薄膜体声波谐振器(FBAR)谐振特性的模拟分析*

主要利用Mason等效电路模型对加入介质声损耗的薄膜体声波谐振器输入阻抗公式进行了推导,并利用该结果对薄膜体声波谐振器的谐振特性进行了模拟分析,分别就不同压电层材料和厚度以及不同电极材料和厚度对薄膜体声波谐振器谐振特性的影响进行了详细分析.结果表明,薄膜体声波谐振器谐振频率主要由压电材料和厚度决定但电极的影响也是很大的.在制作高频FBAR器件(5GHz以上)时,采用氮化铝作压电材料比用氧化锌作压电材料更合适.     

科研资讯

宁波材料所在自保护、人机互动柔性织物传感器研究中取得进展近年来,中国科学院宁波材料技术与工程研究所研究员陈涛团队在高性能、多功能可穿戴柔性传感器件方面取得了阶段性的进展。通过碳管/石墨烯二维薄膜与PDMS/Ecoflex等弹性体的有效复合,赋予了器件多重且优异的性能,包括超高灵敏度、宽检测范围、低检测下限、自粘附功能等,并在器件规模化生产上进行了初步尝试。     

基于超支化聚合物的声表面波化学毒剂传感器

基于声表面波（SAW）技术的化学毒剂传感器在检测下限、响应速度以及减小温度、湿度交叉敏感等方面还需进一步提高。提出了在SAW双端口谐振器上涂敷超支化聚合物的方法提高传感器的检测下限和灵敏度。通过建立Van Dyke模型,分析了敏感膜对SAW化学毒剂传感器Q值、插入损耗以及电路阻抗匹配的影响。利用谐振器代替延迟线,确保了器件具有插入损耗、高Q值的特点。实验证实,在谐振器的中心栅结构上涂覆聚合物可以减小粘弹性聚合物对谐振器插损、Q值以及输入输出阻抗的影响。对设计的化学毒剂传感器进行了沙林毒剂检测实验,采用315MHz的SAW谐振器结合超支化聚合物膜,检测沙林气体浓度为5．0mg／m^3。实验表明：这种传感器的灵敏度可达到600Hz／mg／m^3,响应时间为50s,恢复时间约为60s。     

基于柔性超声传感器的骨质状况检测系统

失重环境会造成骨质钙类流失,导致骨质状况显著下降,因此定期对骨质进行检测是必要的;针对传统骨质检测设备大多基于金属和半导体材料,柔韧性和可穿戴性较差且检测部位不全面的现状,提出一种基于便携式柔性超声传感器的人体骨骼状况检测系统;该系统采用定量超声和轴向检测理论,由超声传感器、FPGA（Field Programmable Gate Array）控制电路和移动端APP构成,传感器封装改为柔性基底,能够全面检测身体的各个部位,在30名志愿者的胫骨处进行实验测量;实验结果表明：该柔性超声骨质数据采集系统能量传递效率高达35%;在0.2s内可完成检测和实时显示检测结果,误差小于0.3%;该系统在轻量化骨质检测系统领域有重要应用前景,有望取代传统骨质检测设备,为可穿戴器件的应用提供技术支持。     

基于PI衬底的柔性MEMS电容式触觉力传感器设计与制作

论述了一种可应用于机器人或医学修补技术的触觉传感器及其在旋涂的柔性聚酰亚胺衬底的新制作方法.该传感器是由多层无机和有机薄膜组成的柔性薄膜结构.结合传感器结构特点及各结构层材料的加工性能,进行工艺优化整合.尤其首次在载体硅片与PI衬底之间引进PDMS分离层,使得柔性器件的分离工艺大大简化.最后得到一种简单、低廉且与常规MEMS技术兼容的工艺.所制的传感器结构轻薄,可挠性好,且能贴附在任意形状的物体表面同时实现法向力和切向力的测量.     

