聲表面波氣體傳感器的研究.pdf

1、聲表面波(SAW)氣體傳感器是一種新型的傳感器，SAW氣體傳感器有很多突出的優(yōu)點(diǎn)，例如測(cè)量氣體時(shí)精度高、分辨率高，對(duì)外界干擾的抵抗能力較強(qiáng)，較為穩(wěn)定，同時(shí)容易集成并且功耗小等特點(diǎn)。其結(jié)構(gòu)主要是由壓電材料，以及壓電材料上用于激發(fā)或者接收聲表面波的叉指換能器(IDT)，還有位于叉指換能器之間的氣敏吸附膜構(gòu)成。氣敏吸附膜不同，所能吸附檢測(cè)的氣體就不同。由于氣敏吸附膜在吸附氣體前與吸附氣體后的質(zhì)量效應(yīng)、彈性模量和電導(dǎo)率的變化，叉指換能器激發(fā)的聲

2、表面波在一些物理特性上，如頻率、振幅、相位等是會(huì)發(fā)生改變的。SAW氣體傳感器正是利用氣敏吸附膜的不同以及聲表面波在SAW氣體傳感器吸附氣體前后物理特性差異的程度來(lái)探測(cè)氣體的種類和濃度。
　　 應(yīng)用于SAW氣體傳感器的諧振器主要的三個(gè)技術(shù)參數(shù)是，靈敏度、Q值和頻率穩(wěn)定性。由于吸附待測(cè)氣體成分后引起諧振器頻移正比于諧振器的中心頻率平方，這就要求SAW諧振器具有很高的中心頻率(GHz);要精確的分辨出SAW諧振器中心頻率的微小偏移（即

3、有很高的測(cè)量分辨率），就要求SAW諧振器具有很高的Q值;SAW諧振器中心頻率會(huì)隨溫度而變化，影響SAW諧振器頻率穩(wěn)定性，頻率溫度系數(shù)(TCF)是量度SAW諧振器頻率穩(wěn)定性最重要參數(shù)，SAW諧振器基片應(yīng)該有很低的頻率溫度系數(shù)(TCF)，以最大限度的減小中心頻率隨溫度變化的漂移。
　　 本文在論述聲表面波氣體傳感器工作原理的基礎(chǔ)上，通過對(duì)幾種常用壓電材料的比對(duì)，充分考慮SAW氣體傳感器在應(yīng)用領(lǐng)域的要求，決定采用氮化硼(BN)作為壓電

4、材料制備壓電薄膜。氮化硼是Ⅲ-Ⅴ族化合物，共價(jià)鍵結(jié)合，比較常見的是立方氮化硼(c-BN)和六角氮化硼(h-BN)。兩者均可作為壓電材料，應(yīng)用于SAW器件。
　　 射頻磁控濺射是制備BN的主要手段之一，但要得到純凈的c-BN或者h(yuǎn)-BN是比較困難的，在制備的過程中立方相和六角相總會(huì)各占一部分比例。本文用射頻磁控濺射的方法在硅襯底上制備BN薄膜，通過正交試驗(yàn)分析，以c-BN和h-BN的含量為指標(biāo)，分別優(yōu)化了用射頻磁控濺射的方法制備c

5、-BN和h-BN薄膜的工藝條件。實(shí)驗(yàn)利用傅里葉變換紅外光譜、掃描電子顯微鏡(SEM)，原子力顯微鏡(AFM)和壓電力顯微鏡(PFM)對(duì)制備的薄膜進(jìn)行了表征。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)射頻磁控濺射的工藝參數(shù)為:襯底溫度為575℃，氮?dú)灞葹?∶8，濺射功率300W，襯底負(fù)偏壓-100V時(shí)，可以得到較純凈的c-BN;襯底溫度為450℃，氮?dú)灞?∶12，濺射功率200W或250W，襯底負(fù)偏壓-125V時(shí)，可以得到較純凈的h-BN。并且制備的c-BN和h-