三維納米線SAW氣體傳感器及報(bào)警器設(shè)計(jì)

任彥宇，王 露，王音心，楊 靖

(1.東南大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 211189；2.中電科技集團(tuán)重慶聲光電有限公司，重慶 401332)

0 引言

針對(duì)目前公共環(huán)境安全監(jiān)測(cè)手段不足，反恐形勢(shì)日益嚴(yán)峻的問題，本文提出了一種三維納米結(jié)構(gòu)聲表面波(SAW)氣體傳感器及報(bào)警器，并詳細(xì)介紹了傳感器、報(bào)警器的設(shè)計(jì)方案和過程，最后對(duì)傳感器進(jìn)行了性能指標(biāo)測(cè)試。本文的研究可以較好地解決國內(nèi)目前化學(xué)氣體傳感器體積大,靈敏度低,價(jià)格貴及有放射源等問題。

1 工作原理及總體方案設(shè)計(jì)

SAW傳感器是一類新型傳感器，其利用壓電效應(yīng)將電磁信號(hào)轉(zhuǎn)換為聲波信號(hào)，再將聲波信號(hào)通過逆壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡姶判盘?hào)。若聲波路徑上材料的物理特性(如質(zhì)量變化、電導(dǎo)率變化、溫度變化等)改變，則會(huì)導(dǎo)致聲波的傳播特性(頻率、相位及幅度)改變，因此，通過檢測(cè)聲波傳播信號(hào)的變化可以確定聲波路徑上材料的物理特性改變情況，進(jìn)而確定周圍環(huán)境的變化[1-2]。如果作為氣體傳感器，當(dāng)被檢測(cè)氣體吸附在SAW器件的敏感材料上，會(huì)引起材料的質(zhì)量變化，SAW器件的傳播頻率、相移等將隨著被檢測(cè)氣體濃度的變化發(fā)生相應(yīng)的變化[3]。圖1為SAW傳感器原理圖。

圖1 SAW傳感器原理圖

目前研究的熱點(diǎn)是納米線結(jié)構(gòu)，如碳納米管、氧化鎢納米線、ZnO納米線(見圖2)等。由于這些納米線結(jié)構(gòu)都具有非常高的比表面積和氣敏特性，是一種很有前途的新型氣體敏感材料。

圖2 ZnO納米線的掃描電鏡照片

本文結(jié)合SAW傳感技術(shù)與納米線技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，在SAW器件敏感區(qū)上設(shè)計(jì)制備如ZnO納米線等新型三維納米線結(jié)構(gòu)敏感材料，得到一種全新的三維納米線SAW氣體傳感器，如圖3所示。三維納米線結(jié)構(gòu)敏感材料吸附不同的氣體，引起其質(zhì)量的變化，SAW器件輸出頻率會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)氣體的快速檢測(cè)。

圖3 三維納米線SAW傳感器工作原理圖

2 三維納米線SAW傳感器設(shè)計(jì)

本文選擇諧振器結(jié)構(gòu)的SAW器件作為傳感器基底，器件實(shí)物如圖4所示，頻率響應(yīng)如圖5所示。諧振器的工作頻率為315.99 MHz，插入損耗為-11.2 dB，品質(zhì)因數(shù)(Q)約為1 822。

圖4 SAW諧振器實(shí)物圖

圖5 SAW諧振器頻率響應(yīng)測(cè)試圖

本文采用ZnO納米線進(jìn)行研究，ZnO三維納米線陣列和SAW器件結(jié)合的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。豎排納米線與指條間距為1個(gè)波長(zhǎng)(c=7.268 62 μm或10.023 84 μm)，豎排納米線與指條平行生長(zhǎng)，豎排納米線間距也為1個(gè)波長(zhǎng)，橫排納米線與指條垂直生長(zhǎng)，橫排納米線間距a=1 μm，納米線陣列距基片邊緣的距離與指條離邊緣的距離相同，均為b。ZnO的直徑和高度根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件調(diào)節(jié)。ZnO陣列下面是連續(xù)的ZnO顆粒(晶種)層。

