多模式声波传感器制造技术

描述一种多模式传感系统，其可以从包含用于监视化学物质的多个传感元件的声波传感器配置。多个传感元件可以设置在由所述声波传感器的多个壁形成的空腔内，以致于每个传感元件涂敷不同的传感膜。多模式传感系统还包括与所述多个传感元件关联的多个振荡器，其中每个传感元件通常位于具有相同振荡器的反馈环中，以此提供多模式声波传感器，多模式声波传感器提供用于检测和解除吸附化学物质的多模式频率输出。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
实施例通常涉及传感系统和方法。实施例还涉及声波传感器，诸如，例如，表面声波(SAW)和体声波(BAW)装置和传感器。
技术介绍
声波传感器应用在许多传感应用中，诸如，例如、温度、压力、和/或气体传感装置和系统。声波传感器的例子包括能被用来检测物质诸如化学和生物材料的存在的例如声波传感器的装置。由于对于表面负荷的高灵敏度和产生自它们的固有高Q因子的低噪声，用作传感器的声波(SAW/SBW)装置能提供高灵敏度的检测机制。表面声波装置典型地使用光刻技术由放置在压电材料上的梳妆交叉指式的转换器制成。表面声波装置可能具有延迟线或谐振器配置。表面声波化学的和/或生物的传感器的选择性通常由置于压电材料上的选择性涂层确定。被测量物质到选择性涂层的吸收和/或吸附能引起SAW/SBW装置上的质量负荷效应、弹性效应、和/或粘弹效应。由于物质的吸收和/或吸附引起的声学性质的变换能解释为对延迟线表面声波装置的延迟时间漂移或对谐振器(BAW/SAW)声波装置的频率偏移。声波传感设备经常依赖于石英晶体谐振器元件的使用，例如适于与电子振荡器一起使用的类型。在典型的气体传感应用中，在选择性薄膜涂层(即，施加到晶体的一个表面的)中气体分子的吸收能增加晶体的质量，同时降低晶体的谐振频率。厚度剪切模式(TSM)晶体单元，例如AT切单元，的频率与晶体片的厚度成反比。例如，典型的5MHz的3次谐波片是在1百万原子层厚度的量级。分析物的吸收等于石英的一个原子层的质量，其改变频率大约1ppm。厚度剪切模式谐振器因此被广泛地称为石英晶体微量天平。计算已经确定基频模式的灵敏度比3次谐波的灵敏度大约要灵敏9倍。例如，5MHz的AT切TSM晶体坯大约厚为0.33mm(基频)。例如，电极的厚度在大约0.2-0.5μm的范围内。由于涂层的频率变化典型地为ΔF＝-2.3×106F2(ΔM/A)，其中值ΔF表示由于涂层导致的频率变化(Hz)，F表示石英片的频率(Hz)，ΔM表示沉积的涂层的质量(g)，且值A表示涂敷的面积(cm2)。涂敷声学传感器，例如石英晶体谐振器、表面声波和石英晶体微量天平装置，的选择性吸附薄膜由于它们的高灵敏度、选择性和强度对化学的/生物的检测应用具有吸引力。被执行的检测机制依赖于被涂敷压电晶体暴露于气体时物理化学性质和电学性质的变化。测量结果通常被获得作为环线振荡器电路的输出频率，该电路利用被涂敷晶体作为反馈元件。当传感器暴露于分析物时，薄膜吸附该分析物，且相应的频率偏移被测量作为物理化学变化和电学变化的结果。对涂层性能有贡献的因素包括涂层密度、涂层模量(coating modulus)、基片润湿、涂层形态、电导率、电容和介电常数。涂层材料选择，涂层结构和涂敷技术影响传感器的响应。取决于涂层材料和基片的属性，用于薄膜沉积的常用技术大范围地改变。这些技术的例子包括CVD、PVD、和对于大多数无机和复合材料的溶胶-凝胶。对于聚合材料，从挥发性溶剂中的聚合物溶液的自我装配浸渍法、铸造法、喷射涂敷、和/或旋转涂敷经常是优选的。基于这些常用技术的配置通常确定了声波传感器的性能。涂敷方法对传感器的重复性也是重要的。因为它们的较短的寿命，这些传感器比基于金属氧化物的传感器更经常地替换。当传感器被替换时，它们丢失了它们对先前获得的气味的记忆。换而言之，这些装置的响应曲线改变了，且替换的传感器必须被重新训练和/或重新校准。由于实际的原因，沸石被广泛地用作物理吸附涂层材料。沸石是碱金属或碱土族元素(例如Li、Na、K、Mg、Ca、Ba)的具有基于AlO4和SO4四面体的大范围3维网络的框架的结晶铝硅酸盐。这些四面体组合成二级多面体构件块，例如立方体，八面体和六边形的棱镜。最后的沸石结构由二级块(secondary block)组合成的规则的3维结晶框架组成。