CN111751444A - 一种声表面波传感器和设备 - Google Patents

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Abstract

本申请提供了一种声表面波传感器和设备，涉及气体传感技术领域。其中所述声表面波传感器包括：压电晶体，输入叉指换能器和输出叉指换能器并列设置在压电晶体的第一表面上；SiO2钝化薄层设置在压电晶体的第二表面、输入叉指换能器的第三表面和输出叉指换能器的第三表面上；两个吸声胶设置在SiO2钝化薄层的第四表面上，且两个吸声胶中一个吸声胶设置在输入叉指换能器的背离输出叉指换能器的一端处，两个吸声胶中另一个吸声胶设置在输出叉指换能器的背离输入叉指换能器的一端处；气敏薄膜设置在SiO2钝化薄层的第四表面上，且位于两个吸声胶之间。本申请提供的声表面波传感器，有效实现传感器的低损耗和低温漂，从而有助于传感器稳定性与检测下限的改善。

Description

一种声表面波传感器和设备
技术领域
本发明涉及气体传感技术领域，尤其涉及一种声表面波传感器和设备。
背景技术
痕量毒害气体的快速监测在国防、公共安全防控、环境保护、工业流程监控等领域中具有重要意义。相关气体检测技术种类繁多，其中声表面波(surface acoustic wave，SAW)技术以其高灵敏、快速响应及微纳体积等特点引起人们的广泛注意。其基本原理是在声表面波器件表面沉积气敏薄膜，薄膜对目标气体的吸附效应作用于传播声波，声速的变化可表征为器件频率或者相位信息，将其采集并处理即可检测识别目标气体。
SAW气体传感器通常采用SAW器件作为频率控制单元的振荡电路构成。但是传感过程中的SAW器件损耗的增加常导致传统振荡器的系统结构噪声增大甚至停振失效。此外，传统SAW器件多采用ST、AT石英，甚至LiNbO3和LiTaO3等常规压电晶体材料，相应器件温漂也导致了明显的系统噪声，直接影响到传感系统的稳定性及检测下限等性能指标。
发明内容
为了克服上述问题，本申请的实施例提供了一种声表面波传感器和设备。
为了达到上述目的，本申请的实施例采用如下技术方案：
本申请提供一种声表面波传感器，包括：压电晶体1，输入叉指换能器2和输出叉指换能器3，并列设置在所述压电晶体1的第一表面上，所述第一表面为当压电晶体1安装在其它器件上时，与所述其它器件接触的表面相对一侧的表面；SiO2钝化薄层4，设置在所述压电晶体1的第二表面、所述输入叉指换能器2的第三表面和所述输出叉指换能器3的第三表面上，所述第二表面为所述第一表面的除与所述输入叉指换能器2和所述输出叉指换能器3相接触的表面，所述第三表面为所述输入叉指换能器2和所述输出叉指换能器3与所述第一表面相接触的表面相对一侧的表面；两个吸声胶5，设置在所述SiO2钝化薄层4的第四表面上，且所述两个吸声胶5中一个吸声胶设置在所述输入叉指换能器2的背离所述输出叉指换能器3的一端处，所述两个吸声胶5中另一个吸声胶设置在所述输出叉指换能器3的背离所述输入叉指换能器2的一端处，所述第四表面为所述SiO2钝化薄层4与所述第二表面相接触的表面相对一侧的表面；气敏薄膜6，设置在所述SiO2钝化薄层4的所述第四表面上，且位于所述两个吸声胶5之间。
在另一个可能的实现中，所述压电晶体1采用Y切35°X的石英晶体。
在另一个可能的实现中，所述SiO2钝化薄层4通过低温离子束溅射或高温等离子体增强化学气相沉积PECVD方式设置在在所述压电晶体1的第二表面、所述输入叉指换能器2的第三表面和所述输出叉指换能器3的第三表面上。
在另一个可能的实现中，所述输入叉指换能器2和所述输出叉指换能器3均采用铝电极。
在另一个可能的实现中，所述输入叉指换能器2和所述输出叉指换能器3均采用单向单相换能器结构。
在另一个可能的实现中，所述输入叉指换能器2和所述输出叉指换能器3均包括至少一对叉指电极7和至少一个反射电极8；其中，所述输入叉指换能器2中每个反射电极8位于每对叉指电极7的远离所述输出叉指换能器3的一侧，所述输出叉指换能器3中每个反射电极8位于每对叉指电极7的远离所述输入叉指换能器2的一侧。
在另一个可能的实现中，所述叉指电极7的宽度为1/8λ，所述反射电极8宽度为1/4λ；其中，所述叉指电极7与所述叉指电极7之间的间距为1/8λ，所述反射电极8与所述叉指电极7之间的间距为3/16λ，所述λ为声波波长。
在另一个可能的实现中，所述输入叉指换能器2的长度是所述输出叉指换能器3的3-4倍。
在另一个可能的实现中，所述气敏薄膜6为聚合物或金属氧化物薄膜，通过旋涂或磁控溅射的方法设置在所述SiO2钝化薄层4的所述第四表面上。
第二方面，本申请还提供了一种设备，包括至少一个执行如第一方面任意可能实现的实施例中的声表面波传感器。
