CN103868818A - 一种三维纳米结构声表面波气敏传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种三维纳米结构声表面波气敏传感器，包括压电基底，置于该压电基底表面且相互平行的输入叉指电极IDT1和输出叉指电极IDT2以及敏感区，敏感区位于输入叉指电极IDT1和输出叉指电极IDT2之间，敏感区上具有三维纳米结构敏感膜，三维纳米结构敏感膜包括生长在敏感区上的改性三维纳米线或纳米管及涂覆在敏感区表面的敏感膜，改性三维纳米线或纳米管是在外表面附着有敏感膜的三维纳米线或纳米管。该气敏传感器集成度高、小体积、重量轻成本低，适用范围广，可在室温下工作，对低浓度气体检测时灵敏度高，更重要的是可以对多种气体进行快速、可靠的检测。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，具体指一种三维纳米结构声表面波气敏传感器。
背景技术
声表面波(Surface Acoustic Wave，SAW)传感器（如图1）是一类新型传感器，它利用逆压电效应将电磁信号耦合为声波信号再将声波信号通过压电效应耦合为电磁信号，声波传播路径上材料物理特性的变化（如压电基底表面的质量变化、电导率变化、温度变化等），会引起声表面波器件频率、延时、相位、幅度等电学特性的改变，通过检测这些电学特性的变化就可以实现传感器的功能。SAW传感器的工作原理是当目标气体通过敏感材料表面时，敏感材料1将选择性吸附目标气体分子，从而导致敏感材料1单位面积的质量发生改变。这种改变对SAW传感器特性的影响有两个方面：一方面减小了SAW 传感器的振动幅度，使器件的插损增大；另一方面，它使器件的基础频率发生频移Δfs。和其它气敏传感器技术相比，SAW传感器具有响应速度快、灵敏度高、体积小等特点，是近年来国内外研究的热点。
三维纳米结构传感器，如ZnO纳米线、氧化钨纳米线（如图2）、二氧化钛纳米管、碳纳米管传感器等，是目前半导体传感器领域应用研究的热点。由于这些纳米结构都具有非常高的比表面积和气敏性能，是一种最有前途的新型气体敏感材料。
由于科技的发展对气体传感器的响应速度、灵敏度下限等提出了越来越高的要求，传统的SAW气敏传感器和三维纳米结构传感器虽然有着各自的优点，但是还是无法满足科技发展的需要，因此，迫切需要研制出一种具有更小体积、更高灵敏度、更快响应速度的新型气敏传感器。
发明内容
针对现有技术存在的上述问题，本发明的目的是结合SAW传感技术与三维纳米技术的优点，得到一种体积小，重量轻、成本低，且对低浓度气体检测灵敏度高、检测快速的三维纳米结构声表面波气敏传感器。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种三维纳米结构声表面波气敏传感器，包括压电基底，置于该压电基底表面且相互平行的输入叉指电极IDT1和输出叉指电极IDT2以及敏感区，所述敏感区位于输入叉指电极IDT1和输出叉指电极IDT2之间，所述敏感区上具有三维纳米结构敏感膜，所述三维纳米结构敏感膜包括生长在敏感区上的改性三维纳米线或纳米管及涂覆在敏感区表面的敏感膜，所述改性三维纳米线或纳米管是、指在外表面附着有敏感膜的三维纳米线或纳米管。三维纳米线或纳米管不仅作为气体检测的敏感材料，而且可以作为表面生长其它高分子薄膜、纳米颗粒薄膜的结构模板，在其表面生长一层具有更高灵敏度的有机或无机半导体薄膜，大大提高该种气敏材料的比表面积，从而提高其灵敏度和选择性。
作为优化，改性三维纳米线或纳米管在敏感区呈整列式分布，阵列结构的三维纳米线或纳米管更有利形成传感器后，其检测精度的稳定，同时也更利于三维纳米线或纳米管修饰改性具有非常重要的作用。
所述改性三维纳米线或纳米管的高度为2-5μm，高度大于或小于2-5μm都会降低气敏传感器的灵敏度。
所述改性三维纳米线或纳米管的直径为200-400 nm，直径小于200-400 nm不利于敏感膜的涂覆，大于此直径则会增大声表面波传感器的插入损耗，直接降低其灵敏度。
相对于现有技术，本发明具有如下优点：
本发明给出的三维纳米结构声表面波气敏传感器结合SAW传感技术与三维纳米技术的优点，对现有声表面波传感器进行优化设计，在声表面波传感器的敏感区上设计制备三维纳米线或纳米管（比如ZnO纳米线、氧化钨纳米线、二氧化钛纳米管或碳纳米管），然后对使用敏感材料对该三维纳米线或纳米管进行修饰改性，在纳米管表面生长一层具有更高灵敏度的有机或无机半导体薄膜，这样将大大提高该种气敏材料的比表面积，从而提高其灵敏度和选择性。由于三维纳米线或纳米管的敏感面会吸附不同的气体，引起其质量的变化，而声表面波传感器对质量的改变高度敏感，其声表面波输出频率或相移会相应的发生变化，从而实现对低浓度气体的快速检测，检测完一次之后通过加热、空气吹扫等方法去除掉吸附在铭感材料表面上的气体，实现传感器的循环使用。该敏传感器集成度高、小体积、重量轻成本低，适用范围广，可在室温下工作，对低浓度气体检测时灵敏度高，更重要的是可以对多种气体进行快速、可靠的检测。
附图说明
图1为现有SAW传感器的原理图。
