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高温偏载条件下的声表面波氧气传感器理论研究

作　者: 辛长宇
导　师: 施文康
学　校: 上海交通大学
专　业: 精密仪器及机械
关键词: 声表面波高温氧气传感器偏载理论扰动理论 TiO2介孔膜
分类号: TP212.1
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
下　载: 247次
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内容摘要

作为传感器家族的一个新兴分支,声表面波(Surface Acoustics Waves,简称SAW)传感器具有独特的优势,一经出现便受到传感器界的青睐和关注,成为继陶瓷、半导体和光纤传感器之后符合未来传感技术发展趋势的一个重要方向。自从1931年布劳尔(P. Brauer)发现了Cu20的电导率随水蒸汽的吸附而改变至今,人们已经相继发现ZnO,Fe203、MgO, SnO2, NiO, Cr2O3, TiO2, BaTiO3,, Nb205等都具有吸附气敏效应,据此已成功研制了一大批功能各异的气敏传感器,吸附敏感型气敏传感器已经发展成为传感器领域的一大体系。声表面波气体传感器在燃烧控制、环境保护、安全监控方面有着广泛的应用前景。本论文考虑采用声表面波技术,采用新型纳米介孔材料TiO2做为氧气敏感薄膜的高温声表面波氧气传感器,着力解决高温偏载条件下SAW氧气传感器敏感基片的优化设计理论问题。论文研究内容涉及SAW氧气敏感机理的理论分析与建模、温度偏载条件下敏感基片性能指标的计算与优化选择、传感器结构设计、敏感膜的制备工艺、实验测试等方面。论文从压电晶体的本构方程和波动方程入手,借助弹性力学、连续介质力学的基本理论,建立了通用的针对气体传感器层状结构的完整的常温下的波动方程,并且推导了求解过程。从论文讨论的气体传感器工作于高温状态下的实际情况出发,使用相对于参考状态的Lagragian坐标描述,考虑了温度偏载因素的交叉作用,建立了温度偏载电弹波动方程。从热力学观点出发,详细地研究了有效材料常数的物理意义和特点,推导了完整的有效材料常数确定方法。根据有效材料常数对称性不同于基础材料常数的特点,参照普通波动方程的求解算法,推导了层状结构SAW气体传感器偏载电弹波动方程的求解过程。论文应用扰动理论与吸附理论,分析了机械扰动和电学扰动对高温气体传感器的影响。分别对机械扰动和电学扰动进行了仿真计算。结合吸附理论,提出了在本文研究的范围内,机械扰动基本可以忽略不计,气体传感器仅仅受电学扰动的影响。与中国科学院上海硅酸盐研究所合作,利用溶胶-凝胶法,成功制备了应用于高温SAW氧气传感器的纳米介孔TiO2敏感膜,并且探讨了并得到了最佳的制备方法,并测量了敏感膜的材料常数。论文设计制作了SAW高温氧气传感器,制作了用于SAW气体传感器的双通道高频振荡电路。并进行了实验,取得理论与实验基本相符合的研究结论通过本文工作,建立了可以适用于不同偏载条件的较为完整的SAW氧气传感器敏感单元优化设计理论,基于MATLAB开发了高效的用于求解SAW一般问题及偏载扰动问题的完整软件包,解决了SAW的快速求解问题,针对气体传感器的层状结构,对石英晶体在多个切向上进行了计算,选择出了适合SAW高温气体传感器使用的优化切向,设计制作了SAW高温气体传感器并进行了实验验证,取得理论与实验较为吻合的研究结果。论文中的理论和实践工作,不仅对SAW气体传感器设计和制作有直接的指导意义和参考价值,为SAW高温气体传感器的进一步完善和实用化打下了良好基础,而且对于其它类型SAW器件的设计也有较大的参考价值。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-9
第一章绪论  9-27
  1.1 引言  9
  1.2 SAW技术及SAW传感器发展概况  9-24
    1.2.1 SAW技术  9-11
    1.2.2 SAW传感器  11-16
    1.2.3 气体传感器  16-24
  1.3 SAW基片材料  24-25
  1.4 论文的主要内容与编排  25-27
第二章声表面波应用的基础理论  27-49
  2.1 引言  27
  2.2 研究问题的结构模型  27
  2.3 覆盖层中的波动方程及求解  27-31
  2.4 压电介质中的波动方程  31-37
    2.4.1 压电本构方程  31-32
    2.4.2 准静态近似  32
    2.4.3 波动方程  32-33
    2.4.4 压电介质中的Christofel方程  33
    2.4.5 晶体切向及张量的坐标转换  33-37
  2.5 压电介质中声表面波的求解  37-39
  2.6 边界条件  39-43
    2.6.1 自由表面力学边界条件  39-40
    2.6.2 界面力学边界条件  40-41
    2.6.3 界面电学边界条件  41-43
  2.7 理论计算  43-48
  本章小结  48-49
第三章温度偏载条件下层状结构中声表面波的理论建模与仿真  49-72
  3.1 引言  49
  3.2 变形描述  49-53
    3.2.1 Lagrange描述  50
    3.2.2 Euler描述  50-51
    3.2.3 质点的位移及应变张量  51-52
    3.2.4 Cauchy应力张量与Piola-Kirchhoff应力张量  52-53
  3.3 压电介质在偏载条件下的电弹波动方程  53-58
    3.3.1 有限变形过程分析  53-54
    3.3.2 偏载电弹波动方程的建立  54-58
  3.4 有效材料常数及其特点  58-62
  3.5 声表面波温度偏载电弹波动方程的求解  62-64
  3.6 理论计算  64-70
  本章小结  70-72
第四章SAW气体传感器的敏感机理  72-85
  4.1 引言  72
  4.2 互易关系  72-79
  4.5 薄膜电导的扰动解  79-81
  4.6 气体声表面波传感器中机械扰动的分析  81-84
  本章小结  84-85
第五章 TiO_2介孔气体敏感膜的制备与表征  85-103
  5.1 引言  85-87
  5.2 TiO_2介孔薄膜制备与实验研究  87-89
    5.2.1 TiO_2介孔薄膜制备  88-89
    5.2.2 样品结构表征  89
  5.3 结果与讨论  89-100
    5.3.1 工艺条件对TiO_2介孔薄膜结构的影响  89-95
    5.3.2 表面活性剂去除方法的影响  95-100
  5.4 TiO_2膜吸附氧气的电特性  100-101
  5.5 敏感膜的材料常数  101-102
  本章小节  102-103
第六章声表面波气体传感器的设计与实验研究  103-118
  6.1 引言  103
  6.2 SAW谐振器的设计  103-108
    6.2.1 指条宽度G_f 与间隔G_(ff) 的确定  103-104
    6.2.2 谐振腔长度L_(rr) 与反射栅条数N_r 的设计  104-107
    6.2.3 叉指换能器结构参数设计  107-108
    6.2.4 金属膜厚度的选择  108
  6.3 传感器的信号检测与处理  108-109
  6.4 测试电路设计  109-112
    6.4.1 振荡器电路设计  109-111
    6.4.2 混频器电路  111
    6.4.3 低通滤波器  111-112
  6.5 延迟线传感器静态特性测试  112-114
  6.6 高温SAW氧气体传感器的灵敏度分析  114-115
  6.7 气体敏感特性测试  115-117
  本章小结  117-118
第七章总结与展望  118-121
  7.1 论文的创新点  118-119
  7.2 展望  119-121
参考文献  121-128
致谢  128-129
攻读博士学位期间发表或录用的学术论文  129-131

高温偏载条件下的声表面波氧气传感器理论研究

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