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Love波是一种在由压电基片与覆盖于其上的波导薄层构成的层状结构中传播的水平剪切波。由于波导效应,其声波的能量被集中于波导薄层中,因而对表面的干扰及负载相当敏感;而且由于剪切极化特性,往液体中透射引起的能量损耗低(理想液体只能传播纵波模式),从而广泛应用于液相生物化学传感器之中。近年来,考虑到Love波模式独特优势,人们开展了基于Love波的气体传感器应用研究。相对现有的瑞利型声表面波模式而言,Love波气体传感器具有灵敏度高(提高1个量级以上),检测下限低,抗干扰能力强,以及良好的使用寿命(波导层的存在对金属叉指电极提供了有效保护)等优点,在低浓度气体检测中具有良好的应用潜力,适合用于低浓度气体检测中。另外,为进一步改善传感器灵敏度及温度稳定性能,一种采用多波导层结构的Love波模式引起人们极大的兴趣,人们在实验中发现这种多波导层Love波传感器具有更高的检测灵敏度;此外,由于波导层材料与压电基片温度系数的极性相反,通过控制波导层膜厚可以获得趋于零的Love波器件温度系数,从而大大改善了传感器的温度稳定性。
本文首先构建了多波导层Love波器件的抽象层状结构的理论模型,以波动力学、弹性力学、微扰理论与压电学为基础,研究多层介质中Love波频散特性,特别是分析多层介质中Love波的传播特性与温度效应。通过建立波导层膜厚与Love波器件温度系数之间的关联曲线,成功提取出趋于零温度系数的Love器件结构参数。
为了对理论分析进行实验验证,本文研制了一种基于178MHz频率的以ST-90°X石英为基片的多波导层Love波延迟线,其中采用SiO2与SU-8作为波导层材料。首先将梳状换能器结构应用到延迟线的设计中来,采用铝电极、单向单相换能器(SPUDT)结构设计一种具有单一模式控制功能和低插入损耗的178MHzSH-SAW延迟线。然后,基于对多波导层结构下Love波传播特性分析结果,在延迟线表面镀SiO2和SU-8膜。所研制的这种具有优化波导层膜厚的多波导层Love波延迟线的频率温度系数(TCF)测试结果仅为2.16ppm/℃,较好得验证了理论计算结果。
以所研制的多波导层结构的Love波延迟线为频率反馈单元,结合高可靠性与稳定性的振荡器电路以及最低损耗点起振办法,实现了一种具有良好频率稳定度的双延迟线型Love波振荡器,其频率输出20分钟内变化为±25Hz。