Filtri sa površinskim akustičkim talasom za hemijske gasne senzore
Surface acoustic wave filters for chemical vapor sensors
Author
Živković, Zdravko R.Mentor
Tošić, DejanCommittee members
Popović, Miodrag
Cvetković, Zlata
Tadić, Milan
Potrebić, Milka

Metadata
Show full item recordAbstract
Ova disertacija razmatra važne probleme u analizi i modelovanju senzora na
bazi elemenata sa površinskim akustičkim talasima (PAT) kao i projektovanje i
realizaciju PAT filtara koji su osnova za izradu senzora. Kod ovih elemenata je
zastupljena specifična vrsta procesiranja signala, procesiranje u realnom vremenu:
konverzijom električnih signala visokih učestanosti u mehanički talas, njegovu
modulaciju merenom neelektričnom veličinom i ponovnu konverziju u električni signal.
Predloženi su nov model i metod analize transverzalnih PAT hemijskih senzora,
zasnovan na metodi ekvivalentnih električnih kola, koji se može lako primeniti na bilo
koju podlogu, polimer i gas. Prezentirana je takođe primena predloženog modela za
određivanje brzine površinskih akustičkih talasa u višeslojnoj podlozi što je neophodno
za određivanje koncentracije gasa kao i primena razvijenog metoda za analizu hemijskih
PAT senzora na višeslojnim podlogama. Predložen je algoritam za projektovanje PAT
filtara sa unifo...rmnim pretvaračima sa konstantnim grupnim kašnjenjem i realizovan
prototip filtra koji je baza za izradu hemijskog senzora.
U prvom delu se izlažu osnovi teorije površinskih akustičkih talasa. Sažeto se
predstavljaju svojstva površinskih akustičkih talasa i odgovarajuća analiza, odnosno
fizički i matematički modeli. Objašnjava se funkcionisanje PAT elemenata utemeljeno
na prostiranju elastičnih mehaničkih talasa visokih učestanosti duž površine
monokristalne piezoelektrične podloge (supstrata). Zatim se izlaže princip rada
elemenata sa površinskim akustičkim talasima, a potom načini analize i modelovanja
interdigitalnih pretvarača kao i celog PAT elementa.
Princip rada, modelovanje i implementacija transverzalnih senzora koji su
zasnovani na elementima sa površinskim akustičkim talasom se prvo obrazlažu u
drugom delu. Sažeto se prikazuje originalni metod u modelovanju PAT biosenzora koji
omogućuje određivanje funkcije prenosa i ulazne admitanse PAT elementa sa
uniformnim pretvaračima u konačnoj formi za opšti slučaj opterećenja. Upotrebom
ovog metoda, gde se ceo filtar predstavlja kao četvoropol a IDP-i i bezelektrodni deo
admitansnim matricama, moguće je vršiti analizu i predikciju u svakom pojedinačnom
slučaju biosenzora kao i u slučaju PAT transpondera. U ovom delu je predložen nov
model i metod analize transverzalnih hemijskih gasnih senzora sa površinskim
akustičkim talasima. Problem određivanja promene izlaznog električnog signala u
funkciji koncentracije hemijskog agensa je rešen korišćenjem elektromehaničkog
ekvivalentnog modela. U predloženom modelu gasni senzor se predstavlja kao
četvoropol, interdigitalni pretvarači se predstavljaju mrežom sa tri para krajeva, a linija
za kašnjenje prekrivena osetljivim slojem mrežom sa dva para krajeva. Određuje se
promena izlaznog signala (napona ili učestanosti) u funkciji koncentracije gasa.
Analizira se i uticaj osobina realnog PAT senzora, kao što je slabljenje usled prostiranja,
koje se u postojećim poznatim metodama analize zanemaruje. Izvedeni su eksplicitni
analitički izrazi u zatvorenom obliku za estimaciju koncentracije gasa. Izrazi direktno
povezuju koncentraciju gasa, parametre podloge, i centralnu učestanost. Oni omogućuju
neposredan uvid u uticaj parametara projektovanja senzora na performanse senzora kao
i veoma efikasnu predikciju naponskog i frekvencijskog pomaka zbog koncentracije
gasa u okruženju. Prikazuju se rezultati simulacije, zasnovani na predloženom modelu, i
poređenja sa eksperimentalnim rezultatima dobijenim merenjem. Predstavlja se slučaj
predikcije masene osetljivosti kao funkcije učestanosti, izračunavanje koncentracije
gasa trihloretilena (TCE) kada je osetljivi sloj polimer PVDT, kao i primer u kome se
simulira slabljenje usled prostiranja na višim učestanostima, a za slučaj gasnog senzora
sa kvarcnom podlogom za otkrivanje nedozvoljene koncentracije gasova koji emuliraju
bojne otrove.
