料和信号处理电路也作了简单的回顾,最后结合国内外研究成果对SAW气体传感器的发展做了展望。     

一种新型SAW气体传感器的设计

提出了将纳米线技术与声表面波(SAW)技术相结合,分别利用纳米线气体敏感材料比表面积高,声表面波传感器质量敏感性高的优点,探索研制新一代声表面波气体传感器。该传感器具有响应速度快,灵敏度高,体积小,质量注和易集成等优点。该文主要从SAW专用芯片的研制、专用纳米线研制、专用纳米线的表面修饰与改性研究、检测电路设计等4方面进行了阐述。理论计算表明,相比传统二维结构的SAW气体传感器,三维纳米线结构的SAW气体传感器的在灵敏度和响应速度上都得到提高。     

三维纳米线SAW气体传感器及报警器设计

该文提出了一种全新的三维纳米线结构的声表面波(SAW)气体传感器,详细阐述了谐振型SAW器件上纳米线制备与修饰改性设计,传感器信号提取电路设计及报警器设计等过程,最后研制出气体报警器样品。并利用沙林（GB）模拟剂对传感器性能指标进行了测试,该传感器的响应阈值低达2 mg/m3,响应时间仅约为20 s。结果表明,与传统二维结构的SAW气体传感器相比,三维纳米线结构的SAW气体传感器在响应阈值和响应时间上均有很大的提高。     

声表面波延迟线振荡器为核心的气体传感器

声表面波(SAW)器件的工作频率随基片表面上的负载质量变化而发生漂移,通常利用这一性质作气相分析与检测,已经有了若干用SAW延迟线器件制成的化学传感器。传感器表面涂着一层有化学选择性的薄膜,这一涂层则在化学分析时有选择地吸收待测气体分子,涂层在吸收了气体后发生一些物理变化,因而这种传感器的灵敏度与SAW延迟线表面上的涂层对气体的吸收量有关。许多实际使用的传感器是用双SAW延迟线组成的,它们集成在一片基体上,并在一个延迟线表面上涂上气体吸附薄膜,而另一个则不涂任何物质。 本文讨论了这种传感器的若干问题,如温度影响、响应时间以及频率变化与气体浓度间关系的非线性。最后提出了在传感器应用时的改进方法与措施。     

碳纳米管聚苯胺薄膜SAWSO2传感器的实验研究

以128°Y-LiNbO3晶体上实现的双声路声表面波(SAW)器件为载体,在器件的测量声路上制作了对SO2气体具有敏感作用的碳纳米管聚苯胺薄膜,提出了一种基于碳纳米管聚苯胺薄膜的SAW SO2气体传感器.该传感器中的双声路结构消除了因外界测量条件改变引起的测量误差,提高了传感器的可靠性和准确性.利用原位法制备的碳纳米管聚苯胺增加了SO2气体的吸附面积,提高了传感器的灵敏度.实验结果表明,基于碳纳米管聚苯胺薄膜的SAW SO2气体传感器在测量范围内对各种浓度的SO2气体具有好的响应特性;当输入体积分数为1×10-6时,传感器的响应灵敏度约为8.3 kHz,比单一聚苯胺薄膜高1.8 kHz.此外,该传感器也具有更好的线性特性.     

一种新型高频率稳定度的SAW振荡器

作为声表面波(SAW)气体传感器的关键元件,SAW振荡器的频率稳定度直接影响到传感器的灵敏度和检测下限。因此,提高SAW振荡器的频率稳定度是传感器研究的关键。该文在ST石英基片上研制了一种具有低插入损耗(10 dB内)、单一模式控制的SAW双延迟线及振荡器,其频率稳定度达0.1×10-6量级,同时还分析了作为频控元件的延迟线品质因数及振荡电路温度对振荡器频率稳定度的影响。     

SAW传感器后端信号处理电路的设计

介绍声表面波(SAW)气体传感器原理及其信号处理电路原理,重点设计了传感器的频率检测电路.该频率检测电路基于FPGA技术,利用VHDL语言对各电路子模块编写了相应的代码,并用EDA软件QuartusⅡ完成了对电路的设计.该频率检测电路的测频范围为0.1～100 MHz.仿真和实验结果表明,设计相对误差较小,满足了SAW气体传感器的要求.     

433.92 MHz声表面波水果气体传感器研究

为监测水果在仓储及运输等过程中的新鲜程度,研制了一种以声表面波(SAW)单端谐振器为载体的SAW水果释放气体传感器。运用原位一步聚合法制备了聚苯胺气敏材料,在器件的敏感区域上用滴涂法涂覆敏感膜。实验结果表明,该传感器在室温条件下,对水果气体具有灵敏度高,响应恢复快等特性。对敏感机理进行了理论分析。     

基于无线SAW压力传感器的FADS研究

嵌入式大气数据系统(FADS)是先进的大气数据系统.由于SAW压力传感器能进行无线测量,将无线SAW压力传感器应用于FADS,与MIMU相结合使之成为廉价的微型组合导航系统.研究了FADS的基本原理、无线双单端SAW谐振器压力传感器的基本原理以及相关应用电路模块,并利用HP Esoft软件和SAW谐振器等效电路对无线SAW压力传感器进行了仿真.研究表明,无线SAW传感器能应用到先进的大气数据系统,具有重要的应用价值.     

