测量汞蒸气的芯片及装配有该芯片的传感器制造技术

本实用新型专利技术公开了一种测量汞蒸气的芯片，其包括硅衬底层；中间层，中间层包括自下而上依次层叠设置的Bragg声学反射层、种子层和压电薄膜层，且Bragg声学反射层设于硅衬底层上；两组电极组件，每一电极组件均包括设于压电薄膜层上的接地电极和信号电极，接地电极为C形并形成一收容区，信号电极收容于收容区；汞可逆吸附薄膜层，汞可逆吸附薄膜层设于其中一组电极组件的信号电极上，使该组电极组件和汞可逆吸附薄膜层共同形成测量单元信号电极，另一组电极组件形成参考单元信号电极。本实用新型专利技术还提供了装配有芯片的传感器。本实用新型专利技术结构简单、精度高、抗干扰能力强、易于大批量生产，能够广泛应用于各类工业排放检测系统。

A chip for measuring mercury vapor and a sensor assembled with the chip

The utility model discloses a mercury vapor measurement chip, comprising a silicon substrate layer; the middle layer, the middle layer from bottom to top are sequentially overlapped Bragg acoustic reflection layer, a seed layer and the piezoelectric film layer, and the Bragg acoustic reflection layer is arranged on the silicon substrate layer; two electrode assembly, each electrode components are including the grounding electrode and the signal electrode provided on the piezoelectric film layer, grounding electrode for C shape and form a reception area, a signal electrode accommodated in the accommodating area; mercury adsorption film layer, mercury film layer is arranged on the reversible adsorption of one group of electrode assemblies on the signal electrode, the electrode assembly and reversible mercury group the adsorption film formed measurement unit signal electrode, electrode assembly formed another group of reference signal electrode unit. The utility model also provides a sensor equipped with a chip. The utility model has the advantages of simple structure, high precision, strong anti-interference ability and easy to mass production, and can be widely used in various industrial emission detection systems.

