CN106841383B - 一种集成式阻抗负载声表面波气体传感器 - Google Patents

一种集成式阻抗负载声表面波气体传感器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于Si衬底的集成式阻抗负载声表面波气体传感器，包括衬底、压电层、输入/输出叉指换能器、反射叉指换能器、敏感叉指电极和气敏薄膜。通过在Si衬底上生长一层薄的SiO2绝缘层和压电层，具有良好的温度特性；Si衬底材料具有低成本、大尺寸、可导电的特点，能与集成电路产业兼容；对叉指电极的排列结构进行了优化，能减少外接传感器造成的声波反射，同时可以减少连接线导致的寄生效应，叉指换能器和敏感叉指电极一次制成，确保了制造过程的简易性，易于大规模生产。本发明实现了传感器的无线无源测量，可以将易受外界影响的传感部分与信号传送部分分开，扩展了传感器的适用范围。

Description

一种集成式阻抗负载声表面波气体传感器
技术领域
本发明属于声表面波技术领域，更具体地，涉及一种基于半导体材料Si的集成式无线无源阻抗负载声表面波SAW气体传感器。
背景技术
由于外界因素(如温度、湿度、压力、磁场、电场等)会使SAW的传输特性发生变化，且SAW器件工作在射频波段，抗电磁干扰能力强，故SAW传感器的应用越来越广泛。现有的SAW器件是由压电材料基片和沉积在基片上不同功能的叉指换能器(IDT)组成，而现有的SAW气体传感器则是在这个结构的基础上覆盖一层气敏薄膜，与待检测气体发生反应，使SAW在其中的传输特性发生改变，从而起到测量气体的作用。
SAW器件是无源器件，且容易实现无线传感，故能用于许多不方便有源测量的特殊场合。无线无源SAW传感器的工作原理是：首先，射频询问单元发出高频询问信号，信号被直接与IDT相连的天线接收，转换成电信号。IDT将电信号转换成在压电晶体表面传播的SAW，部分SAW能量被传播路径上的反射叉指换能器反射回来，再通过IDT将声信号转换成电信号，然后由天线发送出去。射频接收器接收到由SAW传感器的天线发送出来的反馈信号，将其送到计算机或其他信号处理单元进行信号处理。外界被感知量的信息以及SAW传感器的身份识别信息都包含在反馈信号中，通过对这些信息的提取最终达到无线无源测量的目的。
阻抗负载SAW传感器是指在SAW芯片的反射器上附加传感结构构成组合型传感器，这种阻抗负载SAW传感器除了具有一般无线无源SAW传感器的优点之外，它将SAW信号传输模块封装起来，在使用时可以外接不同功能的传感模块，提供了更多的测量可能，以及更便宜的SAW传感器模块。
现阶段无线无源阻抗负载SAW传感器主要有两种结构：延迟线型和谐振器型。目前主要采用的是延迟线结构，它采用叉指电极作为反射器，与附加的传感部分相连接，故其反射系数随外接阻抗(电感、电容或电阻)的变化而变化，若外界被感知的物理量发生变化时，外接传感结构的阻抗将会发生变化，则与之相连的反射叉指电极的反射系数也会发生变化，据此在反馈信号中与之相对应的反射峰也包含了外界被感知量的信息，该信息经由读写器检测出来，从而实现测量目的。
现有的SAW气体传感器部分是在SAW的传输区域沉积气敏薄膜，形成层状结构(例如专利文献1“一种声表面波气体传感器”，申请号：201610173136.1)，但是这种结构的气敏区域与声-电转换区域不能隔离，因此在气敏薄膜沉积过程中容易对电极造成损坏，声波在传播过程中也会因为声电效应发生而产生损耗。
现有的无线无源阻抗负载SAW气体传感器多是组合式结构，即在SAW信号传送芯片的反射器上外接一个传统的气体传感器。第一，这样加大了制造难度，需要多次平面工艺分别制造SAW信号传送芯片的电极和外接气体传感器的电极；第二，引线不恰当排布容易导致寄生效应，产生pF和nH级别的电容和电感，这样再外接传感器时，外接传感器的阻抗变化对传感器的回波损耗影响非常小，致使传感器的分辨率很低。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种集成式无线无源阻抗负载SAW气体传感器，其目的在于将SAW信号传送芯片和外接传感结构共同集成在Si衬底结构上，由此解决现有技术存在的工艺复杂、成本高、制作效率低、高频高温特性差以及难以集成的技术问题。
