[发明专利]一种多参数高选择性CMUTs气体传感器及其使用与制备方法

说明书

本发明公开了一种多参数高选择性CMUTs气体传感器及其使用与制备方法，本发明采用SnO₂、ZnO、Fe₂O₃、WO₃等半导体金属氧化物，将其同时用作CMUTs上电极以及敏感识别材料，利用其吸附气体后同时引起薄膜质量及上电极电阻变化的特性，实现物理、化学性质相近或相似气体分子的高选择性敏感。薄膜质量的变化会引起CMUT谐振频率的变化；上电极电阻的变化会引起CMUT上下电极间交流电压幅值的变化，进而引起CMUT薄膜振动幅值的变化，通过谐振频率和薄膜振动位移幅值这两种输出参数的变化可实现气体分子的高选择性检测。此外，由于半导体氧化物敏感材料在温度调节下具有可重复使用性，因此本发明CMUT气体传感器除了具有高选择性外，还具有很好的重复性。

技术领域

本发明涉及MEMS电容式微加工超声传感器技术及半导体氧化物敏感材料，特别涉及一种多参数高选择性CMUTs气体传感器及其使用与制备方法。

背景技术

谐振式MEMS气体传感器利用涂覆在其谐振元件表面的敏感材料层吸附被测气体后引起谐振元件质量进而引起的谐振频率的变化来实现气体的检测。谐振式MEMS气体传感器具有体积小、灵敏度高、质量探测极限低、功耗小以及与MEMS工艺兼容、可实现批量化制造等优势。电容式微加工超声传感器(Capacitive Micromachined UltrasonicTransducers,CMUTs)发展初衷是用于超声医学成像与治疗，由于其薄膜质量小、谐振频率高，振动薄膜单侧受到空气阻尼作用(另外一侧为真空)、品质因子高等特点，因此用于谐振器时可实现气体的高灵敏度、低检测极限测量。此外，相对于基于(Quartz CrystalMicrobalance,QCM)的气体传感器，CMUT工作温度范围宽(可达500℃)，受环境温度影响小；相对于基于悬臂梁的气体传感器，CMUT谐振薄膜周边固支，结构坚固，可用于恶劣环境中气体检测。因此，CMUTs用于谐振器，实现高灵敏度、低检测极限气体检测时具有突出性能优势。目前，美国斯坦福大学B.T.Khuri-Yakub教授等采用CMUTs作为生化传感器来检测甲基膦酸二甲酯(Dimethyl methylphosphonate,DMMP)，检测的质量极限是0.162×10^-16g、体积灵敏度为37.38ppb/Hz。考纳斯理工大学D.Barauskas等人采用旋涂的方法将CMUT功能化后用于CO₂测量，检测灵敏度分别为3.8ppm/Hz和0.25ppm/Hz。这些研究已经证明CMUTs用于气体检测的可行性以及性能优势。

然而，现有CMUTs气体传感器的敏感材料层和上电极层采用独立设计，敏感材料仅仅用于选择性吸附被测气体，而上电极用来加载静电激励使薄膜发生振动。敏感薄膜吸附后仅仅引起薄膜质量变化，进而引起谐振频率这一单一参数产生变化，当有物理或化学性质相似或相近的气体分子存在时，则传感器无法有效区别，产生误报。因此，基于目前结构和工作原理的CMUTs气体传感器难以实现相似或相近被测气体分子的高选择性检测。

发明内容

为解决上述技术难题，本发明提出一种多参数高选择性CMUTs气体传感器及其使用与制备方法。

本发明采用的技术方案如下：

本发明一种多参数高选择性CMUTs气体传感器的整体结构从上之下依次包括敏感薄膜、电绝缘薄膜、空腔、衍射光栅和透明基底；其中敏感薄膜除了具有气体敏感性外，还具有在与气体作用后电阻发生变化的性能，敏感薄膜同时用作上电极；衍射光栅采用导电材料，同时用作下电极；透明基底具有透光特性；敏感薄膜与电绝缘薄膜共同构成振动薄膜。

所述敏感薄膜为具有气体敏感性的半导体金属氧化物薄膜，敏感薄膜与被测气体作用后能够同时引起敏感薄膜的质量和电阻发生变化。