雙敏感層體聲波氫氣諧振傳感器的製作方法
2023-04-28 06:17:36 3
專利名稱：雙敏感層體聲波氫氣諧振傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及氫氣傳感器技術領域，具體的說，是涉及一種雙敏感層體聲波氫氣諧 振傳感器。
背景技術：
氫氣作為一種無汙染能源，已經應用於航空航天、汽車發動機、半導體製造和化工 企業。但是空氣中氫氣含量大於4%時，極易產生爆炸。因此製造可靠、響應快速和靈敏度 高的氫氣傳感器具有十分重大的意義。目前，氫氣傳感器主要有電化學傳感器、金屬薄膜傳 感器和半導體氧化物傳感器。這些傳感器響應速度通常需要數分鐘，靈敏度較低，工作溫度 也比較高，不能適應氫氣安全、快速檢測的要求。諧振式傳感器是一種以檢測其諧振頻率、相位或振幅隨檢測物質的變化為響應 的傳感器，目前已經應用於多種生化檢測領域。經過對現有的文獻檢索發現，美國專利 US7047792發明了一種聲表面波諧振傳感器，採用金屬鈀作為敏感材料。工作時採用插指狀 電極激發壓電晶體的聲表面波諧振，當鈀吸附氫氣時，其密度和彈性性能發生變化，從而導 致聲表面波諧振頻率的變化。基於這種原理的傳感器在一定程度上解決了傳統技術的響應 時間長和工作溫度低的問題。但上述發明所使用的聲表面波諧振方式工作頻率低，電極的 加工需要高精確的光刻技術。該傳感器採用壓電晶片作為器件基底，製造工藝與現有集成 電路不兼容，使其不易有效集成於射頻集成電路中。
發明內容本發明針對現有技術的不足和缺陷，提出了一種雙敏感層體聲波氫氣諧振傳感 器，該傳感器諧振是利用現有微電子技術進行製造的，具有工作頻率高、響應速度快、靈敏 度高，工作溫度低、成本低的優點，且易於實現陣列化和作為物聯網的傳感器終端。本發明是通過以下技術方案實現的一種雙敏感層體聲波氫氣諧振傳感器，包括諧振器和敏感層，其特徵在於，諧振器 的電極同時作為氫氣敏感層，從下向上依次設置基底、設置在基底上的空洞、下敏感金屬 層、壓電薄膜層和上敏感金屬層；下敏感金屬層、壓電薄膜層、上敏感金屬層和空洞的面積 依次減小；上敏感金屬層和下敏感金屬層都暴露在環境氣氛中，可以吸附環境中的氫氣分 子。所述的下敏感金屬層，為金屬鈀或者鈀鉬合金，其優選的厚度為200納米至400納米。所述的上敏感金屬層，為金屬鈀或者鈀鉬合金，其優選的厚度為100納米至200納米。所述的壓電薄膜層，為氮化鋁、氧化鋅或者皓鈦酸鉛薄膜，其優選的厚度為1微米 至3微米。所述的基底，為矽片或玻璃。[0011]本發明利用下敏感金屬層、壓電薄膜層、上敏感金屬層形成的三明治結構在壓電 薄膜層中形成高頻體聲波，當下敏感金屬層和上敏感金屬層吸收環境中的氫氣時，其密度 和彈性性能發生改變，從而導致壓電薄膜層中高頻體聲波頻率發生變化，通過檢測這一頻 率變化，即可檢測出環境中氫氣的濃度變化。與以往的技術相比，本發明的有益效果是(1)本發明以高頻體聲波作為諧振模 式，結構簡單，諧振頻率高；(2)本發明採用上下雙層敏感金屬進行氫氣吸附，對體聲波諧 振頻率產生較大改變，因此本發明對氫氣的靈敏度高、響應速度快；C3)本發明利用頻率變 化檢測氫氣，因此耗能低、且工作在常溫環境；(4)本發明所涉及的製造工藝和材料都與現 有集成電路製造工藝兼容，且無需高精度光刻工藝，所以還具有成本低、可以與現有集成電 路集成於一個晶片的優點。
附圖1為本發明的剖面結構示意圖；附圖2為本發明的俯視結構示意圖；附圖3為本發明實施例1在空氣中以及氫氣環境中完全氫化後的導納頻率響應；附圖4為本發明實施例2在空氣中以及氫氣環境中完全氫化後的導納頻率響應。圖面說明1、基底；2、下敏感金屬層；3、壓電薄膜層；4、上敏感金屬層；5、空洞
具體實施方式
