專利名稱：聲表面波微氫氣傳感器及其制作工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種氫氣傳感器及其制備工藝，更具體地是涉及一種聲表面波微氫氣傳 感器及其制備工藝，主要用于生產(chǎn)、儲(chǔ)備、運(yùn)輸和分銷氫的過(guò)程中氫的安全檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
現(xiàn)存的微氫氣傳感器主要是電化學(xué)式，相對(duì)于電化學(xué)式氫氣傳感器，采用SAW技術(shù)制 作的傳感器可以在常溫下工作，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功耗低，不需要加熱即可獲得較高的靈敏度和很 快的響應(yīng)時(shí)間；工作時(shí)以頻率信號(hào)輸出，不需要經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器即可與計(jì)算機(jī)相聯(lián)，具有得 天獨(dú)厚的優(yōu)越性。它將氫敏薄膜沉積在SAW的傳播路徑上，吸收氫氣后薄膜密度、彈性模量、 電阻率等的改變將對(duì)SAW的傳播速度和/或振幅產(chǎn)生影響，由此可以檢測(cè)到氫氣。
一般的聲表面波微氫氣傳感器用金屬鈀銀合金膜做敏感薄膜，鈀可以吸收大量的氫氣并 將其分解成氫原子，進(jìn)而生成氫化鈀，其密度、彈性系數(shù)以及電阻率都將發(fā)生變化。但是由 于鈀的金屬性質(zhì)導(dǎo)致其只有密度和彈性系數(shù)的改變對(duì)聲表面波產(chǎn)生影響，電阻變化的效果微 乎其微。單獨(dú)使用有機(jī)物半導(dǎo)體做敏感薄膜時(shí)，由于半導(dǎo)體薄膜工作溫度較高，所以室溫吋 其與氫氣的反應(yīng)非常微弱，導(dǎo)致半導(dǎo)體薄膜的密度、彈性系數(shù)以及電阻率的變化都很小，進(jìn) 而對(duì)聲表面波的影響也很微弱。因此，為使傳感器在室溫時(shí)具有高靈敏度，就必須使用鈀膜 作為敏感膜，同時(shí)還需要敏感薄膜層具有較大的電阻率。采用金屬鈀和半導(dǎo)體相結(jié)合的方法， 可以利用鈀膜吸收氫氣的強(qiáng)大能力，以及半導(dǎo)體薄膜特有的電阻率范圍，使敏感薄膜的質(zhì)量 效應(yīng)和聲電效應(yīng)同時(shí)對(duì)聲表面波產(chǎn)生影響，大大提高了傳感器的靈敏度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于解決上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺點(diǎn)，克服傳統(tǒng)聲表面波微氫氣傳感器中 鈀膜電阻變化對(duì)聲表面波無(wú)影響的不足，提供一種聲表面波微氫氣傳感器，該傳感器是采用 微機(jī)電系統(tǒng)(Micro Electronical Mechanical System)工藝，基于二氧化錫和鈀銀合金的復(fù)合 雙層薄膜結(jié)構(gòu)的聲表面波微氫氣傳感器，在具有傳統(tǒng)單層鈀膜氫氣傳感器常溫工作的特性的 同時(shí)，極大地提高了氫氣傳感器的靈敏度，同時(shí)由于采用MEMS工藝微氫氣傳感器還具有體 積小、響應(yīng)快、易集成、穩(wěn)定性好、成本低、易批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明在不明顯改變?cè)?工藝和制造難度的基礎(chǔ)上，通過(guò)設(shè)計(jì)了雙層敏感薄膜的結(jié)構(gòu)有效地提高了氫氣傳感器的靈敏 度，解決了原單層鈀膜氫氣傳感器靈敏度低的問(wèn)題。
同時(shí)本發(fā)明還提供了該聲表面波微氫氣傳感器的制備工藝。
本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的
本發(fā)明的聲表面波微氫氣傳感器，主要包括壓電基底、輸入叉指換能器、輸出叉指換 能器和氫敏薄膜，其氫敏薄膜由鈀銀合金薄膜和二氧化錫薄膜構(gòu)成，二氧化錫薄膜依附于壓
電基底上，鈀銀合金薄膜依附:r二氧化錫薄膜上面，從而構(gòu)成雙層敏感薄膜。
