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紫外传感贴片的叉指结构仿真优化

文丹丹 陈一鑫

文丹丹, 陈一鑫. 紫外传感贴片的叉指结构仿真优化[J]. 电子科技大学学报, 2023, 52(3): 451-457. doi: 10.12178/1001-0548.2022078
引用本文: 文丹丹, 陈一鑫. 紫外传感贴片的叉指结构仿真优化[J]. 电子科技大学学报, 2023, 52(3): 451-457. doi: 10.12178/1001-0548.2022078
WEN Dandan, CHEN Yixin. Simulation and Optimization of the Interdigital Structure of a UV Sensor Patch[J]. Journal of University of Electronic Science and Technology of China, 2023, 52(3): 451-457. doi: 10.12178/1001-0548.2022078
Citation: WEN Dandan, CHEN Yixin. Simulation and Optimization of the Interdigital Structure of a UV Sensor Patch[J]. Journal of University of Electronic Science and Technology of China, 2023, 52(3): 451-457. doi: 10.12178/1001-0548.2022078

紫外传感贴片的叉指结构仿真优化

doi: 10.12178/1001-0548.2022078
基金项目: 国家重点研发计划(2018YFE0115500);国家自然科学基金青年基金(51902037);重庆市教育委员会科学技术研究项目(KJQN201900615)
详细信息
    作者简介:

    文丹丹(1988 – ),女,博士,副教授,主要从事磁电薄膜材料、柔性光电器件方面的研究

    通讯作者: 文丹丹,E-mail:wendd@cqupt.edu.cn

Simulation and Optimization of the Interdigital Structure of a UV Sensor Patch

  • 摘要: 利用COMSOL Multiphysics 仿真软件建立了含叉指电极结构的紫外传感贴片三维模型,并对其进行了相关电特性研究。为降低传感器初始电阻,便于后端电路的测量开发,利用控制变量法,基于叉指指宽、间距、厚度等结构参数设置了多个不同的仿真模型。在AC/DC模块下的电流物理场接口下,选择稳态研究,结果表明,不同的结构参数将对电极和传感器的电场分布和初始电阻产生影响。通过对比分析发现,叉指电极的指宽为0.6 mm,间距为0.4 mm,厚度为5 μm时,初始电阻最小。此外,还设计了新型环状叉指电极结构,初步探究了其相关电学特性。研究发现该结构的初始电阻值与优化后的矩形叉指处于同一量级,对相关实验实践具有很好的指导意义。
  • 图  1  均匀叉指电极示意图

    图  2  三维紫外传感贴片仿真模型

    图  3  传感器贴片结构图

    图  4  环状叉指结构仿真模型

    图  5  三对环的叉指传感贴片仿真模型

    图  6  不同指宽时,仿真电势分布切面图

    图  7  不同指间距时,仿真电势分布切面图

    图  8  不同叉指厚度时,仿真电势分布切面图

    图  9  仿真电阻变化图

    图  10  优化结构的电势分布切面图

    图  11  三对环的叉指仿真电势图

    图  12  仿真与实验电阻值对比

    表  1  均匀IDT结构参数

    对数/对指宽/mm间距/mm厚度/μm指长/mm
    80.60.61010
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    表  2  材料仿真参数

    材料模拟对象电导率σ/S·m−1相对介电常数εr
    空气周边环境10−201
    聚酰亚胺柔性基底5×10−153.4
    石墨烯电极108{4,4,5}
    有机聚合物光敏化学材料10−115
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    表  3  参数对照组

    叉指长度/mm叉指宽度/mm叉指间距/mm叉指厚度/μm
    100.20.610
    100.40.610
    100.60.65/10/15/20/25/30/35/40
    100.80.610
    1010.610
    100.60.210
    100.60.410
    100.60.65/10/15/20/25/30/35/40
    100.60.810
    100.6110
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    表  4  均匀环形叉指电极结构参数

    环对数/对环指宽/mm环间距/mm厚度/μm
    20.60.610
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    表  5  环状叉指仿真模型电阻

    圆环对数/对电阻/Ω
    25.28×106
    32.65×106
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-03-15
  • 修回日期:  2022-11-03
  • 录用日期:  2022-11-04
  • 网络出版日期:  2023-05-26
  • 刊出日期:  2023-05-28

