[发明专利]一种声表面波气体传感器基片

说明书

【技术领域】

本发明涉及SAW气体传感器技术领域，特别是一种多孔类金刚石/叉指换能器/压电薄膜/金刚石结构的声表面波气体传感器基片。

【背景技术】

精确、快速检测和识别痕量级浓度的有毒气体和蒸汽的种类和含量，对保护人的生命具用重要的意义。有毒工业化学剂数量和品种的不断增长，也需要精确检测系统快速识别各种威胁。这就要求传感系统应具有实时的或接近于实时的检测能力。而SAW气体传感器有响应速度快、灵敏度高、成本低、体积小、用简单的接口即可与微处理器相连等显著优点。

从原理上讲，声表面波气体传感器，一般是在SAW谐振器压电膜表面涂覆一层吸附某类气体的多孔膜——气敏膜，当气敏膜吸附某类待测气体时，膜层质量发生变化，引起声表面波（SAW）器件频率发生变化。

若使气体传感器达到极快的响应速度，这要求气敏膜越薄越好，所以，目前气敏膜正朝超薄膜的方向发展。

超薄气敏膜和无气敏覆层明显地提高了响应速度，但对SAW谐振器三个主要的技术参数提出了很严苛的要求：很高的灵敏度、很高的Q值、很好的频率稳定性。原因如下：

①由于超薄气敏膜尤其是无气敏覆层吸附的被测气体的量非常小，SAW探测器应具有很高的灵敏度，由于吸附痕量级的气体成分引起谐振器频移（df）正比于谐振器的中心频率平方（f₀²），即df∝f₀²，这就要求SAW谐振器具有很高的中心频率（GHz）。

②要精确的分辨出SAW谐振器中心频率的微小偏移（即有很高的测量分辨率），就要求SAW谐振器具有很高的Q值。

③SAW谐振器中心频率会随温度而变化，影响SAW谐振器频率稳定性；频率温度系数（TCF）是量度SAW谐振器频率稳定性最重要参数，SAW谐振器基片应该有很低的频率温度系数（TCF），以最大限度的减小中心频率随温度变化的漂移。

“多孔类金刚石/叉指换能器/压电薄膜/金刚石”结构可以使SAW谐振器同时具有高频、高Q值、低频率温度系数（TCF）。

【发明内容】

本发明的目的是提供一种具有高频、高Q值、低频率温度系数（TCF）的声表面波气体传感器基片。

为实现上述发明目的，本发明公开了一种多孔类金刚石/叉指换能器/压电薄膜/金刚石结构声表面波气体传感器基片。其特征在于所述声表面波气体传感器基片自上而下采用多孔类金刚石/叉指换能器/压电薄膜/金刚石结构；声表面波气体传感器基片由：在硅衬底上采用化学气相沉积（CVD）法制备金刚石膜，然后在金刚石膜上使用物理气相沉积（PVD）法或化学气相沉积（CVD）法制备压电薄膜，再在压电薄膜上使用电子束蒸发系统和光刻系统制备叉指换能器，然后在叉指换能器上采用化学气相沉积（CVD）法制备含氢类金刚石膜，最后采用等离子体刻蚀设备用氢等离子体对类金刚石膜刻蚀纳米孔道，制备成多孔类金刚石膜，而制成。

本发明的多孔类金刚石/叉指换能器/压电薄膜/金刚石结构声表面波气体传感器基片，可用来制备声表面波气体传感器，具有高频、高Q、很好的频率稳定性的特点。不同孔径的多孔类金刚石做为敏感膜有一定选择性，可以保护叉指换能器并有效的避免水蒸气的干扰，组成传感器阵列，可检测微量有害气体的种类和含量。这种基片的优越性在于：

①在所有材料中，金刚石具有最高SAW相速度，SAW器件中心频率f＝V/λ，V、λ分别表示材料中的声表面波相速度和波长，波长λ由叉指换能器电极宽度d决定，λ=4d。所以金刚石作为多层膜结构的基底材料，其SAW谐振器可以达到最高中心频率。而且，由于金刚石传播损耗小，有利于使谐振器达到高Q值。

②金刚石本身并不是压电材料，因此需要在其上面沉积一层压电薄膜，制成“压电薄膜/金刚石”多层膜SAW器件，SAW性能由压电薄膜和金刚石衬底共同决定。c-BN材料和AlN材料SAW相速（V）较高，从而，在叉指换能器指宽相同时，可以达到更高的频率；而且，c-BN、AlN和金刚石的相速V差别小，c-BN、AlN和金刚石构成多层膜结构会表现出较低的速度频散，即相速度随频率不同变化较小。这是很大的优点，尤其对高Q值谐振器。

③c-BN、AlN材料频率温度系数（TCF）小，CVD金刚石材料频率温度系数（TCF）亦小，中心频率随温度升高而漂移小，应用于稳定性要求很高的传感器是很大的优点。