本發(fā)明的聲表面波微氫氣傳感器中，其所述的二氧化錫薄膜的厚度為優(yōu)選為50 100nm;所 述的鈀銀合金膜的厚度優(yōu)選為20 40nm;其中鈀銀合金中的鈀/銀質(zhì)量比為優(yōu)選為75/25;其 所述的輸入叉指換能器和輸出叉指換能器中叉指電極的寬度優(yōu)選為12Hm。
本發(fā)明聲表面波微氫氣傳感器的制作工藝，包括以下步驟
(1 )、用溶膠凝膠法在壓電基底上面制備二氧化錫薄膜；
(2) 、然后涂光刻膠，光刻；
(3) 、再用濃鹽酸腐蝕二氧化錫薄膜，并去除光刻膠；
(4) 、然后涂光刻膠，光刻，得到鈀銀合金膜的形狀；
(5) 、用真空濺射法生成一層鈀銀合金膜；
(6) 、 Lift-off法得到所需鈀銀合金膜
(7) 、濺射法鍍一層鋁；
(8) 、涂光刻膠，光刻，得到輸入叉指換能器和輸出叉指換能器即制得聲表面波微氫氣傳 感器。
本發(fā)明的制作工藝中，步驟(1)中所述的二氧化錫薄膜的厚度優(yōu)選為50 100nm;步驟 (5)中所述的鈀銀合金膜的厚度優(yōu)選為20 40nm，其中鈀銀合金中的鈀/銀質(zhì)量比為優(yōu)選為 75/25;步驟(7)中所述的鋁的厚度優(yōu)選為lnm;步驟(8)中所所述的輸入叉指換能器和輸 出叉指換能器中叉指電極的寬度優(yōu)選為12阿。
本發(fā)明利用二氧化錫/鈀銀合金雙層復(fù)合薄膜中鈀膜吸收氫氣膨脹，改變密度、彈性系數(shù)； 同時(shí)在鈀膜上下表面產(chǎn)生感生電荷，進(jìn)而在二氧化錫半導(dǎo)體中產(chǎn)生感生電荷，而改變二氧化 錫半導(dǎo)體的電阻率。通過(guò)以上力學(xué)和電學(xué)參量的改變來(lái)改變?cè)谄渖蟼鞑サ穆暠砻娌āＭㄟ^(guò)叉 指換能器將聲表面波變化的信息轉(zhuǎn)化成電信息的變化，進(jìn)而將氫氣濃度的變化轉(zhuǎn)化為電信號(hào) 的變化，通過(guò)檢測(cè)這種電信號(hào)的變化，便可以感知環(huán)境中氫氣的濃度變化。
本發(fā)明的有益效果是
與單層鈀膜氫氣傳感器相似，本發(fā)明同樣利用了鈀膜吸氫膨脹這一物理現(xiàn)象。但是，本 發(fā)明采用的是鈀/一氧化錫雙層敏感薄膜，在鈀膜吸氫膨脹的同時(shí)，鈀膜吸氫后在上下表面產(chǎn) 生的感生電荷會(huì)在下層的二氧化錫薄膜中產(chǎn)生感生電荷，進(jìn)而極大地改變二氧化錫薄膜的電 阻率，對(duì)聲表面波的傳播產(chǎn)生較大的影響。此外本發(fā)明聲表面波微氫氣傳感器采用雙延遲線
型結(jié)構(gòu)，還具有下四個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)①保留了鈀膜對(duì)氫氣的高選擇性，即只有氫氣會(huì)同上層 的鈀膜反應(yīng)，其他還原性氣體無(wú)法通過(guò)鈀膜和下層的二氧化錫反應(yīng)；②在不明顯增加工藝難 度的情況下使用雙層敏感薄膜，顯著增強(qiáng)了傳感器的靈敏度；③雙延遲線型結(jié)構(gòu)可以有效地 降低溫度對(duì)聲表面波微氫氣傳感器的影響；④由于所測(cè)參量?jī)H與頻率變化有關(guān)，因此，該傳 感器可以很方便地標(biāo)定并實(shí)現(xiàn)絕對(duì)濃度測(cè)量。


圖1為本發(fā)明聲表面波微氫氣傳感器結(jié)構(gòu)示意圖
圖2為本發(fā)明聲表面波微氫氣傳感器雙層氫敏薄膜結(jié)構(gòu)示意圖
圖中1、輸入叉指電極；2、氫敏薄膜；3、輸出叉指電極；4、壓電基底(PZT4); 5、鈀銀合金薄膜；6、 二氧化錫薄膜。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例l
如圖1、圖2所示，本發(fā)明聲表面波微氫氣傳感器，主要包括壓電基底、輸入叉指換 能器、輸出叉指換能器和氫敏薄膜，輸入叉指換能器和輸出叉指換能器中鋁質(zhì)的叉指電極依
附于壓電基底(PZT4)上，氫敏薄膜由鈀銀合金薄膜和二氧化錫薄膜構(gòu)成，二氧化錫薄膜依 附于壓電基底上，鈀銀合金薄膜依附于二氧化錫薄膜上面，從而構(gòu)成雙層敏感薄膜，二氧化 錫納米薄膜50nm厚，長(zhǎng)和寬尺寸分別為200和128nm，鈀銀合金膜20nm厚，鈀/銀質(zhì)量比 為75/25，叉指換能器中叉指電極長(zhǎng)、寬分別為12和128pm，叉指電極間距為12pm。
