專利名稱：雙敏感層體聲波氫氣諧振傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及氫氣傳感器技術(shù)領(lǐng)域，具體的說，是涉及一種雙敏感層體聲波氫氣 諧振傳感器。
背景技術(shù)：
氫氣作為一種無污染能源，已經(jīng)應(yīng)用于航空航天、汽車發(fā)動機、半導(dǎo)體制造和 化工企業(yè)。但是空氣中氫氣含量大于4%時，極易產(chǎn)生爆炸。因此制造可靠、響應(yīng)快速和 靈敏度高的氫氣傳感器具有十分重大的意義。目前，氫氣傳感器主要有電化學(xué)傳感器、 金屬薄膜傳感器和半導(dǎo)體氧化物傳感器。這些傳感器響應(yīng)速度通常需要數(shù)分鐘，靈敏度 較低，工作溫度也比較高，不能適應(yīng)氫氣安全、快速檢測的要求。諧振式傳感器是一種以檢測其諧振頻率、相位或振幅隨檢測物質(zhì)的變化為響應(yīng) 的傳感器，目前已經(jīng)應(yīng)用于多種生化檢測領(lǐng)域。經(jīng)過對現(xiàn)有的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，美國專利 US7047792發(fā)明了一種聲表面波諧振傳感器，采用金屬鈀作為敏感材料。工作時采用 插指狀電極激發(fā)壓電晶體的聲表面波諧振，當(dāng)鈀吸附氫氣時，其密度和彈性性能發(fā)生變 化，從而導(dǎo)致聲表面波諧振頻率的變化?；谶@種原理的傳感器在一定程度上解決了傳 統(tǒng)技術(shù)的響應(yīng)時間長和工作溫度低的問題。但上述發(fā)明所使用的聲表面波諧振方式工作 頻率低，電極的加工需要高精確的光刻技術(shù)。該傳感器采用壓電晶片作為器件基底，制 造工藝與現(xiàn)有集成電路不兼容，使其不易有效集成于射頻集成電路中。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的不足和缺陷，提出了一種雙敏感層體聲波氫氣諧振傳感 器，該傳感器諧振是利用現(xiàn)有微電子技術(shù)進(jìn)行制造的，具有工作頻率高、響應(yīng)速度快、 靈敏度高，工作溫度低、成本低的優(yōu)點，且易于實現(xiàn)陣列化和作為物聯(lián)網(wǎng)的傳感器終端。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的一種雙敏感層體聲波氫氣諧振傳感器，包括諧振器和敏感層，其特征在于，諧 振器的電極同時作為氫氣敏感層，從下向上依次設(shè)置基底、設(shè)置在基底上的空洞、下敏 感金屬層、壓電薄膜層和上敏感金屬層；下敏感金屬層、壓電薄膜層、上敏感金屬層和 空洞的面積依次減?。簧厦舾薪饘賹雍拖旅舾薪饘賹佣急┞对诃h(huán)境氣氛中，可以吸附環(huán) 境中的氫氣分子。所述的下敏感金屬層，為金屬鈀或者鈀鉬合金，其優(yōu)選的厚度為200納米至400 納米。所述的上敏感金屬層，為金屬鈀或者鈀鉬合金，其優(yōu)選的厚度為100納米至200 納米。所述的壓電薄膜層，為氮化鋁、氧化鋅或者皓鈦酸鉛薄膜，其優(yōu)選的厚度為1 微米至3微米。
本發(fā)明利用下敏感金屬層、壓電薄膜層、上敏感金屬層形成的三明治結(jié)構(gòu)在壓 電薄膜層中形成高頻體聲波，當(dāng)下敏感金屬層和上敏感金屬層吸收環(huán)境中的氫氣時，其 密度和彈性性能發(fā)生改變，從而導(dǎo)致壓電薄膜層中高頻體聲波頻率發(fā)生變化，通過檢測 這一頻率變化，即可檢測出環(huán)境中氫氣的濃度變化。與以往的技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是(1)本發(fā)明以高頻體聲波作為諧振 模式，結(jié)構(gòu)簡單，諧振頻率高；(2)本發(fā)明采用上下雙層敏感金屬進(jìn)行氫氣吸附，對體 聲波諧振頻率產(chǎn)生較大改變，因此本發(fā)明對氫氣的靈敏度高、響應(yīng)速度快；(3)本發(fā)明 利用頻率變化檢測氫氣，因此耗能低、且工作在常溫環(huán)境；(4)本發(fā)明所涉及的制造工 藝和材料都與現(xiàn)有集成電路制造工藝兼容，且無需高精度光刻工藝，所以還具有成本 低、可以與現(xiàn)有集成電路集成于一個芯片的優(yōu)點。


附圖1為本發(fā)明的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；附圖2為本發(fā)明的俯視結(jié)構(gòu)示意圖；附圖3為本發(fā)明實施例1在空氣中以及氫氣環(huán)境中完全氫化后的導(dǎo)納頻率響 應(yīng)；附圖4為本發(fā)明實施例2在空氣中以及氫氣環(huán)境中完全氫化后的導(dǎo)納頻率響應(yīng)。圖面說明1、基底；2、下敏感金屬層；3、壓電薄膜層；4、上敏感金屬層； 5、空洞
