專利名稱：一種應(yīng)用色散叉指換能器的saw氣體傳感器的制作方法
—種應(yīng)用色散叉指換能器的SAW氣體傳感器
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及SAW氣體傳感器技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種可以實(shí)現(xiàn)氣體檢測(cè)新方法的應(yīng)用色散叉指換能器的SAW氣體傳感器。
背景技術(shù)：
氣體檢測(cè)是指在環(huán)境檢測(cè)中，要求實(shí)時(shí)快速地檢測(cè)氣相、液相等多參數(shù)微量化學(xué)物質(zhì)；在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)診斷中，要求傳感器在復(fù)雜環(huán)境中對(duì)病毒蛋白分子的秒級(jí)范圍內(nèi)的識(shí)別和檢測(cè)；在軍事安全領(lǐng)域，要求傳感器對(duì)毒品、爆炸品等進(jìn)行實(shí)時(shí)高精度的檢測(cè)，特別是對(duì)如沙淋、芥子氣等具有極高致命性生化戰(zhàn)劑的檢查。目前常用的SAW氣體傳感器有兩種延遲線型與諧振器型。延遲線型SAW氣體傳感器由聲表面波延遲線和放大電路組成。輸入換能器激發(fā)出聲表面波，聲表面波經(jīng)過(guò)吸附氣體的敏感膜，傳播到輸出換能器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出。但延遲線型SAW氣體傳感器Q值較低，使其檢測(cè)分辨率較低。諧振器型SAW氣體傳感器由叉指換能器與諧振腔組成。Q值較高，但穩(wěn)定性差，存在振蕩器停振、頻率跳變等問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，而提供一種應(yīng)用色散叉指換能器的SAW氣體傳感器。
本發(fā)明為解決上述問(wèn)題所采用的方案是設(shè)計(jì)一種應(yīng)用色散叉指換能器的SAW氣體傳感器。其特征在于由頻率固定脈沖信號(hào)發(fā)生器，色散叉指換能器，壓電晶體或壓電薄膜，敏感膜，中間反射柵，接收叉指換能器和頻率檢測(cè)裝置組成；所述色散叉指換能器為線性調(diào)頻叉指換能器，輸入端外接頻率固定脈沖信號(hào)發(fā)生器，所述中間反射柵為一組平行等距的金屬條，所述接收叉指換能器為等周期的叉指換能器，外接頻率檢測(cè)裝置。所述色散叉指換能器中每條叉指的寬度和間隔寬度各不相等，叉指的寬度和間隔寬度的設(shè)計(jì)和分布排列與色散叉指換能器的頻率變化規(guī)律相關(guān)，叉指的位置分布與頻率分布相同；所述色散叉指換能器中叉指電極周期段的長(zhǎng)度是隨叉指位置線性變化的，所述色散叉指換能器的頻響形狀與色散叉指換能器的幾何形狀相同。所述色散叉指換能器總的色散時(shí)間Ttl ^ N/2f0, N是叉指總條數(shù)，f0是色散叉指換能器的中心頻率，色散信號(hào)的帶寬就是色散叉指換能器的帶寬ΛF=|f2-f\ |，色散叉指換能器線性調(diào)頻斜率μ =2 AF/T。。所述中間反射柵是開(kāi)路反射柵，由金屬條組成，所有金屬條的長(zhǎng)X寬尺寸相同，各金屬條間的間隔與金屬條寬度相等，金屬條呈直線狀，兩端互不相連；兩個(gè)金屬條的寬度加兩個(gè)間隔的寬度為一個(gè)SAW波長(zhǎng)λ，中間反射柵長(zhǎng)度為10(Γ150個(gè)SAW波長(zhǎng)；中間反射柵止帶頻率為fc/，可以阻止這一頻率的SAW通過(guò)，色散叉指換能器下限頻率<中間反射柵止帶頻率fc/ <色散叉指換能器上限頻率f2 ;所述中間反射柵上附有可吸附待測(cè)氣體的敏感膜。