[发明专利]一种基于SOI材料的还原性气体传感器

说明书

技术领域：

本发明属于自动检测领域，涉及一种气体传感器，特别是一种以绝缘体上的硅(SOI)为压电基片、以氧化锌为敏感薄膜的表面声波还原性气体传感器。

背景技术：

绝缘体上的硅(Silicon-On-Insulator，简称SOI)是一种新型的半导体材料，埋氧层的存在使得SOl既保留了便于集成的各种优点，又有许多单晶硅所不具备的特性。利用SOl材料制备出来的传感器，具有测量范围广，耐高温高压等特点。

表面声波(Surface Acoustic Wave，简称SAW)实际上是发生在固体表面的机械波，其频率范围为30MHz至30GHz。SAW元件是在压电基片上用真空镀膜的方式做上两个叉指换能器(InterdigitalTransducer，简称IDT)，当给其中一个IDT加上一个频率为f的交流电压，该IDT就能把交流电压转换成同频率的SAW，该SAW沿压电基片表面传播，到达另一个IDT，该IDT将SAW转换成电信号输出。

SAW气体传感器的基本原理是，选择对被测气体具有选择性的材料，将其以薄膜的形式覆盖于SAW的传播路径上，被测气体分子通过物理或化学吸附的方法吸附于薄膜上，使得薄膜的质量或电导率发生改变，从而引起SAW振荡频率的变化。测出该频率变化，就测出了空间的气体浓度。这种气体传感器体积小(小于0.1立方厘米)，灵敏度高(可检测到ppm数量级，甚至ppb数量级)，价格便宜，制作简单，具有极其广泛的应用前景。

当前表面声波气体传感器的研究还处于实验室阶段，形成产业化的很少。目前表面声波传感器的制作中，主要存在响应时间过长(几十秒到上百秒)、气体选择性差等缺点，因此如何制作出反应灵敏、高度集成且反应迅速、选择性好的表面声波气体传感器，是该方向的主要研究课题。

发明内容：

为了解决现有还原性气体传感器的不足，本发明公开了一种基于SOl材料的还原性气体传感器，该传感器以SOl作为压电基片，以氧化锌作为敏感薄膜，具有体积小、灵敏度高、集成性能好的特点，而且反应速度较快，对气体具有一定的选择性。

为了实现上述技术目的，本发明所述还原性气体传感器采用如下的制作步骤：

1)选择合适的SOl基体，并在基体上光刻出2个IDT的位置，然后用射频溅射的方式生成2个lDT。

2)用sol-gel法(溶胶-凝胶法)在基体上生成氧化锌敏感薄膜，并测量该敏感薄膜的电导率。生成半导体金属氧化物薄膜的方法包括射频溅射法和sol-gel法；利用sol-gel法制作薄膜，具有仪器简单、成本低、易大面积成膜等特点，而且这种方法易于实现定量掺杂，制备的薄膜疏松多孔体表面积大，有利于气体原子的吸附与脱附，从而使制作出来的传感器具有响应速度快、灵敏度高的特点。

3)在SOI基片的另一面大面积注入淡硼，通过调整硼的注入量以使基片的谐振电导率与氧化锌薄膜的电导率接近。金属半导体材料用于表面声波传感器的敏感薄膜时，根据摄动理论，其电导率对表面声波频率和损耗的影响可以表示为：其中Af为薄膜引起的表面声波频率的改变，f是未受扰动时表面声波的频率，σ₁为压电基片的谐振电导率，σ₂为氧化锌薄膜的电导率，k²为压电基片的机电耦合系数。当压电基片的谐振电导率位于一定的区间，即与敏感薄膜的谐振电导率相当时，表面声波的频率才会发生明显的变化，此时传感器具有其最高的灵敏度。

4)用直流溅射的方法在氧化锌薄膜上生成极薄的贵金属薄膜作为催化剂，提高氧化锌薄膜与气体的化学反应速度，从而达到提高传感器灵敏度、加快响应速度的目的。

附图说明：

图1为本发明所述基于SOI材料的还原性气体传感器一个实施例的结构示意图；

图2为图1中A-A剖面的示意图。

图中1.IDT，2.氧化锌敏感薄膜，3.SOI制压电基片，4.催化层。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

在图1所示的实施例中，SOI压电基片(3)长约1厘米，宽约0.5厘米，IDT(1)是在压电基片(3)上光刻图形后溅射金属铝制成，具有较好的欧姆特性。氧化锌敏感薄膜(2)覆盖于压电基片(3)之上，通过sol-gel法制得。

在图2所示的实施例中，压电基片(3)的厚度约为2～3毫米，氧化锌敏感薄膜(2)的厚度小于1微米，催化层(4)的厚度不大于10纳米。催化层(4)可选择贵金属铂或金作催化材料，能起到较好的催化效果。