专利名称：减少凝聚和恢复时间的声波传感器的制作方法
技术领域：
实施例一般涉及检测器件、系统和方法。实施例还涉及声波传感器，诸如，例如，表面声波(SAW)和体声波(BAW)器件和传感器。实施例还涉及湿度和凝聚检测应用。
背景技术：
声波传感器在若干检测应用中，诸如，例如，温度、压力、湿度和/或气体检测器件和系统中利用。声波传感器的示例包括诸如声波传感器等器件，它可以是用来检测诸如化学药品和生物材料等物质的存在。用作传感器的声波(例如，SAW/BAW)器件，由于对表面负载的高度灵敏和它们固有的高Q值造成的低噪声，可以提供高度灵敏的检测机制。
表面声波器件一般利用光刻技术制造，带有放置在压电材料上的梳状交叉指型换能器。表面声波器件可以有延迟线或谐振器结构。表面声波化学和/或生物学传感器的选择性一般由放置在该压电材料上的选择性涂层确定。进入该选择性涂层的待测种类的吸收和/或吸附可能对该SAW/BAW器件引起质量负载、弹性和/或黏弹性作用。由于该种类的吸收和/或吸附造成的声学特性的改变可以解释为延迟线表面声波器件的延迟时间移位或谐振器(BAW/SAW)声波器件的频移。
声波检测装置往往依靠石英晶体谐振器组件，诸如适应与电子振荡器一起使用的类型的使用。在一个典型气体传感应用中，选择性薄膜(亦即，施加于该晶体的表面的)涂层中气体分子的吸收可以增大该晶体的质量，而同时降低晶体的谐振频率。厚度剪切模式(TSM)晶体单元，例如，诸如一个AT-切割单元的频率与该晶片的厚度成反比。例如，典型的5-兆赫三次泛音晶片是1百万原子层厚的数量级。分析物的吸收等效于一个原子层石英的质量，它使该频率变化大约1ppm。
因此，厚度剪切模式谐振器被广泛地称作石英晶体微量天平。计算已经确定，基波的灵敏度约为三次泛音的9倍。5MHz AT-切割的TSM晶体空白，例如，大约0.33毫米厚(基波)。该电极的厚度可以，例如，在大约0.2-0.5μm。该涂层造成的频率改变一般为ΔF＝-2.3×106F2(ΔM/A)，其中ΔF的值代表该涂层造成的频率改变(Hz)，F代表石英片的频率(Hz)，ΔM代表淀积涂层的质量(g)，而数值A代表涂层面积(cm2)。
诸如，例如，石英晶体谐振器、表面声波器件和石英晶体微量天平器件等涂有选择性吸附剂薄膜的声学传感器对湿度、气体和化学检测应用具有引力，因为它们具有高的灵敏度、选择性和耐久性。所实现的检测机制取决于涂层压电晶体曝露于湿度、气体等时的物理化学和电气时的特性变化。测量结果一般作为利用涂层晶体作为反馈元件的闭环振荡器的输出频率获得。
当该传感器曝露于分析物时，该薄膜吸附分析物，并测量相应的频移作为任何物理化学和电气变化的结果。影响涂层特性的因素包括涂层密度、涂层模量、衬底润湿、涂层形态学、电导率、电容和介电常数。涂层材料的选择、涂层结构和涂敷技术都影响传感器的响应。
薄膜淀积用的传统技术极其多种多样，取决于涂层材料和衬底的特性。对于大部分无机和复合材料，这样的技术的示例包括CVD(化学气相淀积)、PVD和溶胶-凝胶。对于聚合物材料，往往推荐从聚合物的挥发性溶剂溶液的自组合浸渍方法、铸造、喷涂和/或自旋涂敷。基于这些传统技术的配置一般确定声波传感器的特性。涂敷方法对于传感器的可重复性也是重要的。因为它们的寿命相对较短，这样的传感器的更换往往比那些基于金属氧化物的更频繁。当更换传感器时，它们丢失它们以前学习的气味的记忆。换句话说，这样的器件的响应曲线改变了，于是更换的传感器必须重新训练和/或重新标定。
由于实际原因，沸石被广泛利用作为物理吸附涂层材料。沸石是结晶的碱元素或碱土元素(例如，锂、钠、钾、镁、钙、钡)铝硅酸盐，带有基于AlO4和SO4四面体宽阔的3维网络框架。这些四面体装配入辅助的多面体构件，诸如立方体、八面和六面棱柱体。最后的沸石结构由二次构件装配入规则的3维结晶框架内而构成。每个铝原子，例如，都具有(-1)的电荷，而这会在该网络内引起阴电荷。