Posebno su razmatrane mogućnosti primene novog metoda za analizu i
modelovanje savremenih hemijskih PAT senzora na višeslojnim podlogama, koji su ili
deo složenog elektronskog sistema u MEMS ili CMOS tehnologiji ili se pak radi o
senzoru sa dijamantskim slojem na površini silicijumskog integrisanog kola.
Prezentirana je procedura koja se sastojala iz dva koraka. Pošto je polazni parametar u
analizi centralna učestanost PAT elementa koja je funkcija brzine prostiranja
površinskih akustičkih talasa u materijalu, u prvom koraku je određena efektivna brzinu
talasa u višeslojnoj podlozi, što je neophodno za određivanje koncentracije gasa.
Izveden je izraz za brzinu talasa u složenoj PAT strukturi u konačnoj formi. Brzina je
određena primenom predloženog modela, formiranjem ekvivalentne elektro-mehanička
šeme linije za kašnjenje bez osetljivog sloja i korišćenjem analogije između mehaničkih
i električnih veličina. Izraz eksplicitno povezuje brzinu talasa, parametre slojeva
(gustina, debljina) i talasnu dužinu koja odgovara centralnoj učestanosti i koja je
osnovni prametar u analizi. Pokazano je da se prikazanim načinom brzina izračunava
veoma efikasno i tačno. Efikasnost znači mnogo brže i jednostavnije određivanje brzine
nego uobičajeno korišćenim metodom koji zahteva složena numerička izračunavanja
uključujući parcijalne diferencijalne jednačine. U narednom koraku je prezentirano
određivanje koncentracije detektovanog gasa PAT senzorom sa višeslojnom strukturom
korišćenjem izraza izvedenih u predloženom metodu analize.
Pokazano je da se primenom preloženog metoda analize i modelovanja na PAT
hemijske gasne senzore sa višeslojnom strukturom postižu značajne prednosti:
(1) realizacija senzora sa manjim dimenzijama uz višu radnu učestanost, posebno na
dijamantu, što povećava osetljivost senzora, (2) razvoj senzora postavljenog na podlozi
od Si odnosno SiO2/Si što je savremena tehnologija, (3) dobija se kompaktan senzor
(integrisani) na manjoj površini podloge. Predloženi algoritam omogućuje rešavanje
posebnog problema: određivanje koncentracije gasa u slučaju senzora na višeslojnoj
podlozi, zahvaljujući izvedenim formulama i jedinstvenom postupku određivanja brzine
talasa u podlozi sa višeslojnom strukturom.
Projektovanje i realizacija transverzalnih PAT filtara propusnika opsega
učestanosti namenjenih za primenu u hemijskim senzorima su razmatrani u trećem delu
i predložen je algoritam pogodan za CAD − sintezu filtara sa površinskim akustičkim
talasima sa uniformnim pretvaračima. Kao teorijski osnov za razvoj algoritma za
projektovanje filtara sa površinskim akustičkim talasima navedeni su principi sinteze
filtra sa površinskim akustičkim talasom i uspostavljena je analogija između blok šeme
idealnog transverzalnog filtra i filtra sa površinskim akustičkim talasom. Na osnovu
uspostavljene analogije predstavlja se projektovanje filtra sa površinskim akustičkim
talasom na osnovu opšte postojeće teorije i metoda sinteze transverzalnih filtara.
Analiziran je uticaj odstupanja realizacije filtra u odnosu na željene performanse i
konstrukcija pretvarača da bi se nesavršenosti kompenzovale. Posebno je prikazano
projektovanje realnih PAT filtara uzimajući u obzir opterećenje i njegov uticaj na
karakteristike filtra kako bi se korigovala geometrija pretvarača, pošto bi karakteristike
dobijenog filtra znatno odstupale od željenih.