所述的接收叉指換能器是等周期的，電極寬度與電極間隔寬度相等，其中心頻率為fo，接收叉指換能器帶寬大于或等于色散叉指換能器頻率的上、下限之差不會(huì)改變色散叉指換能器頻響。所述色散叉指換能器、中間反射柵和接收叉指換能器制備在壓電晶體或壓電薄膜材料上。所述頻率固定脈沖信號(hào)發(fā)生器是產(chǎn)生連續(xù)脈沖，各個(gè)脈沖的脈寬為O. 5 ；，脈沖信號(hào)各個(gè)脈沖的時(shí)間間隔大于或等于色散叉指換能器色散時(shí)間Ttl，各個(gè)脈沖的時(shí)間間隔為
I.5T0,以使每個(gè)相鄰脈沖激勵(lì)的色散叉指換能器的頻帶不能互相交叉和覆蓋。本發(fā)明應(yīng)用色散叉指換能器的SAW氣體傳感器，其主要結(jié)構(gòu)由壓電晶體或壓電薄 膜、壓電晶體或壓電薄膜上的叉指換能器以及位于叉指換能器之間的氣體敏感膜組成。氣體敏感膜不同，所吸附的氣體就不同。叉指換能器產(chǎn)生聲表面波在吸附氣體前與吸附氣體后的物理特性，如頻率、振幅、相位等是有差別的。SAW氣體傳感器正是利用了這種變化來(lái)探測(cè)氣體的種類和濃度。通過(guò)色散叉指換能器、中間反射柵和接收叉指換能器作為檢測(cè)待測(cè)氣體濃度的檢測(cè)手段有幾個(gè)優(yōu)勢(shì)①本發(fā)明本質(zhì)上是一種色散延遲線型氣體傳感器，色散叉指換能器和接收叉指換能器組成的延遲線Q值不需要很高，只要中間反射柵條數(shù)足夠多，能阻止通過(guò)的SAW頻帶足夠窄，Q值足夠高即可。而反射柵條數(shù)足夠多可使氣敏膜面積加大，增加了吸收氣體分子的數(shù)量，增加了傳感器靈敏度。②和諧振器型SAW氣體傳感器相比，由于本發(fā)明本質(zhì)上是一種色散延遲線型氣體傳感器，檢測(cè)機(jī)理與SAW諧振器不同，回避了振蕩器停振、頻率跳變的問(wèn)題。

圖I為SAW氣體傳感器結(jié)構(gòu)圖；圖2為色散叉指換能器頻率與時(shí)間的關(guān)系；圖3為脈沖信號(hào)圖；圖4為無(wú)中間反射柵輸出頻率響應(yīng)圖；圖5為有中間反射柵輸出頻率響應(yīng)圖；圖6為吸附氣體后吸收峰偏離圖。圖中1、頻率固定脈沖信號(hào)發(fā)生器；2、色散叉指換能器；3、壓電晶體或壓電薄膜；4、敏感膜；5、中間反射柵；6、接收叉指換能器；7、頻率檢測(cè)裝置。以下結(jié)合本發(fā)明的實(shí)施例參照附圖進(jìn)行詳細(xì)敘述。
具體實(shí)施方式本發(fā)明是一種應(yīng)用色散叉指換能器、中間反射柵和接收叉指換能器作為檢測(cè)待測(cè)氣體濃度的新的檢測(cè)手段。其色散叉指換能器為線性調(diào)頻叉指換能器，頻率范圍為fTf2，輸入端外接頻率固定脈沖信號(hào)發(fā)生器；所述中間反射柵為平行等距金屬條，止帶頻率為fo’，f < fo’< f2，其上附有可選擇性吸附待測(cè)氣體的敏感膜；所述接收叉指換能器為一組等周期叉指換能器，外接頻率檢測(cè)裝置。
本發(fā)明的應(yīng)用色散叉指換能器的SAW氣體傳感器。其中色散叉指換能器，中間反射柵和接收叉指換能器制備在壓電晶體或壓電薄膜上，色散叉指換能器輸入端外接頻率固定脈沖信號(hào)發(fā)生器，中間反射柵上附有可選擇性吸附待測(cè)氣體的敏感膜，接收叉指換能器外接頻率檢測(cè)裝置。
具體實(shí)施方式
為I.設(shè)計(jì)接收叉指換能器。例如接收叉指換能器叉指對(duì)數(shù)為30對(duì)，電極寬度與電極間隔相等，均為2. 4μπι，當(dāng)壓電薄膜為AlN壓電材料時(shí)，SAW的相速度約為5280m/s，把兩個(gè)電極的寬度加兩個(gè)電極間隔的寬度作為一個(gè)SAW波長(zhǎng)λ，如圖I所示，可以算出接收叉指換能器的中心頻率f0=550MHz，其帶寬為18. 3MHz。2.設(shè)計(jì)中間反射柵，中間反射柵的金屬條寬度與金屬條之間間隔的寬度相等，把兩個(gè)金屬條的寬度加兩個(gè)間隔的寬度作為一個(gè)SAW波長(zhǎng)λ，如圖I所示，中間反射柵全長(zhǎng)