与现有的SAW气体传感器件相比，本发明通过采用Y切35°X传播的石英晶体作为压电基底材料，提高了器件的温度稳定性，在此基础上，采用单向单相换能器结构有效实现了传感器件的低损耗，从而有助于传感器系统稳定性与检测下限的改善。
附图说明
下面对实施例或现有技术描述中所需使用的附图作简单地介绍。
图1为本申请实施例提供的声表面波传感器的俯视图；
图2为本申请实施例提供的声表面波传感器的侧视图；
图3为本申请实施例提供的输入叉指换能器单向单相换能器结构示意图；
图4为本申请实施例提供的输出叉指换能器单向单相换能器结构示意图；
图5为本申请实施例提供的声表面波传感器幅频响应的曲线图；
图6为本申请实施例提供的声表面波传感器相频响应的曲线图
图7为本申请实施例提供的声表面波传感器温度稳定性示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行描述。
图1、图2为本申请实施例提供的声表面波传感器的俯视图和剖面图。如图所示，该声表面波传感器包括压电晶体1、输入叉指换能器2、输出叉指换能器3、SiO2钝化薄层4、两个吸声胶5和气敏薄膜6。
在最底层，压电晶体1。在本申请中，压电晶体1的形状为一个长方体结构，用于作为声表面波传感器的基底。可选地，压电晶体1采用Y切35°X的石英，采用此结构的压电晶体1，因为温度在20℃～50℃范围内，其温度系数趋于零。
在压电晶体1的长方体的上表面上，设置有输入叉指换能器2和输出叉指换能器3，且输入叉指换能器2和输出叉指换能器3以在同一条直线上的方式排列在压电晶体1的上表面上。在本申请中，输入叉指换能器2和输出叉指换能器3均采用单向单相结构。
示例性地，如图3和图4所示的输入叉指换能器2和输出叉指换能器3的结构图，输入叉指换能器2和输出叉指换能器3中均包括至少一对叉指电极7和至少一个反射电极8。其中，输入叉指换能器2中每个反射电极8位于每个叉指电极7的远离输出叉指换能器3的一侧，输出叉指换能器3中每个反射电极8位于每个叉指电极7的远离输入叉指换能器2的一侧。
另外，输入叉指换能器2和输出叉指换能器3中的叉指电极7的宽度为1/8λ，反射电极8宽度为1/4λ，且叉指电极7与叉指电极7之间的间距为1/8λ，反射电极8与叉指电极7之间的间距为3/16λ。其中，λ为声波波长。
正常情况下，本申请的声表面波传感器的工作频率为200MHz，则相应的声波波长λ为17.2μm。因此，叉指电极7的宽度为2.16μm，反射电极8宽度为4.32μm，叉指电极7与叉指电极7之间的间距为2.16μm，反射电极8与叉指电极7之间的间距为3.23μm。
优选地，输入叉指换能器2和输出叉指换能器3之间一般保持一定的距离，该距离为2mm。
优选地，输入叉指换能器2和输出叉指换能器3中的叉指电极7和反射电极8均采用铝电极。其中，电极膜厚为0.02-0.03λ。
优选地，输入叉指换能器2的长度是输出叉指换能器3的3-4倍，并对输入叉指换能器2采用如余弦、正弦等变迹加权，以保障通带内的线性相位特性。一般情况下，输入叉指换能器2和输出叉指换能器3的长度分别为150λ和50λ(λ为声波波长)，其声孔径为1720μm。
本申请中，SiO2钝化薄层4采用低温离子束溅射或高温等离子体增强化学气相沉积(plasma enhanced chemical vapor deposition，PECVD)方式覆盖在压电晶体1的上表面的除与输入叉指换能器2和输出叉指换能器3相接触的表面上、输入叉指换能器2和输出叉指换能器3的出与压电晶体1相接触的表面上，把输入叉指换能器2和输出叉指换能器3包裹起来，用于对输入叉指换能器2和输出叉指换能器3的保护。
优选地，覆盖的SiO2钝化薄层4的厚度为40nm。
本申请中，两个吸声胶5设置在SiO2钝化薄层4的上表面上，且两个吸声胶5中一个吸声胶设置在输入叉指换能器2的背离输出叉指换能器3的一端处，两个吸声胶5中另一个吸声胶设置在输出叉指换能器3的背离输入叉指换能器2的一端处，用于消除在压电晶体1两边缘的声波反射对器件性能影响。
本申请中，气敏薄膜6设置在SiO2钝化薄层4的上表面上，且位于两个吸声胶5之间，将输入叉指换能器2的背离输出叉指换能器3再次包裹起来，用于吸附目标气体分子，并对叉指换能器所激励的SAW产生质量负载或者声电耦合等效应，从而引起SAW传播速度的变化。
优选地，气敏薄膜6一般为聚合物或金属氧化物，可采用旋涂、分子自组装、分子印迹或者磁控溅射等方法沉积于SiO2钝化薄层4的上表面上。
与现有的SAW气体传感器件相比，本申请实施例提供的声表面波传感器，通过采用Y切35°X传播的石英晶体作为压电基底材料，提高了器件的温度稳定性，在此基础上，采用单向单相换能器结构有效实现了传感器件的低损耗，从而有助于传感器系统稳定性与检测下限的改善。
