声表面波生物传感器质量灵敏度的理论与实验验证

针对声表面波传感器在生物检测中的性能评价与优化,提出一种快捷验证适用于生物传感器的声表面波器件质量负载灵敏度的实时检测方法。首先基于二维近似假设和周期性边界条件,建立了以石英为压电基底材料、SiO₂为波导层的Love波传感器的三维有限元分析模型,从理论上验证了波导层对Love波传感器灵敏度的影响。在实验上,通过MEMS工艺制备以ST-90°X石英为基底的声表面波传感器,通过磁控溅射镀膜技术在其表面生长不同厚度的SiO₂波导层。利用热蒸镀技术在器件延迟线区域生长铝薄膜作为质量负载效应,利用Tetramethylammonium Hydroxide (TMAH)溶液对铝的缓慢腐蚀效果,模拟质量负载从有到无的逆过程,从而实现对声表面波传感器的灵敏度验证与评价,并从实验上探究不同厚度波导层对Love波传感器灵敏度的影响及其最佳波导层厚度。     

硅酸镓镧声表面波传感器的压力温度多参数解耦分析

针对硅酸镓镧声表面波压力传感器,提出了一种温度和压力的多参数解耦方法。理论上采用有限元方法与微扰理论结合,计算传感器在不同温度、压力下频率响应。根据计算结果,构造出传感器温度与压力的解耦公式。以一种基于LGS(0°,0°,100°)点压力式SAW传感器为例,理论计算得到其温度与压力解耦公式的具体参数,同时与在-55℃-125℃,0-1 MPa范围内的实验测试结果对比。理论分析和实验测试结果基本吻合,验证了温度压力多参量解耦方法的正确性。     

GaN的声表面波特性研究

采用金属有机物化学气相外延方法在(0001)面蓝宝石上生长了高质量、高阻的未掺杂(0001)面GaN薄膜。为精确测量GaN薄膜材料的声表面波特性，在GaN薄膜表面上沉积了金属叉指换能器，叉指换能器采用等叉指结构，叉指的数目为40对，叉指间距为15μm。采用脉冲法测量了声表面波在自由表面和金属表面上的速度，并通过计算得到了机电耦合系数(κ^2)。所测量的声表面波速度（ν)为5667m／s，机电耦合系数(κ^2)为1．9％。     

声表面波梁式加速度传感器的优化设计

为获得传感器的优化设计,对一种声表面波梁式加速度传感器敏感机理进行了研究。从声波波动方程出发,结合有限元分析以及微扰理论对加速度作用力作用下声表面波传播特性进行分析,以此构建梁式声表面波加速度传感器敏感机理的理论模型,特别分析了压电梁材料及几何结构、振子质量对传感响应的贡献以确定传感器优化的几何参数。为验证理论分析结果,实验研制了基于ST-X石英悬臂梁结构的差分振荡式声表面波加速度传感器,并利用精密振动台对所研制传感器性能进行评价。实验结果显示,在给定加速度测试范围内,采用ST-X石英梁并延长梁长度、降低梁厚度以及采用较大的阵子质量将有效的改善传感器检测灵敏度,在±2 g范围内加速度灵敏度可达27 k Hz/g,且实验结果很好的验证了理论模型。     

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。     

声表面波免疫传感器的设计及应用

声表面波免疫传感器是一种新型生物免疫传感器，它利用声表面波振动的敏感性，同时结合了免疫反应的特异性，作为免疫检测的手段。可以对多种抗原或抗体进行快速的定量测定。具有高特异性，高灵敏度，响应快，小型简便等特点。本文利用声表面波延迟线振荡器作为传感器，检测溶液中人体免疫球蛋白IgG的含量。实验采用双通道系统进行频率变化的测定，并分别采用氨基硅烷膜，蛋白A两种方法将抗体固定到反应区域表面，根据实验结果，我们得到了频率变化和质量附着的定量关系。并与理论分析的结果相比较。     

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。     

我国声表面波研究与发展

本文综述了我国声表面波研究简要发展历程及现状,指出了今后我国声表面波研究发展的重点。     

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...     

