新型声表面波电流传感器*

将声表面波技术的快速响应特点与磁致伸缩薄膜的高磁敏特点相结合,可实现一种快速、高灵敏、稳定可靠的新型电流检测技术。传感器由双通道差分式振荡器与沉积在传感通道器件表面的声传播路径上的磁致伸缩薄膜组成。该文基于分层介质中声传播理论及磁致伸缩效应,对声表面波电流传感机理进行了分析,以实现对传感器结构的优化设计。实验研制了采用铁钴(FeCo)薄膜的声表面波电流传感器,测试结果表明,该传感器具有快速响应和高灵敏特点。为抑制磁致伸缩薄膜自身的剩磁效应所带来的高磁滞误差,采用的有效途径是将沉积的磁致伸缩薄膜进行图形化设计。实验结果表明,采用栅阵化FeCo薄膜结构的传感器表现出更高检测灵敏度、更好线性及更低的磁滞误差。     

新型表面波电流传感器优化设计

本文对结合磁致伸缩效应的新型声表面波电流传感器进行优化设计。传感器采用80 MHz声表面波双通道延迟线型差分振荡器,并在传感通道SAW器件表面声传播路径上溅射磁致伸缩薄膜,利用薄膜材料在电流激发磁场作用产生的磁致伸缩效应引起声传播速度的变化,并以相应振荡器频率的变化来表征待测电流。通过对不同磁致伸缩材料(FeCo和FeNi)以及薄膜厚度的传感效应进行分析,用以为传感器的优化设计提供思路,并通过实验进行验证,实验结果显示,相对于FeCo而言,采用FeNi作为敏感材料的电流传感器具有良好的重现性、线性度以及较高的灵敏度。     

热声转换的声表面波电压传感机制

提出了一种基于热声转换的高灵敏声表面波(SAW)电压传感机制并开展实验验证。从传热角度以及微扰理论出发建立了基于热声转换机制的SAW电压传感理论模型,探索了结构参数以及环境因素对SAW电压传感器灵敏度的影响规律。为了验证理论模型,在Y切石英基底上同芯片集成设计MEMS微型加热器与200 MHz声表面波器件以制备SAW电压传感器件,并搭建电压测试平台对传感器件开展性能测试。实验结果表明所制备的SAW传感器件电压与频率响应之间具有二次线性关系且在室温(20℃)下具有与理论相近的电压灵敏度(22.4 kHz/V),此外实验获得的环境温度对电压灵敏度的影响规律与理论相符。基于热声转换机制的SAW电压传感器能够显著的提高电压检测灵敏度。     

声表面波在声栅上的Bragg衍射

本工作揭示了声表面波在声栅上的Bragg型衍射效应。应用简正波理论近似处理了在强Bragg条件下,声表面波在声栅上衍射的一些规律:栅阵内简正模式,偏转角和偏转效率与入射声波工作频率和声栅参数的关系。实验上,我们在y切割LiNbO₃压电晶体表面,用金属栅阵构成声栅,用光学法观察了声表面波(Rayleigh波)在上述声栅上的Bragg型衍射现象,并测量了偏转角和偏转效率随工作频率的关系。实验与理论结果比较表明,二者基本上是符合的。 关键词：     

光纤布拉格光栅电流传感的理论和实验研究

对皮磁致伸缩棒调谐光纤布拉格光栅为基础的新型电流传感器进行了理论和实验研究。将一个光纤布拉格光栅牢固地粘贴在一置于多层螺线管中心部分的磁致伸缩棒上，构成传感头。当通过螺线管的电流改变时，磁致伸缩材料在均匀磁场的作用下产生沿纵向的应变并传递到光纤光栅上，从而导致光纤光栅的布拉格波长移动。外加电流和波长移动之间的关系是线性的，线性调谐的波长范围为0.9nm，电流强度范围为900mA，灵敏度约为1000mA/nm，电流强度可精确到10mA。理论和实验符合得很好。     

基于声表面波的氢气传感器*

将钯基材料对氢气分子的特异选择性吸附能力与声表面波的快速响应特点相结合,可实现一种快速、高灵敏和低功耗的氢气检测与报警技术。传感器由双通道差分式振荡器与沉积在传感器件表面的声表面波传播路径上的钯基气敏薄膜组成。为提升传感器响应速度,该文探讨了采用钯镍合金薄膜与钯铜纳米线作为气敏材料的氢气传感器响应特性,通过对气敏材料制备方法及参数的优化,研制了两种沉积不同钯基气敏材料的氢气传感器件,并对其性能进行了评测。实验测试结果表明:钯铜纳米线气敏材料由于具有大体积表面积比和多孔结构,大幅提高了SAW氢气传感器响应速度,针对浓度为10%、4%以及0.5%的氢气响应时间可达～2s。     