一種雙敏感層體聲波氫氣諧振傳感器，包括諧振器和敏感層，其特徵在於，諧振器 的電極同時作為氫氣敏感層，從下向上依次設置基底1、設置在基底1上的空洞5、下敏感金 屬層2、壓電薄膜層3和上敏感金屬層4 ；下敏感金屬層2、壓電薄膜層3、上敏感金屬層4和 空洞5的面積依次減小；上敏感金屬層4和下敏感金屬層2都暴露在環境氣氛中，可以吸附 環境中的氫氣分子。實施例1本實施例中，基底1為(100)取向的矽片。下敏感金屬層2為金屬鈀，厚度為300納米。上敏感金屬層4為金屬鈀，厚度為 100納米。上述兩種金屬材料均採用直流濺射方法製作。壓電薄膜層3為氮化鋁，厚度為2微米，採用射頻濺射方法製作。空洞5採用體矽工藝製作，設置在下敏感金屬層的正下方，使下敏感金屬層的一 部分暴露在環境氣氛中。工作時，下敏感金屬層2和上敏感金屬層4之間施加射頻交變電信號，在壓電薄膜 層3中激勵體聲波諧振。如附圖3所示，空氣環境中，器件諧振頻率為2377兆赫茲。當處 於氫氣環境中時，下敏感金屬層2和上敏感金屬層4的鈀吸收環境中的氫氣分子，密度和彈 性性質發生改變，從而導致器件的諧振頻率發生變化。鈀的氫化程度與環境中氫氣的濃度 有關，也反應於器件頻率的變化程度上。附圖3顯示了氫氣環境中敏感層完全氫化後器件 的導納響應，此時諧振頻率變化了 15. 1兆赫茲。通過外接頻率檢測電路，可以檢測出諧振 頻率的變化，獲得環境氣氛中氫氣的濃度值。實施例2[0026]本實施例中，基底為(100)取向的矽片。下敏感金屬層為75/25的鈀銀合金，厚度為300納米。上敏感金屬層為75/25的 鈀銀合金，厚度為100納米。上述兩種合金材料均採用直流濺射方法製作。壓電薄膜層為氧化鋅，厚度為1微米，採用射頻濺射方法製作。空洞採用體矽工藝製作，設置在下敏感金屬層的正下方，使下敏感金屬層的一部 分暴露在環境氣氛中。工作時，下敏感金屬層2和上敏感金屬層4之間施加射頻交變電信號，在壓電薄膜 層3中激勵體聲波諧振。如附圖4所示，空氣環境中，器件諧振頻率為Mll兆赫茲。當處 於氫氣環境中時，下敏感金屬層2和上敏感金屬層4的鈀銀合金吸收環境中的氫氣分子，密 度和彈性性質發生改變，從而導致器件的諧振頻率發生變化。鈀的氫化程度與環境中氫氣 的濃度有關，也反應於器件頻率的變化程度上。附圖4顯示了氫氣環境中敏感層完全氫化 後器件的導納響應，此時諧振頻率變化了 10. 1兆赫茲。通過外接頻率檢測電路，可以檢測 出諧振頻率的變化，獲得環境氣氛中氫氣的濃度值。
權利要求1.一種雙敏感層體聲波氫氣諧振傳感器，包括諧振器和敏感層，其特徵在於，諧振器的 電極同時作為氫氣敏感層，從下向上依次設置基底(1)、設置在基底(1)上的空洞(5)、下敏 感金屬層O)、壓電薄膜層C3)和上敏感金屬層；下敏感金屬層O)、壓電薄膜層(3)、上 敏感金屬層(4)和空洞(5)的面積依次減小；上敏感金屬層(4)和下敏感金屬層( 都暴 露在環境氣氛中，可以吸附環境中的氫氣分子。
2.根據權利要求1所述的雙敏感層體聲波氫氣諧振傳感器，其特徵是，所述的下敏感 金屬層(2)，為金屬鈀或者鈀鉬合金，其優選的厚度為200納米至400納米。
3.根據權利要求1所述的雙敏感層體聲波氫氣諧振傳感器，其特徵是，所述的上敏感 金屬層(4)，為金屬鈀或者鈀鉬合金，其優選的厚度為100納米至200納米。
4.根據權利要求1所述的雙敏感層體聲波氫氣諧振傳感器，其特徵是，所述的壓電薄 膜層(3)，為氮化鋁、氧化鋅或者皓鈦酸鉛薄膜，其優選的厚度為1微米至3微米。
5.根據權利要求1所述的雙敏感層體聲波氫氣諧振傳感器，其特徵是，所述的基底(1) 為矽片或玻璃。
專利摘要本實用新型公開了一種雙敏感層體聲波氫氣諧振傳感器。包括基底、下敏感金屬層、壓電薄膜層、上敏感金屬層和空洞，具有上敏感金屬層和下敏感金屬層對氫氣的雙敏感層。以高頻體聲波作為諧振模式，結構簡單，諧振頻率高；對氫氣的靈敏度高、響應速度快；耗能低、且工作在常溫環境；涉及的製造工藝和材料都與現有集成電路製造工藝兼容，無需高精度光刻工藝，所以還具有成本低、可以與現有集成電路集成，易於實現陣列化和作為與無線傳感器網絡的傳感器終端。可以應用於氫氣生產、運輸和使用中的濃度監測。
文檔編號G01N29/02GK201903532SQ20102059755
公開日2011年7月20日 申請日期2010年10月28日 優先權日2010年10月28日
發明者幹耀國, 張會雲, 張玉萍, 王璟璟, 陳達 申請人:山東科技大學