CN105738470B - 一种声表面波气体传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种声表面波传感器，属于气体传感器领域。本发明采用单端谐振型声表面波传感器作为换能器，包括：压电基片、设于压电基片上的叉指换能器、位于叉指换能器两侧的反射栅以及选择性吸附膜区；所述选择吸附膜区在器件表面以叉指换能器的对称中轴线为对称轴被划分为对称的两个分区，各分区均沉积有对同一特定气体具有不同响应的气体敏感薄膜。本发明提供传感器可以改善基线漂移的现象，提高了传感器的稳定性和精确度；可显著提高气体传感器测量准确度、兼有体积小巧、便于携带、能耗低等优点；可实现大规模生产、满足现实需求。

Description

一种声表面波气体传感器
技术领域
本发明属于气体传感器领域，具体涉及一种声表面波气体传感器。
背景技术
随着各种气体的开发和使用，为了有效的进行燃气生产中的质量监控和气体成分分析，环境保护中的空气污染检测和对于民用的燃气泄漏的检测及报警等，国内外科研人员很早就致力于研究可燃气体的检测和控制方法，研制各种气体的检测和分析一起，用于环境监测、生产过程的监控和成分分析、气体泄漏报警等。其中检测气体的关键部件就是气体传感器。气体传感器是一种能将气体种类与其浓度有关的信息转换成电气信号的装置。根据这些电气信号的强弱就可以获得与待测气体在环境中存在情况有关的信息，从而可以进行检测、监控、报警；还可以通过接口电路与计算机组成自动检测、控制、预警系统。
声表面波器件是由压电材料基片和沉淀在基片上不同功能的叉指换能器组成。基片材料有压电单晶、有压电薄膜和压电陶瓷三大类。叉指换能器是金属电极，其形状如手指交叉，故称叉指换能器。声表面波(SAW)传感器的压电转换元件具有自发和可逆两种重要性能，即压电效应。压电效应的原理是，如果对压电材料施加压力，它便会产生电位差(称之为正压电效应)，反之施加电压，则产生机械应力(称为逆压电效应)。如果压力是一种高频震动，则产生的就是高频电流。而高频电信号加在压电陶瓷上时，则产生高频声信号(机械震动)，即我们平常所说的超声波信号。声表面波(SAW)传感器传感器因其具有体积小、重量轻、结构简单、工作可靠、固有频率高、灵敏度和信噪比高、可远距离探测等优点，具有广泛应用前景，并朝着便携式、多参数测量和高灵敏度的趋势发展。
众所周知，大多数气体传感器的输出信号受使用场所的温度、湿度、氧气分压等多种环境因素的影响，同时气体传感器本身电信号也有时漂现象。这些因素的影响综合表现为气体传感器输出信号的基线漂移现象。现有解决方式有一种思路是利用气体传感器的特性，采用如自适应主成分分析法和神经网络等算法对气体传感器信号基线进行补偿，但算法复杂又限制它们在小型器件中的而应用，而且不便于算法在不同气体传感器之间方便的移植。
发明内容
本发明的目的是提供一种声表面波气体传感器；本发明提供的气体传感器可以提高对气体的选择性、改善基线漂移的现象，提高气体传感器的稳定性和准确度，兼具灵敏度高、体积小巧、便于携带、能耗低等优势，可以大规模生产、满足现实要求。
为实现上述目的，本发明提供一种声表面波气体传感器，以单端谐振型声表面波传感器作为换能器，包括：压电基片、设于压电基片上的叉指换能器、位于叉指换能器两侧的反射栅以及选择性吸附膜区；所述选择吸附膜区在器件表面以叉指换能器的对称中轴线为对称轴被划分为对称的两个分区，各分区均沉积有对同一特定气体具有不同响应的气体敏感薄膜。
所述的气体敏感薄膜，可以是复合薄膜、分层薄膜、分层复合薄膜；所述复合膜是将多种气敏材料按照特定比例混合，然后涂覆于器件表面成膜；所述分层膜是将多种气敏材料按照一定顺序，逐层涂覆于器件表面成膜；所述多层复合膜则是将复合的气敏材料按照一定顺序，逐层涂覆于器件表面成膜。