声表面波在厚金属栅阵中的耦合模参数

提出了一种研究声表面波在压电晶体厚金属栅阵中传播特性的理论方法。将有限元和声表面波在周期栅阵中的变分原理分析方法相结合,在陈东培和H.A.Haus理论基础上、用有限元分析金属短路栅对声表面波传输特性的影响,将力学负载贡献的耦合模参数用有限元矩阵表示,使其适用于声表面波在厚金属或任意形状栅条中传输情况,给出了具体理论分析方法和相应的理论表达式。最后,具体研究了几种压电晶体上金、铝或银栅阵中声表面波的传输特性,通过数值计算给出了声表面波的耦合模参数。      

声表面波耦合模模型参量的快速计算

根据分层介质理论精确求解压电基片和金属膜中的声波,计算了声表面波传播速度、机电耦合系数、静电容。结合陈-Haus理论,分析了短路栅阵的声表面波的传播特性,得到新的单电极栅阵栅条反射系数计算公式。计算了X-112°Y LiTaO_3上镀铝和ST石英上镀金两种情况下的耦合模模型参量,理论计算结果和国际上通用的Hashimoto程序计算结果吻合较好。实验测定了ST石英上镀金的反射系数,测试结果和理论结果更加符合。     

一种同时测量电流和温度的光纤光栅传感器

提出了一种基于光纤光栅法布里-珀罗干涉仪且可以同时测量交变电流和温度的传感器,并对其进行了理论分析和实验研究.该传感器采用单频激光入射,作为反射镜的一对光纤布喇格光栅自由放置,其间的法布里-珀罗腔粘贴在磁致伸缩材料上,通电导线周围的磁场通过磁致伸缩材料作用于光纤光栅法布里-珀罗腔,引起腔长周期性变化.同时,由于热膨胀和热光效应,环境温度的变化会引起光纤长度和折射率的改变,从而改变光纤光栅法布里-珀罗腔的反射光谱特性.通过检测输出光信号的频率和峰值可实现电流和温度的同时测量.对通电线圈的电流及环境温度进行测量的实验结果与理论分析相吻合.     

铁单质薄膜磁致伸缩行为与磁矩演化研究

磁致伸缩材料在传感器、位移器件等领域应用前景广阔,对此类材料的制备与实验已成为研究热点,但使用分子动力学方法模拟其磁致伸缩过程中内部磁矩的演化仍缺乏相关研究.本研究以磁致伸缩材料铁单质为研究对象,采用分子动力学方法建立单畴铁单质磁致伸缩模型.分析了铁单质薄膜磁致伸缩行为随初始磁矩的变化,以及在磁场作用下微观原子磁矩的变化与宏观磁致伸缩之间的关系.结果表明:模型磁化构型的演化与磁致伸缩行为有着密切联系,随着外加磁场强度增大,原子磁矩与外加磁场方向相同的区域面积逐渐增大,宏观表现为模型的磁致伸缩随磁场强度增大而伸长,并最终达到饱和,而边界处的原子磁矩是模型是否达到饱和磁致伸缩的关键.     

声表面波气体传感器研究进展*

基于声表面波技术的气体传感器包括采用敏感膜和结合气相色谱两种方式。比较而言,采用敏感膜的声表面波气体传感器体积小、功耗低,适应小型化毒气报警器的发展要求,但可检测的气体种类少、灵敏度低、存在交叉干扰问题;声表面波与气相色谱联用的气体分析仪灵敏度高、可检测气体种类多、很好地解决交叉干扰问题,特别适合于复杂大气背景条件下的气体成分分析。本文从传感器响应机理分析与物理功能结构两方面出发介绍了两类声表面波气体传感器的研究进展情况。     

A novel optimal sensitivity design scheme for yarn tension sensor using surface acoustic wave device

In this paper, we propose a novel optimal sensitivity design scheme for the yarn tension sensor using surface acoustic wave (SAW) device. In order to obtain the best sensitivity, the regression model between the size of the SAW yarn tension sensor substrate and the sensitivity of the SAW yarn tension sensor was established using the least square method. The model was validated too. Through analyzing the correspondence between the regression function monotonicity and its partial derivative sign, the effect of the SAW yarn tension sensor substrate size on the sensitivity of the SAW yarn tension sensor was investigated. Based on the regression model, a linear programming model was established to gain the optimal sensitivity of the SAW yarn tension sensor. The linear programming result shows that the maximum sensitivity will be achieved when the SAW yarn tension sensor substrate length is equal to 15 mm and its width is equal to 3 mm within a fixed interval of the substrate size. An experiment of SAW yarn tension sensor about 15 mm long and 3 mm wide was presented. Experimental results show that the maximum sensitivity 1982.39 Hz/g was accomplished, which confirms that the optimal sensitivity design scheme is useful and effective.     