为了平衡该电荷需要阳离子，并占用非框架位置。一般该框架是由互联的笼子和/或沟道组成的。基本上是“空”的笼子和/或沟道的这些器件或系统提供良好吸附剂所需的高的储存能力。沸石吸附剂的特征在于它们均匀的晶体内开孔尺寸。尺寸均匀的开孔使根据尺寸的分子辨别(例如，空间分离)成为可能。大于可以扩散进入该晶体的最大尺寸的分子被排除。
吸附能力和选择性可能显著地受所使用的阳离子类型和离子交换的范围影响。在气体分离用的沸石的优化中，该修改类型是重要的。均匀的孔结构、开孔尺寸容易改变、优异的热学和液热稳定性、低分压下高的吸附能力和适度的成本使沸石在许多分离应用中得到广泛使用。例如，一种涂有选择性吸附剂薄膜的石英晶体微量天平化学传感器可以是利用来选择性检测CO。该薄涂层包括固态无孔无机基体和包含在无机基体内的多孔沸石晶体，沸石晶体的孔选择性地吸附尺寸小于预选大小的化学个体。
该基体可以选自溶胶-凝胶衍生的玻璃、聚合物和粘土一组。修改沸石晶体的孔，使之呈Lewis或Bronsted酸性或碱性，并能够通过金属离子的存在提供沸石内的络合物形成。该膜可以从包含沸石晶体的氧化铝、硼-铝-硅酸盐、钽、水解二乙氧基二苯基硅烷或硅烷橡胶基体配置。该无机基体的厚度一般为0.001-10μm，而沸石晶体孔的直径约为0.25-1.2nm。单层沸石晶体涂层从无定形SiO2基体突出。
聚合物可以定义为由大量的称为单体的重复单元构成的化合物。这些单体由共价键结合在一起形成长链。聚合度定义为该链中重复单元的数目。聚合物的特性取决于聚合物链的总尺寸和把该聚合物保持在一起的分子间和分子内的力。一般，感兴趣的聚合物特性表征为扩散/渗透特性或机械特性。当一个种类扩散进入聚合物膜产生一个简单的质量负荷时，扩散/渗透特性的测量值是直接的。用作传感器涂层的聚合物是丁基橡胶、纤维素聚合物、聚硅氧烷、聚苯胺和聚乙烯等。
聚合物，具体地说，橡胶状的无定形聚合物作为化学敏感传感器涂层有几个固有的优点。它们可以通过溶剂铸造或喷涂淀积成厚度相当均匀的薄的粘附的连续薄膜。它们是非挥发性的和均匀的成份，而它们的化学和物理特性在某种程度上可以通过合理选择单体和合成程序修改。玻璃的转变温度Tg是聚合物从玻璃态变为橡胶态时的温度。高于Tg，渗透性完全受扩散力控制，而吸附迅速和可逆地进行。橡胶状无定形聚合物的再一个优点是它们的吸附等温线在渗透浓度的相对较大的范围内往往是线性的。
但是，聚合物，诸如用于大部分湿度传感器的聚丙亚胺膜的缺点之一是反复加热可能使该聚合物或聚丙亚胺膜由于热膨胀系数一般与衬底和吸收不匹配而分层。因此，加热可能使聚丙亚胺膜引起不可逆的改变。在高凝聚应用(例如，燃料电池)中，依赖于聚合物或聚丙亚胺膜的传感器无法符合这些要求。
发明内容
以下提供发明内容以便于理解本发明特有的一些创新特征，而不是想要作一完全的描述。通过作为一个整体阅读整个说明书、权利要求书、附图和摘要，将可以取得本发明不同方面的完全理解。
因此，本发明的一个方面是提供改进的传感器方法和系统。
本发明的另一个方面是提供改进的声波传感器方法和系统。
本发明的再一个方面是要提供一种改进的多模式表面声波(SAW)或体声波(BAW)检测系统。
本发明还有一个方面是提供改进的湿度和/或凝聚传感器。
现在本文描述的内容能达到本发明的上述各个方面及其他目标和优点。公开了一种声波传感器设备，包括系统及其方法。这样一种设备一般包括压电衬底，其上具有一个表面。在该压电衬底上可以形成一个或多个交叉指型的换能器和钝化层。另外，可以在该钝化层上形成吸附剂材料，使得交叉指型换能器响应多个越过该压电衬底表面传播的声波，以此提供指示压电衬底、及该钝化层和该交叉指型换能器附近的湿度的数据。另外，可以在与该交叉指型换能器、钝化层和吸附剂材料定位的压电衬底一侧相反的压电衬底一侧形成一个或多个加热器。该加热器最好可以从诸如铂等材料配置。
越过该压电衬底表面传播的多个声波包括多个模式的频率输出，其中可以优化其至少一个频率模式，而同时抑制该多个模式频率输出当中的所有其余频率模式，以便产生指示所监测的化学种类(例如，湿度)的特定数据。当在该压电衬底附近发生凝聚时，该压电衬底可以以优化的频率模式振动，这样的凝聚对其起阻尼力的作用。该压电衬底一般在剪切水平方向振动，以便减轻其阻尼。