所述选择性吸附膜区可以选择任何合适的薄膜生长方式，一般借助掩膜挡板用气喷法分别在分各区喷涂不同的且均对同一特定气体有响应的敏感材料，然后真空干燥固化成膜。
所述压电基片可以选择压电晶体或压电陶瓷或非压电材料上覆盖一层压电薄膜；所述压电薄膜和非压电衬底形成多层结构，而声表面波传播特性由压电薄膜和衬底的特性共同决定，在使用同一种压电薄膜材料时，改变薄膜厚度和衬底材料时，声表面波的声速、器件的中心频率及延迟时间和温度特性也随之改变。常用压电基片是采用石英晶体或锗酸铋晶体或铌酸锂晶体或氧化锌薄膜制成。
所述单端谐振型声表面波传感器不仅可以提高检测灵敏度还可以缩小器件体积，促进微加工技术的发展。
本发明中选择性吸附膜的选择可以根据检测气体的需要进行改变，本发明在不同分区采取对同一特定气体具有不同响应的敏感材料，各分区气体的响应变化相叠加可以相互补偿，从而产生对特定气体的综合响应，不仅可以提高气体传感器对气体的选择性，也可以抑制基线漂移带来的误差，提高传感器的稳定性和灵敏度。
本发明采用的单端谐振型声表面波传感器中一个叉指换能器和左右对称分布等间距的两个反射栅阵形成谐振腔，叉指换能器将信号能量引入和将谐振腔中能量引出，即作输入换能器又作输出换能器。本发明中用声表面波谐振器作为传感器敏感元件，由于压电效应产生声波信号将沿着压电基片表面朝左右两方向传播，每遇到一个发射栅都有一部分声表面(SAW)被反射回来，它们到达叉指换能器时同相相加，从而在谐振腔中形成驻波，发生谐振；这些声表面波经过声电转换在叉指换能器两端输出信号，并且有效地将微弱信号放大。
此外，叉指换能器与反射栅所在的基片表面区域是声表面波传播的区域，也是敏感外界环境变化的区域，任何物理量或变化量都可以引起声表面波波速或波长的改变，都将引起谐振频率的改变。谐振频率反映被测信息，通过测量频率的变化量，便可以实现对各种物理量、化学量的检测；通过沉积在压电材料上的敏感薄膜吸附气体后引起的薄膜物理化学性质变化，尤其是质量变化，可以进一步测量薄膜中传输的声波参数(幅度、相位、波速等)变化。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
.本发明中气体传感器，采用分区域涂覆不同的且对同一特定气体响应的气敏材料，抑制了基线漂移对气体检测的影响，提高了传感器的稳定性与准确度；此外，声表面波谐振器可有效地将微弱信号放大，通过沉积在压电材料上的敏感薄膜吸附气体后引起的薄膜质量变化可以实时、准确监测空气中某一特定气体含量的变化，尤其对有毒有害气体检测具有重要意义；此外，本发明具有功耗低、灵敏度高、体积小巧、便于携带等特点，可广泛应用于对有毒有害气体的检测。
附图说明
图1为本发明传感器的结构示意图。
图2为本发明的实施例的测试示意图。
图3为本发明传感器以及单一敏感材料声表面波气体传感器的实时响应对比图，其中，(a)为仅在基片表面沉积聚乙烯基吡咯烷酮的声表面波气体传感器的实时响应曲线，(b)为仅在基片表面沉积酞菁铜的声表面波气体传感器的实时响应曲线，(c)为在基片表面的一个分区沉积聚乙烯基吡咯烷酮，另一个分区沉积酞菁铜的声表面波气体传感器的实时响应曲线。
图4为本发明的实施例与单一敏感材料声表面波气体传感器的响应对比图，其中，(d)为仅在基片表面沉积聚乙烯基吡咯烷酮的声表面波气体传感器的响应曲线，(e)为仅在基片表面沉积酞菁铜的声表面波气体传感器的响应曲线，(f)为在基片表面的一个分区沉积聚乙烯基吡咯烷酮，另一个分区沉积酞菁铜的声表面波气体传感器的响应曲线)。
具体实施方式
以下结合说明书附图，对本发明的实施例作进一步详细描述：
图1所示为本发明的声表面波气体传感器的示意图，选用单端谐振型声表面波传感器，以保证传感器的质量沉积灵敏度。分别在区域一和区域二涂覆不同气敏材料，由于每种材料对同一特定气体的不同响应可以相互补偿，抑制了基线漂移对气体检测的影响，提高了传感器的稳定性与灵敏度。
