[发明专利]一种声表面波气体传感器

说明书

技术领域

本发明属于声表面波领域，具体地是一种声表面波气体传感器。

背景技术

声表面波(SAW)的能量主要集中在表面以下1～2个波长的范围内，对表面特性的变化比较敏感。因此，将对特定气体敏感的材料沉积到SAW器件上，气体与敏感膜的物理效应将会引起SAW速度的变化。通过沉积不同的敏感材料可检测多种气体。

SAW气体传感器的性能主要取决于两个方面:敏感膜和SAW振荡器。目前，SAW气体传感器的研究主要聚焦于气体敏感膜的特性，包括膜的类型、厚度、对分析吸附物粘弹性的变化和成膜技术。SAW振荡器的频率稳定性影响灵敏度、探测门限等，优化频率稳定性设计将有效提高SAW传感器的性能。

SAW传感器的敏感机理是根据气体对敏感膜的表面扰动，如SAW传播路径的扰动引起波速的变化，相应地会引起SAW振荡器谐振频率的变化。目前，通常采用延迟线结构的SAW振荡器，并且考虑到Au的耐腐蚀性，叉指换能器(IDT)电极一般采用Au。这样SAW气体传感器对气体浓度的检测是通过SAW延迟线振荡器的振荡频率的变化反映出来的，但是在实际应用中，改变振荡器振荡频率的因素除了敏感膜质量加载效应或电导变化外还有外界环境变化(温度、湿度和振动等)的影响。为了保证传感器系统的稳定性，必须采取措施抑制环境因素的影响。

发明内容

本发明就是针对上述问题，弥补现有技术的不足，提供一种在1～100mg/m³的浓度范围内具有好的线性度和21Hz/mg/cm³的灵敏度的声表面波气体传感器。

为实现本发明的上述目的，本发明采用如下技术方案。

本发明一种声表面波气体传感器，其中采用了双声路差动结构；其结构特点是：一声路包括匹配网络模块连接放大器模块、所述放大器模块连接相移网络模块、所述相移网络模块连接功分器模块、所述功分器模块连接匹配网络模块，功分器模块输出连接混频器；另一生路包括匹配网络模块连接放大器模块、所述放大器模块连接相移网络模块、所述相移网络模块连接功分器模块、所述功分器模块连接匹配网络模块，功分器模块输出连接混频器；传感器内部包括敏感膜、SAW双延迟模块。

本发明所述采用双声路差动结构:一个声路覆盖具有选择性的敏感膜，用作测量声路;另一个声路则作为参考以最大限度地抵消环境条件变化(温度、湿度及振动等)的影响；根据差动原理，通过取两路振荡器的差频，可以从很大程度上抑制环境条件变化的影响。

作为本发明的一种优选方案，所述声表面波气体传感器SAW采用延迟线结构的SAW振荡器，并且考虑到Au的耐腐蚀性，叉指换能器(IDT)电极一般采用Au。

作为本发明的另一种优选方案，所述SAW延迟线的单膜选择性，通过长输入IDT和短输出IDT的频响组合来实现。

其次，本发明频控元件的SAW延迟线的IL和Q值对SAW振荡器的频率稳定性产生重要的影响。低的IL更容易起振，在满足起振的条件下，放大器的增益也可以更低，这就降低了振荡器的功耗，同时也增强了振荡器的温度稳定性，提高了系统的稳定性和灵敏度。

作为本发明的另一种优选方案，所述低IL可通过电极宽度控制单向单相换能器(EWC/SPUDT)实现；为抑制旁带，采用抽指加权的形式。

作为本发明的另一种优选方案，本发明所述SAW表面声波气体传感器灵敏度的提高是采用分辨率更高的电子束光刻(EBL)技术，采用EBL和剥离工艺相结合完成IDT的制作。

本发明的有益效果是。

本发明针对传感器系统中的噪声模拟源随机数发生器，设计提出了一种能够控制信号摆幅并避免受到时序影响的电路结构。通过信号摆幅的控制和对随机序列复杂度的优化，实现了在保证输出特征的同时，解决了工作电压的变化带来的时序问题，达到更加真实的噪声模拟的目的。

本发明SAW气体传感器的设计和制造。为提高稳定性和灵敏度，研究低插损(IL)的SAW延迟线和敏感膜的性能优化。本发明选择了化学毒剂模拟气甲基膦酸二甲酯(DMMP)作为待测气体和MUA作为气敏材料，为提高灵敏度和选择性，敏感材料采用Cu2+化学修饰和分子自组装成膜技术；实现了在1～100mg/m³的浓度范围内具有好的线性度和21Hz/mg/cm³的灵敏度。

附图说明

图1是本发明一种声表面波气体传感器SAW的结构示意图。

具体实施方式