另外，可以设置多个振荡器，它们与该交叉指型换能器相联系，使得该多个检测组件的每一个检测组件都位于一个带有该多个振荡器中的一个振荡器的反馈回路内，以此提供多模式声波传感器，后者提供其多模式频率输出。这样的多模式频率输出可以包括以下类型数据中的至少一个弯曲片模式(FMP)数据、声学片模式数据、剪切水平声学片模式(SH-APM)数据、振幅片模式(APM)数据、厚度剪切模式(TSM)数据、表面声波模式(SAW)、体声波模式(BAW)数据、扭曲模式数据、拉夫波(love wave)数据、漏表面声波模式(LSAW)数据和伪表面声波模式(PSAW)数据，至少一个多模式声学的振幅、横向模式数据、表面撇取模式数据、表面横向模式数据、谐波模式数据和泛音模式数据。一般说来，该多模式声学的振幅可以通过这样的振荡器控制。
在所有单独的视图中相似的引用号标示相同或功能相似的元件，而且这些附图包含在该说明书中并形成其一部分，还举例说明本发明，并连同本发明的详细说明一起用来解释本发明的原理。
图1举例说明一个可以适于与一个实施例一起使用的交叉指型电极表面波器件的透视图；图2举例说明可以适于与一个实施例一起使用在图1描绘的交叉指型电极表面波器件沿着A-A线的剖面视图；图3举例说明可以适于与一个实施例一起使用交叉指型电极表面波器件的透视图；图4举例说明可以适于与一个实施例一起使用在图3中描绘的交叉指型电极表面波器件沿着A-A线的剖面视图；图5举例说明可以按照一个优选实施例实现的声波传感器设备的顶视图；图6是按照一个优选实施例的在图5描绘的声波传感器设备的侧剖面图；图7举例说明可以适于按照一个实施例使用的多模式声波传感器系统的框图；图8举例说明可以按照一个实施例实现的多模式声波传感器系统的框图；而图9举例说明按照本发明优选或备选的实施例的湿度传感器配置中可以利用解吸附作用的变化方式示意描述。
具体实施例方式
在这些非限制性示例中讨论的特定的数值和配置是可以改变的，而且只是引用来举例说明至少一个实施例，而不是想要限制本发明的范围。
在一个声波器件中可以存在许多振动模式。声波器件一般设计得只优化一种振动模式，而同时抑制其它模式。但是，这样的“不希望有的”模式可以在亲和力/吸附型传感器中用于解吸附作用。这样的方式可以包括，例如，弯曲片模式(FPM)、声学片模式、剪切水平声学片模式(SH-APM)、振幅片模式(APM)、厚度剪切模式(TSM)、表面声波模式(SAW)、体声波模式(BAW)、扭曲模式、拉夫波、漏表面声波模式(LSAW)、伪表面声波模式(PSAW)、横向模式、表面撇取模式、表面横向模式、谐波模式和/或泛音模式。因而，按照这里公开的实施例，可以利用多个振动模式来生产多模式声波器件，具体地说利用于湿度和/或凝聚检测的器件。
图1举例说明可以按照一个实施例实现的交叉指型表面波器件100的透视图。表面波器件100可能适用于湿度检测活动，正如在这里更详细描述的。表面波器件100可以配置成一般包括在压电衬底104上形成的交叉指型换能器106。该表面波器件100可以在传感器芯片的环境中实现。交叉指型换能器106可以用电极形式配置。
图2举例说明按照一个实施例在图1描绘的交叉指型电极表面波器件100沿着A-A线的剖面视图。压电衬底104可以从各种各样的衬底材料形成，诸如，例如，石英、铌酸锂(LiNbO3)、钽酸锂(LiTaO3)、Li2B4O7、GaPO4、langasite(La3Ga5SiO14)、ZnO和/或外延生长的氮化物，诸如Al、Ga或Ln，仅举几个例子。
交叉指型换能器106可以从一般分为3组的材料形成。第一，交叉指型换能器106可以从金属族材料形成(例如，Al、Pt、Au、Rh、Ir、Cu、Ti、W、Cr或Ni)。第二，交叉指型换能器106可以从诸如NiCr或CuAl等合金形成。第三，交叉指型换能器106可以从金属-非金属化合物形成(例如，基于TiN、CoSi2或WC的陶瓷电极)。取决于衬底和交叉指型换能器材料的生物适应性，生物兼容的涂层102的薄层可以用来覆盖交叉指型换能器和衬底。
