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声表面波(Surface Acoustic Wave,SAW)传感器是一类声表面波技术与传感器相结合的电子器件。声表面波传感器兼备成本低、体积小、功耗低和易操作等诸多优点,在国防军事、环境监测、汽车行业、无线通讯以及工业生产等领域得到广泛应用。本文采用有限元法(Finite Element Method,FEM)分析了基于功能材料(纳米棒,微脊)的Love波气体传感器的特性和叉指换能器(Interdigital Transducers,IDTs)电极双层布局SAW器件的声学特性,这些新型结构为提高SAW传感器的灵敏度以及满足SAW器件的高频化需求等提供了理论依据。论文主要包括以下两部分内容:(1)使用COMSOL软件对基于聚异丁烯(polyisobutylene,PIB)敏感层/SiO2/ST-90°X石英结构Love波气体传感器的声学特性进行了三维有限元仿真分析,其中PIB敏感层有薄膜、纳米棒和微脊三种形态。首先,SAW器件的导纳及振动位移结果表明,在PIB敏感层/SiO2/ST-90°X石英结构中均激发出Love波。其次,当PIB纳米棒的高度hpn=520 nm时,Love波的0阶和1阶模式共存,且频率为f0=505.8MHz和f1=587.6MHz;而当hpn=1260 nm时,Love波的1阶和2阶模式共存,这种现象是由基底和特定高度的PIB纳米棒之间的耦合谐振引起的。基于PIB微脊结构的Love波器件中也观察到类似的现象。耦合谐振发生时,器件表面的应力迅速增大,可达3000 MPa,因此灵敏度也随之提高,基于PIB纳米棒和微脊结构的Love波传感器对六种不同的挥发性有机物(volatile organic compounds,VOCs)的检测灵敏度分别是PIB薄膜结构(无耦合谐振)传感器的2.4倍和2.8倍。最后,由于聚合物材料的粘弹性也是影响SAW器件性能的一个重要因素,因此,我们进一步讨论了粘弹性PIB对SAW传感器灵敏度的影响。结果表明,基于粘弹性PIB薄膜、PIB纳米棒和PIB微脊的Love波传感器对VOCs的灵敏度分别衰减了约40%、70%和65%。虽然PIB敏感材料的粘弹性对纳米棒和微脊结构Love波器件的传感灵敏度影响较大,但二者的性能仍优于粘弹性PIB膜结构。上述结果为基于功能材料(纳米棒或者微脊等)的Love波传感器灵敏度的提高提供了新方法以及理论依据。(2)为了满足SAW器件的高频化发展需求,也为了降低器件的制备难度,我们设计了IDTs电极双层布局的SAW器件模型,即IDTs/(110)ZnO/IDTs/Si结构,并利用三维有限元法计算分析了该结构所激发Love波的声学特性,包括相速度vp、机电耦合系数K~2以及反射系数r等。首先,讨论了IDTs双层布局结构中电极厚度he对SAW特性的影响,结果表明,当IDTs/(110)ZnO/IDTs/Si器件中he较大时,由于器件引入了具有垂直分量的电场,会激发出较强的体声波,因此,为了降低体声波对Love波的干扰,IDTs电极厚度he应设置为较小数值。其次,分析了电极材料(Al、Cu和Ag)、电极宽度(金属化率)对SAW特性的影响,分析发现,电极材料和电极宽度对SAW器件传输特性的影响主要是由质量负载的不同引起的,从而导致相速度vp、机电耦合系数K~2以及反射系数r发生了相应的变化。然而,上述参数改变时,IDTs/(110)ZnO/IDTs/Si结构Love器件均在(110)ZnO薄膜的归一化厚度hz/λ=0.313时取得机电耦合系数的最大值。最后,通过调整上下两层电极间的水平中心距p实现了SAW器件周期λ的改变,并分析了不同周期(8μm、6μm和4μm)Love波器件的声学特性。结果表明,随着周期的改变,Love波器件的谐振频率f和质量灵敏度Sm都有较大变化,对于λ=4μm的Love波器件,当hz/λ=0.125时,谐振频率f=1.04 GHz,Sm=184.70 m~2/kg,均约为λ=8μm的Love波器件的两倍。因此,在相同的光刻条件(文中定义为2μm)下,电极双层布局SAW器件的周期可以达到单层布局结构的一半,从而SAW器件的工作频率也可提高一倍。这为高频SAW器件的研制提供了新的途径,也为其应用范围和领域的拓宽提供了理论依据。