薄膜体声波谐振器的FDTD数值分析

提出了基于时域有限差分方法对薄膜体声波谐振器进行数值分析的新方法。利用时域有限差分法理论对压电材料的控制方程,牛顿方程和电学方程在空间和时间进行了离散化,通过得到的差分方程直接得出了声场传播的时域数值解。使用该数值方法对薄膜体声波谐振器的电学特性阻抗进行了分析,并将结果与一维Mason模型的解析解进行了比较验证。     

一种基于电子隧穿机制的柔性氢气传感器

氢气传感器在涉氢安全领域扮演着重要角色,随着可穿戴设备大量应用,柔性氢气传感器的发展日益受到重视。纳米粒子薄膜以其离散的纳米颗粒状结构和独特的电学响应性质成为了理想的柔性氢气敏感材料。通过在聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)柔性衬底上沉积钯(Pd)纳米粒子薄膜构筑了一种柔性氢气传感器。通过上百次反复弯折,该传感器体现了较好的机械性能和电学稳定性,气敏性能在弯折循环前后无衰减。通过系统研究应变状态下的氢气响应性质,发现拉应变使Pd纳米粒子薄膜的氢气响应度增大,而压应变效应则相反。其原因主要归结为应变导致的纳米颗粒间距变化,拉应变产生的较大的纳米颗粒间距会使得传感器电流基线降低,且足够大的纳米粒子间距更能容纳Pd纳米粒子吸氢导致的晶格膨胀,反之亦然。此外,拉应变使Pd纳米粒子薄膜对氢气的响应时间显著缩短,而压应变产生的效果则相反。该氢气传感器探测范围达到0~10%,响应时间可达数秒量级,探测下限为25×10^-6。在低氢气浓度范围内,响应度ΔI/I0与P1/2H2呈现线性关系,对4%浓度氢气的响应度可达600%,灵敏度可达3.28% Pa-1/2。这些结果表明,该传感器具备优异的传感性能,在柔性气体传感器领域具有极大应用潜力。     

基于倾斜AlN薄膜的体声波质量传感器的制备及性能分析

提出通过改变溅射气压获得倾斜于C轴的AlN薄膜的制备方法,探讨了倾斜AlN薄膜的生长机理。以3对交替沉积的Ti—Mo金属层为布拉格声学反射层,采用MEMS工艺制备了基于倾斜AlN薄膜的、以剪切模式振动的体声波液体传感器,并对器件的S11参数进行测试分析,得到传感器的中心频率为0.8GHz,表明该器件在生物液相检测领域具有一定的应用前景。     

基于倾斜A1N薄膜的体声波质量传感器的制备及性能分析

提出通过改变溅射气压获得倾斜于C轴的A1N薄膜的制备方法,探讨了倾斜A1N薄膜的生长机理.以3对交替沉积的Ti-MD金属层为布拉格声学反射层,采用MEMS工艺制备了基于倾斜A1N薄膜的、以剪切模式振动的体声波液体传感器,并对器件的S11参数进行测试分析,得到传感器的中心频率为0.78GHz,表明该器件在生物液相检测领域具有一定的应用前景.     

基于 ＧＮＰｓ/ ＰＤＭＳ 复合薄膜的柔性压阻传感器制备及性能研究

目前柔性压力传感器已被用于众多领域,其中压阻薄膜是柔性压力传感器的核心。本文将石墨烯纳米片（GNPs）与聚二甲基硅氧烷（PDMS）复合,通过倒模的方法制备压阻薄膜,经测试,GNPs浓度为8%时,材料具有较好的性能。以此为基础,制备了压敏结构间距为1.2 mm,直径大小为1.0 mm的GNPs/PDMS基压阻传感器,经测试,所制备的传感器加载响应为340 ms,卸载响应速度为260 ms,并具有较好的稳定性,同时,基于该压阻式柔性压力传感器实现了人体手腕关节处压力信号的测试。     

