基于功能材料的Love波气体传感器的研究

来源 :南京邮电大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:yishu888
下载到本地 , 更方便阅读
声明 : 本文档内容版权归属内容提供方 , 如果您对本文有版权争议 , 可与客服联系进行内容授权或下架
论文部分内容阅读
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。
其他文献
<正>诸子百家是后世对春秋战国时期著名的思想家和思想派别的总称。春秋战国之交,神州大地上掀起了一场社会变革的风暴。在这个时期,一个新的社会阶层应运而生了,那就是士。他们代表社会的各方立场,著书立说,争辩不休,出现了儒家、道家、墨家、法家、名家、纵横家、兵家、杂家、农家等学派,形成了"百家争鸣"的局面。中华民族之所以历经风霜雪雨而历久弥新,巍然屹立于世界民族之林,正是因为先秦诸子为中华文明的进步与繁
期刊
随着世界各国经济数字化以及数字贸易的出现与发展,世界经济开始向数字经济全球化转型。本文通过对数字经济全球化相关文献进行梳理,深入剖析数字经济全球化的本质及其特征,认为数字经济可以加速世界经济全球化的进程,激发世界数字经济企业的竞争力度,引领大国核心技术发展,加快传统产业转型升级,促进国际政治经济新秩序的构建。同时,数字经济全球化为中国经济发展提供了新平台,为中国经济转型发展带来新机遇,对普惠全民具
探春的才华是贾府上下人等所公认的,是"老鸹窝里出凤凰",这样一位能力出众的贵族小姐也是薄命的。她的薄命源自于她的"娘","娘"虽多,却不能给她以温暖,给她以美好的归宿,她的远嫁更加增添了她命运的悲剧色彩。
针对日常生活垃圾分类繁杂的问题,设计基于树莓派的智能垃圾分类亭,将垃圾分类与人工智能相结合,加快了分类效率。本文设计的垃圾分类亭主要运用图像处理技术、图像分类技术、嵌入式技术、TCP通信技术,硬件部分主要由树莓派和一些模块组成,软件部分主要涉及由PyQt5搭建的可视化界面、ResNet50图像分类的设计、数据库的设计。
<正>研究目的:2021年7月,中共中央、国务院办公厅颁布《关于进一步减轻义务教育阶段学生作业负担和校外培训负担的意见》意图回归良好教育生态环境缓解"内卷"焦虑,为我国中小学生身心健康发展提供了关键政策保障,同时,也为我国学校体育发展提供了时代机遇。足球作为我国亟需发展的薄弱项目,学校又作为教育主阵地。鉴于此,本研究以"双减"政策为背景探讨校园足球发展的机遇、困境与突破,具有一定的理论参考价值。
会议
“形不足者,温之以气”是黄帝内经《素问·阴阳应象大论》提出的针对一切阳气虚损病证的总体治则,部分医家通过临证认为“气虚”“阳虚”是干燥综合征的重要病因。文章重点探讨“形不足者,温之以气”内经理论在干燥综合征的发病及治疗中的指导意义。
针对部分要做热理疗的中老年人群,设计了基于树莓派的定点加热系统。树莓派起到系统总控制器的作用,连接各传感器,机械臂骨架以及摄像头模块,通过接收摄像头传来的视频图像数据以及传感器数据,对数据进行处理并找到需要进行加热的目标点位,同时控制机械臂自动运动进行一系列的加热动作组。让使用者可以单独使用加热系统而无需他人协助。系统操作方便,有效减少人力资源。
学位
针对现有打捞设备对河流、湖泊等中小型水域的漂浮垃圾清理效率低、清理不彻底的问题,基于树莓派和单片机设计一种以X型杆机构为收集主体的全新水面垃圾清理装置,详细阐述该装置机械结构设计、执行过程和智能化方案。经solidworks建模分析,搭建实物验证后,结果表明可在多种中小型水域环境下对多种垃圾形态进行收集,收集效果可观。
油田输气管道穿越河流施工多为开挖或定向钻方式,采用定向钻穿越河流经常会遇到卵石层,容易出现卡钻风险,且扩孔过程中因卵石层不稳,导致塌孔现象。该文对定向钻穿越卵石地层的施工工艺进行研究。介绍了卵石层定向钻套管穿越工作原理,通过分析穿越卵石层的不利因素,优选了套管穿越法,探讨了套管选型计算方法以及施工工艺等定向钻穿越卵石层关键技术,通过实践成功应用于工程,为同类地层定向钻施工提供了技术借鉴。