紫外传感贴片的叉指结构仿真优化

doi: 10.12178/1001-0548.2022078
    基金项目:  国家重点研发计划(2018YFE0115500);国家自然科学基金青年基金(51902037);重庆市教育委员会科学技术研究项目(KJQN201900615)
    作者简介:

    文丹丹(1988 – ),女,博士,副教授,主要从事磁电薄膜材料、柔性光电器件方面的研究

    通讯作者: 文丹丹,E-mail:wendd@cqupt.edu.cn

摘要: 利用COMSOL Multiphysics 仿真软件建立了含叉指电极结构的紫外传感贴片三维模型,并对其进行了相关电特性研究。为降低传感器初始电阻,便于后端电路的测量开发,利用控制变量法,基于叉指指宽、间距、厚度等结构参数设置了多个不同的仿真模型。在AC/DC模块下的电流物理场接口下,选择稳态研究,结果表明,不同的结构参数将对电极和传感器的电场分布和初始电阻产生影响。通过对比分析发现,叉指电极的指宽为0.6 mm,间距为0.4 mm,厚度为5 μm时,初始电阻最小。此外,还设计了新型环状叉指电极结构,初步探究了其相关电学特性。研究发现该结构的初始电阻值与优化后的矩形叉指处于同一量级,对相关实验实践具有很好的指导意义。

English Abstract

文丹丹, 陈一鑫. 紫外传感贴片的叉指结构仿真优化[J]. 电子科技大学学报, 2023, 52(3): 451-457. doi: 10.12178/1001-0548.2022078
引用本文: 文丹丹, 陈一鑫. 紫外传感贴片的叉指结构仿真优化[J]. 电子科技大学学报, 2023, 52(3): 451-457. doi: 10.12178/1001-0548.2022078
WEN Dandan, CHEN Yixin. Simulation and Optimization of the Interdigital Structure of a UV Sensor Patch[J]. Journal of University of Electronic Science and Technology of China, 2023, 52(3): 451-457. doi: 10.12178/1001-0548.2022078
Citation: WEN Dandan, CHEN Yixin. Simulation and Optimization of the Interdigital Structure of a UV Sensor Patch[J]. Journal of University of Electronic Science and Technology of China, 2023, 52(3): 451-457. doi: 10.12178/1001-0548.2022078
  • 紫外探测技术主要分为两类:1)基于PN结构成的光电探测器,如宽禁带纳米结构半导体、二氧化钛和氧化锌等[1-4],已被证明可以在紫外光下发生光电反应,然而这些半导体器件大多有缺点,如制备工艺复杂;2)基于紫外敏感的光致变色染料,因为光驱动的可逆键裂解可以在紫外线辐射下快速着色,如紫外光反应燃料(CR234-BT2B)在紫外光照下从蓝色变为透明。目前一些光致变色染料以产品形式在逐步进入商业市场,如Smartsun和欧莱雅的UV贴片[5-8]。然而通过颜色变化判断紫外曝光量准确度不高。本文研究以有机聚合物作为光敏材料,通过检测光敏材料在紫外光辐射前后的电阻变化,并通过叉指电极传导电信号,实现对紫外光辐射量的精确测量。

    叉指电极(interdigitated electrodes, IDT)是指状或梳状的面内周期性图案电极,它具有阻抗可降低、稳定性高、稳态信号建立快、可微型化便携、信噪比高等优点,被广泛应用于传感检测领域[9-13]。现有理论研究表明,叉指电极的结构设计是影响传感性能的重要因素,包括叉指电极对的对数、宽度、相邻叉指间的间隙距离以及厚度4个主要参数。这4个参数决定了基于叉指电极的生化传感器的传感性能[14-16]。同时根据本课题组以往相关研究[17]发现,在紫外传感器中引入叉指电极可以提升检测灵敏度、响应速度,降低初始电阻值。

    本文在保证传感器灵敏度和响应速度等性能的前提下,为进一步降低其初始电阻,解决后端电路难以读出微弱电信号的问题,通过COMSOL Multiphysics多物理场仿真软件,建立紫外传感贴片的近似三维模型,从叉指电极的相关结构参数出发对其传导性能进行仿真优化[18-22],并试图找出一种较叉指电极具有更低初始电阻的电极结构,为柔性紫外传感贴片的后端电路开发提供参考。