A compact tri‐band microwave resonator for ethanol gas detection

This article presents the design, simulation, fabrication, and testing of a compact two‐port microwave resonator coated with nanomaterials for ethanol gas sensing applications. The proposed gas sensor consists of a transmission line loaded with three triangular split ring resonators for ethanol detection at three frequency bands viz. 2.2, 4.6, and 6.3 GHz. The transmission line has all‐pass characteristics in which band gaps are introduced using three split ring resonators. The TiO₂ and ZnO nanorods are used as sensitive layers for the proposed sensing application. The nanorods, which are grown on a glass substrate of thickness 1 mm, are loaded on to the two‐port microwave resonator making the device sensitive to ethanol. The microwave behavior of the sensor is analyzed using the scattering parameters. The absorption of the ethanol gas causes frequency detuning which is used to analyze the presence of ethanol and its concentration. From the experiments, it is understood that there is an increase in the frequency shift with an increase in the concentration of ethanol gas. The sensing device with ZnO as a sensitive layer showed a higher average sensitivity of 2.35 compared to TiO₂ whose average sensitivity is 1.29.     

基于SAW表面气液相效应和GC分离柱的气敏传感器的研究

限于传统涂敷敏感膜的声表面波（SAW）气敏传感器存在成膜困难和选择性差、重复性差以及再生性差等问题，本研究提出一种基于压电基底表面气体气液相转换效应机理的瑞利波传感器。首先建立了挥发性有机气体(VOCs)液相凝聚体薄层负载下的SAW波传模型，并仿真计算了其波传频散和波传衰减。然后在此基础上开发了一种基于瑞利声表面波传感器和气相色谱（GC）分离柱的便携式气体检测系统。最后实验论证了方案的可行性，初步的实验结果表明该系统具有分析时间短、选择性好、灵敏度高（可检测ppb浓度的混合VOCs）以及成本低等优势，因此其在痕量挥发性有机气体检测和分析应用上有良好的潜力和前景。     

基于LCP衬底的柔性湿度传感器研究

介绍了一种新型柔性电容式湿度传感器.该柔性电容式湿度传感器采用液晶高分子聚合物(LCP)作为衬底,金属铜(Cu)作为叉指电极,聚酰亚胺(PI)作为湿度传感器的湿敏介质.LCP衬底的应用使得该传感器具有良好的柔性和可弯曲性.该柔性湿度传感器与传统硅基湿度传感器相比较具有成本低廉、结构简单、制作方便等优点.该柔性湿度传感器在25℃下的平均灵敏度为0.04%pF/%RH,最大回滞为±4.16%RH,其平均灵敏度在25℃~70℃范围内受温度影响较小.在25℃下其响应时间和恢复时间分别为36 s和39 s.该柔性湿度传感器可以应用于环境湿度检测、人工电子皮肤系统和可穿戴设备等领域.     

石墨烯/聚二甲基硅氧烷三维非织造结构压阻柔性压力传感器

压阻式压力传感器是可穿戴器件中的关键元件。由于优异的弹性性能,本文以三维聚酯非织造布作为基材,还原氧化石墨烯(rGO)作为活性材料,聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为柔性材料,组装三维(3D)压阻式压力传感器。该传感器具有良好的感应特性,包括短响应时间(120ms)和微弱的迟滞性(6.8%)。此外,该压力传感器可以用于检测人体的关节以及喉咙的运动情况。因此,该压阻传感器成本低、灵敏度高、耐久性优良,可以作为穿戴智能设备的理想的三维压阻式压力传感器。     

基于基片集成波导和消逝模谐振腔的压力传感器设计

提出一种新型的基于基片集成波导和消失模谐振腔的压力传感结构。设计了圆形空腔,当施加外界压力时,圆形空腔发生形变从而使谐振腔谐振频率变化。采用共面波导线对谐振腔进行耦合馈电并将频率信号传输出来。通过读取传感器的回波损耗参数( S11)来表征压力与频率的关系。利用高频仿真软件HFSS对谐振腔进行了仿真设计和优化,设计尺寸为30 mm×30 mm×1.93 mm,与传统谐振腔相比体积明显减小。传感器基底为Rogers 4003C板材,采用PCB技术进行加工。搭建压力测试平台对传感器进行测试,结果表明在0~3 N的压力范围内变化100 MHz,绝对灵敏度为25 MHz/N。仿真和实测结果比较吻合,验证了所设计压力结构的有效性。     

Surface acoustic wave based sensors employing ionic liquid for hydrogen sulfide gas detection

