專(zhuān)利名稱(chēng)：一種樂(lè)甫波氣體傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種樂(lè)甫型聲波(簡(jiǎn)稱(chēng)樂(lè)甫波)傳感器，特別是涉及一種采用半導(dǎo)體型氣敏材料的樂(lè)甫波氣體傳感器。
背景技術(shù)：
自1964年，由Wickens和Hatman利用氣體在電極上的氧化還原反應(yīng)研制出第一個(gè)氣敏傳感器，1982年英國(guó)的Warwick大學(xué)的Persaud等提出了利用氣敏傳感器模擬動(dòng)物嗅覺(jué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)以后，氣體傳感器飛速發(fā)展，應(yīng)用于各種場(chǎng)合。氣體傳感器主要有半導(dǎo)體傳感器(電阻型和非電阻型)(傳感器世界，2001，《幾種常見(jiàn)氣體傳感器的研宄進(jìn)展》)?，F(xiàn)有的氣體檢測(cè)裝置，主要利用氣敏膜與待測(cè)氣體之間接觸后引起的電阻、電容、電流大小的變化來(lái)確定氣體濃度。同時(shí)，各種半導(dǎo)體型氣敏材料的研究很多，針對(duì)甲烷(C//4)、硫化氫(i/2S)、 二氧化硫(S6>2)以及一氧化碳(CO)氣體檢測(cè)的選擇也很多。其中SwQ和『q是應(yīng)用最廣泛的氣敏材料。文獻(xiàn)化工進(jìn)展(2006年第25巻第1期，H2S氣敏材料的研究進(jìn)展)中介紹了針對(duì)H2S檢測(cè)的5VzQ系、Z"O系、ZwS系、『6>3系//2S氣敏材料以及復(fù)合氧化物氣敏材料。文獻(xiàn)正EE SENSOR2006， EXCO, Daegu, Korea/ October 22~25,2006 (Nanostructures Molybdenum OxideGassensors)中介紹了鉬氧化物作為檢測(cè)M9、 iV02 、 CO、 //2 、 7\^/3的氣敏材料。特別是最近發(fā)展起來(lái)的納米型材料，其對(duì)待測(cè)氣體的吸附能力以及各方面性能都有很大的提升。文獻(xiàn)儀表技術(shù)與傳感器(2008年第7期，新型氣敏材料——納米金膜吸附硫化氫的性能研究)中還公開(kāi)了采用納米金膜作為i/^氣敏材料的前景?？偟膩?lái)說(shuō)，半導(dǎo)體型氣體檢測(cè)器件，利用的是氣敏材料對(duì)待測(cè)氣體的吸附作用以及氧化還原反應(yīng)，因而其檢測(cè)能力很穩(wěn)定。但同時(shí)由于這些半導(dǎo)體型傳感器在應(yīng)用時(shí)需要外加電壓、加熱，而且受電磁波的干擾較大，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，其檢測(cè)下限受限(幾十甚至上百個(gè)/7pm)，從而使其應(yīng)用范圍受到很大限制。
近年來(lái)，由于聲表面波器件具有高精度、高可靠性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)快的特點(diǎn)，因而聲表面波氣體傳感器的發(fā)展十分迅速。樂(lè)甫波(Lovewave)是聲波的一種，是壓電基片表面的薄層聲波導(dǎo)中傳播的表面剪切橫波。樂(lè)甫波的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向平行于基本表面，所以當(dāng)基片表面與液體負(fù)載接觸時(shí)，其傳播受負(fù)載影響小。又由于薄層聲波導(dǎo)將樂(lè)甫波能量束縛在表面，所以樂(lè)甫波對(duì)表面干擾非常靈敏。文獻(xiàn)AcousticWaveSensors, Academic Press, San Diego，USA, 1997(D.S. Ballantine， R.M. White, S丄Martin,A丄Ricco, E.T. Zellers， G.C.Frye, H. Wohltjen)中指出聲表面波傳感器的氣體檢測(cè)下限可以達(dá)到/ p6量級(jí)。