一种声表面波气体传感器基片制造技术

本发明专利技术公开了一种声表面波气体传感器基片。可用于制作声表面波气体传感器。具有高频、高Q、很好的频率稳定性的特点。不同孔径的多孔类金刚石做为敏感膜有一定选择性，可以保护叉指换能器并有效的避免水蒸气的干扰，组成传感器阵列，可用来检测微量有害气体的种类和含量。

【技术实现步骤摘要】
ー种声表面波气体传感器基片
本专利技术涉及SAW气体传感器
，特别是ー种多孔类金刚石/叉指换能器/压电薄膜/金刚石结构的声表面波气体传感器基片。背景技木精确、快速检测和识别痕量级浓度的有毒气体和蒸汽的种类和含量，对保护人的生命具用重要的意义。有毒エ业化学剂数量和品种的不断增长，也需要精确检测系统快速识别各种威胁。这就要求传感系统应具有实时的或接近于实时的检测能力。而SAW气体传感器有响应速度快、灵敏度高、成本低、体积小、用简单的接ロ即可与微处理器相连等显著优点。从原理上讲，声表面波气体传感器，一般是在SAW谐振器压电膜表面涂覆ー层吸 附某类气体的多孔膜——气敏膜，当气敏膜吸附某类待测气体时，膜层质量发生变化，引起声表面波(SAW)器件频率发生变化。若使气体传感器达到极快的响应速度，这要求气敏膜越薄越好，所以，目前气敏膜正朝超薄膜的方向发展。超薄气敏膜和无气敏覆层明显地提高了响应速度，但对SAW谐振器三个主要的技术參数提出了很严苛的要求很高的灵敏度、很高的Q值、很好的频率稳定性。原因如下①由于超薄气敏膜尤其是无气敏覆层吸附的被测气体的量非常小，SAff探测器应具有很高的灵敏度，由于吸附痕量级的气体成分引起谐振器频移(df)正比于谐振器的中心频率平方(fo2)，即df -ち2，这就要求SAW谐振器具有很高的中心频率(GHz)。②要精确的分辨出SAW谐振器中心频率的微小偏移(即有很高的測量分辨率)，就要求SAW谐振器具有很高的Q值。③SAW谐振器中心频率会随温度而变化，影响SAW谐振器频率稳定性；频率温度系数(TCF)是量度SAW谐振器频率稳定性最重要參数，SAff谐振器基片应该有很低的频率温度系数(TCF)，以最大限度的减小中心频率随温度变化的漂移。“多孔类金刚石/叉指换能器/压电薄膜/金刚石”结构可以使SAW谐振器同时具有高频、高Q值、低频率温度系数(TCF)。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供ー种具有高频、高Q值、低频率温度系数(TCF)的声表面波气体传感器基片。为实现上述专利技术目的，本专利技术公开了ー种多孔类金刚石/叉指换能器/压电薄膜/金刚石结构声表面波气体传感器基片。其特征在于所述声表面波气体传感器基片自上而下采用多孔类金刚石/叉指换能器/压电薄膜/金刚石结构；声表面波气体传感器基片由在硅衬底上采用化学气相沉积(CVD)法制备金刚石膜，然后在金刚石膜上使用物理气相沉积(PVD)法或化学气相沉积(CVD)法制备压电薄膜，再在压电薄膜上使用电子束蒸发系统和光刻系统制备叉指换能器，然后在叉指换能器上采用化学气相沉积(CVD)法制备含氢类金刚石膜，最后采用等离子体刻蚀设备用氢等离子体对类金刚石膜刻蚀纳米孔道，制备成多孔类金刚石膜，而制成。本专利技术的多孔类金刚石/叉指换能器/压电薄膜/金刚石结构声表面波气体传感器基片，可用来制备声表面波气体传感器，具有高频、高Q、很好的频率稳定性的特点。不同孔径的多孔类金刚石做为敏感膜有一定选择性，可以保护叉指换能器并有效的避免水蒸气的干扰，组成传感器阵列，可检测微量有害气体的种类和含量。这种基片的优越性在于①在所有材料中，金刚石具有最高SAW相速度，SAff器件中心频率f = V/ λ，V、λ分别表示材料中的声表面波相速度和波长，波长λ由叉指换能器电极宽度d決定，λ=4(1。所以金刚石作为多层膜结构的基底材料，其SAW谐振器可以达到最高中心频率。而且，由于金刚石传播损耗小，有利于使谐振器达到高Q值。②金刚石本身并不是压电材料，因此需要在其上面沉积ー层压电薄膜，制成“压电薄膜/金刚石”多层膜SAW器件，SAff性能由压电薄膜和金刚石衬底共同決定。c-BN材料和 AlN材料SAW相速(V)较高，从而，在叉指换能器指宽相同时，可以达到更高的频率；而且，c-BN、AlN和金刚石的相速V差别小，c-BN、AlN和金刚石构成多层膜结构会表现出较低的速度频散，即相速度随频率不同变化较小。这是很大的优点，尤其对高Q值谐振器。③c-BN、AlN材料频率温度系数(TCF)小，CVD金刚石材料频率温度系数(TCF)亦小，中心频率随温度升高而漂移小，应用于稳定性要求很高的传感器是很大的优点。