圖6 三維納米線陣列SAW傳感器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖

為實(shí)現(xiàn)此設(shè)計(jì)，具體生長(zhǎng)過程如下：

1) 光刻膠(PMMA)保護(hù)整個(gè)器件。圖7為PMMA保護(hù)SAW器件示意圖。

圖7 光刻膠保護(hù)SAW器件示意圖

2) 刻蝕出敏感區(qū)。將中間區(qū)域刻蝕掉，用于長(zhǎng)種子層，兩邊的PMMA用于保護(hù)叉指換能器(IDT)(見圖8)。

圖8 刻蝕出敏感區(qū)示意圖

3) 生長(zhǎng)ZnO晶種層。采用磁控濺射或溶膠-凝膠法在SAW敏感區(qū)域鍍?nèi)隯nO晶種，用于生長(zhǎng)ZnO納米線(見圖9)。

圖9 生長(zhǎng)ZnO晶種層示意圖

4) 再次PMMA鍍膜保護(hù)，其示意圖如圖10所示。

圖10 再次鍍膜示意圖

5) 生長(zhǎng)點(diǎn)陣列的刻蝕(見圖11)。如果不用光刻膠保護(hù)，直接生長(zhǎng)ZnO納米線，ZnO納米線會(huì)緊密的覆蓋整個(gè)器件的表面，無法形成具有一定間隙的陣列。為了生長(zhǎng)具有特定距離的ZnO納米線陣列，鍍?nèi)隤MMA膜保護(hù)整個(gè)器件，然后采用電子束按照特定的距離和大小設(shè)計(jì)要求刻蝕PMMA，裸露出陣列結(jié)構(gòu)的ZnO晶種，形成特定的晶種窗口點(diǎn)陣，在此種子層點(diǎn)陣上生長(zhǎng)ZnO納米線陣列。三維納米線陣列分布的疏密度可以通過刻蝕裸露出的晶種密度進(jìn)行控制。

圖11 生長(zhǎng)點(diǎn)陣列刻蝕示意圖

6) 生長(zhǎng)納米線陣列(見圖12)。將開好陣列結(jié)構(gòu)的ZnO晶種窗口的SAW器件置入溶液中，水熱法生長(zhǎng)ZnO納米線簇陣列。水熱法制備的ZnO三維納米線陣列反應(yīng)條件溫和，SAW器件通過光刻膠保護(hù)不會(huì)受到損傷。通過控制制備ZnO三維納米線陣列的條件，如酸度、生長(zhǎng)時(shí)間、生長(zhǎng)溫度、添加劑等，可以控制納米線的長(zhǎng)度、直徑等。

圖12 生長(zhǎng)納米線陣列示意圖

7) 去除PMMA。最后采用丙酮洗去光刻膠，三維納米結(jié)構(gòu)陣列器件形成。圖13為SAW器件表面納米線陣列形成示意圖。

圖13 SAW器件表面納米線陣列形成示意圖

8) 納米線修飾改性。把對(duì)氣體敏感的手性有機(jī)高分子材料溶于氯仿中，配置成低濃度的溶液，然后采用浸漬或旋涂法將有機(jī)高分子材料在納米陣列上成膜。低濃度的高分子溶液可以浸漬到三維納米陣列結(jié)構(gòu)中，納米棒為自立狀態(tài)且具有一定的距離，通過控制溶液浸漬時(shí)間、烘干條件等實(shí)現(xiàn)對(duì)每一條納米棒表面鍍膜改性，如圖14所示。

圖14 SAW器件三維納米ZnO線簇設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖

本文制備了三維ZnO納米線如圖15所示。鍍膜修飾后的ZnO納米線如圖16所示。

圖15 ZnO納米線陣列

圖16 鍍膜修飾后的ZnO納米線陣列

SAW上生長(zhǎng)納米線并進(jìn)行修飾后，整改器件的插入損耗由-11.2 dB變到了-21.1 dB，插入損耗增大了約10 dB；諧振頻率也發(fā)生了一定的偏移，由原來的315.99 MHz變成了315.96 MHz，偏移了300 kHz(見圖17)。

圖17 生長(zhǎng)納米線并進(jìn)行修飾后的SAW性能測(cè)試圖

3 報(bào)警器設(shè)計(jì)

首先進(jìn)行傳感器信號(hào)檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)。諧振型SAW傳感器信號(hào)的檢測(cè)就是對(duì)SAW諧振頻率的測(cè)試[4-5]。本文設(shè)計(jì)了一個(gè)振蕩環(huán)路，將傳感器輸出端信號(hào)放大后，再正反饋到它的輸入端。設(shè)置適當(dāng)?shù)姆糯笃髟鲆?，只要增益能大于諧振器及線路損耗，同時(shí)又能滿足相位條件，振蕩器就可以起振。

由于本文研究的傳感器是在大氣環(huán)境中工作，SAW器件受溫、濕度等環(huán)境因素影響較大。為了降低環(huán)境變化的影響，本文的氣體傳感器采用差分雙通道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，一個(gè)通道敏感區(qū)域被氣敏材料覆蓋用于測(cè)量，另一通道未覆蓋氣敏材料用于參考，兩個(gè)振蕩器的頻率經(jīng)混頻取差頻輸出，降低外界環(huán)境的干擾。

傳感器驅(qū)動(dòng)電路是由諧振器和外圍信息提取電路共同組成，原理框圖如圖18所示。

圖18 SAW振蕩環(huán)路及信號(hào)處理電路原理框圖

報(bào)警器設(shè)計(jì)主要包括氣路設(shè)計(jì)和電路設(shè)計(jì)兩方面。

如何產(chǎn)生穩(wěn)定的氣流是報(bào)警器氣路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。本文利用Fluent仿真軟件對(duì)空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)生成計(jì)算網(wǎng)格進(jìn)行流線和壓力分布計(jì)算，從而指導(dǎo)報(bào)警器氣動(dòng)設(shè)計(jì)。圖19為Fluent生成的部分管道的計(jì)算網(wǎng)格。