本发明提出的一种气体传感器，包括衬底、压电层、输入/输出叉指换能器、反射叉指换能器、敏感叉指电极和气敏薄膜。其中：
所述衬底为绝缘材料层，用于生长压电层；
所述压电层制作在绝缘材料层之上，用于机械形变与电信号的转换，从而实现超声波和射频信号的转换；
所述输入/输出叉指换能器、反射叉指换能器和敏感叉指电极为形状像手指交叉状的金属图案，用于实现声电换能；所述输入/输出叉指换能器、反射叉指换能器和敏感叉指电极依序制作在压电层表面上；输入/输出叉指换能器和反射叉指换能器平行对准，以便于超声波传输耦合；
所述气敏薄膜沉积在敏感叉指电极区域上方，与敏感叉指电极共同构成传感结构，用于探测气体；该薄膜厚度在50nm-50um之间容易与压电层结合。
所述输入/输出叉指换能器用于信号输入输出，其一方面将电信号转换为超声波，通过压电层传送至反射叉指换能器；另一方面，将反射叉指换能器送来的超声波转换为电信号输出；
所述反射叉指换能器用于反射输入的超声波回到输入/输出叉指换能器，同时与传感结构相连，接收传感结构传来的信息；连接方式可以是导线或其它方式；
所述传感结构为传感器的敏感面，用于感知气体；工作时，随着待测气体浓度的变化，气敏薄膜的材料特性(如电导率、密度等)会发生变化，则传感结构的阻抗会发生变化，导致与之相连的反射叉指电极的反射系数发生变化，因而反射到输入/输出叉指换能器的信号对应的反射峰包含了外界被感知量的信息，从而实现了气体信息的感知与传送。
进一步的，所述衬底为生长在Si衬底上的SiO2绝缘层。
进一步的，所述压电层可以是包括ZnO、AlN和GaN在内的居里温度高的压电材料，也可以是LiNbO3、LiTaO3、四硼酸锂等单晶薄层；所述输入/输出叉指换能器、反射叉指换能器的电极材料相同，选用包括铝、铜、金等在内的金属材料，采用光刻的方法制作在压电层表面。
进一步的，整个传感器涉及到的电极均设计成具有特殊高宽比的单指型结构；叉指换能器、反射叉指换能器电极的周期和孔径根据阻抗匹配和能量损耗最小的原则得到优化，以增大反射回波的幅度变化量；叉指换能器和反射叉指换能器的指条参数相同，以得到更高的耦合效率，增大反射回波的幅度变化量，从而进一步提高传感器灵敏度。
进一步的，所述输入/输出叉指换能器和反射叉指换能器距离设置在50-200个波长范围内，太近则会使输入/输出叉指换能器激发的声表面波与反射叉指换能器反射回来的声表面波相互干扰，太远则会因为衍射效应的影响增大损耗。
进一步的，所述敏感叉指电极与反射叉指换能器距离为输入/输出叉指换能器与反射叉指换能器距离的5-15倍左右。
进一步的，所述敏感叉指电极指条阵与反射叉指换能器指条阵不平行，两者夹角优选值为30-60度。
进一步的，所述的气敏薄膜是氧化锌、二氧化锡等对气体敏感的无机薄膜，或者是聚乙二醇、聚氨酯等有机薄膜，其覆盖范围取决于其上制作的叉指电极大小。
进一步的，所述输入/输出叉指换能器连接有天线或导线，用于实现无线或有线的信号收发方式。
进一步的，所述输入/输出叉指换能器和反射叉指换能器设计成谐振器结构，即在输入/输出叉指换能器的两边都设置有反射叉指换能器，形成多组平行设置的反射叉指换能器，(这种结构的无线无源阻抗负载SAW传感器仅仅响应与谐振器固有频率相同或接近的激励信号，可以利用其良好的频率选择特性直接测量反映器件固有频率的谐振频率，从而感知被测量的大小)以进一步提高器件Q值，减少传输损耗，提升无线传输距离。所述的谐振器结构，包括反射IDT---输入输出IDT---反射IDT---传感结构在内。
进一步的，所述输入/输出叉指换能器和反射叉指换能器设计成谐振器结构，以进一步提高器件Q值，减少传输损耗，提升无线传输距离。
