高溫偏載條件下的聲表面波氧氣傳感器理論研究.pdf

1、作為傳感器家族的一個(gè)新興分支，聲表面波(Surface AcousticsWaves，簡(jiǎn)稱SAW)傳感器具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，一經(jīng)出現(xiàn)便受到傳感器界的青睞和關(guān)注，成為繼陶瓷、半導(dǎo)體和光纖傳感器之后符合未來傳感技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)的一個(gè)重要方向。自從1931年布勞爾(P.Brauer)發(fā)現(xiàn)了Cu2O的電導(dǎo)率隨水蒸汽的吸附而改變至今，人們已經(jīng)相繼發(fā)現(xiàn)ZnO，F(xiàn)e2O3、MgO，SnO2，NiO，Cr2O3，TiO2，BaTiO3，Nb2O5等都具有吸附氣

2、敏效應(yīng)，據(jù)此已成功研制了一大批功能各異的氣敏傳感器，吸附敏感型氣敏傳感器已經(jīng)發(fā)展成為傳感器領(lǐng)域的一大體系。聲表面波氣體傳感器在燃燒控制、環(huán)境保護(hù)、安全監(jiān)控方面有著廣泛的應(yīng)用前景。本論文考慮采用聲表面波技術(shù)，采用新型納米介孔材料TiO2做為氧氣敏感薄膜的高溫聲表面波氧氣傳感器，著力解決高溫偏載條件下SAW氧氣傳感器敏感基片的優(yōu)化設(shè)計(jì)理論問題。論文研究?jī)?nèi)容涉及SAW氧氣敏感機(jī)理的理論分析與建模、溫度偏載條件下敏感基片性能指標(biāo)的計(jì)算與優(yōu)化選擇

3、、傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、敏感膜的制備工藝、實(shí)驗(yàn)測(cè)試等方面。 論文從壓電晶體的本構(gòu)方程和波動(dòng)方程入手，借助彈性力學(xué)、連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的基本理論，建立了通用的針對(duì)氣體傳感器層狀結(jié)構(gòu)的完整的常溫下的波動(dòng)方程，并且推導(dǎo)了求解過程。從論文討論的氣體傳感器工作于高溫狀態(tài)下的實(shí)際情況出發(fā)，使用相對(duì)于參考狀態(tài)的Lagragian坐標(biāo)描述，考慮了溫度偏載因素的交叉作用，建立了溫度偏載電彈波動(dòng)方程。從熱力學(xué)觀點(diǎn)出發(fā)，詳細(xì)地研究了有效材料常數(shù)的物理意義和特點(diǎn)，

4、推導(dǎo)了完整的有效材料常數(shù)確定方法。根據(jù)有效材料常數(shù)對(duì)稱性不同于基礎(chǔ)材料常數(shù)的特點(diǎn)，參照普通波動(dòng)方程的求解算法，推導(dǎo)了層狀結(jié)構(gòu)SAW氣體傳感器偏載電彈波動(dòng)方程的求解過程。論文應(yīng)用擾動(dòng)理論與吸附理論，分析了機(jī)械擾動(dòng)和電學(xué)擾動(dòng)對(duì)高溫氣體傳感器的影響。分別對(duì)機(jī)械擾動(dòng)和電學(xué)擾動(dòng)進(jìn)行了仿真計(jì)算。結(jié)合吸附理論，提出了在本文研究的范圍內(nèi)，機(jī)械擾動(dòng)基本可以忽略不計(jì)，氣體傳感器僅僅受電學(xué)擾動(dòng)的影響。 與中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所合作，利用溶膠—凝膠

5、法，成功制備了應(yīng)用于高溫SAW氧氣傳感器的納米介孔TiO2敏感膜，并且探討了并得到了最佳的制備方法，并測(cè)量了敏感膜的材料常數(shù)。 論文設(shè)計(jì)制作了SAW高溫氧氣傳感器，制作了用于SAW氣體傳感器的雙通道高頻振蕩電路。并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，取得理論與實(shí)驗(yàn)基本相符合的研究結(jié)論通過本文工作，建立了可以適用于不同偏載條件的較為完整的SAW氧氣傳感器敏感單元優(yōu)化設(shè)計(jì)理論，基于MATLAB開發(fā)了高效的用于求解SAW一般問題及偏載擾動(dòng)問題的完整軟件包，解