中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
聲表面波（surface acoustic wave, SAW）傳感器在溫度、紫外、應力應變等物理參量傳感，化學(xué)戰劑痕量檢測和生物傳感領(lǐng)域應用廣泛。相較于傳統的硬質(zhì)SAW，新型柔性SAW能貼附在曲面上進(jìn)行彎曲曲面監測，在智能蒙皮、曲面管道、柔性可穿戴等領(lǐng)域具有重要應用前景。但柔性SAW傳感器進(jìn)行彎曲曲面監測時(shí)候，很難與平面監測效果一致。這是因為，柔性SAW彎曲時(shí)，其諧振頻率會(huì )因為彎曲（機械應變）發(fā)生偏移，從而強烈干擾對目標物質(zhì)（如濕度、紫外線(xiàn)、氣體或生物分子等）的探測。如何最小化或消除彎曲應變帶來(lái)的干擾，實(shí)現曲面監測和平面監測效果的一致性是一個(gè)較大的難題。
針對上述挑戰，近日，湖南大學(xué)段輝高、周劍團隊提出了一種新策略，通過(guò)設計彎曲變形方向與聲波傳播方向之間的離軸角來(lái)最小化/消除機械彎曲應變對柔性SAW頻率偏移的影響，實(shí)現平面監測和曲面監測的一致性。
該團隊采用耦合波動(dòng)方程和邊界條件建立了柔性SAW器件理論模型，系統研究了彈性應變下層狀器件的彎曲應變和離軸角對柔性SAW頻率偏移的規律，獲得了柔性SAW器件實(shí)現彎曲應變不靈敏的離軸角度。該團隊還制備了AlN/超薄玻璃的層狀結構柔性SAW器件，并在有應變干擾的濕度和紫外條件下，實(shí)現了抗應變干擾的濕度和紫外傳感性能，突破了平面監測和曲面監測的一致性瓶頸。相關(guān)工作發(fā)表于Nature出版集團的合作期刊npj Flexible Electronics（IF 12）。
離軸角度為（a）0°、（b）90°和（c）一定角度時(shí)，SAW傳感器彎曲狀態(tài)的應變頻率響應圖；
（d）柔性SAW彎曲應變不靈敏理論分析模型；（e） 柔性彎曲條件下的應變測試方法示意圖。
柔性SAW應變不靈敏特性理論計算結果
具有抗應變干擾特性的柔性SAW傳感器，可用于曲面上濕度和UV傳感
該論文的通訊作者為湖南大學(xué)段輝高教授，第一作者為周劍副教授。英國諾桑比亞大學(xué)Yongqing Fu教授，新加坡南洋理工大學(xué)的Yuanjin Zheng教授及上海微技術(shù)工業(yè)研究院的古元冬教授在理論分析和材料制備上給予了指導。該研究得到了國家自然科學(xué)基金、湖南省科技攻關(guān)項目、廣東省重點(diǎn)研發(fā)計劃項目等資助。