Izložen je algoritam za kompletno projektovanje transverzalnih RF PAT filtara
sa uniformnim pretvaračima sa maksimalnim propusnim opsegom i minimalnim
slabljenjem i nov softver, pod imenom, IDPMPAT ver. 1.0, koji služi za projektovanje
maske interdigitalnih pretvarača odabrane vrste PAT filtara. Softver IDPMPAT
izračunava geometrijske dimenzije interdigitalnih pretvarača i u izlaznom izveštaju
generiše crtež maske interdigitalnih pretvarača i celog filtra. Prikazana je primena
predloženog algoritma i softvera IDPMPAT: projektovan je filtar sa dva identična
neapodizovana pretvarača i izrađen laboratorijski prototip PAT filtra propusnika opsega
učestanosti sa minimalnim slabljenjem PAT FPO, koji je osnova za izradu hemijskog
senzora nanošenjem osetljivog sloja polimera između pretvarača. Ispunjenje zadatih
specifikacija je provereno merenjem parametara rasejanja proizvedenog filtra.
Izloženi algoritam bi se mogao upotrebiti u budućnosti za projektovanje
optimalnih filtara s obzirom na raspoloživu tehnologiju i izabrani tip podloge prilikom
razvoja novih senzora.
This dissertation examines important issues in the analysis and sensor modeling
based on the surface acoustic waves (SAW) devices as well as the design and realization
of SAW filters which are the basis for the development of sensors. A specific type of
signal processing is present in these elements − the processing in real time: converting
high frequency electrical signals into mechanical wave, its modulation by measured a
non-electric quantity and re-conversion into electric signal. A new model and a method
of analysis of transversal SAW chemical sensors are proposed; they are based on the
method of equivalent electrical circuit which can be easily applied to any surface,
polymer and gas. In addition, the application of the proposed model for determination of
the velocity of SAW in multilayer substrate is presented what is necessary for the
determination of gas concentration as well as the application of the developed method
for the analysis of chemical SAW sensors on multilayer subs...trates. An algorithm for a
complete design of filters with uniform transducers with constant group delay is
proposed. A prototype filter, which is the base for the development of chemical sensors
has been designed and made with proposed algorithm.
The first section presents the basis of the theory of surface acoustic waves. The
properties of surface acoustic waves and the corresponding analysis and physical and
mathematical models are concisely presented. The functioning of the SAW devices,
which is based on propagation of the high frequency elastic mechanical waves along the
surface of a single crystal piezoelectric substrate, is explained. Then, the principle of
opreation of the surface acoustic wave devices is presented, and methods of analysis and
modeling of the interdigital transducers as well as the entire SAW device.
The principle of operation, modeling and implementation of transversal sensors,
which are based on the surface acoustic wave devices, are the first to be explained in the
second part. The original method of modeling SAW biosensors, which allows the
determination of the transfer function and the input admittance of SAW devices with
uniform transducers in closed form for the general case load, is summarized. Using this
method, where the entire filter is represented as an equivalent two port and IDTs and
sensing part with the admittance matrix, it is possible to perform the analysis and
prediction in each case of biosensors as in the case of SAW transponder. In this part a
new model and method of analysis of transversal surface acoustic wave chemical vapor
sensors are proposed. The problem of determining the change in the output electrical
signal, as a function of the chemical agent concentration, is solved using
electromechanical equivalent model. In the proposed model, the vapor sensor is
modeled as a two-port device, transducers as three-port devices which have one
electrical and two mechanical ports, and a delay line that is covered with a sensing layer
as two-port network. The change in the output signal (voltage or frequency) in function
of the gas concentration is determined. The influence of the properties of real SAW
sensor, such as propagation losses, which in the existing well-known methods of
analysis are neglected, is also analyzed. Explicit analytical expressions in closed form
for the estimation of vapor concentration are obtained. Expressions directly connect the
gas concentration, the parameters of the substrate, and the central frequency. They
enable direct insight into the influence of the sensor design parameters on the sensor
performance and very efficient prediction of voltage and frequency shift due to the gas
concentration in the surrounding environment. The simulation results, based on the
proposed model, and a comparison with experimental results, obtained by the
measurement, are shown. The case of predicting the mass sensitivity as a function of
frequency is represented, calculation of gas concentration of trichlorethylene (TCE)
when a sensitive layer is polymer PVDT, and an example in which attenuation due to
propagation at higher frequencies is simulated, for the case of a gas sensor with a quartz
substrate for the detection of illicit concentration gases which emulate warfare agents.
