一種聲表面波氣體傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于聲表面波領(lǐng)域，具體地是一種聲表面波氣體傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]聲表面波(SAW)的能量主要集中在表面以下I?2個(gè)波長的范圍內(nèi)，對表面特性的變化比較敏感。因此，將對特定氣體敏感的材料沉積到SAW器件上，氣體與敏感膜的物理效應(yīng)將會弓I起SAW速度的變化。通過沉積不同的敏感材料可檢測多種氣體。
[0003]SAff氣體傳感器的性能主要取決于兩個(gè)方面:敏感膜和SAW振蕩器。目前，SAff氣體傳感器的研究主要聚焦于氣體敏感膜的特性，包括膜的類型、厚度、對分析吸附物粘彈性的變化和成膜技術(shù)。SAW振蕩器的頻率穩(wěn)定性影響靈敏度、探測門限等，優(yōu)化頻率穩(wěn)定性設(shè)計(jì)將有效提高SAW傳感器的性能。
[0004]SAff傳感器的敏感機(jī)理是根據(jù)氣體對敏感膜的表面擾動，如SAW傳播路徑的擾動引起波速的變化，相應(yīng)地會引起SAW振蕩器諧振頻率的變化。目前，通常采用延遲線結(jié)構(gòu)的SAW振蕩器，并且考慮到Au的耐腐蝕性，叉指換能器(IDT)電極一般采用Au。這樣SAW氣體傳感器對氣體濃度的檢測是通過SAW延遲線振蕩器的振蕩頻率的變化反映出來的，但是在實(shí)際應(yīng)用中，改變振蕩器振蕩頻率的因素除了敏感膜質(zhì)量加載效應(yīng)或電導(dǎo)變化外還有外界環(huán)境變化(溫度、濕度和振動等)的影響。為了保證傳感器系統(tǒng)的穩(wěn)定性，必須采取措施抑制環(huán)境因素的影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明就是針對上述問題，彌補(bǔ)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種在I?100mg/m3的濃度范圍內(nèi)具有好的線性度和21 Hz/mg /cm3的靈敏度的聲表面波氣體傳感器。
[0006]為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案。
[0007]本發(fā)明一種聲表面波氣體傳感器，其中采用了雙聲路差動結(jié)構(gòu)；其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是:一聲路包括匹配網(wǎng)絡(luò)模塊連接放大器模塊、所述放大器模塊連接相移網(wǎng)絡(luò)模塊、所述相移網(wǎng)絡(luò)模塊連接功分器模塊、所述功分器模塊連接匹配網(wǎng)絡(luò)模塊，功分器模塊輸出連接混頻器；另一生路包括匹配網(wǎng)絡(luò)模塊連接放大器模塊、所述放大器模塊連接相移網(wǎng)絡(luò)模塊、所述相移網(wǎng)絡(luò)模塊連接功分器模塊、所述功分器模塊連接匹配網(wǎng)絡(luò)模塊，功分器模塊輸出連接混頻器；傳感器內(nèi)部包括敏感膜、SAff雙延遲模塊。
[0008]本發(fā)明所述采用雙聲路差動結(jié)構(gòu):一個(gè)聲路覆蓋具有選擇性的敏感膜，用作測量聲路；另一個(gè)聲路則作為參考以最大限度地抵消環(huán)境條件變化(溫度、濕度及振動等)的影響；根據(jù)差動原理，通過取兩路振蕩器的差頻，可以從很大程度上抑制環(huán)境條件變化的影響。
[0009]作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述聲表面波氣體傳感器SAW采用延遲線結(jié)構(gòu)的SAff振蕩器，并且考慮到Au的耐腐蝕性，叉指換能器(IDT)電極一般采用Au。
[0010]作為本發(fā)明的另一種優(yōu)選方案，所述SAW延遲線的單膜選擇性，通過長輸入IDT和短輸出IDT的頻響組合來實(shí)現(xiàn)。
[0011 ] 其次，本發(fā)明頻控元件的SAW延遲線的IL和Q值對SAW振蕩器的頻率穩(wěn)定性產(chǎn)生重要的影響。低的IL更容易起振，在滿足起振的條件下，放大器的增益也可以更低，這就降低了振蕩器的功耗，同時(shí)也增強(qiáng)了振蕩器的溫度穩(wěn)定性，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和靈敏度。
[0012]作為本發(fā)明的另一種優(yōu)選方案，所述低IL可通過電極寬度控制單向單相換能器(EWC/SPUDT)實(shí)現(xiàn)；為抑制旁帶，采用抽指加權(quán)的形式。
[0013]作為本發(fā)明的另一種優(yōu)選方案，本發(fā)明所述SAW表面聲波氣體傳感器靈敏度的提高是采用分辨率更高的電子束光刻(EBL)技術(shù)，采用EBL和剝離工藝相結(jié)合完成IDT的制作。