每个铝原子有(-1)电荷并且这导致了网络中的阴离子电荷。阳离子对平衡电荷和占据非框架位置是必要的。典型地框架由互连的笼(cage)和/或沟道(channel)的规则结构组成。这些基本上“空的”笼和沟道的系统对好的吸附剂提供必要的高的存储容量。沸石吸附剂的特征在于它们均匀的晶粒间孔的尺寸。均匀尺寸的孔能够以尺寸为基础进行分子识别(例如，空间分离)。比能扩散进晶体的最大尺寸还大的分子被排除了。吸附能力和选择性能够被使用的阳离子类型和离子交换的范围重要地影响。这个类型的改变在优化用于气体分离的沸石中是重要的。均匀的空隙结构，灵活的孔径尺寸改变，优异的热稳定性和水热稳定性，在低的分压下高的吸附容量，和合适的成本使得沸石在很多分离应用中广泛地使用。例如，涂敷在石英晶体微量天平化学传感器上的选择吸附薄膜能被用来选择性地检测CO。该薄涂层包括固态的无孔无机基质和包含在无机基质内的多孔沸石晶体，沸石晶体的孔选择性地吸附具有比预先选定大小更小的尺寸的化学个体。从溶胶-凝胶衍生的玻璃，聚合物和粘土的组选择该基质。改变沸石晶体的孔以便为Lewis或Bronsted酸性或碱性并能通过金属离子的存在提供沸石内绑扎。该膜可以从氧化铝、硼硅酸铝、钛、水解的二乙氧基二苯基硅烷，或包含沸石晶体的硅烷橡胶基质中进行配置。无机基质的厚度通常约0.001-10μm且沸石晶体的孔的直径近似为0.25-1.2nm。该涂层为从无定形SiO2基质突出的沸石晶体的单层。聚合物可被定义为由大量被称为单体的重复单元组成的化合物。这些单体通过共价键连接在一起形成长链。聚合度被定义为链中重复单元的数量。聚合物的性质依赖于聚合物链的总尺寸和保持聚合物在一起的分子间力和分子内力。通常，感兴趣的聚合物性质能被表征为扩散/渗透性质或机械性质。当物质进入聚合物膜的扩散引起简单的质量负荷效应时，扩散/渗透性质的测量是直截了当的。用作传感器涂层的聚合物是丁基橡胶，纤维素聚合物，聚硅氧烷，聚苯胺和聚乙烯等等。聚合物，特别是橡胶状的无定形聚合物，作为化学灵敏传感器涂层具有几个固有的优点。它们可以通过溶剂浇注或喷射涂敷来沉积为具有相当均匀厚度的薄的、粘附的、连续的膜。它们是非挥发性的并具有同质的成分，并且通过单体与合成工艺的明智选择，它们的化学和物理性质可以在一定程度上被改变。玻璃转化温度Tg，是聚合物从玻璃态变为橡胶状的温度。在Tg以上，渗透率完全由扩散力控制且快速并可逆地进行吸附。橡胶状无定形聚合物的另一个优点是在渗透浓度的较大范围上它们的吸附等温线经常是线性的。通常，涂敷的吸附薄膜必须是均匀的、粘附的、薄的，当与它的工作介质接触时是化学和物理稳定的。膜厚度的均匀性不是决定性的，但在很多情况下，即当使用渗透率来识别分析物时，是重要的。声波传感器的选择性受涂层结构影响。通过改变形成传感膜的材料的比例可以获得不同的膜结构和因此不同的响应属性。为了构成具有希望响应属性的传感膜，由于亲和力，分析物分子和传感膜材料可以在溶液中混合，其为了产生最适合的构造。相互作用力由传感膜与分析物之间的亲和力选择。这可以容易地得出具有希望响应属性的传感器。在气体传感器的情况下，为了获得相同的结果，应该在充满相同气体的手套箱内制造吸附薄膜。其他方法包括分子拓印(即，使用分子拓印聚合物形成具体的吸附点)和主客相互作用(即，主分子，例如环糊精，与客分子之间的结构相互作用的结果)。当在传感器本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多模式传感系统，包括：声波传感器，包括用于监视化学物质的多个传感元件，其中所述多个传感元件设置在由所述声波传感器的多个壁形成的空腔内，其中所述多个传感元件的每个传感元件涂敷不同的传感膜；和与所述多个传感元件关联的多个振荡 器，其中所述多个传感元件的每个传感元件位于具有所述多个振荡器中的一个振荡器的反馈环中，以此提供多模式声波传感器，该多模式声波传感器提供它的多模式频率输出，其中所述多模式频率输出之间的计算出的差值被用来通过去除由于环境变化而不是所述被监视的化学物质引起的响应以促进传感准确度的增加。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：JZ刘，
申请(专利权)人：霍尼韦尔国际公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]