專利名稱：聲表面波瓦斯傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種氣體傳感器，尤其是涉及一種聲表面波瓦斯傳感器。
背景技術(shù)：
我國(guó)是世界上最大的產(chǎn)煤國(guó)，絕大部分煤礦開采是地下作業(yè)，開采條件差，瓦斯事故突出，煤礦災(zāi)難頻發(fā)，是煤礦災(zāi)害最嚴(yán)重的國(guó)家。預(yù)防煤礦瓦斯事故，首要條件是準(zhǔn)確預(yù)檢和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)煤礦瓦斯，因而，瓦斯傳感器質(zhì)量直接決定了煤礦瓦斯防治水平。目前國(guó)內(nèi)外瓦斯傳感器主要采用熱催化原理和光學(xué)原理，熱催化傳感器對(duì)可燃性氣體的檢測(cè)具有一定的優(yōu)勢(shì)，它具有抗高溫、粉塵等惡劣環(huán)境的優(yōu)點(diǎn)，是目前國(guó)內(nèi)煤礦中應(yīng)用最廣的瓦斯檢測(cè)傳感器。但熱催化氣體傳感器的溫度與瓦斯體積分?jǐn)?shù)有關(guān)，其測(cè)量極限小于4%，當(dāng)空氣中的瓦斯體積分?jǐn)?shù)超過5%時(shí)，電阻絲的表面溫度可達(dá)800 1000°C，致使元件本身成為瓦斯引爆源；此外，元件溫度升高，表面涂敷的催化劑將揮發(fā)和燒結(jié)，使傳感器零點(diǎn)漂移、靈敏度降低及傳感線性變差，定期校準(zhǔn)和維護(hù)頻繁、維護(hù)成本高以及校準(zhǔn)中的人為不確定因素大大降低了該類傳感器的可靠性和實(shí)用性。光學(xué)瓦斯傳感器主要利用吸收光譜或折射率變化兩種機(jī)理傳感。其中，吸收光譜型傳感器具有選擇性、鑒別性和氣體種類的唯一確定性等優(yōu)點(diǎn)，但其體積大，需要較大傳感空間，且吸收譜分析過程復(fù)雜；而利用折射率變化原理工作的干涉型光學(xué)瓦斯傳感器易受外界污染和(X)2等氣體干擾，難以精確測(cè)定瓦斯含量。由《煤礦安全規(guī)程》及最新瓦斯傳感器標(biāo)準(zhǔn)知，井下工作面處、隅角處和礦業(yè)機(jī)電設(shè)備等多處關(guān)鍵位置需要安裝瓦斯傳感器，工作面下瓦斯?jié)舛瘸^1 %時(shí)，瓦斯報(bào)警裝置必須立即聲光報(bào)警并顯示瓦斯?jié)舛?，同時(shí)要求瓦斯傳感器傳感超限在報(bào)警同時(shí)自動(dòng)切斷巷道相關(guān)電氣設(shè)備，避免發(fā)生瓦斯爆炸事故。因而，研制出靈敏度高、穩(wěn)定性好，并且體積輕巧、 便于集成與無線化的瓦斯傳感器，是煤礦瓦斯傳感器研究的必然趨勢(shì)。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題在于針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種聲表面波瓦斯傳感器，其結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，設(shè)計(jì)新穎合理，使用操作便捷，測(cè)量精度高，傳感靈敏度高，工作穩(wěn)定性高，能夠更及時(shí)、更精確、更方便的監(jiān)測(cè)煤礦瓦斯?jié)舛燃胺植迹瑢?shí)現(xiàn)成本低，使用效果好，便于推廣使用。為解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案是一種聲表面波瓦斯傳感器， 其特征在于包括壓電基底，所述壓電基底的上表面上經(jīng)過表面微加工工藝加工有用于將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為聲表面波信號(hào)的兩個(gè)輸入叉指換能器、用于接收由輸入叉指換能器產(chǎn)生的聲表面波經(jīng)壓電基底表面?zhèn)鬟f來的聲信號(hào)并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的兩個(gè)輸出叉指換能器和用于吸附瓦斯氣體的兩張瓦斯吸附薄膜，其中第一個(gè)輸入叉指換能器、第一張瓦斯吸附薄膜和第一個(gè)輸出叉指換能器依次設(shè)置并構(gòu)成第一路聲表面波延遲線，第二個(gè)輸入叉指換能器、第二張瓦斯吸附薄膜和第二個(gè)輸出叉指換能器依次設(shè)置并構(gòu)成第二路聲表面波延遲線。