实施例：
一种声表面波气体传感器，以单端谐振型声表面波传感器作为换能器，包括：压电基片、设于压电基片上的叉指换能器、位于叉指换能器两侧的反射栅以及选择性吸附膜区；所述选择吸附膜区在器件表面以叉指换能器的对称中轴线为对称轴被划分为对称的两个分区，分别在区域一和区域二沉积相同质量的聚乙烯基吡咯烷酮和酞菁铜，真空条件下干燥12小时后，测试甲基膦酸二甲酯(DMMP)气体。
同时制备仅在压电基片表面沉积聚乙烯基吡咯烷酮的单端谐振型声表面波传感器和仅在压电基片表面沉积酞菁铜的单端谐振型声表面波传感器作为对比，验证本发明声表面波传感器的有益效果。
如图2所示：将三种气体传感器:在氮气环境中进行测试。以下为测试过程：采用MF-3C液态有机溶剂动态配气装置分别配制浓度为5ppm、10ppm、20ppm、30ppm、40ppm的DMMP气体，向测试腔内由低浓度到高浓度依次通入甲基膦酸二甲酯(DMMP)气体，每个浓度的甲基膦酸二甲酯(DMMP)气体通入15分钟后，待声表面波传感器频率不再变化时，再通入氮气进行解析附，完全解析附后再通入下一浓度的甲基膦酸二甲酯(DPPM)气体至结束。
采用网络分析仪对声表面波器件的频率变化进行实时监测，得到图3所示的本发明的实施例与单一敏感材料气体传感器的实时响应曲线。其中，(a)为仅在基片表面沉积聚乙烯基吡咯烷酮的声表面波气体传感器的实时响应曲线，(b)为仅在基片表面沉积酞菁铜的声表面波气体传感器的实时响应曲线，(c)为在基片表面的一个分区沉积聚乙烯基吡咯烷酮，另一个分区沉积酞菁铜的声表面波气体传感器的实时响应曲线。声表面波传感器检测甲基膦酸二甲酯(DMMP)气体是可逆的，响应和解吸都很快速；从图中可以看出，仅在压电基片表面沉积聚乙烯基吡咯烷酮或酞菁铜时，解吸附过程完成时的频率高于初始状态频率，单一敏感材料气体传感器存在明显的基线漂移；相比之下，本发明的气体传感器因其压电基片表面区域一和区域二分别沉积聚乙烯基吡咯烷酮和酞菁铜，所以基线漂移得到有效抑制。
图4所示为本发明的实施例与单一敏感材料气体传感器的响应对比图。其中，(d)为仅在基片表面沉积聚乙烯基吡咯烷酮的声表面波气体传感器的响应曲线，(e)为仅在基片表面沉积酞菁铜的声表面波气体传感器的响应曲线，(f)为在基片表面的一个分区沉积聚乙烯基吡咯烷酮，另一个分区沉积酞菁铜的声表面波气体传感器的响应曲线)。聚乙烯基吡咯烷酮和酞菁铜对甲基膦酸二甲酯(DMMP)气体具有不同响应，本发明的气体传感器表面区域一和区域二分别沉积聚乙烯基吡咯烷酮和酞菁铜与仅在基片表面沉积聚乙烯基吡咯烷酮或酞菁铜相比，本发明传感器响应图的线性度得到了明显提高，从而使用本发明气体传感器测量可以获得更加准确的结果。
以上为本发明实施例，通过对实施例的阐述可进一步理解发明的意义，因此实施例并不限制本发明，凡是运用本发明原理，采用本发明相似结构及其相似变化，均应列入本专利的保护范围。

Claims (3)

1.一种声表面波气体传感器，以单端谐振型声表面波传感器作为换能器，其特征在于，包括：压电基片、设于压电基片上的叉指换能器、位于叉指换能器两侧的反射栅以及选择性吸附膜区；所述选择性吸附膜区在器件表面以叉指换能器的对称中轴线为对称轴被划分为对称的两个分区，各分区均沉积有对同一特定气体响应的气体敏感薄膜，各分区的气体敏感薄膜对同一特定气体具有不同响应。
2.根据权利要求1所述的声表面波气体传感器，其特征在于，所述压电基片采用石英晶体或锗酸铋晶体或铌酸锂晶体或氧化锌薄膜制成。
3.根据权利要求1所述的声表面波气体传感器，其特征在于，所述的气体敏感薄膜为分层薄膜或复合薄膜或分层复合薄膜。
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