图3举例说明可以按照备选实施例实现的交叉指型电极表面波器件300的透视图。在图3-4中描绘的配置类似于在图1-2举例说明的，增加了天线308，其连接到无线激励组件310(亦即，图4所示)并设置在其上面。表面波器件300一般包括在压电衬底304上形成的交叉指型换能器306。因此，表面波器件300可以起交叉指型电极表面波器件的作用，以及特别是一种利用表面撇取体波技术的器件。交叉指型换能器306可以用电极形式配置。涂层302可以选择能承受反复加热的有害作用。
声学特性中的变化可以检测出来并利用来识别或检测被该交叉指型换能器306吸收和/或吸附的物质(例如，湿度/凝聚)或种类。因而，交叉指型换能器306可以经由无线装置激励，以实现表面声学模型。因而，天线308和无线激励组件310可以利用来激励一个或多个与液流分析用的液体的流动相联系的频率模式。
图4举例说明按照一个实施例在图3中描绘的交叉指型表面波器件300沿着A-A线的剖面视图。因而，天线308示于图4，设置在涂层302上面并连接到可以在一个区域的涂层302内形成无线激励组件310。类似于图2的配置，压电衬底304可以从各种各样的衬底材料，诸如，例如，石英、铌酸锂(LiNbOa)、钽酸锂(LiTaO3)、Li2B4O7、GaPO4、langasite(La3Ga5SiO14)、ZnO和/或外延生长的氮化物，诸如Al，Ga或Ln形成，仅举出几个例子。
交叉指型换能器306可以从一般分为3组的材料形成。第一，交叉指型换能器106可以从金属族材料(例如，Al，Pt，Au，Rh，Ir Cu，Ti，W，Cr或Ni)形成。第二，交叉指型换能器106可以从诸如NiCr或CuAl等合金形成。第三，交叉指型换能器306可以从金属-非金属化合物(例如，基于TiN、CoSi2或WC的陶瓷电极)形成。
图5举例说明可以按照一个优选实施例实现的声波传感器设备500的顶视图。图6是在图5描绘的声波传感器设备的侧剖视图。在图5-6中，相同或类似的部件或元件一般用相同的附图标记标示。设备500一般包括压电衬底512，其上具有一个表面。一个或多个交叉指型换能器502、504可以在压电衬底512上形成。请注意，每一个交叉指型换能器502、504都类似于在图1描绘的交叉指型换能器106。在压电衬底512上还可以形成钝化层510。然后可以在钝化层510上形成吸附剂材料506。交叉指型换能器502、504可以响应多个越过压电衬底512表面传播的声波，以此提供指示压电衬底512、钝化层510和交叉指型换能器502、504附近的湿度的数据。
另外，一个或多个加热器，诸如加热器514可以定位在压电衬底512与其上定位了交叉指型换能器502、504、钝化层510和吸附剂材料506一侧相反的一侧(亦即，背侧)。加热器514避免使聚酰亚胺膜由于热膨胀系数与压电衬底512不匹配和在性质上的吸收而分层。因而，加热器514可以防止该膜不可逆的改变。这样的膜可以是与衬底512上的加热器514集成在一起的聚酰亚胺。
设备500起湿度传感器的作用并为了实现吸附剂材料506，可以使用湿度吸附剂/吸附剂材料。因而，吸附剂材料506可以从诸如，例如，乙酸纤维素(CAB)、聚酰亚胺、聚酚树脂(PPR)、高氟化树脂、硅石(SiO2)、α-氧化铝(Al2O3)、玻璃纤维树脂、有机-无机(AMPS/SiO2)混合物、lonenes和/或Li2SnO3形成。对于大部分应用，该环境条件决定传感器/检测材料的选择。在诸如燃料电池等高凝聚应用中，该湿度检测材料(例如，吸附剂材料506)可以是硅石(SiO2)、α-氧化铝(Al2O3)、沸石和Li2SnO3等等。按照一个优选的实施例，检测材料(例如，吸附剂材料506)可以多孔陶瓷或类似的材料形成。
这里描述的表面声波器件传感器设备500可以使用比传统的传感器件较高的振幅于解吸附作用目的。较高的振幅要求较高驱动电平，亦即，通过可以配置压电衬底512的石英晶体的高电流。解吸附作用一般由高振幅振动和表面声波器件传感器设备500本身产生的热量的结合作用产生。高振幅基波与高振幅泛音一起使用可以通过振荡器和相关的电子电路控制和编程。这里参照图7描述这样的振荡器和相关电子电路的示例(例如，参见声波传感器设备700)。
