基于PMMA波导的乐甫波器件特性研究

论文摘要

化学传感器在实时监控、分析的需求驱动下,发展得越来越快。如今,声表面波(Surface Acoustic Waves, SAWs)器件已广泛地应用于化学传感器。然而现在常用的瑞利波(Rayleigh Wave)模式无法为一些特殊的用途提供足够高的灵敏度,例如在战场环境下检测化学战剂。为了解决这个问题,本文对双端谐振型乐甫波器件的设计和制备进行了研究,主要的研究结果和结论如下所示:(1)根据声表面波器件的理论,设计和制备了双端谐振型和延迟线表面浅体波(surface skimming bulk waves, SSBWs)器件。为便于比较,两者采用相同的叉指换能器(interdigital transducers, IDTs)的图案。实验结果表明,谐振型器件与延迟线相比,可有效降低插损(谐振型:38.8dB,延迟线:47dB),提高Q值(谐振型:594,延迟线:230),提高了器件的频率稳定性。(2)改良了现有的旋涂工艺:采用低浓度溶液,以提高薄膜表面的平整度;在基片四周制备台阶,在旋涂过程中阻挡溶液散开,以便提高薄膜厚度。经过实验获得了厚度0.8?3.3μm,表面平整度高的PMMA薄膜,并研究了工艺参数对薄膜厚度和平整度的影响。结果表明:溶液浓度、低速档转速和持续时间对薄膜厚度影响最大;低速档与高速档转速之差与低速档持续时间对薄膜表面平整度也具有较大的影响。改良后的旋涂工艺具有较好的可重复性。(3)根据上述工艺,在SSBW器件表面沉积了PMMA波导层薄膜,从而得到乐甫波器件。研究了波导层厚度对乐甫波器件的频率、插损、Q值和质量灵敏度的影响。由于机电耦合系数的增大和波导层对声波能量的有效传输,插损起初随着波导层厚度的增大而减小,在1.3μm达到最低点后,随着机电耦合系数的减小以及波导层的声吸收增加,插损随厚度增大而增大。而Q值的变化规律正好与插损相反。谐振型乐甫波器件相对延迟线而言,可进一步减小插损,提高Q值,但质量灵敏度保持一致,当波导层厚度为2.25μm时,质量灵敏度达到1179cm2 g?1。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 超声波模式
• 1.2.1 超声波模式的分类
• 1.2.1.1 体声波模式
• 1.2.1.2 瑞利波模式
• 1.2.1.3 板波模式
• 1.2.1.4 表面浅体波模式
• 1.2.1.5 超声波模式的比较
• 1.2.2 超声波传感器的应用
• 1.3 声表面波有机膦气体传感器的发展现状
• 1.3.1 瑞利波传感器
• 1.3.2 乐甫波传感器
• 1.4 本文研究的主要内容及意义
• 1.4.1 本课题的研究意义
• 1.4.2 研究的内容
• 第二章 乐甫波器件的基本原理和结构
• 2.1 乐甫波器件的介绍
• 2.2 乐甫波器件的理论
• 2.2.1 乐甫波的声波场理论
• 2.2.2 乐甫波器件的理论分析
• 2.3 乐甫波器件波导和基片材料
• 2.3.1 聚合物波导
• 2.3.2 无机波导
• 2.3.3 复合波导和梯度波导
• 2.3.4 基片材料
• 第三章 SSBW 器件的设计和制备工艺研究
• 3.1 实验测试仪器及试剂
• 3.2 谐振型声表面波器件的设计原理
• 3.3 谐振型SSBW 器件的设计
• 3.4 SSBW 器件的制作工艺流程
• 3.5 SSBW 器件的频谱特性
• 3.6 本章小结
• 第四章 波导层制备工艺的研究
• 4.1 实验测试仪器及试剂
• 4.2 聚合物波导层制备的传统工艺
• 4.3 旋涂工艺改良的思路
• 4.4 薄膜平整度的比较
• 4.5 改良旋涂工艺的各种控制参数
• 4.5.1 传统旋涂工艺的成膜过程及其各种参数
• 4.5.2 溶液浓度与膜厚的关系
• 4.5.3 旋转速度、次数与膜厚的关系
• 4.5.3.1 低速档与膜厚的关系
• 4.5.3.2 高速档与膜厚的关系
• 4.5.3.3 旋涂次数与膜厚的关系
• 4.5.4 台阶高度、间距与膜厚的关系
• 4.5.4.1 台阶高度与膜厚的关系
• 4.5.4.2 台阶间距与膜厚的关系
• 4.6 PMMA 波导层旋涂工艺的最终方案
• 4.7 本章小结
• 第五章 谐振型乐甫波器件的特性研究
• 5.1 实验测试仪器及试剂
• 5.2 乐甫波器件各项特性
• 5.2.1 频率
• 5.2.2 插损
• 5.2.3 Q 值
• 5.2.4 质量灵敏度
• 5.3 本章小结
• 第六章 结论及展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻硕期间取得的研究成果