Especially are considered the possibilities of applying new method for analysis
and modeling of modern chemical SAW sensors on multilayer substrates, which are
either part of a complex electronic system in the MEMS or CMOS technology, or a
sensor is with a diamond layer placed on the surface of silicon integrated circuits. The
used procedure consisted of two steps. Since the initial parameter in the analysis is the
central frequency of the SAW device which is a function of the velocity of propagation
of surface acoustic waves in the material, the first step was to determine the effective
velocity of waves in a multilayered substrate, which is necessary for the determination
of the gas concentration. An expression for the velocity of waves in a complex SAW
structure was derived in a closed-form. The velocity is determined by applying the
proposed model, by forming electro-mechanical equivalent scheme of the delay line
without sensitive layer and using the analogy between mechanical and electrical
quantities. The relation explicitly connects the velocity of waves, the layer parameters
(density, thickness) and the wavelength corresponding to the central frequency and
which is the essential parameter in the analysis. It is shown that with the presented
method velocity is calculated very efficiently and accurately. Efficiency means much
faster and easier velocity determination than in the commonly used method that requires
complex numerical calculations including partial differential equations. The next step
presents the determination of the concentration of gas detected by SAW sensor with
multi-layer structure using the expressions derived from the proposed method of
analysis.
It is shown that application of the proposed method of analysis and modeling on
SAW chemical gas sensors with multi-layer structure provides significant advantages:
(1) realization of the sensor with a smaller size with higher operating frequency,
particularly on diamond, what increases the sensitivity of the sensor, (2) the
development of the sensor placed on the surface of Si or SiO2/Si as modern technology,
(3) a compact sensor (embedded) in a small area of the substrate is obtained. The
proposed algorithm allows solving specific problem: the determination of the gas
concentration in the case of multilayered sensor, thanks to its derived formulas and
unique procedure for determining the velocity of waves in substrate with multilayer
structure.
The design and realization of transversal SAW bandpass filter intended for use
in chemical sensors are considered in the third section and the algorithm suitable for
CAD − surface acoustic wave filters synthesis with uniform interdigital transducers is
proposed. As a theoretical basis for the development of an algorithm for the design of
SAW filters the principles of surface acoustic wave filter synthesis are mentioned. The
analogy between the block diagram of ideal transversal filter and the surface acoustic
wave filter is established. Based on the existing analogies, the design of a filter with a
surface acoustic wave is presented based on the existing theories and general method for
the synthesis of transversal filters. The effect of discrepancies in the realization of the
filter in relation to the desired performance is analyzed and design of transducers in
order to compensate for imperfections. It particularly shows the design of real SAW
filters taking into account the load and its influence on the characteristics of the filter in
order to correct the geometry of the transducers, as the characteristics of the obtained
filter would significantly deviate from the desired ones.
The algorithm for the complete design of transversal uniform transducers RF
SAW filters with maximal bandwidth and minimum attenuation and new software,
named, IDPMPAT ver. 1.0, which is used for designing masks of interdigital
transducers of selected kinds of SAW filters, are presented. IDPMPAT software
calculates the geometric dimensions of interdigital transducers and in the output report
generates a drawing of a mask of interdigital transducers and the entire filter. The
application of the proposed algorithm and software IDPMPAT is shown as follows: the
filter is designed with two identical unapodised transducers and a laboratory prototype
of SAW bandpass filter with minimal attenuation PAT FPO is made, which is the basis
for the development of chemical sensors by applying a sensitive polymer layer between
the transducers. The fulfillment of the given specification is checked by measuring the
scattering parameters of the produced filter.
The presented algorithm could be used in the future for the design of optimal
filters for the given available technology and the selected type of substrate, intended for
the development of new sensors.