声表面波气相色谱仪及其应用*

声表面波气相色谱仪具有灵敏度高、色谱柱升温速度快(~20?C/s)、体积小等特点,可实现痕量气体的广谱(挥发和半挥发性有机物)、快速(5 min)、高灵敏度(ppb～ppt级)现场分析,在公共安全、环境监测、食品和药品检测等方面有广阔的应用前景。该文从仪器响应的机理分析、检测器设计、仪器研制及应用等方面出发介绍了我们的研究进展情况。     

声表面波加速度计

以往有人研究了加速度对声表面波振荡器的影响,最近则报道了以此为基础的一个声表面波加速度计.这种加速度值是由直接读到的振荡器频率偏移值换算的,也可以将频率值标成加速度值,直接读数. 这种加速度传感器的结构如图所示.它由两个石     

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200MHz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゜C)下具有与理论相近的电压灵敏度(22.4kHz/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。     

声表面波器件变频快速模拟方法

声表面波器件的级联有限元模拟方法是从整体结构中分离出若干独立的基本单元,通过基本单元边界矩阵的级联实现有限长器件结构的模拟.在实际设计中,通过优化叉指换能器的指条周期,激发出不同波长的声表面波,调整声表面波器件的谐振频率,这导致级联有限元模拟方法存在频繁的单元建模与数据传输过程.为提高模拟效率,该文提出了一种波长(频率...     

声表面波石英温度计

据报道,声表面波器件可用以构成温度传感器. 这种温度传感器的原理如下:如果选择合适的基体材料,在其表面制作声表面波延迟线并与外部放大器组成声表面波振荡器,将延迟线部份密封,即构成一种对温度场很敏感的新型温度传感器,当温度改变时即引起振荡频率的偏移.可见,正确选择基休材料是至关重要的.文献报道JCL和LST两种切割     

应用LiNbO_3声表面波驱动的全光纤声光频移器

介绍一种工作在10.7MHz的全光纤声光频移器.它由在LiNbO_3基片上制作的叉指电极换能器产生的声表面波驱动.当驱动电功率1.5W时,频移光转换效率达35％.     

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。     

具有单相单向换能器的水平剪切声表面波压力传感器插入损耗特性

为实现水平剪切声表面波压力传感器低损耗设计,系统研究了均匀叉指换能器(IDT)和单相单向换能器(SPUDT)器件的声波能量损耗性能。在确定最优反射系数的SPUDT结构的基础上,建立3D周期性有限元仿真模型,计算器件表面振动位移和双向输出电压瞬态响应。通过对电压信号进行傅里叶变换获得器件模型的插入损耗,并制备两种不同换能器的声学传感器,测试其频率特性和灵敏度。与均匀IDT相比,基于SPUDT器件插入损耗的仿真和实验结果分别降低了5.2 dB和5.6 dB,SPUDT器件灵敏度约为均匀IDT器件的两倍。结果表明,SPUDT能有效降低SH-SAW压力传感器声波能量的单向损耗,提高检测灵敏度,且构建的3D周期性有限元仿真模型有助于声学传感器的声波损耗分析,实现高精度和小型化的声学测量系统。     

快速吸附与脱附的声表面波H2S传感器

本文主要研究了基于SnO₂/CuO薄膜的声表面波（SAW）传感器（室温下,工作频率约为147.8 MHz）检测H₂S气体的特性。以36°YXLiTaO₃为基片制作声表面波器件,通过采用射频磁控溅射法在其表面淀积SnO₂/CuO的复合薄膜制作出H₂S气体传感器。由场发射电子扫描电镜观察薄膜,薄膜连续均匀且表面分布大量微气孔,因而具有良好的吸附性。然后本文在85℃～205℃范围内对传感器的吸附和脱附速率、灵敏度及选择性等进行了实验研究。实验结果表明,所制备的传感器在较低温度下同时具备快速吸附和脱附特性,工作在190℃时气体吸附和脱附速率最快,检测20ppm H₂S的响应和恢复时间分别为30s、15s;工作在160℃时,传感器检测20ppmH₂S的灵敏度最高,工作频率变化约230 kHz,且对于低浓度2 ppm H₂S,频率变化可达45 kHz。同时,传感器也表现出良好的重复性和选择性。