3[0007]上述的聲表面波瓦斯傳感器，其特征在于位于所述第一路聲表面波延遲線兩端和第二路聲表面波延遲線兩端的壓電基底上表面上均經(jīng)過表面微加工工藝加工有用于吸收聲波的電極柵。上述的聲表面波瓦斯傳感器，其特征在于位于所述第一路聲表面波延遲線兩端和第二路聲表面波延遲線兩端的壓電基底上表面上均設(shè)置有吸聲材料層。上述的聲表面波瓦斯傳感器，其特征在于所述壓電基底采用鉭酸鋰壓電單晶體薄片制成。上述的聲表面波瓦斯傳感器，其特征在于所述壓電基底為長(zhǎng)方體形狀，所述壓電基底的長(zhǎng)為Ilmm 15mm、寬為8mm 12mm、高為0. 4mm 0. 6mm0上述的聲表面波瓦斯傳感器，其特征在于所述第一路聲表面波延遲線和第二路聲表面波延遲線均沿壓電基底的長(zhǎng)邊方向設(shè)置。上述的聲表面波瓦斯傳感器，其特征在于所述壓電基底采用壓電材料薄片制成， 所述壓電材料薄片為鉭酸鋰壓電單晶體薄片、鈮酸鋰壓電單晶體薄片或石英壓電單晶體薄片。上述的聲表面波瓦斯傳感器，其特征在于所述壓電基底由非壓電材料薄片和設(shè)置在非壓電材料薄片表面的壓電薄膜構(gòu)成。上述的聲表面波瓦斯傳感器，其特征在于所述非壓電材料薄片為單晶硅薄片、玻璃薄片、氧化鎂晶體薄片或有機(jī)材料薄片；所述壓電薄膜為PZT薄膜、氧化鋅薄膜、氮化鋁薄膜或鈦酸鋇薄膜。上述的聲表面波瓦斯傳感器，其特征在于所述第一張瓦斯吸附薄膜和第二張瓦斯吸附薄膜均為酞菁傳感薄膜或二氧化錫傳感薄膜。上述的聲表面波瓦斯傳感器，其特征在于所述第一張瓦斯吸附薄膜和第二張瓦斯吸附薄膜的厚度均為400nm lOOOnm。本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)1、本實(shí)用新型采用聲表面波傳感瓦斯原理制成，結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，設(shè)計(jì)新穎合理。2、本實(shí)用新型具有集成化、無線化和無源化的突出優(yōu)點(diǎn)，使用操作便捷，符合煤礦安全監(jiān)測(cè)無線化和集成化的必然發(fā)展趨勢(shì)，具有長(zhǎng)遠(yuǎn)的開發(fā)潛力。3、本實(shí)用新型采用雙路聲表面波延遲線結(jié)構(gòu)，能夠很好地補(bǔ)償環(huán)境溫度對(duì)傳感器測(cè)量精度的影響，測(cè)量精度高，傳感靈敏度高，工作穩(wěn)定性高。4、本實(shí)用新型能夠有效解決熱催化式瓦斯傳感器的零點(diǎn)漂移、線性響應(yīng)不穩(wěn)定、 定期維護(hù)難和維護(hù)費(fèi)用高等問題，同時(shí)能克服光學(xué)瓦斯傳感器的占用空間大、傳感占距長(zhǎng)和傳感分析復(fù)雜等缺點(diǎn)，能夠更及時(shí)、更精確、更方便的監(jiān)測(cè)煤礦瓦斯?jié)舛燃胺植?，在煤礦瓦斯治理中發(fā)揮重要作用，防范瓦斯事故于未然，從而有效提高煤礦安全監(jiān)測(cè)能力，有效降低煤礦瓦斯事故發(fā)生率，減少人員傷亡與礦業(yè)資源損失。5、本實(shí)用新型的實(shí)現(xiàn)成本低，使用效果好，便于推廣使用。下面通過附圖和實(shí)施例，對(duì)本實(shí)用新型的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。

