[发明专利]一种三维纳米结构声表面波气敏传感器

说明书

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，具体指一种三维纳米结构声表面波气敏传感器。

背景技术

声表面波(Surface Acoustic Wave，SAW)传感器（如图1）是一类新型传感器，它利用逆压电效应将电磁信号耦合为声波信号再将声波信号通过压电效应耦合为电磁信号，声波传播路径上材料物理特性的变化（如压电基底表面的质量变化、电导率变化、温度变化等），会引起声表面波器件频率、延时、相位、幅度等电学特性的改变，通过检测这些电学特性的变化就可以实现传感器的功能。SAW传感器的工作原理是当目标气体通过敏感材料表面时，敏感材料1将选择性吸附目标气体分子，从而导致敏感材料1单位面积的质量发生改变。这种改变对SAW传感器特性的影响有两个方面：一方面减小了SAW 传感器的振动幅度，使器件的插损增大；另一方面，它使器件的基础频率发生频移Δf_s。和其它气敏传感器技术相比，SAW传感器具有响应速度快、灵敏度高、体积小等特点，是近年来国内外研究的热点。

三维纳米结构传感器，如ZnO纳米线、氧化钨纳米线（如图2）、二氧化钛纳米管、碳纳米管传感器等，是目前半导体传感器领域应用研究的热点。由于这些纳米结构都具有非常高的比表面积和气敏性能，是一种最有前途的新型气体敏感材料。

由于科技的发展对气体传感器的响应速度、灵敏度下限等提出了越来越高的要求，传统的SAW气敏传感器和三维纳米结构传感器虽然有着各自的优点，但是还是无法满足科技发展的需要，因此，迫切需要研制出一种具有更小体积、更高灵敏度、更快响应速度的新型气敏传感器。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本发明的目的是结合SAW传感技术与三维纳米技术的优点，得到一种体积小，重量轻、成本低，且对低浓度气体检测灵敏度高、检测快速的三维纳米结构声表面波气敏传感器。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种三维纳米结构声表面波气敏传感器，包括压电基底，置于该压电基底表面且相互平行的输入叉指电极IDT1和输出叉指电极IDT2以及敏感区，所述敏感区位于输入叉指电极IDT1和输出叉指电极IDT2之间，所述敏感区上具有三维纳米结构敏感膜，所述三维纳米结构敏感膜包括生长在敏感区上的改性三维纳米线或纳米管及涂覆在敏感区表面的敏感膜，所述改性三维纳米线或纳米管是、指在外表面附着有敏感膜的三维纳米线或纳米管。三维纳米线或纳米管不仅作为气体检测的敏感材料，而且可以作为表面生长其它高分子薄膜、纳米颗粒薄膜的结构模板，在其表面生长一层具有更高灵敏度的有机或无机半导体薄膜，大大提高该种气敏材料的比表面积，从而提高其灵敏度和选择性。

作为优化，改性三维纳米线或纳米管在敏感区呈整列式分布，阵列结构的三维纳米线或纳米管更有利形成传感器后，其检测精度的稳定，同时也更利于三维纳米线或纳米管修饰改性具有非常重要的作用。

所述改性三维纳米线或纳米管的高度为2-5μm，高度大于或小于2-5μm都会降低气敏传感器的灵敏度。

所述改性三维纳米线或纳米管的直径为200-400 nm，直径小于200-400 nm不利于敏感膜的涂覆，大于此直径则会增大声表面波传感器的插入损耗，直接降低其灵敏度。

相对于现有技术，本发明具有如下优点：

本发明给出的三维纳米结构声表面波气敏传感器结合SAW传感技术与三维纳米技术的优点，对现有声表面波传感器进行优化设计，在声表面波传感器的敏感区上设计制备三维纳米线或纳米管（比如ZnO纳米线、氧化钨纳米线、二氧化钛纳米管或碳纳米管），然后对使用敏感材料对该三维纳米线或纳米管进行修饰改性，在纳米管表面生长一层具有更高灵敏度的有机或无机半导体薄膜，这样将大大提高该种气敏材料的比表面积，从而提高其灵敏度和选择性。由于三维纳米线或纳米管的敏感面会吸附不同的气体，引起其质量的变化，而声表面波传感器对质量的改变高度敏感，其声表面波输出频率或相移会相应的发生变化，从而实现对低浓度气体的快速检测，检测完一次之后通过加热、空气吹扫等方法去除掉吸附在铭感材料表面上的气体，实现传感器的循环使用。该敏传感器集成度高、小体积、重量轻成本低，适用范围广，可在室温下工作，对低浓度气体检测时灵敏度高，更重要的是可以对多种气体进行快速、可靠的检测。

附图说明

图1为现有SAW传感器的原理图。

图2（a）为WO₃三维纳米线的扫描电镜照片，图2（b）为ZnO 三维纳米线的扫描电镜照片。

图3为传统的二维敏感膜示意图。