[發明專利]一種負載分布非均勻的聲表面波傳感器響應的計算方法

有效

• 申請號: 201911258591.1
• 申請日: 2019-12-10
• 公開（公告）號: CN111307934B
• 公開（公告）日: 2020-11-06
• 發明（設計）人: 劉久玲;游然;何世堂
• 申請（專利權）人: 中國科學院聲學研究所
• 主分類號: G01N29/02
• 分類號: G01N29/02;G01N29/036;G01N29/12;G01N29/44
• 代理公司: 北京方安思達知識產權代理有限公司 11472
• 代理人: 陳琳琳;楊青

本發明公開了一種負載分布非均勻的聲表面波傳感器響應的計算方法，所述方法包括：沿SAW傳播方向將SAW傳感器敏感區域劃分為N部分；沿聲孔徑方向將SAW傳感器劃分為M個通道；由此將SAW傳感器敏感區域劃分為M×N個單元；對SAW傳感器敏感區域的每個單元以及敏感區域外組件求取P矩陣元素，得到SAW傳感器的每個單元的P矩陣；沿X方向將各個通道內敏感區域的N個單元P矩陣以及敏感區域外組件P矩陣級聯，構成各通道導納矩陣，然后沿Y方向利用通道間電端并聯關系將各通道導納矩陣組合為SAW傳感器整體導納矩陣；根據網絡參量轉換關系將器件SAW傳感器整體導納矩陣轉換為散射矩陣；根據散射矩陣計算器件插入損耗，由此繪制表征傳感性能的器件頻率響應曲線。

技術領域

本發明涉及聲表面波(Surface Acoustic Wave,SAW)傳感器領域，具體涉及一種負載分布非均勻的聲表面波傳感器響應的計算方法。

背景技術

聲表面波是一種沿介質表面傳播的聲波模式，對傳播介質表面的擾動極為敏感，以此為原理設計的各類高性能SAW傳感器得到了廣泛關注。

現有基于SAW技術的傳感器均設計有敏感區域，敏感區域長度一般為幾十個波長，敏感區域采用物理吸附、化學吸附、物理沉積或者其它原理實現對待測物的采集。現有的理論假設敏感區域內附著的待測物是均勻分布的，因此采取忽略負載分布情況的方法對傳感器響應進行仿真計算。但在實際檢測中，待測物的附著情況受到各種因素的影響，負載分布往往呈現出非均勻性，同時，若待測物是極小尺度物質，如微小粉塵顆粒、生物大分子、單個微生物、單個細胞等，待測物將以點負載形式附著于SAW傳感器敏感區域表面，將存在極為顯著的空間分布不均勻性。

在負載均勻分布于敏感區域的模式下，現有的理論計算方法可以達到較為準確的結果，但對于分布顯著不均勻的負載模式，現有的計算方法的精度不高，難以達到要求。

發明內容

本發明的目的在于克服上述技術缺陷，提出了一種針對負載分布非均勻的聲表面波傳感器響應的計算方法，實現非均勻分布負載下SAW傳感器的精確響應。

為實現上述目的，本發明提出了一種負載分布非均勻的聲表面波傳感器響應的計算方法，包括：

沿SAW傳播方向將SAW傳感器敏感區域劃分為N部分；沿聲孔徑方向將SAW傳感器劃分為M個通道；SAW傳播方向為X方向，沿聲孔徑方向為Y方向，由此將SAW傳感器敏感區域劃分為M×N個單元；

對SAW傳感器敏感區域的每個單元以及敏感區域外組件求取P矩陣元素，得到SAW傳感器的每個單元的P矩陣；

沿X方向將各個通道內敏感區域的N個單元P矩陣以及敏感區域外組件P矩陣級聯，構成各通道導納矩陣，然后沿Y方向利用通道間電端并聯關系將各通道導納矩陣組合為SAW傳感器整體導納矩陣；

根據網絡參量轉換關系將器件SAW傳感器整體導納矩陣轉換為散射矩陣；

根據散射矩陣計算器件插入損耗，由此繪制表征傳感性能的器件頻率響應曲線。

作為上述方法的一種改進，所述對SAW傳感器敏感區域的每個單元以及敏感區域外組件求取P矩陣元素，得到SAW傳感器的每個單元的P矩陣；具體為：

其中，κ為該單元的反射系數，α為該單元的激發系數，Δ為該單元的失協系數：Δ＝k-k₀；k₀＝2π/λ₀，λ₀為表面波波長；k＝2πf/v，f為頻率，v為速度；

L為柵陣結構長度，N為柵格對數，C為靜態電容；

則該單元的P矩陣為：