提出了一種基于氧化石墨烯（GO）的聲表面波（SAW）濕度傳感器,利用銅環(huán)輔助滴鑄法在LiNbO₃表面制備氧化石墨烯薄膜作為濕度敏感層。建立了聲表面波傳感器叉指電極的三維傳熱模型,得到了基底表面相速度和溫度靈敏度隨切向的分布,對(duì)傳感器的諧振頻率和溫度穩(wěn)定性進(jìn)行了優(yōu)化。傳感器靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在10%RH～90%RH的濕度測(cè)量范圍內(nèi),傳感器的頻移可達(dá)2.94 MHz,濕度靈敏度達(dá)36.8 kHz/%RH,具有良好的濕度-頻率特性。傳感器的響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間分別為10.8 s和3.7 s,遲滯性誤差不超過2%。此外,測(cè)試結(jié)果說明該傳感器具備良好的可重復(fù)性和穩(wěn)定性,在智能家居和工業(yè)濕度監(jiān)測(cè)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。 

【文章來源】：微納電子技術(shù). 2020,57(09)北大核心

【文章頁數(shù)】：7 頁

【部分圖文】：

濕度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)前期研究結(jié)果建立了聲表面波單對(duì)叉指換能器的三維模型[13]。由于要考慮溫度對(duì)傳感器的密度、彈性矩陣、耦合矩陣、相對(duì)介電常數(shù)[14-15]的影響及叉指電極的熱膨脹，模型增加了固體傳熱物理場(chǎng)。溫度從傳感器表面逐漸傳遞至整個(gè)傳感器的過程是瞬態(tài)的，但本傳感器所處環(huán)境溫度變化并不劇烈，因此這里僅考慮溫度完全傳導(dǎo)至整個(gè)傳感器的情況。研究先采用穩(wěn)態(tài)模式模擬受熱情況，再對(duì)模型進(jìn)行特征頻率分析。根據(jù)特征頻率的仿真結(jié)果計(jì)算得到Y(jié)切LiNbO3表面相速度和溫度敏感度的分布如圖2所示，與文獻(xiàn)[16]報(bào)道較吻合。根據(jù)仿真結(jié)果，當(dāng)φ=0°時(shí)，基底表面的相速度最大且受溫度影響最小，因此被選擇為優(yōu)化切向。2.2 傳感器的制備

圖3(a）和（b）為所制備的聲表面波諧振器芯片及局部放大圖像，從圖3(b）中可以看到，諧振器的叉指電極結(jié)構(gòu)完整且沒有斷裂、短路等缺陷。圖3(c）為諧振器在室溫環(huán)境下測(cè)得的S11曲線和仿真得到的S11曲線對(duì)比，S11為輸入反射系數(shù)。從圖3(c）中可以看出，實(shí)測(cè)的諧振頻率為226.46 MHz，而仿真得到的諧振頻率為227.23 MHz，實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果較吻合。由于采用一對(duì)叉指電極代替聲表面波諧振器建立三維模型，因此仿真得到的S11曲線的幅值與實(shí)測(cè)結(jié)果有較大差異，但是其諧振頻率仍與實(shí)測(cè)結(jié)果有極好的吻合度，因此該模型仍有著足夠的價(jià)值。S11的計(jì)算公式[17]為式中：a,b,c和d為串聯(lián)阻抗和并聯(lián)導(dǎo)納組成的系數(shù)；Za為串聯(lián)阻抗；Yb為并聯(lián)導(dǎo)納；Z0為本征阻抗。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]基于氧化石墨烯的ST-cut聲表面波高性能濕度傳感器[J]. 蔣媛媛,王金龍,龍宮頔,郭袁俊.  實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理. 2020(01)
[2]基于COMSOL的聲表面波器件三維結(jié)構(gòu)仿真[J]. 張永威,郭濤,譚秋林,張利威.  壓電與聲光. 2019(04)



本文編號(hào)：3340511