高灵敏度光纤弱磁传感器

本文报道了一种磁场检测灵敏度为10~(-5)Oe量级的光纤弱磁传感器。文中提供了传感头与检测系统的设计理论和方法。     

Sniffing lung cancer related biomarkers using an oxidized graphene SAW sensor

Decane is one of the volatile organic compounds (VOCs) in human breath. Successful detection of decane in human breath has vast prospects for early lung cancer diagnosis. In this paper, a novel detecting device based on a filter surface acoustic wave (SAW) gas sensor is presented. SAW sensors coated with a thin oxidized graphene film were used to detect decane in parts per million (ppm) concentrations. Control and signal detection circuits were designed using a vector network analyzer with a detection resolution of insertion loss down to 0.0001 dB. The results showed that the SAW sensor could respond quickly with great sensitivity when exposed to 0.2 ppm decane. This device shows tremendous potential in medical diagnosis and environmental assessment.     

Characterization of hardened cylindrical samples using photothermal radiometry

The results of measurements of surface acoustic wave (SAW) humidity sensor with nafion layer are described in the paper. The sensitivity, response time as well as hysteresis for different temperatures have been investigated. The sensor sensitivity, linearity and hystersis are discussd. The results show that such sensor may be suitable for accurate humidity measurements in dry or hot enough environment.     

一种高灵敏度的桥型声表面波应变传感器*

为了提高声表面波传感器应变灵敏度,该文提出了一种桥型声表面波应变传感器。首先根据受压弯曲构件中应变分布特点设计了桥型声表面波应变传感器,并建立有限元模型,结合微扰法分析了桥型结构几何参数与声表面波应变传感器灵敏度的关系。根据分析结果确定桥型声表面波应变传感器几何结构参数,并与传统声表面波应变传感器的应变灵敏度进行了对比研究,在此基础上搭建受压弯曲微动平台开展实验研究,结果表明:在直梁构件受压弯曲应变测量时,Y34°切向的桥型声表面波应变传感器的应变灵敏度为1692 Hz/με,传统声表面波传感器应变灵敏度为1328 Hz/με,桥型声表面波应变传感器的应变灵敏度较传统声表面波应变传感器有明显提高。     

侧边抛磨单模光纤表面等离子体传感器的设计和优化

光纤表面等离子体共振传感器具有体积小、抗电磁干扰,可以实现在线实时远距离检测的优点。为提高传感器的性能,建立了侧边抛磨光纤表面等离子体共振传感的物理模型,分别研究了侧边抛磨光纤的剩余厚度、银膜层的厚度对传感器的灵敏度、共振峰的深度和半高全宽等的影响。结果表明：光纤剩余厚度越小,表面等离子体共振现象越强;随银膜层的厚度增大,共振峰的宽度变宽,而传感器的灵敏度呈现非单调变化。通过综合表面等离子体共振传感器的折射率传感灵敏度和共振峰半高全宽,提出了质量因数作为传感器的优化指标,并最终得到最优化的设计方案为光纤剩余厚度为66.5 μm,银膜的厚度为50 nm,此时质量因数达到98.67。     

Multifrequency characterization of viscoelastic polymers and vapor sensing based on SAW oscillators

Simplified relations for the changes in SAW velocity and attenuation due to thin polymer coatings and vapor sorption are presented by making analytic approximations to the complex theoretical model developed earlier by Martin et al. [Anal. Chem. 66 (14) (1994) 2201–2219]. The approximate velocity relation is accurate within 4% for the film thicknesses up to 20% of the acoustic wavelength in the polymer film, and is useful for analyzing the mass loading, swelling and viscoelastic effects in SAW vapor sensors. The approximate attenuation relation is accurate within 20% for very thin films, (less than 2% of the acoustic wavelength in the film). Based on these relations, a new procedure for determination of polymer viscoelastic properties is described that exploits the frequency dependence of the velocity and attenuation perturbations, and employs multifrequency measurement on the same SAW platform. Expressions for individual contributions from the mass loading, film swelling and viscoelastic effects in SAW vapor sensors are derived, and their implications for the sensor design and operation are discussed. Also, a new SAW comb filter design is proposed that offers possibility for multimode SAW oscillator operation over a decade of frequency variation, and illustrates feasibility for experimental realization of wide bandwidth multifrequency SAW platforms.