[發(fā)明專利]一種集成式阻抗負載聲表面波氣體傳感器

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201611225354.1
• 申請日: 2016-12-27
• 公開（公告）號: CN106841383B
• 公開（公告）日: 2019-06-18
• 發(fā)明（設計）人: 羅為;傅邱云;王曉碧;鄭志平;胡云香
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: G01N29/02
• 分類號: G01N29/02
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 張建偉

1.一種氣體傳感器，其特征在于，包括襯底、壓電層、輸入/輸出叉指換能器、反射叉指換能器、敏感叉指電極和氣敏薄膜；其中：

所述襯底為絕緣材料層，用于生長壓電層；所述襯底為生長在Si襯底上的SiO₂絕緣層；

所述壓電層制作在絕緣材料層之上，用于機械形變與電信號的轉(zhuǎn)換，從而實現(xiàn)超聲波和射頻信號的轉(zhuǎn)換；

所述輸入/輸出叉指換能器、反射叉指換能器和敏感叉指電極為形狀像手指交叉狀的金屬圖案，用于實現(xiàn)聲電換能；所述輸入/輸出叉指換能器、反射叉指換能器和敏感叉指電極依序制作在壓電層表面上；輸入/輸出叉指換能器和反射叉指換能器平行對準，以便于超聲波傳輸耦合；

所述氣敏薄膜沉積在敏感叉指電極區(qū)域上方，與敏感叉指電極共同構(gòu)成傳感結(jié)構(gòu)，用于探測氣體；所述輸入/輸出叉指換能器用于信號輸入輸出，其一方面將電信號轉(zhuǎn)換為超聲波，通過壓電層傳送至反射叉指換能器；另一方面，將反射叉指換能器送來的超聲波轉(zhuǎn)換為電信號輸出；

所述反射叉指換能器用于反射輸入的超聲波回到輸入/輸出叉指換能器，同時與傳感結(jié)構(gòu)相連，接收傳感結(jié)構(gòu)傳來的信息；

所述傳感結(jié)構(gòu)為傳感器的敏感面，用于感知氣體；

工作時，隨著待測氣體濃度的變化，氣敏薄膜的材料特性發(fā)生變化，引起傳感結(jié)構(gòu)的阻抗變化，導致與之相連的反射叉指電極的反射系數(shù)發(fā)生變化，因而反射到輸入/輸出叉指換能器的信號對應的反射峰包含了外界被感知量的信息，從而實現(xiàn)了氣體信息的感知與傳送。

2.根據(jù)權利要求1所述的氣體傳感器，其特征在于，所述壓電層可以是包括ZnO、AlN和GaN中任意一種的居里溫度高的壓電材料，也可以是LiNbO₃、LiTaO₃、四硼酸鋰中任意一種的單晶薄層；所述輸入/輸出叉指換能器、反射叉指換能器的電極材料相同，選用包括鋁、銅、金中任意一種的金屬材料，采用光刻的方法制作在壓電層表面。

3.根據(jù)權利要求1所述的氣體傳感器，其特征在于，整個傳感器涉及到的電極均設計成具有特殊高寬比的單指型結(jié)構(gòu)；輸入/輸出叉指換能器、反射叉指換能器電極的周期和孔徑根據(jù)阻抗匹配和能量損耗最小的原則得到優(yōu)化；輸入/輸出叉指換能器和反射叉指換能器的指條參數(shù)相同，以得到更高的耦合效率。

4.根據(jù)權利要求1所述的氣體傳感器，其特征在于，所述輸入/輸出叉指換能器和反射叉指換能器距離設置在50-200個波長范圍內(nèi)。

5.根據(jù)權利要求1所述的氣體傳感器，其特征在于，所述敏感叉指電極與反射叉指換能器距離為輸入/輸出叉指換能器與反射叉指換能器距離的5-15倍。

6.根據(jù)權利要求1所述的氣體傳感器，其特征在于，所述敏感叉指電極指條陣與反射叉指換能器指條陣不平行。

7.根據(jù)權利要求1所述的氣體傳感器，其特征在于，所述的氣敏薄膜包括氧化鋅、二氧化錫中任意一種的對氣體敏感的無機薄膜，或者包括聚乙二醇、聚氨酯中任意一種的有機薄膜；氣敏薄膜其覆蓋范圍取決于其下制作的叉指電極大小。

8.根據(jù)權利要求1所述的氣體傳感器，其特征在于，所述輸入/輸出叉指換能器連接有天線或?qū)Ь€，用于實現(xiàn)無線或有線的信號收發(fā)方式。

9.根據(jù)權利要求1所述的氣體傳感器，其特征在于，所述輸入/輸出叉指換能器和反射叉指換能器設計成諧振器結(jié)構(gòu)，即在輸入/輸出叉指換能器的兩邊都設置有反射叉指換能器，使聲表面波在兩個反射叉指換能器之間形成諧振，以進一步提高器件Q值。

10.根據(jù)權利要求1所述的氣體傳感器，其特征在于，所述敏感叉指電極指條陣與反射叉指換能器指條陣的夾角優(yōu)選值為30-60度。