[0024]圖1為本實(shí)用新型實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本實(shí)用新型實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本實(shí)用新型實(shí)施例3的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為本實(shí)用新型實(shí)施例4的結(jié)構(gòu)示意圖。附圖標(biāo)記說明1-1-壓電材料薄片；1-2-非壓電材料薄片；1-3-壓電薄膜；2-1-第一個(gè)輸入叉指換能器；2-2-第二個(gè)輸入叉指換能器；3-1-第一張瓦斯吸附薄膜3-2-第二張瓦斯吸附薄膜；4-1-第一個(gè)輸出叉指換能器；4-2-第二個(gè)輸出叉指換能；5-電極柵；6-吸聲材料層。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1如圖1所示，本實(shí)用新型包括壓電基底，所述壓電基底的上表面上經(jīng)過表面微加工工藝加工有用于將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為聲表面波信號(hào)的兩個(gè)輸入叉指換能器、用于接收由輸入叉指換能器產(chǎn)生的聲表面波經(jīng)壓電基底表面?zhèn)鬟f來的聲信號(hào)并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的兩個(gè)輸出叉指換能器和用于吸附瓦斯氣體的兩張瓦斯吸附薄膜，其中第一個(gè)輸入叉指換能器2-1、第一張瓦斯吸附薄膜3-1和第一個(gè)輸出叉指換能器4-1依次設(shè)置并構(gòu)成第一路聲表面波延遲線，第二個(gè)輸入叉指換能器2-2、第二張瓦斯吸附薄膜3-2和第二個(gè)輸出叉指換能4-2器依次設(shè)置并構(gòu)成第二路聲表面波延遲線。如圖1所示，本實(shí)施例中，位于所述第一路聲表面波延遲線兩端和第二路聲表面波延遲線兩端的壓電基底上表面上均經(jīng)過表面微加工工藝加工有用于吸收聲波的電極柵 5。所述壓電基底為長(zhǎng)方體形狀，所述壓電基底的長(zhǎng)為Ilmm 15mm、寬為8mm 12mm、高為 0. 4mm 0. 6mm ；優(yōu)選地，所述壓電基底的長(zhǎng)為13mm、寬為10mm、高為0. 5mm，使得所制成的該聲表面瓦斯傳感器體積薄小、靈敏度高、便于貼裝、易于集成和無線化，符合煤礦安全監(jiān)測(cè)高精化、集成化和無線化發(fā)展的必然趨勢(shì)。所述第一路聲表面波延遲線和第二路聲表面波延遲線均沿壓電基底的長(zhǎng)邊方向設(shè)置。所述壓電基底采用壓電材料薄片1-1制成，所述壓電材料薄片1-1為鉭酸鋰壓電單晶體薄片、鈮酸鋰壓電單晶體薄片或石英壓電單晶體薄片。所述第一張瓦斯吸附薄膜3-1和第二張瓦斯吸附薄膜3-2均為酞菁傳感薄膜或二氧化錫傳感薄膜，酞菁傳感薄膜和二氧化錫傳感薄膜均對(duì)瓦斯具有單一選擇性和高吸附性，能夠很好地滿足使用需求。所述第一張瓦斯吸附薄膜3-1和第二張瓦斯吸附薄膜3-2的厚度均為400nm lOOOnm，能夠保證所制成的聲表面波瓦斯傳感器具有很高的瓦斯靈敏度。實(shí)施例2如圖2所示，本實(shí)施例與實(shí)施例1不同的是位于所述第一路聲表面波延遲線兩端和第二路聲表面波延遲線兩端的壓電基底上表面上均設(shè)置有吸聲材料層6。其余結(jié)構(gòu)均與實(shí)施例1相同。實(shí)施例3如圖3所示，本實(shí)施例與實(shí)施例1不同的是所述壓電基底由非壓電材料薄片1-2和設(shè)置在非壓電材料薄片1-2表面的壓電薄膜1-3構(gòu)成。所述非壓電材料薄片1-2為單晶硅薄片、玻璃薄片、氧化鎂晶體薄片或有機(jī)材料薄片；所述壓電薄膜1-3為PZT薄膜、氧化鋅薄膜、氮化鋁薄膜或鈦酸鋇薄膜。其余結(jié)構(gòu)均與實(shí)施例1相同。實(shí)施例4如圖4所示，本實(shí)施例與實(shí)施例3不同的是位于所述第一路聲表面波延遲線兩端和第二路聲表面波延遲線兩端的壓電基底上表面上均設(shè)置有吸聲材料層6。其余結(jié)構(gòu)均與實(shí)施例3相同。