常規(guī)的聲表面波(SAW)傳感器采用化學(xué)敏感膜的吸附原理，通過(guò)吸附敏感膜的選擇性吸附能力對(duì)不同的氣體進(jìn)行定性分析。文獻(xiàn)分析儀器(2007第3期，聲表面波氣體傳感器化學(xué)敏感膜研究進(jìn)展)中指出，敏感膜可分為有機(jī)聚合物(如聚醚、多氟烴、聚硅氧垸、聚亞胺酯、聚吡咯、聚噻吩、聚賴(lài)氨基酸及其化學(xué)修飾物等)、超分子化合物、無(wú)機(jī)物膜材料、分子晶體分子液晶分子液體材料，以及生物分子。這些化學(xué)敏感膜多屬于有機(jī)膜，其本身的黏彈性可以提升SAW傳感器的靈敏度。但是，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)這類(lèi)傳感器件中，有機(jī)化學(xué)敏感膜的生成易受溫度、濕度、氧化性、靜電和壓力等諸多因素的影響，穩(wěn)定性不好，這也就限制了現(xiàn)有的聲表面波傳感器的應(yīng)用范圍。
可見(jiàn)，在實(shí)際應(yīng)用中，還沒(méi)有出現(xiàn)靈敏度高、穩(wěn)定性好的聲表面波氣體檢測(cè)器件。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種高靈敏度、穩(wěn)定的采用半導(dǎo)體型氣敏材料的樂(lè)甫波氣體傳感器。其能夠克服現(xiàn)有半導(dǎo)體型傳感器檢測(cè)下限不高的缺陷，從檢測(cè)手段方面改善傳感器性能，將樂(lè)甫波傳感器的結(jié)構(gòu)，與現(xiàn)有的半導(dǎo)體型固體氣敏膜技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)高靈敏度、穩(wěn)定的氣體檢測(cè)功能。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的一種樂(lè)甫波氣體傳感器，包括壓電基片、沉積在壓電基片表面的輸入叉指換能器和輸出叉指換能器、以及覆蓋在所述壓電基片以及輸入叉指換能器和輸出叉指換能器上面的敏感膜，其特征在于所述敏感膜為半導(dǎo)體型氣敏材料層，所述輸入叉指換能器在所述壓電基片中激發(fā)聲波并傳播，所述輸出叉指換能器用于接收聲波，當(dāng)加載的被測(cè)物與所述敏感膜發(fā)生反應(yīng)后會(huì)導(dǎo)致聲波的特性(如頻率、速度等)發(fā)生變化，通過(guò)檢測(cè)這些變化而得到關(guān)于所述被測(cè)物的特性結(jié)論。
另外，本發(fā)明的采用半導(dǎo)體型氣敏材料的樂(lè)甫波氣體傳感器，還可以根據(jù)實(shí)際需要決定是否在所述壓電基片以及輸入叉指換能器和輸出叉指換能器上方先覆蓋一層波導(dǎo)層之后再覆蓋所述敏感膜，該波導(dǎo)層采用無(wú)機(jī)物波導(dǎo)層或有機(jī)物波導(dǎo)層。所述輸入叉指換能器以及輸出叉指換能器采用延遲線結(jié)構(gòu)或者諧振器結(jié)構(gòu)。
所述半導(dǎo)體型敏感材料層可以采用&02或&02超細(xì)粉體為基材料的氣敏材料，以及以5"6>2為基材料摻雜金屬催化物(如iV、尸6、 ^"、 ZK)2、『03、 0/0、ZnO等)或碳納米管材料的氣敏材料；或者采用『03或『03超細(xì)粉體為基材料的氣敏材料，以及以『q為基材料摻雜金屬催化物或碳納米管材料的氣敏材料；或者采
用&2(93、 Z"O、 77(93、 Az26>3、 ^4503型化合物(例如，Z ^03 )為基材料的氣敏材料；也可以采用硫化鎘(Q/S )為基材料的氣敏材料；還可以采用鉬氧化物(7l/"《)為基材料的氣敏材料；以及納米金膜材料。
所述的基片材料可以是各種切向的壓電基片材料。這些基片材料包括各種切向的鈮酸鋰"iVW^、鉭酸鋰"7^03、石英和壓電陶瓷。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)