如前所述，在一个声波器件中可以存在许多模式。可以优化多个模式，而同时可以抑制其它模式，取决于设计考虑。可以优化多个模式，例如，通过在2模式或3模式的边缘设计参数(例如，交叉指型换能器502、504的电极厚度、交叉指型换能器502、504的“开孔”尺寸、电极材料的选择、较少数目的IDT手指等)。传统的声学器件设计远离在检测应用中不予以考虑的区域。
当发生凝聚时，可以激励一个SAW装置，诸如表面声波传感器设备500，使之首先在该表面模式振动，使得SAW器件表面上的水对该器件起阻尼力的作用。因为该器件设计得也能够在剪切水平方向振动，那里的阻尼将小得多，使得该振动将变为剪切水平方向，而该SAW器件还可以起SH-SAW的作用。通过慎重设计，同一检测层也可以起波导的作用。
相对于该驱动电平振幅的变化的石英晶体单元的频率变化可以称作振幅-频率效应。可以在稳定的干燥环境条件下获得结果数据曲线。但在实际上，总频移可以来自振幅变化(例如，基线)、温度(补偿)和该分析物的解吸附作用。
图7举例说明适宜于按照一个实施例使用的声波传感器设备700的框图。设备700可以实现为一个传感器的阵列，诸如，例如，多个石英晶体708，710，712，714和716，它们定位在测试小区702内。每一个石英晶体都可以放入振荡器的反馈路径上。例如，石英晶体708可以放入振荡器电路709的反馈路径上，而同时石英晶体710一般放入振荡器电路711的反馈路径上。类似地，石英晶体712可以放入振荡电路713振荡电路反馈路径上，而同时石英晶体713一般放入振荡电路715的反馈路径上。最后，石英晶体716一般放入振荡电路717的反馈路径上。振荡电路709，711，713，715和717与频率计数器704通信，后者本身处于一个处理器706的控制下。在实践中，气流或其他化学流可以通过入口720进入测试单元702并经由排水沟722排出。
为了适当地代表该数据，在一个传感器的阵列，诸如图7描绘的设备700之类的传感器阵列的涂层选择方面，可以实现数目最小的传感器/涂层。因而，应该除去呈现类似的或冗余响应的涂层。当选自一组涂层时，应该根据诸如灵敏度、稳定性或成本的考虑。
湿度传感器的选择性可以通过取选择性吸附剂材料的优点来改进。利用选择性渗透过滤器可以实现某些改进。但是，在传感器使用以前，干扰可能不总是已知的。另外，要求同时监测多个分析物的应用要求多个传感器。在这样的情况下，可以利用每一个都带有感兴趣的分析物的不同程度的选择性的涂层的传感器阵列。
按照模式识别分析，涂层可以按照它对一组分析物的响应分类。阵列中的每一个传感器都可以用不同的涂层设计，其中选定每一个涂层来不同地响应一组分析物的成员。这些响应的结合应该产生每一个分析物的一个独特指纹。为了在来自一个化学传感器的阵列的响应模式和相应的分析物的识别之间建立响应模式之间的相关性，已经开发了若干种方法。该阵列的效率取决于涂层响应的唯一性。
图8举例说明可以按照一个实施例适于湿度检测应用的多模式声波传感器设备800的框图。设备800可以实现为两沟道SAW传感器，由第一沟道802和第二沟道804组成。第一沟道802由检测涂层803组成，而同时第二沟道804包括检测涂层805。每一个沟道802和804都可以包括石英晶体检测组件。第二沟道804包括一个等同于第一沟道802所包含的石英晶体结构，检测涂层803和805除外。两个沟道802和804可以放入两个相同的振荡器806和808的反馈路径上，而该电路的输出810是它们所产生的两个频率的差。采用这种配置，SAW传感器设备800可以通过消除由于所监测的化学种类以外环境的变化造成的响应，提高检测准确性。
可以为不同的气体检测应用使用选择性吸附剂涂层材料。这样的涂层材料的示例包括NO2、SO2、CO2、H2S、NH3、HCl、水蒸气和碳氢化合物。由于吸附种类和该固体的分子相互作用而发生吸附。当形成强相互作用，包括氢键和共价键和离子键时，出现化学吸附。化学吸附甚至在非常低的浓度下出现，而且该化学吸附种类往往″不可逆的″束缚该表面上，亦即，它们在周围温度条件下不会容易被解吸附。但是，按照另一个实施例，SAW传感器设备800可以实现为SAW/BAW湿度/露点传感器。而同时湿度传感器往往在检测材料表面凝聚。因此，多模式的使用可以振掉小水滴，而该传感器将迅速从水饱和中恢复。
