聲表面波（surface acoustic wave, SAW）傳感器在溫度、紫外、應(yīng)力應(yīng)變等物理參量傳感，化學(xué)戰(zhàn)劑痕量檢測(cè)和生物傳感領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。相較于傳統(tǒng)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(jiān)測(cè)，在智能蒙皮、曲面管道、柔性可穿戴等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用前景。但柔性SAW傳感器進(jìn)行彎曲曲面監(jiān)測(cè)時(shí)候，很難與平面監(jiān)測(cè)效果一致。這是因?yàn)?，柔性SAW彎曲時(shí)，其諧振頻率會(huì)因?yàn)閺澢C(jī)械應(yīng)變）發(fā)生偏移，從而強(qiáng)烈干擾對(duì)目標(biāo)物質(zhì)（如濕度、紫外線、氣體或生物分子等）的探測(cè)。如何最小化或消除彎曲應(yīng)變帶來(lái)的干擾，實(shí)現(xiàn)曲面監(jiān)測(cè)和平面監(jiān)測(cè)效果的一致性是一個(gè)較大的難題。

針對(duì)上述挑戰(zhàn)，近日，湖南大學(xué)段輝高、周劍團(tuán)隊(duì)提出了一種新策略，通過(guò)設(shè)計(jì)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(jī)械彎曲應(yīng)變對(duì)柔性SAW頻率偏移的影響，實(shí)現(xiàn)平面監(jiān)測(cè)和曲面監(jiān)測(cè)的一致性。

該團(tuán)隊(duì)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(tǒng)研究了彈性應(yīng)變下層狀器件的彎曲應(yīng)變和離軸角對(duì)柔性SAW頻率偏移的規(guī)律，獲得了柔性SAW器件實(shí)現(xiàn)彎曲應(yīng)變不靈敏的離軸角度。該團(tuán)隊(duì)還制備了AlN/超薄玻璃的層狀結(jié)構(gòu)柔性SAW器件，并在有應(yīng)變干擾的濕度和紫外條件下，實(shí)現(xiàn)了抗應(yīng)變干擾的濕度和紫外傳感性能，突破了平面監(jiān)測(cè)和曲面監(jiān)測(cè)的一致性瓶頸。相關(guān)工作發(fā)表于Nature出版集團(tuán)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(yīng)變頻率響應(yīng)圖；（d）柔性SAW彎曲應(yīng)變不靈敏理論分析模型；（e） 柔性彎曲條件下的應(yīng)變測(cè)試方法示意圖。

柔性SAW應(yīng)變不靈敏特性理論計(jì)算結(jié)果

具有抗應(yīng)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(guó)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(dǎo)。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、湖南省科技攻關(guān)項(xiàng)目、廣東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目等資助。

論文信息：

https://www.nature.com/articles/s41528-022-00217-0