本發(fā)明的樂(lè)甫波氣體傳感器，在分析了現(xiàn)有的半導(dǎo)體型氣體檢測(cè)器和聲表面波(SAW)傳感器各自的優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，采用聲表面波器件中靈敏度最高的樂(lè)甫波模式，結(jié)合成熟的半導(dǎo)體型氣敏材料檢測(cè)能力穩(wěn)定的性質(zhì)，可以實(shí)現(xiàn)靈敏度和穩(wěn)定性雙優(yōu)的聲表面波檢測(cè)器件。


圖1是本發(fā)明的樂(lè)甫波氣體傳感器的一個(gè)實(shí)施方式的俯視圖2是本發(fā)明的樂(lè)甫波氣體傳感器的圖1所示實(shí)施方式的剖面圖3是本發(fā)明的樂(lè)甫波氣體傳感器的另一實(shí)施方式的俯視圖4是本發(fā)明的樂(lè)甫波氣體傳感器的圖3所示實(shí)施方式的剖面圖5是本發(fā)明的樂(lè)甫波氣體傳感器的輸入叉指換能器的結(jié)構(gòu)示意圖6是本發(fā)明的樂(lè)甫波氣體傳感器的輸出叉指換能器的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖以及具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的采用半導(dǎo)體型氣敏材料的樂(lè)甫波氣體傳感器進(jìn)行詳細(xì)的說(shuō)明。
圖1是本發(fā)明的采用半導(dǎo)體型氣敏材料的樂(lè)甫波傳感器的第一實(shí)施方式的俯視圖，圖2是本發(fā)明的采用半導(dǎo)體型氣敏材料的樂(lè)甫波傳感器的圖1所示實(shí)施方式的剖面圖。如圖l以及圖2所示，本發(fā)明的采用半導(dǎo)體型氣敏材料的樂(lè)甫波傳感器，包括壓電基片1、沉積在壓電基片1表面的輸入叉指換能器3和輸出叉指換能器4、
覆蓋在輸入叉指換能器3和輸出叉指換能器4上方的波導(dǎo)層5、以及覆蓋在波導(dǎo)層5上面的敏感膜2，其中，敏感膜2為半導(dǎo)體型敏感材料層，輸入叉指換能器3在壓電基片1中激發(fā)聲波并在壓電基片1以及波導(dǎo)層5中傳播，輸出叉指換能器4用于接收聲波，當(dāng)加載的被測(cè)物與敏感膜2發(fā)生反應(yīng)后會(huì)導(dǎo)致聲波的特性發(fā)生變化，通過(guò)檢測(cè)這些變化而可以得到關(guān)于被測(cè)物的特性結(jié)論。
第一實(shí)施方式中，壓電基片1采用S"90x石英。通過(guò)沉積在壓電基片1的表面形成如圖5所示的輸入叉指換能器3和如圖6所示的輸出叉指換能器4，然后再覆蓋二氧化硅(S/(92)作為波導(dǎo)層5，接著在波導(dǎo)層5的上面覆蓋有敏感膜2。輸入叉指換能器3和輸出叉指換能器4均采用叉指換能器結(jié)構(gòu)。在S/q/^-90x石英結(jié)構(gòu)中，壓電基片1的厚度為0.4毫米，&'02厚度為2500埃。輸入叉指換能器3和輸出叉指換能器4的周期均為19.589微米，孔徑為2毫米。其中輸入叉指換能器3的指對(duì)數(shù)為90對(duì)，輸出叉指換能器4的指對(duì)數(shù)為27對(duì)。在壓電基片1的上表面蒸鍍金屬鋁，厚度為1500埃，然后光刻出各叉指換能器的圖形，兩個(gè)叉指換能器間中心距約為3毫米。然后在波導(dǎo)層5的上面覆蓋一層肌^-ZwS系氣敏材料層2。
性能檢測(cè)
將如上所述結(jié)構(gòu)的樂(lè)甫波氣體傳感器置于一個(gè)檢測(cè)裝置中，兩個(gè)換能器分別接入網(wǎng)絡(luò)分析儀的第一信號(hào)端口 6和第二信號(hào)端口 7，其結(jié)果是，在網(wǎng)絡(luò)分析儀中可顯示整個(gè)器件頻率響應(yīng)，可在常溫情況下實(shí)現(xiàn)對(duì)CO氣體進(jìn)行檢測(cè)。