频率可以以比远高于任何其它数量的准确性进行测量。双模式激励，诸如由设备800提供的，可以提供高级检测，因为两个模式占用同一容量的石英。在多模式激励中，多个激励模式占用同一容量的压电材料。多模式可以借助于共享公用的压电器件的多个振荡电路同时激励。但是，在该设计中，其它的模式设计来在该传感器曝露在该分析物之后才被激励。
该压电衬底材料可以是α-石英、铌酸锂和钽酸锂(LiTaO3)以及Li2B4O7、AlPO4、GaPO4、langasite(La3Ga5SiO14)、ZnO和外延生长的(Al、Ga、In)的氮化物。该压电器件用的电极材料可以被分为3组金属(例如，Al，Pt，Au，Rh，Ir，Cu，Ti，W，Cr和Ni)、合金(例如，NiCr，CuAl)和金属-非金属化合物(例如，陶瓷电极TiN、CoSi2和WC)。
选择性吸附剂涂层材料已经用于不同的湿度检测。吸附由于吸附种类和固体之间分子的相互作用而发生。当强相互作用，包括氢键和共价键和离子键的形成时，发生化学吸附。甚至在非常低的浓度下也发生化学吸附，而该化学吸附种类往往“不可逆地”束缚在该表面上。换句话说，在周围温度条件下它们不容易被解吸附。
物理吸附代表弱相互作用，一般是范德瓦耳斯力。物理吸附用的常见材料可以包括，例如，活性炭、硅石和氧化铝凝胶和沸石、多孔聚合物(例如Tenax、XAD和红色硅藻土色谱载体)。吸附剂往往是表面积大(例如200至1000m2/g)的微孔固体。通过使用特定尺寸的材料达到高的辨别度，具有刚好大于该要求分析物的动力学直径的受控的孔尺寸。这完全从这些孔排除所有较大的种类；显著地小于该选定的分析物的分子，尽管能够适合进入这些孔，但是由于尺寸不匹配而具有较小的相互作用能量。
声波器件的振动可以用来打断该分析物和检测材料之间的结合(亦即，连接)。在压电器件中可以传播各种各样声学模式，包括体波和表面波。对于大部分声波器件，衬底材料和晶体取向一般选定得只可以激励一种模式。但是，可以激励其它模式。可以选定振动频率和振幅，使得它们最适用于打断该检测材料和分析物之间的结合。因此，这里公开的声波器件/传感器能够检测它的表面上的凝聚。这样的一个传感器系统或器件可以设计使得当发生凝聚时，该振荡器在较高振幅下操作，因而通过这个过程产生的振动和热量将能够清除该检测表面上的凝聚水。
图9举例说明描述变化模式900的示意图，按照本发明优选或备选的实施例，它可以利用在亲和力/吸附型传感器的解吸附作用。例如，图9描绘“厚度”，包括基波902、三次泛音904和5次泛音906。与向外延伸906和长度-宽度弯曲908一起，在图9中还描绘了面剪切904。图9举例说明这样一个事实，即许多振动模式可以存在于一个声波器件中，而且声波和/或BAW器件一般设计得只优化一种振动模式，而同时抑制其它模式。
按照这里描述的实施例，这样的“不希望有的”模式可以在亲和力/吸附型传感器中利用来解吸附。这样的模式可以包括，例如，弯曲片模式(FPM)(例如，见长度-宽度弯曲908)、剪切水平声学片模式(SH-APM)(例如，见面剪切904)和厚度剪切模式(TSM)(例如，见基波902、三次泛音904和5次泛音906)。当然，可以理解，这样的模式只是许多可以按照优选或备选的实施例利用的其它类型的模式中的几个，而且在这里指出只是为了便于举例说明。
这里描述的湿度传感器实施例可以应用于若干重要的工业和商业装置和系统。这里公开的传感器一个重大的应用涉及燃料电池应用。有几种类型的燃料电池，但是聚合物电解膜(PEM)燃料电池，亦称质子交换膜燃料电池，是一般汽车用的类型。PEM燃料电池使用氢燃料和来自空气的氧来产生电力。一般，设计用于车辆的大部分燃料电池产生小于1.16伏的电，这一般不足以向车辆供电。因此，必须多个单元装配进燃料电池堆叠。由燃料电池堆叠产生的电势功率取决于包括在该堆叠中的各个燃料电池的数目和尺寸以及PEM的表面积。