圖19 Fluent生成的部分管道的計(jì)算網(wǎng)格

圖20為本文設(shè)計(jì)的報(bào)警器樣機(jī)的氣路結(jié)構(gòu)示意圖。由于SAW傳感器的敏感機(jī)理是吸附而非反應(yīng)，所以其靈敏度較電化學(xué)傳感器低，于是本文在氣路中加入了預(yù)富集。在材料選擇方面，對(duì)于低濃度氣體而言，氣路的管材對(duì)氣體分子的吸附作用會(huì)對(duì)測(cè)試造成很大的影響，因此氣路管材上全部使用不銹鋼和聚四氟乙烯材料。

圖20 報(bào)警器的氣路結(jié)構(gòu)示意圖

硬件系統(tǒng)采用嵌入式控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)方案如圖21所示。在處理器的基礎(chǔ)上，我們通過SPI外接一個(gè)LCD顯示屏，用來實(shí)現(xiàn)顯示界面的輸入、輸出，同時(shí)也可以通過串口與上位機(jī)進(jìn)行通信，根據(jù)收到的指令，與控制氣路選擇的FPGA進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)它的控制。FPGA同時(shí)需要完成頻率的測(cè)量。USB Host接口用來下載編譯好的應(yīng)用程序，需要一個(gè)FLASH和一個(gè)RAM來存儲(chǔ)系統(tǒng)文件和數(shù)據(jù)文件。

圖21 嵌入式控制和通信系統(tǒng)框圖

由于系統(tǒng)中都是使用高頻信號(hào)，信號(hào)間的串?dāng)_也是報(bào)警器設(shè)計(jì)中需要著重考慮的問題。利用ADS軟件先進(jìn)的HFSS仿真技術(shù)，對(duì)整個(gè)報(bào)警器殼體結(jié)構(gòu)進(jìn)行電磁輻射仿真及優(yōu)化，仿真圖如圖22所示。比較圖22(a),(b)可知，利用電磁干擾抑制技術(shù)的結(jié)構(gòu)對(duì)電磁干擾抑制達(dá)到了理想水平。設(shè)計(jì)的報(bào)警器如圖23所示。

圖22 優(yōu)化前、后電磁場(chǎng)分布圖

圖23 報(bào)警器設(shè)計(jì)圖及實(shí)物圖

4 測(cè)試及結(jié)果

本文采用GB模擬劑進(jìn)行傳感器性能指標(biāo)測(cè)試，測(cè)試框圖如圖24所示。

圖24 傳感器測(cè)試框圖

圖24中，GB模擬劑配氣系統(tǒng)主要為測(cè)試提供各種濃度的氣體樣本，SAW報(bào)警器用于對(duì)氣體濃度進(jìn)行檢測(cè)并顯示，采樣裝置是將配氣系統(tǒng)產(chǎn)生的氣體用其他成熟的定量分析方法來進(jìn)行標(biāo)定。

測(cè)試時(shí)，將裝有傳感器的報(bào)警器樣品放入恒溫、恒濕箱內(nèi)，設(shè)置溫度為25 ℃，濕度為40%，待達(dá)到了設(shè)置溫、濕度后保持2 h，報(bào)警器開機(jī)，進(jìn)行測(cè)試，重復(fù)測(cè)3次，記錄報(bào)警器的報(bào)警時(shí)間和顯示濃度。

我們采用三維納米線SAW傳感器和二維平面膜SAW傳感器進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 SAW傳感器對(duì)GB模擬劑的測(cè)試結(jié)果

通過表1的測(cè)試結(jié)果可看出，普通二維平面膜SAW傳感器的響應(yīng)閾值約為50 mg/m3，響應(yīng)時(shí)間約為30 s；納米線結(jié)構(gòu)SAW傳感器的響應(yīng)閾值低達(dá)2 mg/m3，響應(yīng)時(shí)間僅為20 s。

5 結(jié)束語

本文提出了一種將聲表面波技術(shù)和納米線技術(shù)相結(jié)合的新型氣體傳感器的設(shè)計(jì)及制備方法，并在此基礎(chǔ)上研制出氣體報(bào)警器樣品。該氣體傳感器為小型化有毒有害氣體檢測(cè)器的研制提供了可能，可以推動(dòng)爆炸物檢測(cè)、毒品檢測(cè)、高危行業(yè)(如礦山，化工危險(xiǎn)工段)預(yù)先報(bào)警、環(huán)保監(jiān)測(cè)及食品(如蔬菜殘留農(nóng)藥)檢測(cè)等領(lǐng)域的化學(xué)傳感設(shè)備的研發(fā)，具有廣闊的應(yīng)用前景。