本发明中，输入/输出叉指换能器与反射叉指换能器的周期根据工作频率确定，其指条长度由电学阻抗确定，其指条数目由器件带宽确定；敏感叉指电极的周期、指条数目、指条长度均由气敏薄膜的性质(如电阻率、介电常数等)决定。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，由于所用的Si衬底材料具有低成本、大尺寸、可导电的特点，能与集成电路产业完美的兼容，且这种集成结构可以减少连接线导致的寄生效应，确保了制造过程的简易型，易于大规模生产。本发明通过在Si衬底上生长一层薄的SiO2绝缘层，其上再覆盖一层压电薄层，共同组成衬底结构，这样的衬底结构就会在制作气敏薄膜时有很大的优势，不会因为较高的热处理温度而改变性质，从而影响性能。同时，本发明对叉指电极的排列结构也进行了优化，将延迟线结构的叉指电极与外接传感器的叉指电极呈一定角度连接，这样就可以减少外接传感器造成的声波反射，避免影响传感器性能。
附图说明
图1是延迟线型无线无源声表面波阻抗负载传感器平面示意图；
图2是谐振器型无线无源声表面波阻抗负载传感器平面示意图；
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1.输入/输出叉指换能器，2.反射叉指换能器，3.敏感叉指电极，4.气敏薄膜，5.Si衬底；6.输入/输出叉指换能器，7.反射叉指换能器，8.敏感叉指电极，9.气敏薄膜，10.Si衬底。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
下面结合附图对本发明进一步详细说明。
如图1所示，本发明的气体传感器包括天线、输入/输出叉指换能器1、反射叉指换能器2、敏感叉指电极3、气敏薄膜4和硅衬底5。
在所述硅衬底上生长一层薄氧化层，然后再覆盖一层压电薄膜，形成完整的衬底结构。所述输入/输出叉指换能器、反射叉指换能器和敏感叉指电极均集成在该衬底上，所述输入/输出叉指换能器与所述反射叉指换能器可以设计成延迟线结构，所述反射叉指换能器与敏感叉指电极相连，所述气敏薄膜沉积在敏感叉指电极区域上方，与敏感叉指电极共同构成传感结构。所述天线与输入/输出叉指换能器的电极端相连，射频询问单元发射的无线信号经所述天线接收并通过输入/输出叉指换能器转化为SAW，在所述压电基片上传播，到达所述反射叉指换能器后产生反射，反射回的声波经由输入/输出叉指换能器再次转化为无线电波经天线发射出去，射频接收器接收上述天线发送出来的反馈信号，经信号处理和信息提取，即可实现无线无源的传感测量。
其中，基底材料可以是Si材料的常用切型，电极材料可以是铝、铜、金等电极，所述的外接传感器上的气敏薄膜可以是氧化锌、二氧化锡、有机物等。压电薄膜可以是氧化锌、氮化铝、氮化镓、LiNbO3单晶薄膜等。
射频询问单元发送的无线信号被天线接收，传播至与天线相连的输入/输出叉指换能器1，输入/输出叉指换能器1将无线电波转化为声表面波，声表面波在Si衬底5上传播，到达反射叉指换能器2后，产生反射。由于反射叉指换能器2外接传感结构，当外接传感结构阻抗变化时，反射叉指换能器2的外接电学条件发生变化，其反射性能也会发生变化。因此反射回的声波经由输入/输出叉指换能器1再次转化为无线电波经天线发射出去后，射频接收器接收到由声表面波传感器的天线发送出来的反馈信号，将其送到计算机或其他信号处理单元进行信号处理。外界被感知量的信息以及声表面波传感器的身份识别信息都包含在反馈信号中，通过对这些信息的提取最终达到无线无源测量的目的。
实施例1
如图1所示，压电层采用氮化铝薄膜，输入/输出叉指换能器1与反射叉指换能器2采用延迟线结构，电极为铝电极，反射叉指换能器2采用双叉指电极，电极高度和电极宽度之比在0.3-0.15之间，气敏薄膜采用SnO2纳米晶薄膜，与敏感叉指电极共同组成电导型气体传感结构，其电阻调控可以通过掺杂Sb来改变SnO2纳米晶薄膜的电阻率。
在本实施例中，选用通用的双叉指电极，设置合适的电极高宽比，可以有效减少指间反射，利用双叉指电极短路时反射系数小，并随外接阻抗变化的特点实现传感测量。同时选用了SnO2纳米晶薄膜作为气敏薄膜，这样能通过掺杂Sn改变SnO2纳米晶薄膜的电阻率，适应不同的测量需求。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种气体传感器，其特征在于，包括衬底、压电层、输入/输出叉指换能器、反射叉指换能器、敏感叉指电极和气敏薄膜；其中：
