覆盖聚合物膜的声表面波气体传感器的响应机理与性能优化研究

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1、中国科学院大学UniversityofChineseAcademyofSciences博士学位论文覆董聚金物膜的直麦面边氢簋佳盛墨故响座狃理皇性篮选业研究作者姓名：进嗑指导教师：值世堂巫究虽生国整堂医岜堂班宜压王室研究虽生国整堂院直堂班究匮学位类别：王堂簋±学科专业：值曼皇值息处堡研究所：虫国型堂院岜堂巫究匮2013年5月ByXiaoXieADissertationSubmittedtoTheUniversityofChineseAcademyofSciencesInpartialfulfillmentoftherequirementForthedegree

2、ofDoctorPhilosophyInstituteofAcousticsChineseAcademyofSciencesMay,2013中国科学院声学研究所学位论文原创性声明和使用授权说明原创性声明4IIIIIIIIIHIIIHIIIFIIIIIIPUIY2382243本人郑重声明：本论文的所有工作，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。论文作者签名：{材醌日期：弘

3、I；年r月矽日学位论文使用授权说明本人完全了解中国科学院研究生院关于收集、保存、使用学位论文的规定，即：·按照中国科学院研究生院要求提交学位论文的印刷本和电子版本；·中国科学院研究生院与中国科学院声学研究所有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；·中国科学院研究生院与中国科学院声学研究所可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；(保密论文在解密后遵守此规定)论文作者签名：母阮导师签名：日期：知I)年歹月冲日摘要声表面波型(SAW)气体传感器是融合声学、电子学和化学等多学科技术的新型传感器。它主要利用覆盖于声表面波器件表面的敏感膜材

4、料对待测气体的吸附，引起声波传播特性发生改变，从而导致振荡器输出频率发生变化，完成对待测气体的检测。它具有成本低、体积小、响应时间短、灵敏度高、可靠性好的特点，可以在常温下工作，输出的频率信号易与计算机接口，构建微型化、集成化和智能化的气体传感器终端，符合现代传感器小型化、智能化的发展趋势，在军用毒剂检测、环境监测、药品食品分析及工业分析等领域都有重要的应用价值。本文从响应机理理论模型构建、传感器功能结构优化设计两方面针对目前SAW气体传感器所面临的一些瓶颈问题开展工作：首先，本文利用经典Famell层状介质结构中声传播理论以及Martin关于SAW气体传感

5、器机理分析模型，对敏感膜／金／铝／压电晶体构成的层状结构SAW气体传感器的响应机理进行了理论模型的构建与分析。利用Farnell理论计算了声波在ST-X石英自由表面和金属化表面的相速度，接着对声波在覆盖层状金属层的压电基片的传播情况进行精确求解，分别计算了声波在铝／ST-X石英、金／ST-x石英双层结构中传播的相速度，最后计算了声波在金／铝／ST-X石英三层结构中传播的相速度。根据层状介质结构中声传播特性的分析结果，结合微扰理论，本文将Martin分析聚合物对传统成膜方式的分析方法推广到多层介质结构的情况，使之能对覆盖聚合物膜的多层结构SAW化学传感器响应机

6、制进行准确分析。以金／铝／ST-X石英结构上覆盖六氟异丙醇基聚硅氧烷(SXFA)聚合物膜的四层结构为例，计算了该传感器结构中SXFA吸附甲基膦酸二甲酯(DMMP)时，聚合物膜厚和传感器工作频率对传感器响应的影响，特别是对传感器检测下限进行了评估，从而提取出优化的结构参数。作为SAW气体传感器的核心，其功能结构．SAW振荡器的频率稳定性直接影响到传感器的检测下限与稳定性。因此，对传感器的功能结构进行优化设计是本文的另外一个重要内容。针对目前应用于气体传感器的两端对SAW谐振器的多模式和低品质因子的特点，本文基于经典耦合模(COM)理论，设计了一种新型的采用金／

7、铝电极的两端对SAW谐振器，通过对分布于谐振腔内用于敏感膜镀膜的金／铝金属膜、谐振腔结构以及反射器等对器件性能的影响分析，提取出优化的谐振器结构设计参数。基于仿真结构，实验制作了一种基于300M}{z频率的以金／铝电极的两端对SAW谐振器，在谐振器两换能器之间的谐振腔内沉积用于敏感膜镀膜的金／铝金属膜，测试结果显示所研制器件具有较低损耗(<6dB)、高品质因子(>3000)以及单一谐振模式的特点。以所研制的SAW谐振器作为频率控制单元，结合高可靠性振荡器电路设计制作了气体传感器核心构件两通道SAW谐振器型振荡器。实验表明，制作的SAW谐振器型振荡器具有良好的

8、频率稳定度，其中期(小时为单位)频率稳定度达到了士1