    • 本文采用COMSOL Multiphysics软件5.5版本对IDT进行结构仿真。均匀叉指的平面结构如图1所示。

      图  1  均匀叉指电极示意图

      在三维空间下添加AC/DC模块下的电流物理场接口,再选择稳态研究,最后利用几何选项直接构建包含IDT的紫外传感贴片模型,并设置具有空气参数的圆柱体(黄色部分)模拟周围环境,如图2所示。图中,圆柱体外层被定义为无限空气元域,且已将圆柱体内层和外层部分边界隐藏。

      为更好地接近实际情况,本文设计了5种近似传感器模型,并对每种模型的电势分布和电阻值进行分析和比较,最终选择化学材料与IDT相交叠(化学材料的多少将随IDT的结构变化而变化),IDT空隙与聚酰亚胺基底相交的模型进行仿真,如图3所示,为方便观察,已利用视图选项,将z轴比例放大10倍。

      图  2  三维紫外传感贴片仿真模型

      图  3  传感器贴片结构图

      图3中,传感贴片的基底为聚酰亚胺(棕色部分),长2000 μm,宽1500 μm,厚100 μm;基底之上是石墨烯材质的均匀IDT(绿色部分),其结构参数见表1;IDT的上层为光敏化学材料(橙色部分),长2000 μm,宽1500 μm,厚20 μm。

      表 1  均匀IDT结构参数

      对数/对指宽/mm间距/mm厚度/μm指长/mm
      80.60.61010

      建立好传感器三维模型之后,传感贴片的材料参数设置如表2所示。为系统研究IDT的指宽、间距和厚度参数对IDT传导性能的具体影响,本文共设置了13组参数进行对比研究,具体的参数设置如表3所示。利用控制单一变量的方法,不同参数间形成对照,观察参数的变化对传导性能的影响。

      表 2  材料仿真参数

      材料模拟对象电导率σ/S·m−1相对介电常数εr
      空气周边环境10−201
      聚酰亚胺柔性基底5×10−153.4
      石墨烯电极108{4,4,5}
      有机聚合物光敏化学材料10−115

      表 3  参数对照组

      叉指长度/mm叉指宽度/mm叉指间距/mm叉指厚度/μm
      100.20.610
      100.40.610
      100.60.65/10/15/20/25/30/35/40
      100.80.610
      1010.610
      100.60.210
      100.60.410
      100.60.65/10/15/20/25/30/35/40
      100.60.810
      100.6110

      模型构建完毕后设定边界条件,将需施加电压的一端电极边界定义为终端,另一端电极接地。本文根据本课题组以往的实践经验,在终端施加5 V直流电压。完成后进行网格剖分,最后研究计算得解。求解涉及电流守恒方程:

      $$ \nabla \cdot {\boldsymbol{J}} = {Q_{{\boldsymbol{j}},v}} $$ (1)
      $$ {\boldsymbol{J}} = \sigma {\boldsymbol{E}} + {{\boldsymbol{J}}_e} $$ (2)
      $$ {\boldsymbol{E}} = - \nabla V $$ (3)

      式中,Qj,v为单位时间单位体积的电荷变化量(A/m3);J为电流密度;σ为电导率(S/m);E为电场强度(V/m);Je为外部电流密度(A/m2);V为电势(V)。COMSOL研究求解后,经相关后处理,得到电势分布图、电阻值等结果。

    • 为找出一种较IDT具有更低初始电阻值的电极结构,本文设计了一种新型环状叉指结构,如图4所示。

      为便于构建三维模型,且方便与上述叉指电极的传导性能进行比较,基底大小更改为长2000 μm,宽2000 μm,厚度不变。基底之上为石墨烯材质的均匀环形IDT,结构参数见表4。电极上层是光敏化学材料,面积与基底一致,厚度仍为20 μm。为便于和IDT对照比较,激励电压等其他条件均未变化。

      图  4  环状叉指结构仿真模型

      表 4  均匀环形叉指电极结构参数

      环对数/对环指宽/mm环间距/mm厚度/μm
      20.60.610

      为探究环数对环状叉指电极传导性能的影响,同时与两对环模型形成对照,优化环状电极结构。在相同面积下,又建立三对环的仿真模型,如图5所示。

      图  5  三对环的叉指传感贴片仿真模型

    • 参考表3给出的13组参数,利用COMSOL仿真软件建立不同参数的叉指结构模型,并对传感器的相关电特性进行研究。为清楚观察电势分布变化情况,截取传感贴片外接端与叉指连接处的切面输出结果。由于模型较多,下面仅展示部分仿真电势分布图。由于在传感器面积固定的条件下,叉指电极指宽和间距的变化会导致叉指对数的变化。但依据现有理论,电极的对数对叉指电极传感器的性能影响不大[23]。从图6图7可以看出,在外加激励电压、边界条件不变的情况下,叉指电极指宽和间距的改变都将引起电场分布的变化。从图6可以看出,随着电极指宽增加,电场强度也随之增强,高电势分布更加圆滑均匀。从图7可以看出,随着电极指间间距增大,电场强度也逐渐增强,但高电势分布稀疏,变化剧烈。