為10(Γ150個(gè)SAW波長(zhǎng)，即金屬條為10(Γ150對(duì)，遠(yuǎn)大于接收叉指換能器和色散叉指換能器叉指對(duì)數(shù)，這樣可使中間反射柵帶寬很窄，即吸收峰很窄，如圖5所示；例如壓電薄膜為AlN壓電材料時(shí)，SAW的相速度約為5280m/s，設(shè)計(jì)金屬條寬度及金屬條之間間隔的寬度均為2. 4μπι，可得出止帶頻率fj =550MHz，與接收叉指換能器中心頻率相同。3.設(shè)計(jì)色散叉指換能器，色散叉指換能器中每條叉指的寬度(包括間隔)各不相等，叉指的寬度(包括間隔)是嚴(yán)格的按頻率變化規(guī)律排列起來(lái)的，可以將指的位置分布看成頻率分布，色散叉指換能器中叉指電極周期段的長(zhǎng)度是隨位置線性變化的，色散叉指換能器的頻響形狀與其幾何形狀相同，叉指對(duì)數(shù)50對(duì)；色散叉指換能器總的色散時(shí)間T0 ^ N/2f0,如圖2所示，N是叉指總條數(shù)，f0是色散叉指換能器的中心頻率，例如壓電薄膜為AlN壓電材料時(shí)，SAff的相速度約為5280m/s，通過(guò)設(shè)計(jì)每條指的寬度(包括間隔)使其中心頻率 ^δδΟΜΗζ，頻率上限f2=555MHz，頻率下限4=54511取，色散信號(hào)的帶寬就是色散叉指換能器的帶寬，Λ F= Ifff11 =IOMHz,線性調(diào)頻斜率μ =2 Λ F/%，色散叉指換能器頻率的上、下限之差(f2-f\)小于接收叉指換能器帶寬。4.使用電子束蒸發(fā)系統(tǒng)，在壓電晶體或壓電薄膜表面制備金屬薄膜，使用光刻系統(tǒng)，制備出色散叉指換能器、中間反射柵和接收叉指換能器。5.色散叉指換能器輸入端外接頻率固定脈沖信號(hào)發(fā)生器，將可選擇性吸附待測(cè)氣體的敏感膜涂覆在中間反射柵上，接收叉指換能器外接頻率檢測(cè)裝置。開(kāi)啟信號(hào)發(fā)生器后，產(chǎn)生連續(xù)脈沖，各個(gè)脈沖時(shí)間間隔I. 5 ；，脈沖脈寬O. 5 ；，如圖3所示，色散叉指換能器產(chǎn)生頻率范圍為f^f2的SAW，在壓電晶體或壓電薄膜上傳播，當(dāng)沒(méi)有中間反射柵時(shí)，其輸出頻響曲線如圖4所示；當(dāng)有中間反射柵時(shí)，SAW經(jīng)過(guò)反射柵后，頻率為fc/的SAW被反射柵阻止，接收叉指換能器外接頻率檢測(cè)裝置，可檢測(cè)出原來(lái)頻率范圍為的SAW中頻率為fQ’的缺失，如圖5所示。檢測(cè)氣體時(shí)，敏感膜吸附待測(cè)氣體后，其質(zhì)量密度，彈性參數(shù)都將發(fā)生改變，SAff在經(jīng)過(guò)反射柵時(shí)，傳播特性發(fā)生改變，被阻止的頻率變?yōu)閒/’，接收叉指換能器將SAW轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后，頻率檢測(cè)器可以檢測(cè)出f^f2的頻率范圍內(nèi)缺失的頻率變?yōu)閒o”，如圖6所示，利用Af = f/’-f/，通過(guò)計(jì)算來(lái)讀取被檢測(cè)氣體的濃度。
權(quán)利要求
1.一種應(yīng)用色散叉指換能器的SAW氣體傳感器，其特征在于由頻率固定脈沖信號(hào)發(fā)生器，色散叉指換能器，壓電晶體或壓電薄膜，敏感膜，中間反射柵，接收叉指換能器和頻率檢測(cè)裝置組成；所述色散叉指換能器為線性調(diào)頻叉指換能器，輸入端外接頻率固定脈沖信號(hào)發(fā)生器，所述中間反射柵為一組平行等距的金屬條，所述接收叉指換能器為等周期的叉指換能器，外接頻率檢測(cè)裝置。
