基于有限元方法的高频SAW气体传感器建模仿真

摘要

SAW器件是用来信号处理的一种微机械电子系统，它利用压电基底上的叉指换能器来激发和接收表面波。由于其具有多功能性，尺寸小，易于加工等有优点，被广泛应用于雷达、电视、寻呼机、移动电话以及传感器等领域。SAW传感器是SAW器件的一个新的重要分支，具有高精度、高分辨率、数字输出、重量轻、体积小、功耗低、抗干扰、耐噪声、可以工作在恶劣环境中等独特优点。目前，SAW传感器已经在气体检测、温度检测、湿度检测、压力力矩检测、无线监测及生物医疗检测等领域获得了广泛的应用。
　　为了获得更好的性能，SAW传感器向着高频率的方向发展，高频率SAW传感器的开发要求精确地分析在低频时通常被忽略的二次效应。在低频SAW器件中，由于电极的厚度相对于电极宽度很小，电极的这种二次效应可以忽略不计。当频率增大时，电极的宽度变小，而电极的厚度没有随之降低，这时电极的厚度相对于电极宽度不再可以忽略不计，随之电极的二次效应也变得显著。高频环境下这种高的电极厚度宽度比造成的二次效应要求我们建立合理的模型来对其进行定量分析。另外一些传感器参数的获得，严重地依赖于传感器原型机实验，利用有限元响应分析可以代替原型机实验来提取传感器参数。这样在不需要原型机实验的情况下，就可以计算出SAW传感器IDT的一些参数，如谐振频率、逆谐振频率以及IDT的导纳值。利用仿真过程可以大大减少原型机的实验量，缩短传感器开发周期，降低开发成本。并且仿真提取的参数值可以为整个传感器系统的进一步设计提供重要的参考。
　　本文初步设计了一个延迟线型高频SAW气体传感器，为SAW传感器的建模仿真提供了一个具体的分析对象。针对设计的SAW传感器，对其IDT模型进行了合理简化和假设，建立了SAW传感器IDT的周期性有限元模型。在仿真过程中，首先利用无电极模型分析了无电极压电基底表面上表面波的传播特性。接着针对本文设计的高频SAW气体传感器，对不同电极敷金比和电极高度的一系列模型进行了模态分析，定量地分析了不同电极参数下电极的二次效应。在此基础上，通过对SAW传感器模型进行谐响应分析，分析了传感器的电学导纳随频率的变化规律，并计算得到了SAW传感器的谐振频率和逆谐振频率。最后为了验证声孔径大小对传感器IDT导纳值的影响并估算IDT的真实导纳值，建立了SAW传感器IDT的简单三维模型，分析了声孔径尺寸与SAW传感器IDT电学导纳的关系，估算出SAW传感器IDT的电学导纳。

目录

基于有限元方法的高频SAW气体传感器建模仿真

MODELING AND SIMULATION OFA HIGH FREQUENCY SAW GAS SENSORBASED ON FINITE ELEMENT METHOD

摘 要

Abstract

目 录

第1章 绪论

1.1 课题的研究背景

1.2 SAW传感器的研究现状

1.3 课题研究的目的及意义

1.4 课题主要研究内容

第2章 SAW传感器的原理及应用

2.1 SAW理论介绍

2.2 SAW传感器的原理

2.3 SAW传感器的应用

2.4 本章小结

第3章 高频SAW气体传感器的设计

3.1 压电基底材料的选择

3.2 双通道延迟线型结构的确定

3.3 IDT的设计

3.4 气体选择性吸收膜的选择

3.5 传感器制作工艺设计

3.6 本章小结

第4章 SAW传感器的有限元建模仿真

4.1 SAW传感器有限元模型的建立

4.2 无电极压电基底表面SAW传播性质的有限元分析

4.3 传感器电极二次效应的有限元分析

4.4 传感器IDT参数提取的谐响应仿真

4.5 本章小结

结 论

参考文献

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致 谢