④从原理上讲，在金刚石达到一定厚度之后，多层膜相速度、频率温度系数(TCF)均和压电薄膜厚度密切相关，二者峰值对应不同的压电薄膜厚度，如果多层膜V差别小，其相速度在一个较大范围内随压电薄膜厚度变化曲线较平坦，会给降低频率温度系数(TCF)ー个较大的选择空间，有利于最大限度的减小中心频率随温度的漂移从而提高传感器的稳定性。⑤金刚石、c_BN、A1N、类金刚石(DLC)热导率均很高，能快速加热和散热，适用于气体传感器快速加温和降温机制；同时，有利于器件局部热量的快速扩散，大大减小器件局部热应カ引起的频率漂移。⑥类金刚石膜(DLC)沉积在谐振器表面起四个作用，ー是DLC高度耐腐蚀，保护叉指换能器；ニ是DLC几乎不吸收水蒸气，不会引起不合需要的复杂信号；三是DLC的频率温度系数低，有利于减小中心频率随温度的漂移；四是类金刚石膜SAW相速较高，不会引起SAff谐振器中心频率大幅下降。⑦多孔含氢类金刚石膜存在一定数量的C-H键，具备成为质子供体的基本条件；而且具有孔洞骨架，比表面积大可以容纳相当数量的吸附质分子。其纳米孔道直径分为10nm、3nm、2nm、lnm4个档次,使其对具有不同分子直径的气体有一定选择性。附图说明图I为多孔类金刚石/叉指换能器/压电薄膜/金刚石结构声表面波气体传感器基片。图中1、硅衬底；2、金刚石；3、压电薄膜；4、叉指换能器；5、多孔类金刚石。以下结合本专利技术的实施例參照附图进行详细叙述。具体实施方式多孔类金刚石/叉指换能器/压电薄膜/金刚石结构声表面波气体传感器基片，其特征在于所述声表面波气体传感器基片自上而下采用多孔类金刚石/叉指换能器/压电薄膜/金刚石结构。声表面波气体传感器基片由在娃衬底I上米用化学气相沉积(CVD)法制备金刚石膜2，然后在金刚石膜上使用物理气相沉积(PVD)法或化学气相沉积(CVD)法制备压电薄膜3，再在压电薄膜上使用电子束蒸发系统和光刻系统制备叉指换能器4，然后在叉指换能器上采用化学气相沉积(CVD)法制备含氢类金刚石膜，最后采用等离子体刻蚀设备用氢等离子体对类金刚石膜刻蚀纳米孔道，制备成多孔类金刚石膜5，而制成。所述金刚石膜的厚度大于由该谐振器中心频率所決定的声表面波波长3倍λ =ν/fo 所述压电薄膜包含c-BN或AlN薄膜，制备的压电薄膜具有高的c轴取向，其取向平均偏离度小于<1° 2°，其厚度为1ΑΓ1/4声表面波的波长。所述叉指换能器材料为Al或铝合金，其厚度为l/6(Tl/50声表面波的波长。所述类金刚石膜为含氢类金刚石膜材料a_C:H。所述的含氢类金刚石膜，采用等离子体刻蚀设备用氢等离子体对类金刚石膜刻蚀纳米孔道，制备成纳米孔道的类金刚石膜，其纳米孔道直径为10nm、3nm、2nm或lnm4个档次，类金刚石膜厚度为IOnm IOOnm ;每个类金刚石膜只含有一个档次直径的纳米孔道，直径不同的纳米孔道的类金刚石膜作为吸附不同气体的敏感膜。本专利技术多孔类金刚石/叉指换能器/压电薄膜/金刚石结构声表面波气体传感器基片，自上而下采用多孔类金刚石/叉指本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种声表面波气体传感器基片，其特征在于所述声表面波气体传感器基片自上而下采用多孔类金刚石/叉指换能器/压电薄膜/金刚石结构；声表面波气体传感器基片由：在硅衬底上采用化学气相沉积CVD法制备金刚石膜，然后在金刚石膜上使用物理气相沉积PVD法或化学气相沉积CVD法制备压电薄膜，再在压电薄膜上使用电子束蒸发系统和光刻系统制备叉指换能器，然后在叉指换能器上采用化学气相沉积CVD法制备含氢类金刚石膜，最后采用等离子体刻蚀设备用氢等离子体对类金刚石膜刻蚀纳米孔道，制备成多孔类金刚石膜，而制成。

【技术特征摘要】
1.ー种声表面波气体传感器基片，其特征在于所述声表面波气体传感器基片自上而下采用多孔类金刚石/叉指换能器/压电薄膜/金刚石结构；声表面波气体传感器基片由在硅衬底上采用化学气相沉积CVD法制备金刚石膜，然后在金刚石膜上使用物理气相沉积PVD法或化学气相沉积CVD法制备压电薄膜，再在压电薄膜上使用电子束蒸发系统和光刻系统制备叉指换能器，然后在叉指换能器上采用化学气相沉积CVD法制备含氢类金刚石膜，最后采用等离子体刻蚀设备用氢等离子体对类金刚石膜刻蚀纳米孔道，制备成多孔类金刚石膜，而制成。2.按照权利要求I所述的声表面波气体传感器基片，其特征在于所述金刚石膜的厚度大于由该谐振器中心频率所決定的声表面波波长3倍λ =v/f。3.按照权利要求I所述的声表面波气体传感器基片，其特征在于所述压电薄膜包含c-BN或AlN薄膜，制备的...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨保和，郝银召，李明吉，王芳，李翠平，
申请(专利权)人：天津理工大学，
类型：发明
国别省市：