本實(shí)用新型在制作時(shí)，首先采用壓電材料薄片1-1制成壓電基底，或采用非壓電材料薄片1-2和設(shè)置在非壓電材料薄片1-2表面的壓電薄膜1-3制成壓電基底；接著采用真空蒸發(fā)技術(shù)制備酞菁傳感薄膜或二氧化錫傳感薄膜、并將其作為瓦斯吸附薄膜；然后在壓電基底的上表面上經(jīng)過表面微加工工藝加工兩個(gè)輸入叉指換能器、兩個(gè)輸出叉指換能器和電極柵5，在位于每個(gè)輸入叉指換能器和每個(gè)輸出叉指換能器之間的壓電基底的上表面上沉積一張瓦斯吸附薄膜；其中，經(jīng)過表面微加工工藝加工在壓電基底上表面上的電極柵 5共有四處，四處電極柵5分別位于由第一個(gè)輸入叉指換能器2-1、第一張瓦斯吸附薄膜3-1 和第一個(gè)輸出叉指換能器4-1構(gòu)成的第一路聲表面波延遲線的兩端，以及由第二個(gè)輸入叉指換能器2-2、第二張瓦斯吸附薄膜3-2和第二個(gè)輸出叉指換能4-2器構(gòu)成的第二路聲表面波延遲線的兩端。其中，電極柵5也可以用吸聲材料層6代替。采用本實(shí)用新型進(jìn)行瓦斯?jié)舛葴y(cè)量時(shí)，輸入叉指換能器將施加在其上的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為相同頻率的聲表面波信號(hào)，輸出叉指換能器接收由輸入叉指換能器產(chǎn)生的聲表面波經(jīng)壓電基底表面?zhèn)鬟f來的聲信號(hào)并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，當(dāng)瓦斯吸附薄膜選擇性吸附瓦斯氣體時(shí)， 瓦斯吸附薄膜與瓦斯氣體發(fā)生相互作用，導(dǎo)致瓦斯吸附薄膜的物理性質(zhì)發(fā)生變化，則聲表面波的速度或頻率將發(fā)生改變，通過測(cè)量聲表面波的頻率的偏移或相位延遲可以反演得到瓦斯氣體的濃度，實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量瓦斯氣體濃度的目的?？紤]到本實(shí)用新型在使用時(shí)，煤礦井下環(huán)境溫度對(duì)該聲表面波瓦斯傳感器影響較大的特點(diǎn)，采用雙路聲表面波延遲線結(jié)構(gòu)， 能夠很好地補(bǔ)償環(huán)境溫度對(duì)傳感器測(cè)量精度的影響。另外，煤礦井下條件復(fù)雜、多煤塵、濕度高，為了避免惡劣的環(huán)境條件對(duì)該聲表面波瓦斯傳感器的正常工作造成干擾，可以設(shè)計(jì)相應(yīng)的井下防塵、防潮裝置，與該聲表面波瓦斯傳感器配合使用，進(jìn)一步提高其測(cè)量精度。綜上所述，本實(shí)用新型采用聲表面波傳感瓦斯原理制成，具有體積小、成本低、傳感靈敏度高和工作穩(wěn)定等諸多優(yōu)點(diǎn)，能夠有效解決熱催化式瓦斯傳感器的零點(diǎn)漂移、線性響應(yīng)不穩(wěn)定、定期維護(hù)難和維護(hù)費(fèi)用高等問題，同時(shí)能克服光學(xué)瓦斯傳感器的占用空間大、 傳感占距長(zhǎng)和傳感分析復(fù)雜等缺點(diǎn)，將有效提高煤礦瓦斯監(jiān)測(cè)水平。以上所述，僅是本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例，并非對(duì)本實(shí)用新型作任何限制，凡是根據(jù)本實(shí)用新型技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所作的任何簡(jiǎn)單修改、變更以及等效結(jié)構(gòu)變化，均仍屬于本實(shí)用新型技術(shù)方案的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種聲表面波瓦斯傳感器，其特征在于包括壓電基底，所述壓電基底的上表面上經(jīng)過表面微加工工藝加工有用于將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為聲表面波信號(hào)的兩個(gè)輸入叉指換能器、用于接收由輸入叉指換能器產(chǎn)生的聲表面波經(jīng)壓電基底表面?zhèn)鬟f來的聲信號(hào)并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的兩個(gè)輸出叉指換能器和用于吸附瓦斯氣體的兩張瓦斯吸附薄膜，其中第一個(gè)輸入叉指換能器(2-1)、第一張瓦斯吸附薄膜(3-1)和第一個(gè)輸出叉指換能器(4-1)依次設(shè)置并構(gòu)成第一路聲表面波延遲線，第二個(gè)輸入叉指換能器0-2)、第二張瓦斯吸附薄膜(3- 和第二個(gè)輸出叉指換能(4-2)器依次設(shè)置并構(gòu)成第二路聲表面波延遲線。