[0014]本發(fā)明的有益效果是。
[0015]本發(fā)明針對傳感器系統(tǒng)中的噪聲模擬源隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，設(shè)計(jì)提出了一種能夠控制信號擺幅并避免受到時(shí)序影響的電路結(jié)構(gòu)。通過信號擺幅的控制和對隨機(jī)序列復(fù)雜度的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了在保證輸出特征的同時(shí)，解決了工作電壓的變化帶來的時(shí)序問題，達(dá)到更加真實(shí)的噪聲模擬的目的。
[0016]本發(fā)明SAW氣體傳感器的設(shè)計(jì)和制造。為提高穩(wěn)定性和靈敏度，研究低插損(IL)的SAW延遲線和敏感膜的性能優(yōu)化。本發(fā)明選擇了化學(xué)毒劑模擬氣甲基膦酸二甲酯(DMMP)作為待測氣體和MUA作為氣敏材料，為提高靈敏度和選擇性，敏感材料采用Cu2+化學(xué)修飾和分子自組裝成膜技術(shù)；實(shí)現(xiàn)了在I?lOOmg/m3的濃度范圍內(nèi)具有好的線性度和21Hz/mg/cm3的靈敏度。
【附圖說明】
[0017]圖1是本發(fā)明一種聲表面波氣體傳感器SAW的結(jié)構(gòu)TK意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018]如圖1所示，為本發(fā)明一種聲表面波氣體傳感器SAW的結(jié)構(gòu)示意圖。其中采用了雙聲路差動結(jié)構(gòu)；其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是:一聲路包括匹配網(wǎng)絡(luò)模塊連接放大器模塊、所述放大器模塊連接相移網(wǎng)絡(luò)模塊、所述相移網(wǎng)絡(luò)模塊連接功分器模塊、所述功分器模塊連接匹配網(wǎng)絡(luò)模塊，功分器模塊輸出連接混頻器；另一生路包括匹配網(wǎng)絡(luò)模塊連接放大器模塊、所述放大器模塊連接相移網(wǎng)絡(luò)模塊、所述相移網(wǎng)絡(luò)模塊連接功分器模塊、所述功分器模塊連接匹配網(wǎng)絡(luò)模塊，功分器模塊輸出連接混頻器；傳感器內(nèi)部包括敏感膜、SAff雙延遲模塊。
[0019]本發(fā)明的檢測下限與靈敏度是評價(jià)SAW氣體傳感器性能的關(guān)鍵指標(biāo)。從傳感器的物理角度分析，影響這兩項(xiàng)指標(biāo)的關(guān)鍵因素是SAW振蕩器的工作頻率和頻率穩(wěn)定性。
[0020]所述SAW振蕩器的頻率穩(wěn)定性以dB為單位的相對于振蕩信號每赫茲帶寬內(nèi)的單邊帶調(diào)頻噪聲可表示為:1OlgSRF (Af) =1lg [GkT.( NF) *f 20/( QPO Δ f 2) ] (I)。其中，G為放大器的功率放大倍數(shù)，NF為放大器的噪聲系數(shù)，fO為振蕩器的中心頻率，f為對中心頻率的偏離，k為玻耳茲曼常數(shù)，T為絕對溫度，Q為SAW延遲線的等效品質(zhì)因子，PO為放大器的飽和輸出功率。可見傳感器系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性與延遲線的IL，Q值，環(huán)路溫度變化，夕卜圍振蕩電路噪聲等有關(guān)，這里關(guān)鍵是要降低延遲線的IL和提聞Q值。
[0021]所述SAW 傳感器的靈敏度為:Δ fv/f0= Δ vR/vR= ( kl+k2) XfOX Amv /S (2)。其中，Af為膜吸附氣體后產(chǎn)生的頻率差，fO為振蕩器的中心頻率，kl和k2為膜材料常數(shù)，Amv為吸附的氣體質(zhì)量，S為敏感區(qū)域面積。靈敏度與工作頻率和敏感膜有關(guān)，從物理角度看，工作頻率的提聞有利于傳感器靈敏度的提聞。
[0022]本發(fā)明頻控元件的SAW延遲線的IL和Q值對SAW振蕩器的頻率穩(wěn)定性產(chǎn)生重要的影響。低的IL更容易起振，在滿足起振的條件下，放大器的增益也可以更低，這就降低了振蕩器的功耗，同時(shí)也增強(qiáng)了振蕩器的溫度穩(wěn)定性，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和靈敏度。所述低IL可通過電極寬度控制單向單相換能器(EWC/SPUDT)實(shí)現(xiàn)；為抑制旁帶，采用抽指加權(quán)的形式。
[0023]本發(fā)明所述SAW表面聲波氣體傳感器靈敏度的提高是采用分辨率更高的電子束光刻(EBL)技術(shù)，采用EBL和剝離工藝相結(jié)合完成IDT的制作。