圖3是本發(fā)明的采用半導(dǎo)體型氣敏材料的樂(lè)甫波傳感器的第二實(shí)施方式的俯視圖，圖4是本發(fā)明的采用半導(dǎo)體型氣敏材料的樂(lè)甫波傳感器的圖3所示實(shí)施方式的剖面圖。如圖3以及圖4所示，本發(fā)明的采用半導(dǎo)體型氣敏材料的樂(lè)甫波傳感器，包括壓電基片1、沉積在壓電基片1表面的輸入叉指換能器3和輸出叉指換能器4、以及覆蓋在輸入叉指換能器3和輸出叉指換能器4上方的敏感膜2，其中，敏感膜2為半導(dǎo)體型敏感材料層，輸入叉指換能器3在壓電基片1中激發(fā)聲波并在壓電基片1中傳播，輸出叉指換能器4用于接收聲波，當(dāng)加載的被測(cè)物與敏感膜2發(fā)生反應(yīng)后會(huì)導(dǎo)致聲波的特性發(fā)生變化，通過(guò)檢測(cè)這些變化而可以得到關(guān)于被測(cè)物的特性結(jié)論。
與第一實(shí)施方式相比，在第二實(shí)施方式中沒(méi)有設(shè)置波導(dǎo)層，壓電基片1采用36YXh'rflq為基片材料。通過(guò)沉積在壓電基片1的表面上形成如圖5所示的輸入叉指換能器3和圖6所示的輸出叉指換能器4。輸入叉指換能器3和輸出叉指換能器4均采用叉指換能器結(jié)構(gòu)。在Z/7bO;結(jié)構(gòu)中，壓電基片1的厚度為0.4毫米。輸入叉指 換能器3和輸出叉指換能器4的周期均為6.5微米，孔徑為0.5毫米。其中輸入叉指 換能器3的指對(duì)數(shù)為卯對(duì)，輸出叉指換能器4的指對(duì)數(shù)為27對(duì)。在壓電基片1的 上表面蒸鍍金屬鋁，厚度為1600埃，然后光刻出各叉指換能器的圖形，兩個(gè)叉指換 能器間中心距約為3毫米，然后在叉指換能器以及壓電基片1的上面直接覆蓋氧化鋅 作為氣敏材料層2。
性能檢測(cè)
將如上所述結(jié)構(gòu)的樂(lè)甫波氣體傳感器置于一個(gè)檢測(cè)裝置中，兩個(gè)叉指換能器分 別接入網(wǎng)絡(luò)分析儀的第一信號(hào)端口6和第二信號(hào)端口7，其結(jié)果是，在網(wǎng)絡(luò)分析儀中
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以上，通過(guò)列舉實(shí)施例的形式對(duì)本發(fā)明的采用半導(dǎo)體型氣敏材料的樂(lè)甫波氣體 傳感器的結(jié)構(gòu)以及性能進(jìn)行了說(shuō)明，但并不局限于此。本發(fā)明的采用半導(dǎo)體型氣敏 材料的樂(lè)甫波氣體傳感器中，根據(jù)實(shí)際需要決定采用無(wú)波導(dǎo)設(shè)計(jì)或者有波導(dǎo)層設(shè)計(jì)， 即是否在所述壓電基片及所述輸入叉指換能器和輸出叉指換能器上方再覆蓋波導(dǎo) 層，當(dāng)采用有波導(dǎo)設(shè)計(jì)時(shí)，可以采用無(wú)機(jī)物波導(dǎo)層或有機(jī)物波導(dǎo)層。另外，各叉指 換能器可以采用延遲線結(jié)構(gòu)或者諧振器結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的采用半導(dǎo)體型氣敏材料的樂(lè)甫波氣體傳感器中，壓電基片1的材料可 以是各種切向的壓電基片材料。這些基片材料包括各種切向的鈮酸鋰"iVW^、鉭酸
鋰"化03、石英和壓電陶瓷。另外，半導(dǎo)體型敏感材料層可以采用&02或&02超 細(xì)粉體為基材料的氣敏材料，以及以5"02為基材料摻雜催化物(如iV、尸6、 ^"、 Zr02、『03、 CwO、 Z"O、碳納米管等)的氣敏材料；或者采用『<93或『03超細(xì) 粉體為基材料的氣敏材料，以及以『03為基材料慘雜金屬催化物(如iV、尸6、 ^"、 ZK)2、『03、 0/0、 ZwO等)或碳納米管材料的氣敏材料；或者采用7^203、 ZnO、 7703、 /"203、 Z"B03 (」5(93型化合物)為基材料的氣敏材料；也可以采用硫化鎘 (a/S )為基材料的氣敏材料；還可以采用鉬氧化物(MwQ )為基材料的氣敏材料； 以及納米金膜材料。
權(quán)利要求
