一种提高声表面波气体传感器温度稳定性的方法

摘要

本发明公开了一种提高声表面波气体传感器温度稳定性的方法，所述声表面波气体传感器是由声表面波器件和敏感薄膜所构成的气敏元件，声表面波器件包括压电基片、电极和波导层构成，所述敏感薄膜设置在声表面波器件表面，其特征在于，通过改变改变压电材料、改变压电材料的切向、改变波导薄膜的厚度或者改变敏感薄膜的厚度使所述气敏元件的频率温度系数为负值。该方法简单合理，在没有改变气体传感器的结构的基础上，实现了温度的自补偿。

说明书

技术领域

本发明涉及气体传感器技术领域，具体涉及一种提高声表面波气体传感器温度稳定性的方法。

背景技术

声表面波气体传感器是一种高灵敏的敏感元件，但它易受环境温度等的影响。为了克服温度的影响，目前采用的措施主要有：

1)采用频率温度系数(TCF)为零的器件；

声表器件的TCF主要由压电晶体及其切向决定，敏感膜的厚度对TCF仅有小幅影响，对于乐甫波器件，波导层的厚度亦可在很大程度上改变器件的TCF。常用TCF≈0的器件是AT切石英。

2)采用双通道结构。

常规的双通道结构是在一个声通道上涂敷敏感薄膜，而在另一个声通道上不涂敷敏感薄膜，通过采用两个通道的频率差作为传感器的输出信号，可将温度的影响降低10倍以上。但由于两个通道温度特性并不一致，温度的干扰并不能完全消除。为此，美国专利US 6378370B1公开了一种改进的双通道方案：在敏感通道，先覆盖钝化层，后涂敷敏感膜；在参考通道，先涂敷敏感膜，后覆盖钝化层。这样使得双通道彼此之间结构进一步相似，其TCF也进一步接近，温度的影响进一步减少。

温度对声表面波气体传感器的影响分为两个方面：一方面，温度将导致SAW器件的基频漂移；另一方面，温度影响敏感膜对气体的吸附量，导致频率的变化量减少。人们通常只考虑了第一方面的影响，而忽略了第二方面的影响。因此，原则上上述温度补偿措施是不完善的。并且，第1条措施限制了压电材料及其切向的选用，牺牲了最大灵敏度；第2条措施增加了系统的复杂性。此外，也可采用恒温装置来减少温度的影响，但也是以增加系统复杂性为代价。并且，SAW气体传感器通常都是阵列结构，如何保障阵列元所在区域的温度一致性在技术上也有很大的困难。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是如何提供一种提高声表面波气体传感器温度稳定性的方法，该方法简单合理，在没有改变气体传感器的结构的基础上，实现了温度的自补偿。

本发明所提出的技术问题是这样解决的：提供一种提高声表面波气体传感器温度稳定性的方法，所述声表面波气体传感器是由声表面波器件和敏感薄膜所构成的气敏元件，声表面波器件包括压电基片、电极和波导层构成，所述敏感薄膜设置在声表面波器件表面，其特征在于，通过改变改变压电材料、改变压电材料的切向、改变波导薄膜的厚度或者改变敏感薄膜的厚度使所述气敏元件的频率温度系数为负值。

按照本发明所提供的提高声表面波气体传感器温度稳定性的方法，其特征在于，声表面波器件为瑞利波器件(Rayleigh)、乐甫波器件(Love)、表面横波器件(STW)、兰姆波器件(lamb)和水平剪切板波器件(SH-APM)中的一种。

按照本发明所提供的提高声表面波气体传感器温度稳定性的方法，其特征在于，对于瑞利波、表面横波器件、兰姆波、水平剪切板器件，气敏元件的频率温度系数(TCF)的调节采用以下方法中的一种或多种：①改变压电材料；②改变压电材料的切向；③改变敏感薄膜的厚度。

