一种声表面波气体传感器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明属于声表面波领域，具体地是一种声表面波气体传感器。
【背景技术】
[0002]声表面波(SAW)的能量主要集中在表面以下I?2个波长的范围内，对表面特性的变化比较敏感。因此，将对特定气体敏感的材料沉积到SAW器件上，气体与敏感膜的物理效应将会弓I起SAW速度的变化。通过沉积不同的敏感材料可检测多种气体。
[0003]SAff气体传感器的性能主要取决于两个方面:敏感膜和SAW振荡器。目前，SAff气体传感器的研究主要聚焦于气体敏感膜的特性，包括膜的类型、厚度、对分析吸附物粘弹性的变化和成膜技术。SAW振荡器的频率稳定性影响灵敏度、探测门限等，优化频率稳定性设计将有效提高SAW传感器的性能。
[0004]SAff传感器的敏感机理是根据气体对敏感膜的表面扰动，如SAW传播路径的扰动引起波速的变化，相应地会引起SAW振荡器谐振频率的变化。目前，通常采用延迟线结构的SAW振荡器，并且考虑到Au的耐腐蚀性，叉指换能器(IDT)电极一般采用Au。这样SAW气体传感器对气体浓度的检测是通过SAW延迟线振荡器的振荡频率的变化反映出来的，但是在实际应用中，改变振荡器振荡频率的因素除了敏感膜质量加载效应或电导变化外还有外界环境变化(温度、湿度和振动等)的影响。为了保证传感器系统的稳定性，必须采取措施抑制环境因素的影响。
【发明内容】
[0005]本发明就是针对上述问题，弥补现有技术的不足，提供一种在I?100mg/m3的浓度范围内具有好的线性度和21 Hz/mg /cm3的灵敏度的声表面波气体传感器。
[0006]为实现本发明的上述目的，本发明采用如下技术方案。
[0007]本发明一种声表面波气体传感器，其中采用了双声路差动结构；其结构特点是:一声路包括匹配网络模块连接放大器模块、所述放大器模块连接相移网络模块、所述相移网络模块连接功分器模块、所述功分器模块连接匹配网络模块，功分器模块输出连接混频器；另一生路包括匹配网络模块连接放大器模块、所述放大器模块连接相移网络模块、所述相移网络模块连接功分器模块、所述功分器模块连接匹配网络模块，功分器模块输出连接混频器；传感器内部包括敏感膜、SAff双延迟模块。
[0008]本发明所述采用双声路差动结构:一个声路覆盖具有选择性的敏感膜，用作测量声路；另一个声路则作为参考以最大限度地抵消环境条件变化(温度、湿度及振动等)的影响；根据差动原理，通过取两路振荡器的差频，可以从很大程度上抑制环境条件变化的影响。
[0009]作为本发明的一种优选方案，所述声表面波气体传感器SAW采用延迟线结构的SAff振荡器，并且考虑到Au的耐腐蚀性，叉指换能器(IDT)电极一般采用Au。
[0010]作为本发明的另一种优选方案，所述SAW延迟线的单膜选择性，通过长输入IDT和短输出IDT的频响组合来实现。
[0011 ] 其次，本发明频控元件的SAW延迟线的IL和Q值对SAW振荡器的频率稳定性产生重要的影响。低的IL更容易起振，在满足起振的条件下，放大器的增益也可以更低，这就降低了振荡器的功耗，同时也增强了振荡器的温度稳定性，提高了系统的稳定性和灵敏度。
[0012]作为本发明的另一种优选方案，所述低IL可通过电极宽度控制单向单相换能器(EWC/SPUDT)实现；为抑制旁带，采用抽指加权的形式。
[0013]作为本发明的另一种优选方案，本发明所述SAW表面声波气体传感器灵敏度的提高是采用分辨率更高的电子束光刻(EBL)技术，采用EBL和剥离工艺相结合完成IDT的制作。
[0014]本发明的有益效果是。
[0015]本发明针对传感器系统中的噪声模拟源随机数发生器，设计提出了一种能够控制信号摆幅并避免受到时序影响的电路结构。通过信号摆幅的控制和对随机序列复杂度的优化，实现了在保证输出特征的同时，解决了工作电压的变化带来的时序问题，达到更加真实的噪声模拟的目的。
[0016]本发明SAW气体传感器的设计和制造。为提高稳定性和灵敏度，研究低插损(IL)的SAW延迟线和敏感膜的性能优化。本发明选择了化学毒剂模拟气甲基膦酸二甲酯(DMMP)作为待测气体和MUA作为气敏材料，为提高灵敏度和选择性，敏感材料采用Cu2+化学修饰和分子自组装成膜技术；实现了在I?lOOmg/m3的浓度范围内具有好的线性度和21Hz/mg/cm3的灵敏度。
【附图说明】
[0017]图1是本发明一种声表面波气体传感器SAW的结构TK意图。
【具体实施方式】
[0018]如图1所示，为本发明一种声表面波气体传感器SAW的结构示意图。其中采用了双声路差动结构；其结构特点是:一声路包括匹配网络模块连接放大器模块、所述放大器模块连接相移网络模块、所述相移网络模块连接功分器模块、所述功分器模块连接匹配网络模块，功分器模块输出连接混频器；另一生路包括匹配网络模块连接放大器模块、所述放大器模块连接相移网络模块、所述相移网络模块连接功分器模块、所述功分器模块连接匹配网络模块，功分器模块输出连接混频器；传感器内部包括敏感膜、SAff双延迟模块。
[0019]本发明的检测下限与灵敏度是评价SAW气体传感器性能的关键指标。从传感器的物理角度分析，影响这两项指标的关键因素是SAW振荡器的工作频率和频率稳定性。