其中可以实现这里公开的一个或多个方法和系统的燃料电池应用的一个示例在美国专利No.6607854“PEM燃料电池系统用的三轮空气涡轮压缩机”中公开，而2003年8月19日向Rehg等人颁布的美国专利No.6607854公开了包括一个压缩机和该压缩机下游的一个燃料处理器的燃料电池系统。在美国专利No.6607854中，配置一个与该燃料处理器和压缩机连通的燃料电池堆叠。燃烧室在该燃料电池堆叠的下游。第一和第二涡轮机在燃料处理器下游，彼此平行流动连通。分配阀与该第一和第二涡轮机连通。该第一和第二涡轮机在机械上与该压缩机啮合。旁路阀处在该压缩机和该第二涡轮机的中间，该旁路阀使来自该压缩机的压缩气体旁路到燃料处理器。美国专利No.6607854已转让Honeywell International公司，并通过引用结合于此。
在2003年6月10日公布的已转让给Honeywell International公司的美国专利公告No.2003/0129468A1，“在燃料电池排水用的气体阻塞机制”公开了其中可以实现这里公开的一个或多个方法和系统的燃料电池应用的另一个示例，美国专利公告No.2003/0129468A1通过引用结合于此。2003年6月3日公布的lssacci等人的转让给Honeywell International公司的美国专利公告No.2003/0124401A1，“燃料电池堆叠中d1综合恢复循环”公开了其中可以实现这里公开的一个或多个方法和系统的燃料电池应用的另一个示例，该美国专利公告No.2003/0124401A1也通过引用结合于此。
当SAW器件在较高的温度下或在较高的振幅下操作时，该SAW器件可能出现应力诱生材料传输(声学迁移)，亦即，IDT指型电极或压电衬底可能通过开裂等而损坏，指出这一点很重要。研究表明，高功率应用的SAW滤波器一般使用铜电极代替铝或其合金。但是，铜的高扩散性和氧化特性要求包围薄的阻挡层，具体地说它可以有效的对付铜和氧的扩散。因此，TaSiN可以利用于这一目的。
在这里提出的实施例和示例是为了最佳地解释本发明及其实际应用，以此使本专业的技术人员能够实现和利用本发明而提出的。但是，本专业的技术人员将会意识到，上面的描述和已经提出的示例只是为了达到举例说明和示例的目的。本发明的其它的变动和修改对于本专业的技术人员将是显而易见的，后附权利要求书的意图是覆盖这样的变动和修改。
所提出的描述不是想要穷尽或限制本发明的范围。在不脱离以下权利要求书的范围的情况下，在上述教导方面，许多修改和变动都是可能的。本发明的使用打算可以涉及具有不同的特性的组件。本发明的范围旨在由所附的权利要求书限定，在所有方面给出对等效物的充分认识。
权利要求
1.一种声波传感器设备，包括压电衬底，其上具有表面；至少一个交叉指型换能器和钝化层，在所述压电衬底上形成；和在所述钝化层上形成的吸附剂材料，其中所述至少一个交叉指型换能器响应越过所述压电衬底的所述表面传播的多个声波，提供指示所述压电衬底、所述钝化层以及所述至少一个交叉指型换能器附近的湿度的数据。
2.权利要求1的设备，还包括至少一个加热器，在所述至少一个交叉指型换能器、所述钝化和所述吸附剂材料所定位的一侧相反的所述压电衬底的一侧上形成。
3.权利要求2的设备，其中所述至少一个加热器包括铂。
4.权利要求1的设备，其中越过所述压电衬底的所述表面传播的所述多个声波包括多模式频率输出，使得优化其中至少一个频率模式，而同时抑制所述多模式频率输出当中的所有其余的频率模式，以便产生指示所监测的化学种类的特定的数据。
5.权利要求4的设备，其中当在所述压电衬底附近发生凝聚时，所述压电衬底在所述至少一个频率模式中振动，这样的所述凝聚在其上起阻尼力的作用。
6.权利要求5的设备，其中所述压电衬底在剪切水平方向振动，以便减小其阻尼。
7.权利要求1的设备，还包括多个与所述至少一个交叉指型换能器相关联的振荡器，其中所述多个检测组件的每一个检测组件都位于具有所述多个振荡器中一个振荡器的反馈回路上，以此提供能够提供其多模式频率输出的多模式声波传感器。
