中心議題：

• 介紹STW傳感器結構組成及其靈敏度的基本理論
• 分析相關(guān)因素對表面橫波傳感器靈敏度的影響

解決方案：

• 柵陣的參數設計決定Sβ
• 柵陣厚度的增加有利于靈敏度的提高

引言
近年來(lái)在生物檢測研究方面，聲表面波傳感器因具有體積小、重量輕、性能穩定、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)受到廣泛關(guān)注。在傳感器中，已經(jīng)報道過(guò)的用于生物化學(xué)檢測的壓電傳感器有石英晶體微天平、體剪切波、柔順板波、瑞利波、表面橫波、洛夫波傳感器。其中，石英晶體微天平和體剪切波型傳感器靈敏度不高，柔順板波型傳感器加工困難;瑞利波傳感器由于存在垂直于晶體表面的法向位移分量，導致聲波能量向鄰近的液體輻射，損耗大;只具有水平剪切位移分量的表面橫波和洛夫波常用于生物化學(xué)檢測，而表面橫波具有強聲波束縛能力優(yōu)點(diǎn)，而強的聲波束縛能力意味著(zhù)高的靈敏度。對于表面橫波傳感器，柵陣的金屬材料種類(lèi)和厚度是決定器件靈敏度的重要因素。本文將推導這些因素對表面橫波傳感器靈敏度的影響，并進(jìn)行相關(guān)分析。

基本理論
本文分析對象STW傳感器中柵陣部分對微小質(zhì)量負載的敏感度，其傳感器結構如圖1所示，包括輸入輸出換能器(IDT)和中間的柵陣。本文分析基于A(yíng)T切割石英材料基片，當兩換能器中間沒(méi)有柵陣束縛時(shí)，聲波的工作模式是SH型淺體聲波(sur-face skimming bulk waves，SSBW)，若在聲波的傳播路徑上放置柵陣，淺體聲波由于被柵陣束縛而在晶體表面傳播，此時(shí)淺體聲波轉化為表面橫波。
　　
 

 
與淺體聲波一樣，表面橫波也是SH型聲表面波，只有平行于晶體表面單一的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向。因此可以假定表面橫波在晶體表面沿著(zhù)Z方向傳播，質(zhì)點(diǎn)在X方向振動(dòng)?？死锼雇蟹蚍匠碳熬w表面的邊界條件可表示為
　　
 
 
式中：c55，c56和c66表示基片材料的彈性剛度系數;ρ為基片材料的密度;Tiy和Tsiy(i=1，2，3)則分別表示柵陣和基片的應力;vx為質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度。根據弗洛蓋定理(Floquet theorem)，將方程的解vx表示為一系列空間諧波的疊加。在此只取0階和-1階，忽略其他階次。
　　
 
 
式中：an，αn，βn分別表示第n次諧波的振幅、衰減系數和傳播系數。將vx表達式(3)代入式(1)和(2)，可求得表達式中的參數。計算出質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度后，基于A(yíng)uld微擾理論可以求解傳感器的靈敏度Sβ。對于只有X方向振動(dòng)位移的表面橫波，靈敏度可表示為
　　
 
 
式中：ρ′，μ′，vn分別為柵陣材料密度、拉梅系數和聲波相速度;Pn為表面橫波的聲能量密度
　　
 
 
據式(4)，將傳感器的設計參數代入可求得Sβ。由Sβ的表達式可知，Sβ是有關(guān)聲波工作頻率、基片材料參數和柵陣結構與材料的函數。通常STW傳感器的研制是基于給定的工作頻率和基片材料，此時(shí)柵陣的參數設計(柵陣材料、厚度)決定Sβ。

計算實(shí)例
根據式(2)推導，以AT切割石英基片的STW傳感器為例進(jìn)行靈敏度分析。柵陣周期λ為20μm，金屬化比為0.5，根據式(1)～(4)進(jìn)行計算。當金屬材料為鋁，相對膜厚分別取0.5%，1%，1.5%，2%時(shí)，傳感器靈敏度隨著(zhù)頻率的變化結果如圖2所示。橫坐標是對阻帶中心頻率歸一化后的頻率，從圖中可以看出，在相同的工作頻率下，厚度增加，靈敏度也隨之升高。另外，當歸一化頻率接近1時(shí)，靈敏度迅速升高。這是由于當激發(fā)頻率接近阻帶邊緣時(shí)，柵陣對聲波的束縛能力增強，越來(lái)越多的聲波能量集中在晶體表面。如果阻帶邊緣的歸一化頻率點(diǎn)0.97為觀(guān)察點(diǎn)，對比計算不同柵陣材料金、銀和鋁的靈敏度。其計算結果如圖3所示，其傳感器靈敏度隨厚度的增加而增加，在同一厚度時(shí)，金柵陣的靈敏度大于銀的2倍，遠遠高于鋁。
　　
 

 
結論
綜上分析，對于STW傳感器，柵陣厚度的增加有利于靈敏度的提高，柵陣厚度越大，靈敏度越高。但是在同一工作頻率下柵陣厚度的增加同時(shí)引起損耗的變化，在實(shí)際器件設計時(shí)，應當同時(shí)考慮這兩個(gè)因素，選擇一個(gè)最佳厚度。在柵陣厚度值確定時(shí)，IDT的激發(fā)頻率接近阻帶邊緣頻率時(shí)能獲得較大的靈敏度。對于柵陣材料的選擇，由以上的分析可知，金獲得靈敏度最大，大于銀的2倍，遠遠高于鋁。