[0020]所述SAW振荡器的频率稳定性以dB为单位的相对于振荡信号每赫兹带宽内的单边带调频噪声可表示为:1OlgSRF (Af) =1lg [GkT.( NF) *f 20/( QPO Δ f 2) ] (I)。其中，G为放大器的功率放大倍数，NF为放大器的噪声系数，fO为振荡器的中心频率，f为对中心频率的偏离，k为玻耳兹曼常数，T为绝对温度，Q为SAW延迟线的等效品质因子，PO为放大器的饱和输出功率。可见传感器系统的频率稳定性与延迟线的IL，Q值，环路温度变化，夕卜围振荡电路噪声等有关，这里关键是要降低延迟线的IL和提闻Q值。
[0021]所述SAW 传感器的灵敏度为:Δ fv/f0= Δ vR/vR= ( kl+k2) XfOX Amv /S (2)。其中，Af为膜吸附气体后产生的频率差，fO为振荡器的中心频率，kl和k2为膜材料常数，Amv为吸附的气体质量，S为敏感区域面积。灵敏度与工作频率和敏感膜有关，从物理角度看，工作频率的提闻有利于传感器灵敏度的提闻。
[0022]本发明频控元件的SAW延迟线的IL和Q值对SAW振荡器的频率稳定性产生重要的影响。低的IL更容易起振，在满足起振的条件下，放大器的增益也可以更低，这就降低了振荡器的功耗，同时也增强了振荡器的温度稳定性，提高了系统的稳定性和灵敏度。所述低IL可通过电极宽度控制单向单相换能器(EWC/SPUDT)实现；为抑制旁带，采用抽指加权的形式。
[0023]本发明所述SAW表面声波气体传感器灵敏度的提高是采用分辨率更高的电子束光刻(EBL)技术，采用EBL和剥离工艺相结合完成IDT的制作。
[0024]为提高SAW气体传感器的灵敏度，提高SAW振荡器的频率是一种有效的方式，本发明设计了中心频率为480MHz的SAW双延迟线。传统的光学光刻对密集线条图形在800nm以下难以得到好的效果，因此，采用分辨率更高的电子束光刻(EBL)技术可以解决密集线条图形的转移问题。为避免干法刻蚀对衬底表面的物理损伤，采用EBL和剥离工艺相结合完成IDT的制作。为提高传感器系统的稳定性，实验采用的压电衬底是具有零延迟温度系数的ST切石英晶体；Au具有惰性和抗腐蚀特性，可选作IDT的电极材料。先在压电衬底上涂敷350nm电子抗蚀剂ZEP520A，然后在抗蚀剂上蒸发一层1nm的Al作为EBL的导电牺牲层。
[0025]SAW气体传感器的性能指标在很大程度上取决于敏感膜的膜厚、均匀性以及对于基片表面的附着性，这就需要有具有良好重复性和可控化学选择性敏感膜的成膜技术。MUA作为自组装的敏感膜材料，它对有机磷化合物有着较好的选择性和灵敏度。由于在Au表面，羟基容易被氧化生产Au化合膜，键合能力强，所以形成的薄膜稳定性好，同时自组装方式成膜也很简单。这里以MUA作为气敏材料采用分子自组装技术制备对化学毒剂模拟气DMMP敏感的薄膜。
【主权项】
1.一种声表面波气体传感器，其中米用了双声路差动结构；其特征在于:一声路包括匹配网络模块连接放大器模块、所述放大器模块连接相移网络模块、所述相移网络模块连接功分器模块、所述功分器模块连接匹配网络模块，功分器模块输出连接混频器；另一生路包括匹配网络模块连接放大器模块、所述放大器模块连接相移网络模块、所述相移网络模块连接功分器模块、所述功分器模块连接匹配网络模块，功分器模块输出连接混频器；传感器内部包括敏感膜、SAff双延迟模块。2.根据权利要求1所述的一种声表面波气体传感器，其特征在于:所述声表面波气体传感器SAW采用延迟线结构的SAW振荡器，叉指换能器(IDT)电极一般采用Au。3.根据权利要求1所述的一种声表面波气体传感器，其特征在于:所述SAW延迟线的单膜选择性，通过长输入IDT和短输出IDT的频响组合来实现。4.根据权利要求1所述的一种声表面波气体传感器，其特征在于:所述低IL可通过电极宽度控制单向单相换能器(EWC/SPUDT)实现，采用抽指加权的形式。5.根据权利要求4所述的一种声表面波气体传感器,其特征在于:所述SAW表面声波气体传感器灵敏度的提高是采用分辨率更高的电子束光刻(EBL)技术，采用EBL和剥离工艺相结合完成IDT的制作。
【专利摘要】一种声表面波气体传感器。本发明实现了在1～100mg/m3的浓度范围内具有好的线性度和21Hz/mg/cm3的灵敏度；实现了在保证输出特征的同时，解决了工作电压的变化带来的时序问题，达到更加真实的噪声模拟的目的。其中采用了双声路差动结构；其结构特点是：一声路包括匹配网络模块连接放大器模块、所述放大器模块连接相移网络模块、所述相移网络模块连接功分器模块、所述功分器模块连接匹配网络模块，功分器模块输出连接混频器；另一生路包括匹配网络模块连接放大器模块、所述放大器模块连接相移网络模块、所述相移网络模块连接功分器模块、所述功分器模块连接匹配网络模块，功分器模块输出连接混频器；传感器内部包括敏感膜、SAW双延迟模块。
【IPC分类】G01N29/036
【公开号】CN105510434
【申请号】CN201410496871
【发明人】何志杰
【申请人】何志杰
【公开日】2016年4月20日
【申请日】2014年9月25日