基于无线SAW压力传感器的FADS研究

嵌入式大气数据系统(FADS)是先进的大气数据系统。由于SAW压力传感器能进行无线测量,将无线SAW压力传感器应用于FADS,与MIMU相结合使之成为廉价的微型组合导航系统。研究了FADS的基本原理、无线双单端SAW谐振器压力传感器的基本原理以及相关应用电路模块,并利用HP Esoft软件和SAW谐振器等效电路对无线SAW压力传感器进行了仿真。研究表明,无线SAW传感器能应用到先进的大气数据系统,具有重要的应用价值。     

Simulation and Fabrication of SAW-Based Gas Sensor with Modified Surface State of Active Layer and Electrode Orientation for Enhanced H<Subscript>2</Subscript> Gas Sensing

The design, analysis, optimization, and fabrication of layered and nanostructure-based surface acoustic wave (SAW) gas sensors are presented. A lithium niobate and zinc oxide (ZnO) nano multilayer structure is proposed to enhance the sensitivity of the SAW-based gas sensor. Different materials are considered for the intermediate layer in the design for optimization purposes. The sensitivity of the sensor could be improved due to increased active surface area obtained by varying the aspect ratio of the nanorods, the thickness of the intermediate layer, and the gap between the electrodes. The total displacement and frequency shift of the device were significantly improved. Overall, the mechanically engineered surface-based (nanorod) SAW gas sensor offered better sensing response than the layered SAW gas sensor in terms of sensitivity performance.     

旋涂法制备声表面波化学传感器膜的研究

声表面波化学传感器因高灵敏、便携而快速等优点被用来检测有毒有害气体。聚合物在声表面波敏感器件表面的旋涂技术是研究的热点。用旋涂法把溶于丙酮的氟硅氧烷聚合物溶液在声表面波器件表面制备成膜。通过网络分析仪,对在基片不同的旋涂区域和不同聚合物粘度对敏感芯片的品质因数和插入损耗的差异的分析、对比,确定环基片中心区为成膜的最佳旋涂区域,聚合物溶液增比粘度小于0.34时对成膜质量影响较小。     

室温下ZnPc/MWCNTs敏感膜检测NO2

提出了一种以酞菁锌(ZnPc)掺杂多壁碳纳米管(MWCNTs)作为声表面波(SAW)传感器的敏感材料用于室温下检测二氧化氮(NO2).通过超声振荡等方法将研磨的MWCNTs和ZnPc分散于N,N-二甲基中,然后运用微量移液器滴涂到SAW器件的敏感区.我们对ZnPc/MWCNTs薄膜用扫描式电子显微镜(SEM)进行了表面形态表征.实验结果表明,基于MWCNTs的ZnPc SAW器件能在常温下检测最低浓度为10-6的NO2.在3个月内对器件的灵敏度、稳定性、选择性也进行了评估.     

声表面波CO气体传感器温度误差补偿方法研究

要提高声表面波(SAW)气体传感器的测量精确度,温度补偿是主要难题.目前有许多补偿方法,但其效果不佳.采用软件方法进行温度补偿的研究在国内外已成热点,但选用神经网络对声表面波气体传感器进行温度补偿罕见报道.该文以西北工业大学研发的声表面波CO气体传感器为研究对象,通过理论分析和实验,得到了声表面波CO气体传感器的温度特性曲线.提出了一种利用BP人工神经网络对声表面波CO气体传感器温度误差进行修正的新方法.计算机仿真和试验结果表明,该法能有效改善传感器的输出特性,且速度快,精度高,鲁棒性强,便于用硬件实现,具有较高的推广应用价值.     

36°YX-LiTaO_3/SiO_2结构Love波气体传感器研究

该文研究了一种覆盖六氟-2-羟基异丙基聚硅氧烷(SXFA)敏感膜,并针对有机磷化学物检测的新型Love波传感器,采用36°YX-LiTaO3与SiO2分别作为Love波延迟线器件的压电基底与波导层材料。将所研制的Love波器件作为差分振荡器的频率控制单元,结合SXFA敏感膜,开展了针对甲基磷酸二甲(DMMP)的气体传感实验,分析了不同波导层膜厚对Love波传感器气体响应的影响,并与传统瑞利型声表面波模式的气体传感器性能进行了对比,实验结果显示,Love波模式传感器表现出高灵敏度特性。     

声表面波压力传感器的仿真与设计

该文设计了一种基于声表面波(SAW)传感原理的无源无线压力传感器。阐述了SAW单端谐振器的原理,对SAW压力传感器的原理进行了分析。选择了基于类似两端固定梁的敏感结构并利用ANSYS软件对其敏感结构进行仿真、分析。利用Mathcad软件对SAW压力传感器进行建模、仿真。并根据仿真结果设计和制作了SAW压力传感器。测试结果表明,制作的传感器灵敏度较高,误差小,具备良好的压力频率特性。     

声表面波传感器检测电路的研究

针对目前声表面波(SAW)传感器检测电路的缺点,通过对SAW传感器信号的特征分析,设计了一种简单实用的SAW传感器检测电路,降低了硬件成本。该电路利用直接数字频率合成技术产生不同的频率信号,用以激励不同谐振频率的声表面波敏感元件,在间歇收发周期从SAW传感器输出信号中提取出反映被测量的频率信号,通过对该频率的测量得到被测物理量的变化。通过对SAW传感器的温度实验,获得了传感器的温度-频率特性,在较低频率(20MHz)时检测灵敏度可达1.36kHz/℃,具有较好的一致性;在较高频率(75MHz)时检测灵敏度可达2.03kHz/℃,存在一定偏差。