具體實施例方式一種雙敏感層體聲波氫氣諧振傳感器，包括諧振器和敏感層，其特征在于，諧 振器的電極同時作為氫氣敏感層，從下向上依次設(shè)置基底1、設(shè)置在基底1上的空洞5、 下敏感金屬層2、壓電薄膜層3和上敏感金屬層4;下敏感金屬層2、壓電薄膜層3、上敏 感金屬層4和空洞5的面積依次減?。簧厦舾薪饘賹?和下敏感金屬層2都暴露在環(huán)境氣 氛中，可以吸附環(huán)境中的氫氣分子。實施例1本實施例中，基底1為(100)取向的硅片。下敏感金屬層2為金屬鈀，厚度為300納米。上敏感金屬層4為金屬鈀，厚度 為100納米。上述兩種金屬材料均采用直流濺射方法制作。壓電薄膜層3為氮化鋁，厚度為2微米，采用射頻濺射方法制作?？斩?采用體硅工藝制作，設(shè)置在下敏感金屬層的正下方，使下敏感金屬層的 一部分暴露在環(huán)境氣氛中。工作時，下敏感金屬層2和上敏感金屬層4之間施加射頻交變電信號，在壓電薄 膜層3中激勵體聲波諧振。如附圖3所示，空氣環(huán)境中，器件諧振頻率為2377兆赫茲。 當(dāng)處于氫氣環(huán)境中時，下敏感金屬層2和上敏感金屬層4的鈀吸收環(huán)境中的氫氣分子， 密度和彈性性質(zhì)發(fā)生改變，從而導(dǎo)致器件的諧振頻率發(fā)生變化。鈀的氫化程度與環(huán)境中 氫氣的濃度有關(guān)，也反應(yīng)于器件頻率的變化程度上。附圖3顯示了氫氣環(huán)境中敏感層完 全氫化后器件的導(dǎo)納響應(yīng)，此時諧振頻率變化了 15.1兆赫茲。通過外接頻率檢測電路，可以檢測出諧振頻率的變化，獲得環(huán)境氣氛中氫氣的濃度值。實施例2本實施例中，基底為(100)取向的硅片。下敏感金屬層為75/25的鈀銀合金，厚度為300納米。上敏感金屬層為75/25 的鈀銀合金，厚度為100納米。上述兩種合金材料均采用直流濺射方法制作。壓電薄膜層為氧化鋅，厚度為1微米，采用射頻濺射方法制作?？斩床捎皿w硅工藝制作，設(shè)置在下敏感金屬層的正下方，使下敏感金屬層的一 部分暴露在環(huán)境氣氛中。工作時，下敏感金屬層2和上敏感金屬層4之間施加射頻交變電信號，在壓電薄 膜層3中激勵體聲波諧振。如附圖4所示，空氣環(huán)境中，器件諧振頻率為2411兆赫茲。 當(dāng)處于氫氣環(huán)境中時，下敏感金屬層2和上敏感金屬層4的鈀銀合金吸收環(huán)境中的氫氣分 子，密度和彈性性質(zhì)發(fā)生改變，從而導(dǎo)致器件的諧振頻率發(fā)生變化。鈀的氫化程度與環(huán) 境中氫氣的濃度有關(guān)，也反應(yīng)于器件頻率的變化程度上。附圖4顯示了氫氣環(huán)境中敏感 層完全氫化后器件的導(dǎo)納響應(yīng)，此時諧振頻率變化了 10.1兆赫茲。通過外接頻率檢測電 路，可以檢測出諧振頻率的變化，獲得環(huán)境氣氛中氫氣的濃度值。
權(quán)利要求
1.一種雙敏感層體聲波氫氣諧振傳感器，包括諧振器和敏感層，其特征在于，諧振 器的電極同時作為氫氣敏感層，從下向上依次設(shè)置基底(1)、設(shè)置在基底(1)上的空洞 (5)、下敏感金屬層(2)、壓電薄膜層(3)和上敏感金屬層(4)；下敏感金屬層(2)、壓電 薄膜層(3)、上敏感金屬層(4)和空洞(5)的面積依次減??；上敏感金屬層(4)和下敏感 金屬層(2)都暴露在環(huán)境氣氛中，可以吸附環(huán)境中的氫氣分子。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙敏感層體聲波氫氣諧振傳感器，其特征是，所述的下敏感 金屬層(2)，為金屬鈀或者鈀鉬合金，其優(yōu)選的厚度為200納米至400納米。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙敏感層體聲波氫氣諧振傳感器，其特征是，所述的上敏感 金屬層(4)，為金屬鈀或者鈀鉬合金，其優(yōu)選的厚度為100納米至200納米。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙敏感層體聲波氫氣諧振傳感器，其特征是，所述的壓電薄 膜層(3)，為氮化鋁、氧化鋅或者皓鈦酸鉛薄膜，其優(yōu)選的厚度為1微米至3微米。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙敏感層體聲波氫氣諧振傳感器，其特征是，所述的基底 (1)為硅片或玻璃。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種雙敏感層體聲波氫氣諧振傳感器。包括基底、下敏感金屬層、壓電薄膜層、上敏感金屬層和空洞，具有上敏感金屬層和下敏感金屬層對氫氣的雙敏感層。以高頻體聲波作為諧振模式，結(jié)構(gòu)簡單，諧振頻率高；對氫氣的靈敏度高、響應(yīng)速度快；耗能低、且工作在常溫環(huán)境；涉及的制造工藝和材料都與現(xiàn)有集成電路制造工藝兼容，無需高精度光刻工藝，所以還具有成本低、可以與現(xiàn)有集成電路集成，易于實現(xiàn)陣列化和作為與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳感器終端?？梢詰?yīng)用于氫氣生產(chǎn)、運輸和使用中的濃度監(jiān)測。
文檔編號G01N29/036GK102023184SQ20101053543
公開日2011年4月20日 申請日期2010年10月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月28日
發(fā)明者干耀國, 張會云, 張玉萍, 王璟璟, 陳達(dá) 申請人:山東科技大學(xué)