CN102023184A

CN102023184A - 双敏感层体声波氢气谐振传感器

Info

Publication number: CN102023184A
Application number: CN 201010535433
Authority: CN
Inventors: 陈达; 王璟璟; 张玉萍; 张会云; 干耀国
Original assignee: Shandong University of Science and Technology
Current assignee: Shandong University of Science and Technology
Priority date: 2010-10-28
Filing date: 2010-10-28
Publication date: 2011-04-20
Anticipated expiration: 2030-10-28
Also published as: CN102023184B

Abstract

本发明公开了一种双敏感层体声波氢气谐振传感器。包括基底、下敏感金属层、压电薄膜层、上敏感金属层和空洞，具有上敏感金属层和下敏感金属层对氢气的双敏感层。以高频体声波作为谐振模式，结构简单，谐振频率高；对氢气的灵敏度高、响应速度快；耗能低、且工作在常温环境；涉及的制造工艺和材料都与现有集成电路制造工艺兼容，无需高精度光刻工艺，所以还具有成本低、可以与现有集成电路集成，易于实现阵列化和作为与无线传感器网络的传感器终端。可以应用于氢气生产、运输和使用中的浓度监测。

Description

双敏感层体声波氢气谐振传感器

技术领域

本发明涉及氢气传感器技术领域，具体的说，是涉及一种双敏感层体声波氢气谐振传感器。

背景技术

氢气作为一种无污染能源，已经应用于航空航天、汽车发动机、半导体制造和化工企业。但是空气中氢气含量大于4％时，极易产生爆炸。因此制造可靠、响应快速和灵敏度高的氢气传感器具有十分重大的意义。目前，氢气传感器主要有电化学传感器、金属薄膜传感器和半导体氧化物传感器。这些传感器响应速度通常需要数分钟，灵敏度较低，工作温度也比较高，不能适应氢气安全、快速检测的要求。

谐振式传感器是一种以检测其谐振频率、相位或振幅随检测物质的变化为响应的传感器，目前已经应用于多种生化检测领域。经过对现有的文献检索发现，美国专利US7047792发明了一种声表面波谐振传感器，采用金属钯作为敏感材料。工作时采用插指状电极激发压电晶体的声表面波谐振，当钯吸附氢气时，其密度和弹性性能发生变化，从而导致声表面波谐振频率的变化。基于这种原理的传感器在一定程度上解决了传统技术的响应时间长和工作温度低的问题。但上述发明所使用的声表面波谐振方式工作频率低，电极的加工需要高精确的光刻技术。该传感器采用压电晶片作为器件基底，制造工艺与现有集成电路不兼容，使其不易有效集成于射频集成电路中。

发明内容

本发明针对现有技术的不足和缺陷，提出了一种双敏感层体声波氢气谐振传感器，该传感器谐振是利用现有微电子技术进行制造的，具有工作频率高、响应速度快、灵敏度高，工作温度低、成本低的优点，且易于实现阵列化和作为物联网的传感器终端。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种双敏感层体声波氢气谐振传感器，包括谐振器和敏感层，其特征在于，谐振器的电极同时作为氢气敏感层，从下向上依次设置基底、设置在基底上的空洞、下敏感金属层、压电薄膜层和上敏感金属层；下敏感金属层、压电薄膜层、上敏感金属层和空洞的面积依次减小；上敏感金属层和下敏感金属层都暴露在环境气氛中，可以吸附环境中的氢气分子。

所述的下敏感金属层，为金属钯或者钯铂合金，其优选的厚度为200纳米至400纳米。

所述的上敏感金属层，为金属钯或者钯铂合金，其优选的厚度为100纳米至200纳米。

所述的压电薄膜层，为氮化铝、氧化锌或者皓钛酸铅薄膜，其优选的厚度为1微米至3微米。

本发明利用下敏感金属层、压电薄膜层、上敏感金属层形成的三明治结构在压电薄膜层中形成高频体声波，当下敏感金属层和上敏感金属层吸收环境中的氢气时，其密度和弹性性能发生改变，从而导致压电薄膜层中高频体声波频率发生变化，通过检测这一频率变化，即可检测出环境中氢气的浓度变化。

与以往的技术相比，本发明的有益效果是：(1)本发明以高频体声波作为谐振模式，结构简单，谐振频率高；(2)本发明采用上下双层敏感金属进行氢气吸附，对体声波谐振频率产生较大改变，因此本发明对氢气的灵敏度高、响应速度快；(3)本发明利用频率变化检测氢气，因此耗能低、且工作在常温环境；(4)本发明所涉及的制造工艺和材料都与现有集成电路制造工艺兼容，且无需高精度光刻工艺，所以还具有成本低、可以与现有集成电路集成于一个芯片的优点。

