CN101135670B - 一种具有湿度补偿功能的双通道声表面波气体传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有湿度补偿功能的双通道声表面波气体传感器，包括压电基板和两对叉指电极，其中叉指电极设置在压电基板上，构成平行的声表面波测量通道和参考通道，其特征在于，在测量通道上涂敷有敏感薄膜，在参考通道上涂敷有湿度补偿薄膜。该气体传感器，结构简单，制备容易，增加了湿度补偿功能，具有在复杂的温湿度条件下工作的能力。

Description

一种具有湿度补偿功能的双通道声表面波气体传感器
技术领域
本发明涉及气体传感器技术领域，具体涉及一种具有湿度补偿功能的双通道声表面波气体传感器。
背景技术
声表面波气体传感器是在声表面波器件的声通道上贴附化学敏感薄膜而制得，它的灵敏度很高，探测极限很小，特别适合于低浓度痕迹气氛的探测。但是声表面波器件自身对外界因素，如温度、湿度、压力等的变化都很敏感，为消除这些因素对气体测量的影响，通常采用双通道结构来进行补偿。常规的双通道结构如图1所示，它是在同一个压电基板上沿相同的方向制备两个相同的叉指电极，从而构成两个声表面波通道。在其中一个声通道上涂敷敏感薄膜，而在另一个声通道上不涂敷敏感薄膜，两个通道的频率差形成传感器的输出信号。双通道结构也可由两个相同的声表面波分离器件构成。
温度、压力等外界因素对上述两个通道的影响是基本相同的，因此利用双通道差分结构可对这些因素进行有效的补偿。补偿后，声表面波气体传感器的温度漂移可以降低10倍以上。但显而易见的是，由于在测量通道上涂敷有敏感薄膜，而在参考通道上没有，两个通道的湿敏特性是不一样的，常规的双通道结构不具有湿度补偿功能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是如何提供一种具有湿度补偿功能的双通道声表面波气体传感器及其制备方法，该传感器不仅增加了湿度补偿功能，同时还可增强温度补偿的效果。
本发明所提出的技术问题是这样解决的：构造一种具有湿度补偿功能的双通道声表面波气体传感器，包括压电基板和两对叉指电极，其中叉指电极设置在压电基板上，构成平行的声表面波测量通道和参考通道，其特征在于，在测量通道上涂敷有敏感薄膜，在参考通道上涂敷有湿度补偿薄膜。
按照本发明所提供的具有湿度补偿功能的双通道声表面波气体传感器，其特征在于，所述湿度补偿薄膜是对目标气体不敏感的有机材料或者无机材料或者有机材料和无机材料的复合材料。常规的敏感材料有：SnO2、ZnO、WO3、TiO2等半导体材料对CH4、C3H8、酒精等可燃性气体敏感，Pd对H2敏感，YSZ对O2敏感，酞氰类聚合物对NOX敏感，聚吡咯/In2O3复合膜对CO敏感，SXPYR、PEM对醇类和酚类有机挥发性气体敏感，PIB对烷烃类有机挥发性气体敏感，FPOL、BSP3、SXFA对沙林等神经毒气敏感、PVDF、PEI、PVA对湿度敏感。
按照本发明所提供的具有湿度补偿功能的双通道声表面波气体传感器，其特征在于，所述湿度补偿薄膜的厚度根据所述敏感薄膜的湿敏特性来调节，使参考通道和测量通道具有相同的湿敏特性。
按照本发明所提供的具有湿度补偿功能的双通道声表面波气体传感器，其特征在于，测量通道和参考通道设置在不同的压电基板上，其中叉指电极和压电基板分别为同一规格。
按照本发明所提供的具有湿度补偿功能的双通道声表面波气体传感器，其特征在于，所述叉指电极为延迟线结构或者谐振器结构。
按照本发明所提供的具有湿度补偿功能的双通道声表面波气体传感器，其特征在于，所述压电基板为压电晶体材料或者压电薄膜，如石英、LiNbO3、LiTaO3，或压电薄膜，如ZnO、AlN。
按照本发明所提供的具有湿度补偿功能的双通道声表面波气体传感器，其特征在于，声表面波为瑞利波、乐甫波(Love)、表面横波(STW)、兰姆波(lamb)和水平剪切板波(SH-APM)中的一种。
一种具有湿度补偿功能的双通道声表面波气体传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
①、利用真空蒸发或者溅射工艺在压电基板的表面制备金属膜，再采用光刻工艺刻蚀出叉指电极的图案，然后进行划片；
②、根据检测的目标气体，在测量通道上制备相应的敏感薄膜；
③、根据敏感薄膜的湿敏特性，选择湿度补偿薄膜，制备在参考通道上，并调节湿度补偿薄膜的厚度，使测量通道和参考通道具有相同的湿敏特性。
本发明所提供的声表面波气体传感器不仅增加了湿度补偿功能，同时还可增强温度补偿的效果。这是由于在参考通道上涂敷薄膜后，减少了两个通道温度漂移的差距。因此，本发明所提供的声表面波气体传感器具有良好的环境稳定性。
附图说明
图1为现有技术中双通道声表面波气体传感器结构示意图；
图2为本发明的具有湿度补偿功能的双通道声表面波气体传感器结构示意图。
其中：压电基板1、叉指电极2、敏感薄膜3、湿度补偿薄膜4。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
如图2所示，该声表面波气体传感器，它包括：压电基板1、叉指电极2、敏感薄膜3、湿度补偿薄膜4。其中电极2有两组，分别构成两个声表面波的传输通道，电极2采用光刻技术制备在压电基板1的表面上。在其中的一个声表面波通道上涂敷敏感薄膜构成测量通道，而在另一个通道上涂敷湿度补偿薄膜构成参考通道。
本发明所提供的具有湿度补偿功能的双通道声表面波气体传感器的制备方法如下(实例)：
压电基板1选择ST-石英；采用真空热蒸发工艺在压电基板1的上面制备出一层Al膜，厚度约为0.55μm，再采用光刻工艺刻蚀出叉指电极2的图案，叉指电极的周期为24μm。然后在检测通道上采用喷涂法制备约110nm厚的PMPS薄膜，用以检测有机膦气体；PMPS薄膜具有较强的吸水性，在60RH％的环境下传感器的输出信号与干燥条件下相比衰减了约一半。因此在参考通道上制备具有强吸水性的聚亚酰胺(PI)薄膜以对PMPS敏感膜进行湿度补偿，PI薄膜同样采用喷涂法制备，膜厚约15nm厚。采用上述补偿法以后，同样在60RH％的环境下进行测试，传感器的输出信号衰减降低到5％以内。
本发明的双通道声表面波气体传感器，结构简单，制备容易，增加了湿度补偿功能，具有在复杂的温湿度条件下工作的能力。