2.按照權(quán)利要求I所述的應(yīng)用色散叉指換能器的SAW氣體傳感器，其特征在于所述色散叉指換能器中每條叉指的寬度和間隔寬度各不相等，叉指的寬度和間隔寬度的設(shè)計(jì)和分布排列與色散叉指換能器的頻率變化規(guī)律相關(guān)叉指的位置分布與頻率分布相同；所述色散叉指換能器中叉指電極周期段的長(zhǎng)度是隨叉指位置線性變化的，所述色散叉指換能器的頻響形狀與色散叉指換能器的幾何形狀相同。
3.按照權(quán)利要求I和2所述的應(yīng)用色散叉指換能器的SAW氣體傳感器，其特征在于所述色散叉指換能器總的色散時(shí)間TO ^ N/2f0, N是叉指總條數(shù)，f0是色散叉指換能器的中心頻率，色散信號(hào)的帶寬就是色散叉指換能器的帶寬A F= I f2-f\ I，色散叉指換能器線性調(diào)頻斜率AF/T。。
4.按照權(quán)利要求I所述的應(yīng)用色散叉指換能器的SAW氣體傳感器，其特征在于所述中間反射柵是開(kāi)路反射柵，由金屬條組成，所有金屬條的長(zhǎng)X寬尺寸相同，各金屬條間的間隔與金屬條寬度相等，金屬條呈直線狀，兩端互不相連；兩個(gè)金屬條的寬度加兩個(gè)間隔的寬度為一個(gè)SAW波長(zhǎng)入，中間反射柵長(zhǎng)度為10(Tl50個(gè)SAW波長(zhǎng)；中間反射柵止帶頻率為fj，可以阻止這一頻率的SAW通過(guò)，色散叉指換能器下限頻率<中間反射柵止帶頻率fj <色散叉指換能器上限頻率f2 ;所述中間反射柵上附有可吸附待測(cè)氣體的敏感膜。
5.按照權(quán)利要求4所述的應(yīng)用色散叉指換能器的SAW氣體傳感器，其特征在于所述的接收叉指換能器是等周期的，電極寬度與電極間隔寬度相等，其中心頻率為fo，接收叉指換能器帶寬大于或等于色散叉指換能器頻率的上、下限之差不會(huì)改變色散叉指換能器頻響。
6.按照權(quán)利要求I所述的應(yīng)用色散叉指換能器的SAW氣體傳感器，其特征在于所述色散叉指換能器、中間反射柵和接收叉指換能器制備在壓電晶體或壓電薄膜材料上。
7.按照權(quán)利要求I所述的應(yīng)用色散叉指換能器的SAW氣體傳感器，其特征在于所述頻率固定脈沖信號(hào)發(fā)生器是產(chǎn)生連續(xù)脈沖，各個(gè)脈沖的脈寬為0. 51；，脈沖信號(hào)各個(gè)脈沖的時(shí)間間隔大于或等于色散叉指換能器色散時(shí)間Ttl，各個(gè)脈沖的時(shí)間間隔為I. 5T。。
全文摘要
本發(fā)明是一種應(yīng)用色散叉指換能器的SAW氣體傳感器，即色散延遲線型氣體傳感器，色散叉指換能器和接收叉指換能器組成的延遲線Q值不需要很高，只要中間反射柵條數(shù)足夠多，能阻止通過(guò)的SAW頻帶足夠窄，Q值足夠高即可。而反射柵條數(shù)足夠多可使氣敏膜面積加大，增加了吸收氣體分子的數(shù)量，增加了傳感器靈敏度。和諧振器型SAW氣體傳感器相比，由于本發(fā)明本質(zhì)上是一種色散延遲線型氣體傳感器，檢測(cè)機(jī)理與SAW諧振器不同，回避了振蕩器停振、頻率跳變的問(wèn)題。
文檔編號(hào)G01N29/036GK102798663SQ201210294638
公開(kāi)日2012年11月28日 申請(qǐng)日期2012年8月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月17日
發(fā)明者楊保和, 郝銀召, 王芳, 李翠平, 徐晟 申請(qǐng)人:天津理工大學(xué)