【技术实现步骤摘要】
测量汞蒸气的芯片及装配有该芯片的传感器
本技术涉及汞蒸气测量领域，具体涉及一种测量汞蒸气的芯片及装配有该芯片的传感器。
技术介绍
汞是一种对环境和人类危害极大的元素。工业化大规模生产导致每年约有2400吨的汞被排到大气中，进而通过土壤、海洋，进入到食物链中。进入人体的汞可以通过形成甲基汞发生生物积累效应，进而对神经系统、大脑和胎儿造成不可逆的损伤。有报告说，人体暴露在0.1-0.2ppm的汞蒸气中，仅仅几小时就会导致化学性支气管炎、化学性肺炎和肺部纤维化。针对主要的工业活动，如火电厂燃煤烟排放、采矿冶炼排放、垃圾焚烧排放等，进行持续的监测，对于控制环境汞污染至关重要。目前广泛使用的汞蒸气测量装置大多基于荧光效应，由于汞的荧光吸收频率在253.7nm附近，而这一波长在高温燃烟气中会引起光化学反应，容易造成荧光淬灭和汞的光催化氧化,进而影响测量精度，因此，这种测量装置并不适用于燃烟中汞排放的监测。此外，目前基于荧光效应的汞蒸气测量装置，还存在体积较大、成本较高、需要经常维护，不适用于低成本的组网监测的缺点。
技术实现思路
针对现有技术中存在的缺陷，本技术的目的在于提供一种小型化、成本低廉、精度高、免维护的测量汞蒸气的芯片，可以广泛用于各类工业排放监测系统。为达到以上目的，本技术采取的技术方案是：一种测量汞蒸气的芯片，其包括：硅衬底层；中间层，所述中间层包括自下而上依次层叠设置的Bragg声学反射层、种子层和压电薄膜层，且所述Bragg声学反射层设于所述硅衬底层上；两组电极组件，每一组所述电极组件均包括设于所述压电薄膜层上的接地电极和信号电极，所述接地电极为C形并形成一收容区和一开口，所述信号电极收容于所述收容区，且所述信号电极包括主体部分和由所述主体部分延伸的延伸部分，且所述延伸部分延伸至所述开口；一个汞可逆吸附薄膜层，所述汞可逆吸附薄膜层设于其中一组所述电极组件的信号电极上，使该组所述电极组件和所述汞可逆吸附薄膜层共同形成测量单元信号电极，另一组所述电极组件形成参考单元信号电极。进一步地，所述汞可逆吸附薄膜层为Ni-Au纳米薄膜。进一步地，所述接地电极和所述信号电极均包括层叠的Ni薄膜和Ti薄膜，且所述Ti薄膜设于所述压电薄膜层上，所述测量单元信号电极的所述Ni薄膜与所述汞可逆吸附薄膜层相互贴合设置。进一步地，所述Ni薄膜厚度为100-200nm，所述Ti薄膜厚度为40-70nm。进一步地，所述Bragg声学反射层包括三个层叠设置的层组，所述层组为自上而下的SiO2/Mo双层薄膜结构。进一步地，所述SiO2薄膜和所述Mo薄膜厚度均为谐振声波在各自中波长的1/4。进一步地，所述种子层包括层叠的Pt薄膜和Ti薄膜，所述Pt薄膜设于所述压电薄膜层下，所述Ti薄膜设于所述Bragg声学反射层上。进一步地，所述Pt薄膜厚度为100-150nm，所述Ti薄膜厚度为40-70nm。进一步地，所述压电薄膜层为C轴择优取向的AlN层。本技术还提供一种测量汞蒸气的传感器，其包括：封装管壳，所述封装管壳包括中部开设有凹槽的封装底座和盖合于所述封装底座上的封装顶盖，所述封装底座两侧均设有三个端子，所述封装顶盖上开设有探测窗口；一如上任一所述的芯片，所述芯片收容于所述凹槽内，所述汞可逆吸附薄膜层位于所述探测窗口正下方；同时，两组所述电极组件的所述接地电极的两端脚电连接于所述封装底座相应侧的三个所述端子中的两个上，两组所述电极组件的所述信号电极分别电连接于所述封装底座相应侧的三个端子中的另一个。与现有技术相比，本技术的优点在于：(1)本技术结构简单、精度高、抗干扰能力强、易于大批量生产，能够广泛应用于各类工业排放检测系统。(2)本技术利用Ni-Au纳米薄膜对汞蒸气可逆结合的特性以及横向激励厚度剪切模薄膜体声波谐振器对声学负载检测灵敏度高的优点，可实现对待测气体中微量汞蒸气浓度的高分辨率监测。(3)本技术的Ni-Au纳米薄膜具有疏松多孔的特性，增大了和待测气体的接触面积。Ni薄膜几乎不和汞发生汞齐反应，而Ni-Au纳米薄膜中的纳米金的颗粒和汞具有极强的相融性，Ni和Au的界面效应有效的抑制了汞和吸附层发生不可逆的结合，具有免维护的优点。附图说明图1为本技术实施例提供的一种测量汞蒸气的传感器爆炸图；图2为本技术实施例提供的电极组件结构示意图；图3为本技术实施例提供的Bragg声学反射层结构示意图；图4为本技术实施例提供的种子层结构示意图；图5为本技术实施例提供的传感器使用示意图。图中，1-硅衬底层，2-中间层，20-Bragg声学反射层，200-层组，21-种子层，22-压电薄膜层，3-电极组件，30-接地电极，300-收容区，301-开口，31-信号电极，310-主体部分，311-延伸部分，4-汞可逆吸附薄膜层，5-测量单元信号电极，6-参考单元信号电极，7-封装管壳，70-凹槽，71-封装底座，72-封装顶盖，73-端子，73a-端子，73b-端子，73c-端子，73d-端子，73e-端子，73f-端子，74-探测窗口，A-传感器，B-网络分析仪，C-汞蒸气传感器标定装置，D-汞蒸气浓度调节阀。具体实施方式以下结合附图及实施例对本技术作进一步详细说明。参见图1和图2所示，本技术实施例提供一种测量汞蒸气的芯片，其包括：硅衬底层1，用于提供支撑，所述硅衬底层1采用(001)型P型掺杂硅衬底；中间层2，所述中间层2包括自下而上依次层叠设置的Bragg声学反射层20、种子层21、压电薄膜层22，且所述Bragg声学反射层20设于所述硅衬底层1上；两组电极组件3，每一组所述电极组件3均包括设于所述压电薄膜层22上的接地电极30和信号电极31，所述接地电极30为C形并形成一收容区300和一开口301，所述信号电极31收容于所述收容区300，且所述信号电极31包括主体部分310和由所述主体部分310延伸的延伸部分311，且所述延伸部分311延伸至所述开口301；所述Bragg声学反射层20的作用为反射垂直于所述硅衬底层1方向传递的压电激励声波，提高压电谐振品质因数Q，最终将提高传感器的灵敏性；所述种子层21的作用是引导生长其上的所述压电薄膜层22为(001)取向择优生长；所述压电薄膜层22为六方晶系压电薄膜材料，其极化轴垂直于所述硅衬底层1方向；优选两个所述接地电极30并列排列，开口均向外且相反设置，且开口的两端不连通；所述信号电极31形状与所述接地电极30的收容区300相匹配，比如，所述收容区300为正方形，则所述信号电极31为正方形结构，所述收容区300为圆形，则是所述信号电极31为圆形结构，所述信号电极31收容于相应所述接地电极30的收容区300；一个汞可逆吸附薄膜层4，所述汞可逆吸附薄膜层4设于其中一组所述电极组件3的信号电极31上，使该组所述电极组件3和所述汞可逆吸附薄膜层4共同形成测量单元信号电极5，另一所述电极组件3形成参考单元信号电极6。所述中间层2、两组电极组件3及所述汞可逆吸附薄膜层4形成横向激励厚度剪切模薄膜体声波谐振器，其具有对声学负载检测灵敏度高的优点，可实现对待测气体中微量汞蒸气浓度的高分辨率监测。本技术的原理为：汞吸附在所述所述汞可逆吸附本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种测量汞蒸气的芯片，其特征在于，其包括：硅衬底层(1)；中间层(2)，所述中间层(2)包括自下而上依次层叠设置的Bragg声学反射层(20)、种子层(21)和压电薄膜层(22)，且所述Bragg声学反射层(20)设于所述硅衬底层(1)上；两组电极组件(3)，每一组所述电极组件(3)均包括设于所述压电薄膜层(22)上的接地电极(30)和信号电极(31)，所述接地电极(30)为C形并形成一收容区(300)和一开口(301)，所述信号电极(31)收容于所述收容区(300)，且所述信号电极(31)包括主体部分(310)和由所述主体部分(310)延伸的延伸部分(311)，且所述延伸部分(311)延伸至所述开口(301)；一个汞可逆吸附薄膜层(4)，所述汞可逆吸附薄膜层(4)设于其中一组所述电极组件(3)的信号电极(31)上，使该组所述电极组件(3)和所述汞可逆吸附薄膜层(4)共同形成测量单元信号电极(5)，另一组所述电极组件(3)形成参考单元信号电极(6)。