1、一種樂(lè)甫波氣體傳感器，包括壓電基片、沉積在壓電基片表面的輸入叉指換能器和輸出叉指換能器、以及覆蓋在所述壓電基片以及輸入叉指換能器和輸出叉指換能器上面的敏感膜，其特征在于所述敏感膜為半導(dǎo)體型氣敏材料層，所述輸入叉指換能器在所述壓電基片中激發(fā)聲波并傳播，所述輸出叉指換能器用于接收聲波，當(dāng)加載的被測(cè)物與所述敏感膜發(fā)生反應(yīng)后會(huì)導(dǎo)致聲波的特性發(fā)生變化，通過(guò)檢測(cè)這些變化而得到關(guān)于所述被測(cè)物的特性結(jié)論。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的樂(lè)甫波氣體傳感器，其特征在于，在所述壓電基片以 及輸入叉指換能器和輸出叉指換能器上方先覆蓋一層波導(dǎo)層之后再覆蓋所述敏感 膜，該波導(dǎo)層采用無(wú)機(jī)物波導(dǎo)層或有機(jī)物波導(dǎo)層。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的樂(lè)甫波氣體傳感器，其特征在于，所述輸入叉指 換能器以及輸出叉指換能器采用延遲線結(jié)構(gòu)或者諧振器結(jié)構(gòu)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的樂(lè)甫波氣體傳感器，其特征在于，所述半導(dǎo)體型敏感材料層采用s"o2或超細(xì)粉體為基材料的氣敏材料，以及以s"o2為基材料摻雜金屬催化物或碳納米管的氣敏材料；或者采用『03或『(93超細(xì)粉體為基材料的 氣敏材料，以及以『03為基材料摻雜金屬催化物或碳納米管的氣敏材料；或者采用 Fe203、 ZwO、 7703、 /"2(93、 X5C^型化合物為基材料的氣敏材料；或者采用硫化 鎘為基材料的氣敏材料；或者采用鉬氧化物為基材料的氣敏材料；以及納米金膜材 料。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的樂(lè)甫波氣體傳感器，其特征在于，所述摻雜到基材料 中的金屬催化物包括P" P6、 jm、 Zr(92、『03、 0/0、 ZwO。
6、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的樂(lè)甫波氣體傳感器，其特征在于，所述^4^93型化合 物為丄"^03。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的樂(lè)甫波氣體傳感器，其特征在于，所述壓電基片 采用各種切向的壓電基片材料，包括鈮酸鋰"M^3、鉭酸鋰"化03、石英或壓電陶 瓷。
8、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的樂(lè)甫波氣體傳感器，其特征在于，所述波導(dǎo)層采用二 氧化硅。
全文摘要
本發(fā)明提供一種樂(lè)甫波氣體傳感器，包括壓電基片、沉積在壓電基片表面的輸入叉指換能器和輸出叉指換能器、以及覆蓋在所述壓電基片以及輸入叉指換能器和輸出叉指換能器上面的敏感膜，其中，該敏感膜為半導(dǎo)體型氣敏材料層，輸入叉指換能器在壓電基片中激發(fā)聲波并傳播，輸出叉指換能器用于接收聲波，當(dāng)加載的被測(cè)物與敏感膜發(fā)生反應(yīng)后會(huì)導(dǎo)致聲波的特性發(fā)生變化，通過(guò)檢測(cè)這些變化而得到關(guān)于被測(cè)物的特性結(jié)論。本發(fā)明的樂(lè)甫波氣體傳感器能夠克服現(xiàn)有半導(dǎo)體型傳感器檢測(cè)下限不高的缺陷，從檢測(cè)手段方面改善傳感器性能，將樂(lè)甫波傳感器的結(jié)構(gòu)，與現(xiàn)有的半導(dǎo)體型固體氣敏膜技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)高靈敏度、穩(wěn)定的氣體檢測(cè)功能。
文檔編號(hào)G01N29/12GK101644696SQ200910008940
公開(kāi)日2010年2月10日 申請(qǐng)日期2009年2月13日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月19日
發(fā)明者何世堂, 劉久玲, 李紅浪, 程利娜 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所