声表面波气体传感器的优化设计与实验研究

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声表面波(Surfaee Acoustic Wave,SAW)气体传感器是基于新原理、新材料、新工艺而制作的新型传感器。它具有高精度、高可靠性和动态响应快的特点,并且能广泛用于环保、安全检测领域,因而具有重要的经济和社会效益。 本文主要围绕国家自然科学基金资助项目,新型多通道声表面波气体传感器研究(60572018)和市科技发展计划.科技攻关项目,多通道声表面波化学传感器的研制(05YFGPGX04900)等项目展开研究。主要内容包括: 1.主要阐述了声表面波气体传感器的发展历史,简要介绍了声表面波气体传感器的基本形式、优势及前景。 2.对声表面波特性的基本理论,主要是瑞利波在各向同性非压电基体和各向异性压电基体中的传播特性进行分析,并且阐述了声表面波气体传感器的工作原理。 3.我们分析了不同基底(各向同性非压电基体和各向异性压电基体)的物理性质,比如机电耦合系数、温度系数、传播损耗等,最终确定了采用Y切Z方向传播的锂酸铌晶体作为基底材料。我们分析了不同的薄膜(各向同性绝缘材料、金属导电薄膜和金属氧化物半导体薄膜)吸附气体后对频移的影响机理,采用酞菁铜半导体薄膜作为检测二氧化氮气体的敏感薄膜,并且分析了半导体薄膜厚度对检测性能的影响。我们采用数字合成信号发生器TFG2150VA和数字示波器DL9140进行了初步的气敏性实验,发现经过20s后频差稳定在1.4KHz,充入空气后,经过一段时间,频差基本上回复为未充入二氧化氮气体前的值,这表现出酞菁铜薄膜具备高的灵敏度、良好的选择性、可重复性和快速的响应及恢复。 4.研究了声表面波气体传感器电路方面的相关理论,并且设计出性能稳定的驱动源电路,使其产生的中心振荡频率与声表面波器件需要的频率一致,为99.56MHz。研制出检测电路部分,其主要包括混频模块、滤波模块和整形模块,分别由模拟乘法器MC1496、七阶契比雪夫电路和LM306实现,这可为检测提供便携设备。我们采用该驱动源电路和混频电路对二氧化氮气体重新进行测试,发现频率变化很快,15s后频差稳定在1.5KHz,充入空气后,经过一段时间,频差可基本上回复为未充二二氧化氮气体的的值。 5.对本文进行总结和展望。
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