制作工藝如下
1、 溶膠凝膠法在壓電基底(PZT4)上面制備二氧化錫納米薄膜50nm厚；
2、 涂光刻膠，光刻；
3、 用濃鹽酸腐蝕二氧化錫薄膜，并去除光刻膠，形成二氧化錫薄膜層，長(zhǎng)、寬尺寸為200 X 128,;
4、 涂光刻膠，光刻，得到鈀銀合金膜的形狀
5、 真空濺射法生成一層鈀銀合金膜20nm厚；
6、 Lift-off法得到所需鈀銀合金膜；
7、 濺射法鍍一層鋁lpm厚；
8、 涂光刻膠，光刻，得到兩對(duì)叉指換能器，叉指電極長(zhǎng)、寬分別為12X128pm，叉指電 極間距為12^m。
效果該傳感器結(jié)構(gòu)緊湊，金屬和二氧化錫薄膜細(xì)致平整，在氫氛圍的環(huán)境下測(cè)量該傳 感器得響應(yīng)，可以發(fā)現(xiàn)傳感器具有可逆性及重復(fù)使用性能，靈敏度高，響應(yīng)時(shí)問(wèn)短，濃度測(cè) 試范圍較寬。
實(shí)施例2
如圖1、圖2所示，本發(fā)明聲表面波微氫氣傳感器，主要包括壓電基底、輸入叉指換 能器、輸出叉指換能器和氫敏薄膜，輸入叉指換能器和輸出叉指換能器中鋁質(zhì)的叉指電極依
附于壓電基底(PZT4)上，氫敏薄膜由鈀銀合金薄膜和二氧化錫薄膜構(gòu)成，二氧化錫薄膜依 附于壓電基底上，鈀銀合金薄膜依附于二氧化錫薄膜上面，從而構(gòu)成雙層敏感薄膜，二氧化 錫納米薄膜100nm厚，長(zhǎng)和寬尺寸分別為200和128pm，鈀銀合金膜20nm厚，鈀/銀質(zhì)量 比為75/25，叉指換能器中叉指電極長(zhǎng)、寬分別為12和128pm，叉指電極間距為l 41m。
制作工藝如下
1、 溶膠凝膠法在壓電基底(PZT4)上面制備二氧化錫納米薄膜100nm厚；
2、 涂光刻膠，光刻；
3、 用濃鹽酸腐蝕二氧化錫薄膜，并去除光刻膠，形成二氧化錫薄膜層，長(zhǎng)、寬尺寸為200
X 128,;
4、 涂光刻膠，光刻，得到鈀銀合金膜的形狀
5、 真空濺射法生成一層鈀銀合金膜20nm厚；
6、 Lift-off法得到所需鈀銀合金膜；
7、 濺射法鍍一層鋁lpm厚；
8、 涂光刻膠，光刻，得到兩對(duì)叉指換能器，叉指電極長(zhǎng)、寬分別為12X128pm，叉指電 極間距為12pm。
效果該傳感器結(jié)構(gòu)緊湊，金屬和二氧化錫薄膜細(xì)致平整，在氫氛圍的環(huán)境下測(cè)量該傳 感器得響應(yīng)，可以發(fā)現(xiàn)傳感器具有可逆性及重復(fù)使用性能，靈敏度高，響應(yīng)時(shí)間短，濃度測(cè) 試范圍較寬。
實(shí)施例3
如圖1、圖2所示，本發(fā)明聲表面波微氫氣傳感器，主要包括壓電基底、輸入叉指換
能器、輸出叉指換能器和氫敏薄膜，輸入叉指換能器和輸出叉指換能器中鋁質(zhì)的叉指電極依
附于壓電基底(PZT4)上，氫敏薄膜由鈀銀合金薄膜和二氧化錫薄膜構(gòu)成，二氧化錫薄膜依 附于壓電基底上，鈀銀合金薄膜依附于二氧化錫薄膜上面，從而構(gòu)成雙層敏感薄膜，二氧化 錫納米薄膜50nm厚，長(zhǎng)和寬尺寸分別為200和128pm，鈀銀合金膜40nm厚，鈀/銀質(zhì)量比 為75/25，叉指換能器中叉指電極長(zhǎng)、寬分別為12和128|xm，叉指電極間距為12nm。
制作工藝如下
1、 溶膠凝膠法在壓電基底(PZT4)上面制備二氧化錫納米薄膜50nm厚；
2、 涂光刻膠，光刻；
3、 用濃鹽酸腐蝕二氧化錫薄膜，并去除光刻膠，形成二氧化錫薄膜層，長(zhǎng)、寬尺寸為200 X128(xm;
4、 涂光刻膠，光刻，得到鈀銀合金膜的形狀
5、 真空濺射法生成一層鈀銀合金膜40nm厚；
6、 Lift-off法得到所需鈀銀合金膜；
7、 濺射法鍍一層鋁lpm厚；
8、 涂光刻膠，光刻，得到兩對(duì)叉指換能器，叉指電極長(zhǎng)、寬分別為12X128nm，叉指電 極間距為12nm。
效果該傳感器結(jié)構(gòu)緊湊，金屬和二氧化錫薄膜細(xì)致平整，在氫氛圍的環(huán)境下測(cè)量該傳 感器得響應(yīng)，可以發(fā)現(xiàn)傳感器具有可逆性及重復(fù)使用性能，靈敏度高，響應(yīng)時(shí)間短，濃度測(cè) 試范圍較寬。
