[發明專利]一種三維納米結構聲表面波氣敏傳感器

無效

• 申請號: 201410121759.5
• 申請日: 2014-03-28
• 公開（公告）號: CN103868818A
• 公開（公告）日: 2014-06-18
• 發明（設計）人: 王露;楊靖;馬晉毅;杜波;江洪敏;司美菊;王登攀;祖小濤;李志杰;唐永亮
• 申請（專利權）人: 中國電子科技集團公司第二十六研究所
• 主分類號: G01N5/02
• 分類號: G01N5/02
• 代理公司: 重慶博凱知識產權代理有限公司 50212
• 代理人: 王海鳳

技術領域

本發明涉及傳感器技術領域，具體指一種三維納米結構聲表面波氣敏傳感器。

背景技術

聲表面波(Surface?Acoustic?Wave，SAW)傳感器（如圖1）是一類新型傳感器，它利用逆壓電效應將電磁信號耦合為聲波信號再將聲波信號通過壓電效應耦合為電磁信號，聲波傳播路徑上材料物理特性的變化（如壓電基底表面的質量變化、電導率變化、溫度變化等），會引起聲表面波器件頻率、延時、相位、幅度等電學特性的改變，通過檢測這些電學特性的變化就可以實現傳感器的功能。SAW傳感器的工作原理是當目標氣體通過敏感材料表面時，敏感材料1將選擇性吸附目標氣體分子，從而導致敏感材料1單位面積的質量發生改變。這種改變對SAW傳感器特性的影響有兩個方面：一方面減小了SAW?傳感器的振動幅度，使器件的插損增大；另一方面，它使器件的基礎頻率發生頻移Δf_s。和其它氣敏傳感器技術相比，SAW傳感器具有響應速度快、靈敏度高、體積小等特點，是近年來國內外研究的熱點。

三維納米結構傳感器，如ZnO納米線、氧化鎢納米線（如圖2）、二氧化鈦納米管、碳納米管傳感器等，是目前半導體傳感器領域應用研究的熱點。由于這些納米結構都具有非常高的比表面積和氣敏性能，是一種最有前途的新型氣體敏感材料。

由于科技的發展對氣體傳感器的響應速度、靈敏度下限等提出了越來越高的要求，傳統的SAW氣敏傳感器和三維納米結構傳感器雖然有著各自的優點，但是還是無法滿足科技發展的需要，因此，迫切需要研制出一種具有更小體積、更高靈敏度、更快響應速度的新型氣敏傳感器。

發明內容

針對現有技術存在的上述問題，本發明的目的是結合SAW傳感技術與三維納米技術的優點，得到一種體積小，重量輕、成本低，且對低濃度氣體檢測靈敏度高、檢測快速的三維納米結構聲表面波氣敏傳感器。

為實現上述目的，本發明采用如下技術方案：一種三維納米結構聲表面波氣敏傳感器，包括壓電基底，置于該壓電基底表面且相互平行的輸入叉指電極IDT1和輸出叉指電極IDT2以及敏感區，所述敏感區位于輸入叉指電極IDT1和輸出叉指電極IDT2之間，所述敏感區上具有三維納米結構敏感膜，所述三維納米結構敏感膜包括生長在敏感區上的改性三維納米線或納米管及涂覆在敏感區表面的敏感膜，所述改性三維納米線或納米管是、指在外表面附著有敏感膜的三維納米線或納米管。三維納米線或納米管不僅作為氣體檢測的敏感材料，而且可以作為表面生長其它高分子薄膜、納米顆粒薄膜的結構模板，在其表面生長一層具有更高靈敏度的有機或無機半導體薄膜，大大提高該種氣敏材料的比表面積，從而提高其靈敏度和選擇性。

作為優化，改性三維納米線或納米管在敏感區呈整列式分布，陣列結構的三維納米線或納米管更有利形成傳感器后，其檢測精度的穩定，同時也更利于三維納米線或納米管修飾改性具有非常重要的作用。

所述改性三維納米線或納米管的高度為2-5μm，高度大于或小于2-5μm都會降低氣敏傳感器的靈敏度。

所述改性三維納米線或納米管的直徑為200-400?nm，直徑小于200-400?nm不利于敏感膜的涂覆，大于此直徑則會增大聲表面波傳感器的插入損耗，直接降低其靈敏度。

相對于現有技術，本發明具有如下優點：

本發明給出的三維納米結構聲表面波氣敏傳感器結合SAW傳感技術與三維納米技術的優點，對現有聲表面波傳感器進行優化設計，在聲表面波傳感器的敏感區上設計制備三維納米線或納米管（比如ZnO納米線、氧化鎢納米線、二氧化鈦納米管或碳納米管），然后對使用敏感材料對該三維納米線或納米管進行修飾改性，在納米管表面生長一層具有更高靈敏度的有機或無機半導體薄膜，這樣將大大提高該種氣敏材料的比表面積，從而提高其靈敏度和選擇性。由于三維納米線或納米管的敏感面會吸附不同的氣體，引起其質量的變化，而聲表面波傳感器對質量的改變高度敏感，其聲表面波輸出頻率或相移會相應的發生變化，從而實現對低濃度氣體的快速檢測，檢測完一次之后通過加熱、空氣吹掃等方法去除掉吸附在銘感材料表面上的氣體，實現傳感器的循環使用。該敏傳感器集成度高、小體積、重量輕成本低，適用范圍廣，可在室溫下工作，對低濃度氣體檢測時靈敏度高，更重要的是可以對多種氣體進行快速、可靠的檢測。

附圖說明

圖1為現有SAW傳感器的原理圖。

圖2（a）為WO₃三維納米線的掃描電鏡照片，圖2（b）為ZnO?三維納米線的掃描電鏡照片。

圖3為傳統的二維敏感膜示意圖。