      图  6  不同指宽时,仿真电势分布切面图

      图  7  不同指间距时,仿真电势分布切面图

      另外,电极厚度的改变,也将引起电场的变化,传感贴片的切面电势分布如图8所示。从图8可以看出,随着电极厚度增加,电场强度将略微减小,高电势分布逐渐变得扁平微小。电场分布的变化在一定程度上反映了电阻的变化。

      图  8  不同叉指厚度时,仿真电势分布切面图

      为直观查看指宽、间距和厚度对IDT传导性能的影响,在COMSOL仿真结果中输入电阻计算表达式,得到传感贴片在以上3种不同结构参数下的电阻值。电阻值随不同结构参数的变化如图9所示。从图中可以看出,电阻随叉指指宽增大而逐渐减小,随指间间距增加先减小后增大,在间距为0.4 mm时,出现极小值;同时电阻随电极厚度增加出现先增大后减小的趋势,这主要由IDT模型中高电阻率化学材料的剂量增加而引起的。根据仿真结果可知,叉指密度越大,厚度越薄,其初始电阻值越小,且指间距存在某个特定值使电阻值达到最小值。

      图  9  仿真电阻变化图

      由以上结果进一步观察分析,推断出叉指电极的指宽为0.6 mm,间距为0.4 mm,厚度为5 μm时,电极结构应最优,电阻值最小。经仿真验证,计算得到其电阻值为2.67×106 Ω,小于前面所有设计的模型电阻值,达到了优化目的,其电势分布切面图如图10所示。

      图  10  优化结构的电势分布切面图

    • 同样,利用COMSOL仿真软件对重新设计的环状叉指结构进行电特性的仿真研究。在相同电压的作用下,三对环的环状叉指电场分布如图11所示。可以看出,圆环之间的电场分布十分均匀,计算得出电阻,如表5所示。可见,三对环的环状叉指电极电阻比两对环小一倍,而环状叉指电极与最优的矩形叉指电极相比,电阻数值均位于一个数量级。可见,环状叉指存在一定的优化效果,但改善效果一般。

      图  11  三对环的叉指仿真电势图

      表 5  环状叉指仿真模型电阻

      圆环对数/对电阻/Ω
      25.28×106
      32.65×106
    • 仿真精度取决于网格剖分的单元数量,单元数越多,结果就越精确,但会增加运算量及运算时间。COMSOL会根据模型的复杂程度自动进行网格剖分,可通过单元质量衡量剖分结果,因此单元质量不应过低。本文仿真模型的平均单元质量均在0.75以上,以保证仿真精确度较高。另外,通过实验测量贴片的初始电阻值,并将优化后的矩形IDT和环状IDT传感贴片的电阻值与仿真相对比,结果如图12所示。从图中可以看出,仿真值与实验值相差一倍左右,验证了仿真的正确性。

      图  12  仿真与实验电阻值对比

    • 本文利用COMSOL Multiphysics 仿真软件基于不同叉指结构参数建立了紫外传感贴片的三维模型,并对不同结构参数模型的电特性进行了计算研究。研究发现叉指电极的指宽、间距、厚度等结构参数会对整个传感贴片的电场强度分布造成影响,进而导致电阻值增加或减少。结合仿真结果分析得到,在相同传感器面积下,当叉指电极指宽为0.6 mm,间距为0.4 mm,厚度为5 μm时,传感器的初始电阻最小,结构最优。

      此外,本文构建了环状叉指电极模型,仿真测试后发现,环状叉指结构传感器的电阻值与最优矩形叉指传感器相差无几,说明环状叉指结构有一定降低电阻的作用。但在传感器面积相同的情况下,在实际应用中从矩形叉指结构中找到合适的参数是更好的选择。

参考文献 (23)

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