權(quán)利要求
1、一種聲表面波微氫氣傳感器，主要包括壓電基底、輸入叉指換能器、輸出叉指換能器和氫敏薄膜，其特征在于所述的氫敏薄膜由鈀銀合金薄膜和二氧化錫薄膜構(gòu)成，二氧化錫薄膜依附于壓電基底上，鈀銀合金薄膜依附于二氧化錫薄膜上面，從而構(gòu)成雙層敏感薄膜。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的聲表面波微氫氣傳感器，其特征在于所述的二氧化錫薄膜的厚度為50 100nm;所述的鈀銀合金膜的厚度為20 40nm。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的聲表面波微氫氣傳感器，其特征在于所述的鈀銀合金中的鈀/銀質(zhì) 量比為75/25。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的聲表面波微氫氣傳感器，其特征在于所述的輸入叉指換能器和輸出 叉指換能器中叉指電極的寬度為12nm。
5、 如權(quán)利要求1所述的一種聲表面波微氫氣傳感器的制作工藝，其特征在于包括以下步驟(1) 、用溶膠凝膠法在壓電基底上面制備二氧化錫薄膜；(2) 、然后涂光刻膠，光刻；(3) 、再用濃鹽酸腐蝕二氧化錫薄膜，并去除光刻膠；(4) 、然后涂光刻膠，光刻，得到鈀銀合金膜的形狀；(5) 、用真空濺射法生成一層鈀銀合金膜；(6) 、 Lift-off法得到所需鈀銀合金膜；(7) 、濺射法鍍一層鋁；(8) 、涂光刻膠，光刻，得到輸入叉指換能器和輸出叉指換能器即制得聲表面波微氫氣傳感器。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的聲表面波微氫氣傳感器的制作工藝，其特征在于步驟(1)中所述 的二氧化錫薄膜的厚度為50 100nm。
7、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的聲表面波微氫氣傳感器的制作工藝，其特征在于步驟(5)中所述 的鈀銀合金膜的厚度為20 40nm。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的聲表面波微氫氣傳感器的制作工藝，其特征是在于所述的鈀銀合金 中的鈀/銀質(zhì)量比為75/25。
9、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的聲表面波微氫氣傳感器的制作工藝，其特征在于步驟(7)中所述 的鋁的厚度為lpm。
10、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的聲表面波微氫氣傳感器的制作工藝，其特征在于步驟(8)中所所 述的輸入叉指換能器和輸出叉指換能器中叉指電極的寬度為12pm。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種聲表面波微氫氣傳感器及其制備工藝，主要用于生產(chǎn)、儲(chǔ)備、運(yùn)輸和分銷氫的過(guò)程中氫的安全檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。該傳感器在具有傳統(tǒng)單層鈀膜氫氣傳感器常溫工作的特性的同時(shí)，極大地提高了氫氣傳感器的靈敏度，同時(shí)由于采用MEMS工藝微氫氣傳感器還具有體積小、響應(yīng)快、易集成、穩(wěn)定性好、成本低、易批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明的聲表面波微氫氣傳感器，主要包括壓電基底、輸入叉指換能器、輸出叉指換能器和氫敏薄膜，其氫敏薄膜由鈀銀合金薄膜和二氧化錫薄膜構(gòu)成，二氧化錫薄膜依附于壓電基底上，鈀銀合金薄膜依附于二氧化錫薄膜上面，從而構(gòu)成雙層敏感薄膜。
文檔編號(hào)G01N29/24GK101101278SQ20071002522
公開(kāi)日2008年1月9日 申請(qǐng)日期2007年7月19日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月19日
發(fā)明者周俊靜, 殷晨波, 陶春旻 申請(qǐng)人:南京工業(yè)大學(xué)