This paper describes a new type hydrogen sulfide (H₂S) gas sensor using ionic liquid (IL). In this sensor, a reservoir for the IL was integrated on a surface acoustic wave (SAW) resonator. The IL serves as an absorber for H₂S gas. Mass change due to this absorption is detected as shift in the resonant frequency. In this study, we fabricated and demonstrated the sensor using the lithium niobate (LiNbO₃) SAW resonator with the resonant frequency of 38 MHz. The integrated reservoir was filled by the IL 1-butyl-3-methylimidazolium hexafluorophosphate ([bmim]-[PF₆]). As an experimental result, we observed the linear correlation between the frequency-shift and the exposure time of the sensor to the H₂S gas.     

基于SAW表面气液相效应和GC分离柱的气敏传感器

限于传统涂敷敏感膜的声表面波（SAW）气敏传感器存在成膜困难和选择性差、重复性差以及再生性差等问题,本研究提出一种基于压电基底表面气体气液相转换效应机理的瑞利波传感器。在此基础上开发了一种基于瑞利声表面波传感器和气相色谱（GC）分离柱的便携式气体检测系统。最后实验论证了方案的可行性,初步的实验结果表明该系统具有分析时间短、选择性好、灵敏度高,可检测ppb（10^-9）浓度的混合VOCs以及成本低等优势,显示其在痕量挥发性有机气体检测和分析应用上有良好的潜力和前景。     

A precise and robust quartz sensor based on tuning fork technology for (SF6)-gas density control

A novel sensor technology for measuring and monitoring gas density is described. The gas density sensor is self-calibrating and specifically designed to operate as a sulfur hexafluoride (SF₆) monitor and control device in gas insulated high-voltage switchgears (GIS), but can also be applied for density measurement of any kind of gas. It comprises a pair of tuning forks oscillating at their resonance frequency. One oscillator is exposed to the gas to be monitored, the other one is used for comparison and temperature compensation. Exposure to gas leads to a shift in the resonance frequency proportional to the gas density. A density standard based on a combined weight and mass measurement has been performed with a precision better than 0.02%, giving proof of exact sensor calibration. The gas density sensor works with a precision better than 0.5% over a range of 50 kg/m³ SF₆ gas density. Sensor response time is less than 50 ms. The real gas equation of Beattie and Bridgman fits the gauged values with a mean error of 0.125%.     

Flexible humidity sensor in a sandwich configuration with a hydrophilic porous membrane

We constructed a wearable and flexible humidity sensor (thickness: 80 μm) in a sandwich configuration, with a hydrophilic poly-tetrafluoroethylene membrane placed between two gold deposited layers, using soft-MEMS techniques. The device was used to measure humidity level, via its electrical conductivity, using a multi-frequency LCR-meter at frequencies ranging from 100 Hz to 100 kHz. The device was calibrated at 100 Hz against moist air over the range of 30–85% RH, which includes normal humidity levels in the atmosphere and physiological air such as breath and evaporating sweat. The response sensitivity of the humidity device was extremely high, even for recovery to dry air; for example response time was less than 1 s for a conductivity shift between humid air of 80% RH and dry air of −60 °C dew point. The sensor performance was reproducible over multiple measurements, with a coefficient of variation of 1.77% (n = 5). The sensor was appropriate for physiological applications, and was successfully used in two non-invasive approaches: to monitor breath air at the mouth, and to measure sweat moisture from the nostrils.     

基于光学微腔的MOEMS微位移传感器

该MOEMS微位移传感器是一种基于光波导环形谐振腔的悬臂梁式传感器,通过一系列的微加工技术集成制造在SOI材料上.光学微腔是一种新型的光学谐振腔,当其在回音廊模式下(WGM)共振时可以检测到规则的透射谱图,该传感器通过测量透射谱的偏移来确定位移量.利用有限元分析法可以得到悬臂粱结构的最佳尺寸参数,利用时域有限差分方法(FDTD)可以得到环形腔投射谱的偏移特性.当使用跑道型谐振腔时,该新型传感器最高可以探测到10nm左右的位移量.