附图说明

附图1为本发明的剖面结构示意图；

附图2为本发明的俯视结构示意图；

附图3为本发明实施例1在空气中以及氢气环境中完全氢化后的导纳频率响应；

附图4为本发明实施例2在空气中以及氢气环境中完全氢化后的导纳频率响应。

图面说明：1、基底；2、下敏感金属层；3、压电薄膜层；4、上敏感金属层；5、空洞

具体实施方式

一种双敏感层体声波氢气谐振传感器，包括谐振器和敏感层，其特征在于，谐振器的电极同时作为氢气敏感层，从下向上依次设置基底1、设置在基底1上的空洞5、下敏感金属层2、压电薄膜层3和上敏感金属层4；下敏感金属层2、压电薄膜层3、上敏感金属层4和空洞5的面积依次减小；上敏感金属层4和下敏感金属层2都暴露在环境气氛中，可以吸附环境中的氢气分子。

实施例1

本实施例中，基底1为(100)取向的硅片。

下敏感金属层2为金属钯，厚度为300纳米。上敏感金属层4为金属钯，厚度为100纳米。上述两种金属材料均采用直流溅射方法制作。

压电薄膜层3为氮化铝，厚度为2微米，采用射频溅射方法制作。

空洞5采用体硅工艺制作，设置在下敏感金属层的正下方，使下敏感金属层的一部分暴露在环境气氛中。

工作时，下敏感金属层2和上敏感金属层4之间施加射频交变电信号，在压电薄膜层3中激励体声波谐振。如附图3所示，空气环境中，器件谐振频率为2377兆赫兹。当处于氢气环境中时，下敏感金属层2和上敏感金属层4的钯吸收环境中的氢气分子，密度和弹性性质发生改变，从而导致器件的谐振频率发生变化。钯的氢化程度与环境中氢气的浓度有关，也反应于器件频率的变化程度上。附图3显示了氢气环境中敏感层完全氢化后器件的导纳响应，此时谐振频率变化了15.1兆赫兹。通过外接频率检测电路，可以检测出谐振频率的变化，获得环境气氛中氢气的浓度值。

实施例2

本实施例中，基底为(100)取向的硅片。

下敏感金属层为75/25的钯银合金，厚度为300纳米。上敏感金属层为75/25的钯银合金，厚度为100纳米。上述两种合金材料均采用直流溅射方法制作。

压电薄膜层为氧化锌，厚度为1微米，采用射频溅射方法制作。

空洞采用体硅工艺制作，设置在下敏感金属层的正下方，使下敏感金属层的一部分暴露在环境气氛中。

工作时，下敏感金属层2和上敏感金属层4之间施加射频交变电信号，在压电薄膜层3中激励体声波谐振。如附图4所示，空气环境中，器件谐振频率为2411兆赫兹。当处于氢气环境中时，下敏感金属层2和上敏感金属层4的钯银合金吸收环境中的氢气分子，密度和弹性性质发生改变，从而导致器件的谐振频率发生变化。钯的氢化程度与环境中氢气的浓度有关，也反应于器件频率的变化程度上。附图4显示了氢气环境中敏感层完全氢化后器件的导纳响应，此时谐振频率变化了10.1兆赫兹。通过外接频率检测电路，可以检测出谐振频率的变化，获得环境气氛中氢气的浓度值。

Claims

1.一种双敏感层体声波氢气谐振传感器，包括谐振器和敏感层，其特征在于，谐振器的电极同时作为氢气敏感层，从下向上依次设置基底(1)、设置在基底(1)上的空洞(5)、下敏感金属层(2)、压电薄膜层(3)和上敏感金属层(4)；下敏感金属层(2)、压电薄膜层(3)、上敏感金属层(4)和空洞(5)的面积依次减小；上敏感金属层(4)和下敏感金属层(2)都暴露在环境气氛中，可以吸附环境中的氢气分子。

2.根据权利要求1所述的双敏感层体声波氢气谐振传感器，其特征是，所述的下敏感金属层(2)，为金属钯或者钯铂合金，其优选的厚度为200纳米至400纳米。

3.根据权利要求1所述的双敏感层体声波氢气谐振传感器，其特征是，所述的上敏感金属层(4)，为金属钯或者钯铂合金，其优选的厚度为100纳米至200纳米。

4.根据权利要求1所述的双敏感层体声波氢气谐振传感器，其特征是，所述的压电薄膜层(3)，为氮化铝、氧化锌或者皓钛酸铅薄膜，其优选的厚度为1微米至3微米。

5.根据权利要求1所述的双敏感层体声波氢气谐振传感器，其特征是，所述的基底(1)为硅片或玻璃。