8.权利要求7的设备，其中所述多模式频率输出包括中的至少一个以下类型的数据弯曲片模式(FMP)数据、声学片模式数据和剪切水平声学片模式(SH-APM)数据。
9.权利要求8的设备，其中所述多模式频率输出还包括至少一个以下类型的数据振幅片模式(APM)数据、厚度剪切模式(TSM)数据、表面声波模式(SAW)和体声波模式(BAW)数据。
10.权利要求9的设备，其中所述多模式频率输出还包括以下类型的数据中的至少一个扭曲模式数据、拉夫波数据、漏表面声波模式(LSAW)数据和伪表面声波模式(PSAW)数据和至少一个多模式声学振幅。
11.权利要求10的设备，其中所述多模式频率输出还包括以下类型数据中的至少一个横向模式数据、表面撇取模式数据、表面横向模式数据、谐波模式数据和泛音模式数据。
12.权利要求11的设备，其中所述至少一个多模式声学振幅受所述多个振荡器控制。
13.一种声波传感器设备，包括压电衬底，其上具有表面；至少一个交叉指型换能器和钝化层，在所述压电衬底上形成；在所述钝化层上形成的吸附剂材料，其中所述至少一个交叉指型换能器响应越过所述压电衬底的所述表面传播的多个声波，提供指示所述压电衬底、所述钝化层和所述至少一个交叉指型换能器附近的湿度的数据；至少一个加热器，在所述至少一个交叉指型换能器、所述钝化和所述吸附剂材料所定位的一侧相反的所述压电衬底的一侧上形成；和多个振荡器，与所述至少一个交叉指型换能器相关联，其中所述多个检测组件的每一个检测组件都位于具有所述多个振荡器中一个振荡器的反馈回路上，以此提供能够提供其多模式频率输出的多模式声波传感器，其中所述至少一个多模式声学振幅受所述多个振荡器控制。
14.权利要求13的设备，其中越过所述压电衬底的所述表面传播的所述多个声波包括所述多模式频率输出，使得优化至少一个频率模式，而同时抑制所述多模式频率输出当中所有其余的频率模式，以便产生指示所监测的化学种类的特定的数据。
15.权利要求13的设备，其中当在所述压电衬底附近发生凝聚时，所述压电衬底在所述多模式频率输出当中的至少一个频率模式下振动，这样的所述凝聚在其上起阻尼力的作用。
16.权利要求15的设备，其中所述压电衬底在剪切水平方向上振动，以便减小其阻尼。
17.一种用于声波检测的方法，包括以下步骤提供压电衬底，其上具有表面；在所述压电衬底上形成至少一个交叉指型换能器和钝化层；和在所述钝化层上配置吸附剂材料，其中所述至少一个交叉指型换能器响应越过所述压电衬底的所述表面传播的多个声波，提供指示所述压电衬底、所述钝化层和所述至少一个交叉指型换能器附近的湿度的数据。
18.权利要求17的方法，还包括形成至少一个加热器的步骤，其在所述至少一个交叉指型换能器、所述钝化和所述吸附剂材料所定位的一侧相反的所述压电衬底的一侧上形成。
19.权利要求17的方法，还包括配置所述压电衬底的步骤，使得越过所述压电衬底的所述表面传播的所述多个声波包括多模式频率输出，其中优化至少一个频率模式，而同时抑制所述多模式频率输出当中所有其余的频率模式，以便产生指示所监测化学种类的特定数据。
20.权利要求19的方法，还包括配置所述压电衬底以便在所述压电衬底附近发生凝聚时在所述至少一个频率模式下振动的步骤，所述这样的凝聚在其上起阻尼力的作用。
全文摘要
公开了一种声波传感器设备，它一般包括一个压电衬底，其上具有一个表面。可以在该压电衬底上形成一个或多个交叉指型换能器和一个钝化层。另外，吸附剂材料可以在声学路径(IDT电极等)形成，使得该交叉指型换能器响应越过该压电衬底该表面传播的多个声波，以此与该钝化层和该交叉指型换能器一起提供指示该压电衬底附近湿度的数据。另外，一个或多个加热器可以在与该交叉指型换能器、该钝化和该吸附剂材料所定位的压电衬底一侧相反的压电衬底的一侧形成。该加热器最好可以从诸如铂的材料配置。
文档编号G01N29/24GK101036049SQ200580034264
公开日2007年9月12日 申请日期2005年8月11日 优先权日2004年8月12日
发明者J·Z·刘 申请人:霍尼韦尔国际公司