沈 斌， 杨海洋， 刘新蕾， 姜雷鸣

(黑龙江科技大学 安全工程学院， 哈尔滨 150022)

0 引 言

随着声表面波(SAW)器件制造水平的不断提升，SAW器件向着体积小、灵敏度高及易集成方向发展，逐渐应用于多个领域。叉指换能器结构是影响SAW气体传感器性能的重要因素，近年来，高性能叉指换能器是的研究热点。Hartmann等[1]提出具有低损耗的单相单向换能器(SPUDT)。中国科学院声学研究所在设计SAW传感器时，采用SPUDT结构用于降低插入损耗实现单向传播[2]。Shuai等[3]通过有限元分析，得到双向叉指换能器(IDT)结构的参数对SAW器件的机电耦合性能产生一定的影响。Zhai等[4]利用有限元软件，设计浮动电极单向换能器(FEUDT)结构的SAW传感器，通过与传统的单电极换能器构建的SAW传感器进行了对比分析，获得FEUDT结构可以有效降低SAW传感器的插入损耗。翟佳鑫等[5]通过COMSOL有限元仿真软件设计了低损耗FEUDT结构的谐振型和延迟线型SAW气体传感器。以上研究表明，虽然单向叉指换能器(UDT)结构被越来越多的学者研究与使用。但是相较于IDT结构，UDT结构能够降低SAW气体传感器的插损尚未研究清晰,在UDT结构中，FEUDT结构的SAW气体传感器使用较多，笔者通过设计特征频率为204 MHz的FEUDT和IDT结构模型，研究两种结构输出端的插入损耗，揭示FEUDT结构的低损耗性。

1 SAW气体传感器模型的构建

通过COMSOL有限元仿真软件，基于固体力学和静电学物理场[6-8]，利用SAW气体传感器的周期性结构，选取其中一个周期单元进行二维建模[9]。其几何参数如表1所示。其中：λ为波长；p为电极中心间距；b为电极宽度；a为电极间隙；h为电极厚度；d为压电基底的厚度。

根据上述参数建立SAW传感器的几何模型，在IDT结构中，对电极1施加终端条件，电极2施加接地条件。在FEUDT结构中，分别对电极1和4施加终端和接地条件,对电极2和5施加以悬浮电位条件，对电极3和6施加以表面电荷密度为零的条件[10]。

根据周期性结构条件，IDT结构的每一个周期单元由2个电极构成[11]，而FEUDT结构的每一个周期单元则是由6个电极构成。IDT结构和FEUDT结构的示意与二维模型分别如图1和2所示。

选取YZ-LiNbO3作为压电基底材料，其标准传播速度为3 488 m/s。两类结构的SAW气体传感器特征频率预期为204 MHz。选取声阻抗较小的Al作为叉指电极材料，其杨氏模量E为7×1010Pa，泊松比μ为0.33，密度ρ为2.7×103kg/m3。

对SAW气体传感器结构施加相应的边界条件，上表面边界条件ГT，机械边界条件为自由边界条件，电边界条件为零电荷边界条件；下表面边界条件ГB，机械边界条件为固定约束边界条件，电边界条件为零电荷边界条件；左右边界条件ГL和ГR，机械和电边界条件均为周期性边界条件。

对模型划分网络过程中，考虑SAW主要沿介质表面传播的特性，因此，将模型的上部精细划分，下部的进行大网格划分，以减少计算量，提高仿真效率。IDT结构与FEUDT结构的网格划分如图3所示。

2 SAW气体传感器仿真分析

2.1 模态分析

模态是压电基片的固有特性，通过模态分析，计算出SAW器件每个模态下的谐振频率，获得器件结构的相关参数。通过COMSOL有限元软件分别对IDT和FEUDT结构进行仿真，得到SAW的对称模态和反对称模态，如图4和5所示。

从图4和5可以看出，IDT结构的谐振频率fsc+与反谐振频率fsc-分别约为202.47和205.7 MHz，FEUDT结构的fsc+与fsc-分别约为202.92和205.6 MHz。特征频率计算公式为

(1)

式中：fsc+——谐振频率；

fsc-——反谐振频率。

由式(1)可求得，IDT结构的特征频率为204.085 MHz，FEUDT结构的特征频率为204.26 MHz，所设计的两类结构的特征频率基本一致

(2)

通过式(2)计算得，SAW气体传感器的有效波速vs约为3 447 m/s，与标准YZ-LiNbO3的波速3 488 m/s有所降低。其主要是由于SAW在传播过程中，电极对声波的传播有一定的阻碍作用，导致其波速下降[13]。

2.2 导纳

在相同特征频率下，分析其导纳，通过研究添加频域，在特征频率204 MHz周围进行扫频，扫频范围为190～220 MHz。

(3)

式中：Y——导纳；

V——激励电压；

ω——角频率；

Q——激励电极所带电荷量。

根据计算激励产生的电流或电荷，由式(3)求出IDT及FEUDT结构的导纳值，得到SAW气体传感器的频率-导纳特性曲线，如图6所示。

图中，foc+为高边带开路栅频率；foc-为低边带开路栅频率；foc+为高边带短路栅频率；foc-为低边带短路栅频率。

从图6a可以看出，IDT结构只有极小值点fsc和极大值点foc。在图6b中，FEUDT结构存在两个极大值点foc-和foc+，两个极小值点foc-和foc+，FEUDT结构四个极值点的边带频率各不相同，说明该结构具有单向传播性[10]。

2.3 插入损耗

插入损耗是SAW器件的一个关键指标，是指声波在器件表面传播过程中的衰减程度[11-13]。插入损耗的表达式为

βIL=20lg|F(Uo)/F(Ui)|，

(4)

式中：βIL——插入损耗；

F(Uo)——器件输出电压的傅里叶变换；

F(Ui)——器件输入电压的傅里叶变换。

仿真时采用时域研究，将时域分析的结果转成频域，利用式(4)，分别求出SAW传感器两个传播方向上的插入损耗。IDT结构和FEUDT结构插入损耗的仿真结果如图7和8所示。

从图7和8可以看出，在特征频率为204 MHz时，IDT结构的SAW传感器输出端1与输出端2的插入损耗十分相近，分别约为9.398和9.113 dB，说明基本没有损耗降低。而FEUDT结构输出端1的插入损耗比输出端2的大4 dB左右，有明显降低损耗的作用。

3 结 论

利用COMSOL有限元仿真分析软件，通过添加固体力学和静电学物理场，设计了FEUDT和IDT两种结构模型，对比分析两种结构性能，得出FEUDT结构能有效降低SAW在传播过程中所产生的损耗。

(1)借助COMSOL有限元软件，设计出特征频率为204 MHz的IDT和FEUDT结构模型，通过模态分析计算出两种结构的有效波速为3 447 m/s，比标准YZ-LiNbO3中的波速3 488 m/s略低。

(2)对比IDT和FEUDT结构的SAW传播特性，通过导纳分析发现，FEUDT结构四个各不相同的边带频率，表明FEUDT结构具有单向传播性。

(3)通过插入损耗分析发现，FEUDT结构相较于IDT结构，能降低SAW气体传感器4 dB左右的插损。FEUDT结构的设计优化了传感器本身的结构特征，提高了SAW气体传感器的敏感性能。