【技术特征摘要】
1.一种测量汞蒸气的芯片，其特征在于，其包括：硅衬底层(1)；中间层(2)，所述中间层(2)包括自下而上依次层叠设置的Bragg声学反射层(20)、种子层(21)和压电薄膜层(22)，且所述Bragg声学反射层(20)设于所述硅衬底层(1)上；两组电极组件(3)，每一组所述电极组件(3)均包括设于所述压电薄膜层(22)上的接地电极(30)和信号电极(31)，所述接地电极(30)为C形并形成一收容区(300)和一开口(301)，所述信号电极(31)收容于所述收容区(300)，且所述信号电极(31)包括主体部分(310)和由所述主体部分(310)延伸的延伸部分(311)，且所述延伸部分(311)延伸至所述开口(301)；一个汞可逆吸附薄膜层(4)，所述汞可逆吸附薄膜层(4)设于其中一组所述电极组件(3)的信号电极(31)上，使该组所述电极组件(3)和所述汞可逆吸附薄膜层(4)共同形成测量单元信号电极(5)，另一组所述电极组件(3)形成参考单元信号电极(6)。2.如权利要求1所述的测量汞蒸气的芯片，其特征在于：所述汞可逆吸附薄膜层(4)为Ni-Au纳米薄膜。3.如权利要求1所述的测量汞蒸气的芯片，其特征在于：所述接地电极(30)和所述信号电极(31)均包括层叠的Ni薄膜和Ti薄膜，且所述Ti薄膜设于所述压电薄膜层(22)上，所述测量单元信号电极(5)的所述Ni薄膜与所述汞可逆吸附薄膜层(4)相互贴合设置。4.如权利要求3所述的测量汞蒸气的芯片，其特征在于：所述Ni薄膜厚度为100-200nm，所述Ti薄膜厚度为40-70nm。5....

【专利技术属性】
技术研发人员：陈杰睿，闻心怡，蔡如桦，程萍，彭晓钧，刘禹希，陈梦珂，
申请(专利权)人：中国船舶重工集团公司第七一九研究所，
类型：新型
国别省市：湖北,42