通过上述方案，本申请制备了一个上述声表面波传感器件样品，其中：工作频率为200MHz，压电晶体1采用Y切35°X传播的石英压电基底；铝电极膜厚为120nm；输入叉指换能器2的长度为150λ(2.58mm)，并采用余弦加权；输出叉指换能器3的长度为50λ(0.86mm)；输入叉指换能器2与输出叉指换能器3之间的中心距离为2mm；SiO2钝化薄层4的膜厚为40nm；在SiO2钝化薄层4表面用旋涂方法沉积三乙醇胺气敏材料，其膜厚为50nm。
如图5和图6所示的声表面波传感器的测试幅频和相频响应曲线，从图中可以看出，声表面波传感器的损耗较低，约为12dB，且从图中可以看出在通带内具有良好的线性相位特性。
另外，如图7所示的声表面波传感器的温度稳定性测试结果，从图中可以看出，在20～50℃范围内，器件温漂趋于零，在-10℃～20℃及60～100℃范围内，温漂仅为3.5ppm/℃和3.25ppm/℃。由此可知，传感器件具有良好的温度特性，特别是20～50℃范围内温漂几乎为零，极有利于气体传感系统稳定性的提升。
本发明实施例还提供了一种设备，该设备包括图1至图7所述的声表面波传感器，具体实现过程请详见上述关于图1至图7描述的内容，在此不再进行赘述了。
在本说明书的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以适合的方式结合。
最后说明的是：以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种声表面波传感器，其特征在于，包括：
压电晶体1，
输入叉指换能器2和输出叉指换能器3，并列设置在所述压电晶体1的第一表面上，所述第一表面为当压电晶体1安装在其它器件上时，与所述其它器件接触的表面相对一侧的表面；
SiO2钝化薄层4，设置在所述压电晶体1的第二表面、所述输入叉指换能器2的第三表面和所述输出叉指换能器3的第三表面上，所述第二表面为所述第一表面的除与所述输入叉指换能器2和所述输出叉指换能器3相接触的表面，所述第三表面为所述输入叉指换能器2和所述输出叉指换能器3与所述第一表面相接触的表面相对一侧的表面；
两个吸声胶5，设置在所述SiO2钝化薄层4的第四表面上，且所述两个吸声胶5中一个吸声胶设置在所述输入叉指换能器2的背离所述输出叉指换能器3的一端处，所述两个吸声胶5中另一个吸声胶设置在所述输出叉指换能器3的背离所述输入叉指换能器2的一端处，所述第四表面为所述SiO2钝化薄层4与所述第二表面相接触的表面相对一侧的表面；
气敏薄膜6，设置在所述SiO2钝化薄层4的所述第四表面上，且位于所述两个吸声胶5之间。
2.根据权利要求1所述的声表面波传感器，其特征在于，所述压电晶体1采用Y切35°X的石英晶体。
3.根据权利要求1所述的声表面波传感器，其特征在于，所述SiO2钝化薄层4通过低温离子束溅射或高温等离子体增强化学气相沉积PECVD方式设置在在所述压电晶体1的第二表面、所述输入叉指换能器2的第三表面和所述输出叉指换能器3的第三表面上。
4.根据权利要求1所述的声表面波传感器，其特征在于，所述输入叉指换能器2和所述输出叉指换能器3均采用铝电极。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的声表面波传感器，其特征在于，所述输入叉指换能器2和所述输出叉指换能器3均采用单向单相换能器结构。
6.根据权利要求1-5任意一项所述的声表面波传感器，其特征在于，所述输入叉指换能器2和所述输出叉指换能器3均包括至少一对叉指电极7和至少一个反射电极8；其中，所述输入叉指换能器2中每个反射电极8位于每对叉指电极7的远离所述输出叉指换能器3的一侧，所述输出叉指换能器3中每个反射电极8位于每对叉指电极7的远离所述输入叉指换能器2的一侧。
7.根据权利要求1-6任意一项所述的声表面波传感器，其特征在于，所述叉指电极7的宽度为1/8λ，所述反射电极8宽度为1/4λ；其中，所述叉指电极7与所述叉指电极7之间的间距为1/8λ，所述反射电极8与所述叉指电极7之间的间距为3/16λ，所述λ为声波波长。
8.根据权利要求1-7任意一项所述的声表面波传感器，其特征在于，所述输入叉指换能器2的长度是所述输出叉指换能器3的3-4倍。
9.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述气敏薄膜6为聚合物或金属氧化物薄膜，通过旋涂或磁控溅射的方法设置在所述SiO2钝化薄层4的所述第四表面上。
10.一种设备，其特征在于，包括至少一个权利要求1至权利要求9所述的声表面波传感器。
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RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20201009

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