Claims (7)

1. 一种具有湿度补偿功能的双通道声表面波气体传感器，包括压电基板和两对叉指电极，其中叉指电极设置在压电基板上，构成平行的声表面波测量通道和参考通道，其特征在于，在测量通道上涂敷有敏感薄膜，在参考通道上涂敷有湿度补偿薄膜。
2. 根据权利要求1所述的具有湿度补偿功能的双通道声表面波气体传感器，其特征在于，所述湿度补偿薄膜是对目标气体不敏感的有机材料或者无机材料或者有机材料和无机材料的复合材料。
3. 根据权利要求1所述的具有湿度补偿功能的双通道声表面波气体传感器，其特征在于，所述湿度补偿薄膜的厚度根据所述敏感薄膜的湿敏特性来调节，使参考通道和测量通道具有相同的湿敏特性。
4. 根据权利要求1所述的具有湿度补偿功能的双通道声表面波气体传感器，其特征在于，测量通道和参考通道设置在不同的压电基板上，其中叉指电极和压电基板分别为同一规格。
5. 根据权利要求1所述的具有湿度补偿功能的双通道声表面波气体传感器，其特征在于，所述叉指电极为延迟线结构或者谐振器结构。
6. 根据权利要求1所述的具有湿度补偿功能的双通道声表面波气体传感器，其特征在于，所述压电基板为压电晶体材料或者压电薄膜。
7. 根据权利要求1所述的具有湿度补偿功能的双通道声表面波气体传感器，其特征在于，声表面波为瑞利波、乐甫波、表面横波、兰姆波和水平剪切板波中的一种。
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