2.按照權(quán)利要求1所述的聲表面波瓦斯傳感器，其特征在于位于所述第一路聲表面波延遲線兩端和第二路聲表面波延遲線兩端的壓電基底上表面上均經(jīng)過表面微加工工藝加工有用于吸收聲波的電極柵(5)。
3.按照權(quán)利要求1所述的聲表面波瓦斯傳感器，其特征在于位于所述第一路聲表面波延遲線兩端和第二路聲表面波延遲線兩端的壓電基底上表面上均設(shè)置有吸聲材料層 (6)。
4.按照權(quán)利要求1、2或3所述的聲表面波瓦斯傳感器，其特征在于所述壓電基底為長(zhǎng)方體形狀，所述壓電基底的長(zhǎng)為Ilmm 15mm、寬為8mm 12mm、高為0.4mm 0. 6mm。
5.按照權(quán)利要求4所述的聲表面波瓦斯傳感器，其特征在于所述第一路聲表面波延遲線和第二路聲表面波延遲線均沿壓電基底的長(zhǎng)邊方向設(shè)置。
6.按照權(quán)利要求4所述的聲表面波瓦斯傳感器，其特征在于所述壓電基底采用壓電材料薄片(1-1)制成，所述壓電材料薄片(1-1)為鉭酸鋰壓電單晶體薄片、鈮酸鋰壓電單晶體薄片或石英壓電單晶體薄片。
7.按照權(quán)利要求4所述的聲表面波瓦斯傳感器，其特征在于所述壓電基底由非壓電材料薄片(1-2)和設(shè)置在非壓電材料薄片(1-2)表面的壓電薄膜(1-3)構(gòu)成。
8.按照權(quán)利要求7所述的聲表面波瓦斯傳感器，其特征在于所述非壓電材料薄片 (1-2)為單晶硅薄片、玻璃薄片、氧化鎂晶體薄片或有機(jī)材料薄片；所述壓電薄膜(1-3)為 PZT薄膜、氧化鋅薄膜、氮化鋁薄膜或鈦酸鋇薄膜。
9.按照權(quán)利要求1、2或3所述的聲表面波瓦斯傳感器，其特征在于所述第一張瓦斯吸附薄膜(3-1)和第二張瓦斯吸附薄膜(3- 均為酞菁傳感薄膜或二氧化錫傳感薄膜。
10.按照權(quán)利要求1、2或3所述的聲表面波瓦斯傳感器，其特征在于所述第一張瓦斯吸附薄膜(3-1)和第二張瓦斯吸附薄膜(3-2)的厚度均為400nm lOOOnm。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種聲表面波瓦斯傳感器，包括壓電基底，壓電基底的上表面上沉積有用于將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為聲表面波信號(hào)的兩個(gè)輸入叉指換能器、用于接收由輸入叉指換能器產(chǎn)生的聲表面波經(jīng)壓電基底表面?zhèn)鬟f來的聲信號(hào)并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的兩個(gè)輸出叉指換能器和用于吸附瓦斯氣體的兩張瓦斯吸附薄膜，其中第一個(gè)輸入叉指換能器、第一張瓦斯吸附薄膜和第一個(gè)輸出叉指換能器依次設(shè)置并構(gòu)成第一路聲表面波延遲線，第二個(gè)輸入叉指換能器、第二張瓦斯吸附薄膜和第二個(gè)輸出叉指換能器依次設(shè)置并構(gòu)成第二路聲表面波延遲線。本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，設(shè)計(jì)新穎合理，使用操作便捷，測(cè)量精度高，傳感靈敏度高，工作穩(wěn)定性高，使用效果好，便于推廣使用。
文檔編號(hào)G01N29/036GK202230055SQ20112037785
公開日2012年5月23日 申請(qǐng)日期2011年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月29日
發(fā)明者劉婷, 張濤, 馬宏偉 申請(qǐng)人:張濤