按照本发明所提供的提高声表面波气体传感器温度稳定性的方法，其特征在于，对于乐甫波器件，气敏元件的频率温度系数(TCF)的调节采用以下方法中的一种或多种：①改变压电材料；②改变压电材料的切向；③改变波导薄膜的厚度；④改变敏感薄膜的厚度。

本发明的关键是采用负TCF的声表面波器件，这是为了抵销环境温度改变时，敏感膜对目标气体吸附量的改变，从而降低传感器频率随温度的漂移，达到温度补偿的目的。敏感膜吸附量随温度的改变除与材料的特性有关外，主要由敏感膜的厚度决定。因此，为达到更好的温度补偿功能，需要对器件的TCF与膜厚进行匹配性调节，方法是调节其中的一个或同时调节两者，其中，固定声表器件的TCF而调节敏感膜厚度是最容易实现的办法。

本发明可方便地在包括乐甫波在内的各种类型的声表面波器件上实现，该方法仅在一个声通道上就能实现温度的自补偿，结构简单，制备容易，具有温度补偿效果好、可靠性高、精度高的特点，可应用于各种类型的SAW气体传感器。

附图说明

图1为具有温度自补偿功能的乐甫波气体传感器结构示意图。

其中，1为压电基片；2为叉指电极；3为波导层；4为敏感薄膜。

具体实施方式

下面结合附图以及实施例对本发明作进一步的说明。

如图1所示，该具有温度自补偿功能的乐甫波气体传感器，它包括：压电基板1、叉指电极2、波导层3、敏感薄膜4。传感器的结构、电路都与常规的乐甫波传感器一样，差别仅仅在于传感器的TCF为负值。通过调节传感器的TCF和敏感膜的厚度来提高传感器的温度稳定性。本发明的工作原理如下：

设f_t、f_t^g分别代表某一温度下无气体和有气体时传感器的频率，则对于任意两个温度，有：

$f_{t_1}^g=\Delta f_{t_1}+f_{t_1}$

$f_{t_2}^g=\Delta f_{t_2}+f_{t_2}$

式中Δf_t表示某一温度下气体引起的传感器频率的改变。传感器的温度稳定性是指声表面波的振荡频率不随温度而变化，或变化量很小，可表示为：

$f_{t_2}^g-f_{t_1}^g=(\Delta f_{t_2}-\Delta f_{t_1})+(f_{t_2}-f_{t_1})=(\Delta f_{t_2}-\Delta f_{t_1})+\mathrm{TCF}·\mathrm{\Delta T}\left(3\right)$

假设t₂>t₁。由于随着温度的升高，敏感膜对气体的吸附量减少，则$\Delta f_{t_2}-\Delta f_{t_1}>0$。那么，当$f_{t_2}-f_{t_1}<0$，即声表器件的TCF<0时，两方面的作用将相互抵消，传感器将具有更好的温度稳定性。

本发明所提供的乐甫波气体传感器(见图1)的制备方法如下(实例)：

压电基板1选用ST-石英，厚度0.5mm；叉指电极2为蒸发的Al薄膜经光刻工艺制得，周期为40μm；波导层3采用PMMA，利用旋涂工艺制备；敏感薄膜4采用PMPS，利用喷涂工艺制备。为比较不同的乐甫波传感器的温度稳定性，制备了如下三种传感器：

1)  波导层3的厚度为1.6μm，敏感薄膜4的厚度为72nm。

2)  波导层3的厚度为1.8μm，敏感薄膜4的厚度为42nm。

3)  波导层3的厚度为1.8μm，敏感薄膜4的厚度为68nm。

当波导层3的厚度分别为1.6μm和1.8μm时，在5-40℃的N₂气氛下测试乐甫波器件的TCF约为0和-20ppm/℃，当涂敷了数十纳米的敏感膜后，传感器的TCF没有变化。当在测试腔中通入10ppm的甲基膦酸二甲酯(DMMP)与高纯N₂气的混合气体时，三种传感器在5℃和40℃下的频率漂移分别为：8.7KHz，5.6KHz，1.2KHz。可见，采用本发明的方法可以有效地降低温度的影响。