一种基于氧化石墨烯的高性能声表面波湿度传感器

发布时间：2021-08-13 13:26

　　提出了一种基于氧化石墨烯（GO）的声表面波（SAW）湿度传感器,利用铜环辅助滴铸法在LiNbO₃表面制备氧化石墨烯薄膜作为湿度敏感层。建立了声表面波传感器叉指电极的三维传热模型,得到了基底表面相速度和温度灵敏度随切向的分布,对传感器的谐振频率和温度稳定性进行了优化。传感器静态和动态的实验结果表明,在10%RH～90%RH的湿度测量范围内,传感器的频移可达2.94 MHz,湿度灵敏度达36.8 kHz/%RH,具有良好的湿度-频率特性。传感器的响应和恢复时间分别为10.8 s和3.7 s,迟滞性误差不超过2%。此外,测试结果说明该传感器具备良好的可重复性和稳定性,在智能家居和工业湿度监测领域具有广阔的应用前景。 

【文章来源】：微纳电子技术. 2020,57(09)北大核心

【文章页数】：7 页

【部分图文】：

湿度传感器结构示意图

根据前期研究结果建立了声表面波单对叉指换能器的三维模型[13]。由于要考虑温度对传感器的密度、弹性矩阵、耦合矩阵、相对介电常数[14-15]的影响及叉指电极的热膨胀，模型增加了固体传热物理场。温度从传感器表面逐渐传递至整个传感器的过程是瞬态的，但本传感器所处环境温度变化并不剧烈，因此这里仅考虑温度完全传导至整个传感器的情况。研究先采用稳态模式模拟受热情况，再对模型进行特征频率分析。根据特征频率的仿真结果计算得到Y切LiNbO3表面相速度和温度敏感度的分布如图2所示，与文献[16]报道较吻合。根据仿真结果，当φ=0°时，基底表面的相速度最大且受温度影响最小，因此被选择为优化切向。2.2 传感器的制备

图3(a）和（b）为所制备的声表面波谐振器芯片及局部放大图像，从图3(b）中可以看到，谐振器的叉指电极结构完整且没有断裂、短路等缺陷。图3(c）为谐振器在室温环境下测得的S11曲线和仿真得到的S11曲线对比，S11为输入反射系数。从图3(c）中可以看出，实测的谐振频率为226.46 MHz，而仿真得到的谐振频率为227.23 MHz，实测结果与仿真结果较吻合。由于采用一对叉指电极代替声表面波谐振器建立三维模型，因此仿真得到的S11曲线的幅值与实测结果有较大差异，但是其谐振频率仍与实测结果有极好的吻合度，因此该模型仍有着足够的价值。S11的计算公式[17]为式中：a,b,c和d为串联阻抗和并联导纳组成的系数；Za为串联阻抗；Yb为并联导纳；Z0为本征阻抗。

【参考文献】：
期刊论文
[1]基于氧化石墨烯的ST-cut声表面波高性能湿度传感器[J]. 蒋媛媛,王金龙,龙宫頔,郭袁俊.  实验技术与管理. 2020(01)
[2]基于COMSOL的声表面波器件三维结构仿真[J]. 张永威,郭涛,谭秋林,张利威.  压电与声光. 2019(04)



本文编号：3340511