仿真的必要性

由于体声波器件较为简单，所以主要仿真SAW气体传感器。声表面波气体传感器技术研究的学科渗透性很强，其中应用到了很多学科原理及技术，包括晶体物理学、声波物理学、电磁学以及吸附理论等等。声表面波气体传感器依靠叉指换能器激发声表面波本质上是一个分布源激发声波的问题，必须求解换能器系统的场方程。

此外由于基片材料通常是各向异性的压电材料，使得求解变得很复杂，为使问题简化，建立各种仿真分析模型是十分必要。

目前对于SAW传感器还主要涉及声表面波器件的模拟仿真，声表面波器件的仿真模型主要有δ函数模型[103]，等效电路模型[104]，P矩阵模型[105]和耦合模理论（COM）仿真模型[106]。δ函数模型是叉指换能器（声表面波器件的核心构件）最简单的一个模型，它广泛应用于器件设计中计算IDT的特性，具有合适的精度，但是这种模型不能把IDT的内反射（会严重影响器件的性能）影响包括进去。P矩阵模型是把每个IDT单元看成黑盒子，并用数学方法计算出器件的各种特性。而COM理论则是将黑盒子用并列线性方程组来表示计算的。另外，商用有限元软件COMSOL和ANSYS强大的压电耦合分析功能也不失为很好的声表面波器件仿真工具[107, 108]。

本节采用商用有限元软件COMSOL软件首次实现对SAW甲烷气体传感器的仿真，以期对实验提供一定的指导作用。COMSOL Multiphysics是一款大型的高级数值仿真软件，广泛应用于各个领域的科学研究以及工程计算，被当今世界科学家称为“第一款真正的任意多物理场直接耦合分析软件”[109]。模拟科学和工程领域的各种物理过程，COMSOL Multiphysics以高效的计算性能和杰出的多场双向直接耦合分析能力实现了高度精确的数值仿真[110]。

用COMSOL Multiphysics仿真软件对SAW气体传感器的仿真有如下优点：求解多场问题能很好地解决压电耦合的问题；任意独立函数控制的求解参数，具有良好的图形用户界面以及丰富的后处理功能。