图2（a）为WO3三维纳米线的扫描电镜照片，图2（b）为ZnO 三维纳米线的扫描电镜照片。
图3为传统的二维敏感膜示意图。
图4为三维纳米结构敏感膜的示意图，图4（a）为三维纳米结构敏感膜的立体图，图4（b）为三维纳米结构敏感膜的剖面图，图4（c）为三维纳米结构敏感膜的俯视图。
图5为三维纳米结构声表面波气敏传感器的制作过程图，图5（a）为SAW传感器，图5（b）为SAW传感器敏感区上生长三维纳米线或纳米管，图5（c）为SAW传感器敏感区上改性三维纳米线或纳米管的形成。
图中，1敏感膜，2压电基底，3三维纳米线或纳米管，4敏感区，5输入叉指电极IDT1，6输出叉指电极IDT2，7改性三维纳米线或纳米管。
具体实施方式
下面对结合附图对本发明作进一步详细说明。
参见图1，一种三维纳米结构声表面波气敏传感器，包括压电基底2，置于该压电基底2表面且相互平行的输入叉指电极IDT1和输出叉指电极IDT2，输入叉指电极IDT1和输出叉指电极IDT2之间的压电基底表面为敏感区4，敏感区4上具有三维纳米结构敏感膜，三维纳米结构敏感膜包括生长在敏感区4上的改性三维纳米线或纳米管7及涂覆在敏感区表面的敏感膜1。改性三维纳米线或纳米管7是指在外表面附着有敏感膜1的三维纳米线或纳米管3。改性三维纳米线或纳米管7在敏感区上呈整列式分布。改性三维纳米线或纳米管7的高度为2-5μm，改性三维纳米线或纳米管7的直径为200-400 nm。
SAW传感器的工作原理是当目标气体通过敏感膜表面时，敏感膜将选择性吸附目标气体分子，从而导致敏感膜单位面积的质量发生改变。而这种改变对SAW 传感器特性的影响有两个方面：一方面减小了SAW 传感器的振动幅度，使器件的插入损耗增大；另一方面，它使SAW 传感器的基础频率发生频移Δf S ，二者的关系如下：
在上式中，c m 是与使用的SAW传感器基底相关的参数，Δ（m/A）是敏感膜单位面积增加的质量，f 0 是SAW传感器的工作频率。可以看出，在SAW芯片材料选定的情况下，Δf S 与敏感膜单位面积增加的质量及工作频率的平方成正比。因此，要增大Δf S ，就要设法提高敏感膜单位面积敏感量及传感器工作频率。其中，敏感膜单位面积敏感量与敏感材料本身以及它与SAW芯片的结合工艺密切相关。
图3为传统的二维敏感膜示意图，膜厚为t，敏感面面积为s；图4为本发明所提出的三维纳米结构敏感膜的示意图，纳米线高h，单根纳米线直径d，纳米线密度50%，敏感面积也为s，则二维敏感膜的比表面积的S1为：
三维纳米结构敏感膜敏感面积内纳米线的数量n：
三维纳米结构敏感膜的比表面积：
假设二维敏感膜膜厚为t=1μm；三维纳米线高h=5μm，单根纳米线直径d=200nm，若敏感面积s都为1mm2，由此可以计算S 1 =1.000mm2，S 2 =20.625 mm2。可以看出，相同单位面积内，三维纳米结构的比表面积比普通二维结构提高了二十倍。因此，三维纳米结构敏感膜单位面积敏感量也提高了二十倍，这样一来，在相同测试阈值的情况下，三维纳米结构声表面波气敏传感器的响应速度也得以大幅的提高。
本发明用具有选择性的敏感材料对三维纳米线或纳米管进行修饰改性，增强三维纳米结构敏感膜的环境适应性。整个三维纳米结构声表面波气敏传感器的制作过程如图5所示。首先在SAW传感器敏感区上生长三维纳米线或纳米管，然后在该三维纳米线或纳米管的外表面涂覆一层敏感材料对三维纳米线或纳米管进行修饰改性，与此同时在敏感区的表面上也涂覆一层敏感材料形成敏感膜，得到三维纳米结构声表面波气敏传感器。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (4)
1.一种三维纳米结构声表面波气敏传感器，包括压电基底（2），置于该压电基底（2）表面且相互平行的输入叉指电极IDT1（5）和输出叉指电极IDT2（6）以及敏感区（4），所述敏感区（4）位于输入叉指电极IDT1（5）和输出叉指电极IDT2（6）之间，其特征在于，所述敏感区（4）上具有三维纳米结构敏感膜，所述三维纳米结构敏感膜包括生长在敏感区（4）上的改性三维纳米线或纳米管（7）及涂覆在敏感区表面的敏感膜（1），所述改性三维纳米线或纳米管（7）是指在外表面附着有敏感膜（1）的三维纳米线或纳米管（3）。
2.如权利要求1所述的三维纳米结构声表面波气敏传感器，其特征在于，所述改性三维纳米线或纳米管（7）在敏感区（4）呈整列式分布。
3.如权利要求1所述的三维纳米结构声表面波气敏传感器，其特征在于，所述改性三维纳米线或纳米管（7）的高度为2-5μm。
4.如权利要求1所述的三维纳米结构声表面波气敏传感器，其特征在于，所述改性三维纳米线或纳米管（7）的直径为200-400 nm。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C12 | Rejection of a patent application after its publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20140618 |