所述衬底为绝缘材料层，用于生长压电层；所述衬底为生长在Si衬底上的SiO2绝缘层；
所述压电层制作在绝缘材料层之上，用于机械形变与电信号的转换，从而实现超声波和射频信号的转换；
所述输入/输出叉指换能器、反射叉指换能器和敏感叉指电极为形状像手指交叉状的金属图案，用于实现声电换能；所述输入/输出叉指换能器、反射叉指换能器和敏感叉指电极依序制作在压电层表面上；输入/输出叉指换能器和反射叉指换能器平行对准，以便于超声波传输耦合；
所述气敏薄膜沉积在敏感叉指电极区域上方，与敏感叉指电极共同构成传感结构，用于探测气体；所述输入/输出叉指换能器用于信号输入输出，其一方面将电信号转换为超声波，通过压电层传送至反射叉指换能器；另一方面，将反射叉指换能器送来的超声波转换为电信号输出；
所述反射叉指换能器用于反射输入的超声波回到输入/输出叉指换能器，同时与传感结构相连，接收传感结构传来的信息；
所述传感结构为传感器的敏感面，用于感知气体；
工作时，随着待测气体浓度的变化，气敏薄膜的材料特性发生变化，引起传感结构的阻抗变化，导致与之相连的反射叉指电极的反射系数发生变化，因而反射到输入/输出叉指换能器的信号对应的反射峰包含了外界被感知量的信息，从而实现了气体信息的感知与传送。
2.根据权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，所述压电层可以是包括ZnO、AlN和GaN中任意一种的居里温度高的压电材料，也可以是LiNbO3、LiTaO3、四硼酸锂中任意一种的单晶薄层；所述输入/输出叉指换能器、反射叉指换能器的电极材料相同，选用包括铝、铜、金中任意一种的金属材料，采用光刻的方法制作在压电层表面。
3.根据权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，整个传感器涉及到的电极均设计成具有特殊高宽比的单指型结构；输入/输出叉指换能器、反射叉指换能器电极的周期和孔径根据阻抗匹配和能量损耗最小的原则得到优化；输入/输出叉指换能器和反射叉指换能器的指条参数相同，以得到更高的耦合效率。
4.根据权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，所述输入/输出叉指换能器和反射叉指换能器距离设置在50-200个波长范围内。
5.根据权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，所述敏感叉指电极与反射叉指换能器距离为输入/输出叉指换能器与反射叉指换能器距离的5-15倍。
6.根据权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，所述敏感叉指电极指条阵与反射叉指换能器指条阵不平行。
7.根据权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，所述的气敏薄膜包括氧化锌、二氧化锡中任意一种的对气体敏感的无机薄膜，或者包括聚乙二醇、聚氨酯中任意一种的有机薄膜；气敏薄膜其覆盖范围取决于其下制作的叉指电极大小。
8.根据权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，所述输入/输出叉指换能器连接有天线或导线，用于实现无线或有线的信号收发方式。
9.根据权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，所述输入/输出叉指换能器和反射叉指换能器设计成谐振器结构，即在输入/输出叉指换能器的两边都设置有反射叉指换能器，使声表面波在两个反射叉指换能器之间形成谐振，以进一步提高器件Q值。
10.根据权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，所述敏感叉指电极指条阵与反射叉指换能器指条阵的夹角优选值为30-60度。
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