[0024]為提高SAW氣體傳感器的靈敏度，提高SAW振蕩器的頻率是一種有效的方式，本發(fā)明設(shè)計(jì)了中心頻率為480MHz的SAW雙延遲線。傳統(tǒng)的光學(xué)光刻對密集線條圖形在800nm以下難以得到好的效果，因此，采用分辨率更高的電子束光刻(EBL)技術(shù)可以解決密集線條圖形的轉(zhuǎn)移問題。為避免干法刻蝕對襯底表面的物理損傷，采用EBL和剝離工藝相結(jié)合完成IDT的制作。為提高傳感器系統(tǒng)的穩(wěn)定性，實(shí)驗(yàn)采用的壓電襯底是具有零延遲溫度系數(shù)的ST切石英晶體；Au具有惰性和抗腐蝕特性，可選作IDT的電極材料。先在壓電襯底上涂敷350nm電子抗蝕劑ZEP520A，然后在抗蝕劑上蒸發(fā)一層1nm的Al作為EBL的導(dǎo)電犧牲層。
[0025]SAW氣體傳感器的性能指標(biāo)在很大程度上取決于敏感膜的膜厚、均勻性以及對于基片表面的附著性，這就需要有具有良好重復(fù)性和可控化學(xué)選擇性敏感膜的成膜技術(shù)。MUA作為自組裝的敏感膜材料，它對有機(jī)磷化合物有著較好的選擇性和靈敏度。由于在Au表面，羥基容易被氧化生產(chǎn)Au化合膜，鍵合能力強(qiáng)，所以形成的薄膜穩(wěn)定性好，同時(shí)自組裝方式成膜也很簡單。這里以MUA作為氣敏材料采用分子自組裝技術(shù)制備對化學(xué)毒劑模擬氣DMMP敏感的薄膜。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種聲表面波氣體傳感器，其中米用了雙聲路差動結(jié)構(gòu)；其特征在于:一聲路包括匹配網(wǎng)絡(luò)模塊連接放大器模塊、所述放大器模塊連接相移網(wǎng)絡(luò)模塊、所述相移網(wǎng)絡(luò)模塊連接功分器模塊、所述功分器模塊連接匹配網(wǎng)絡(luò)模塊，功分器模塊輸出連接混頻器；另一生路包括匹配網(wǎng)絡(luò)模塊連接放大器模塊、所述放大器模塊連接相移網(wǎng)絡(luò)模塊、所述相移網(wǎng)絡(luò)模塊連接功分器模塊、所述功分器模塊連接匹配網(wǎng)絡(luò)模塊，功分器模塊輸出連接混頻器；傳感器內(nèi)部包括敏感膜、SAff雙延遲模塊。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種聲表面波氣體傳感器，其特征在于:所述聲表面波氣體傳感器SAW采用延遲線結(jié)構(gòu)的SAW振蕩器，叉指換能器(IDT)電極一般采用Au。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種聲表面波氣體傳感器，其特征在于:所述SAW延遲線的單膜選擇性，通過長輸入IDT和短輸出IDT的頻響組合來實(shí)現(xiàn)。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種聲表面波氣體傳感器，其特征在于:所述低IL可通過電極寬度控制單向單相換能器(EWC/SPUDT)實(shí)現(xiàn)，采用抽指加權(quán)的形式。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種聲表面波氣體傳感器,其特征在于:所述SAW表面聲波氣體傳感器靈敏度的提高是采用分辨率更高的電子束光刻(EBL)技術(shù)，采用EBL和剝離工藝相結(jié)合完成IDT的制作。
【專利摘要】一種聲表面波氣體傳感器。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了在1～100mg/m3的濃度范圍內(nèi)具有好的線性度和21Hz/mg/cm3的靈敏度；實(shí)現(xiàn)了在保證輸出特征的同時(shí)，解決了工作電壓的變化帶來的時(shí)序問題，達(dá)到更加真實(shí)的噪聲模擬的目的。其中采用了雙聲路差動結(jié)構(gòu)；其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：一聲路包括匹配網(wǎng)絡(luò)模塊連接放大器模塊、所述放大器模塊連接相移網(wǎng)絡(luò)模塊、所述相移網(wǎng)絡(luò)模塊連接功分器模塊、所述功分器模塊連接匹配網(wǎng)絡(luò)模塊，功分器模塊輸出連接混頻器；另一生路包括匹配網(wǎng)絡(luò)模塊連接放大器模塊、所述放大器模塊連接相移網(wǎng)絡(luò)模塊、所述相移網(wǎng)絡(luò)模塊連接功分器模塊、所述功分器模塊連接匹配網(wǎng)絡(luò)模塊，功分器模塊輸出連接混頻器；傳感器內(nèi)部包括敏感膜、SAW雙延遲模塊。
【IPC分類】G01N29/036
【公開號】CN105510434
【申請?zhí)枴緾N201410496871
【發(fā)明人】何志杰
【申請人】何志杰
【公開日】2016年4月20日
【申請日】2014年9月25日