[发明专利]一种集成式阻抗负载声表面波气体传感器

权利要求书

1.一种气体传感器，其特征在于，包括衬底、压电层、输入/输出叉指换能器、反射叉指换能器、敏感叉指电极和气敏薄膜；其中：

所述衬底为绝缘材料层，用于生长压电层；所述衬底为生长在Si衬底上的SiO₂绝缘层；

所述压电层制作在绝缘材料层之上，用于机械形变与电信号的转换，从而实现超声波和射频信号的转换；

所述输入/输出叉指换能器、反射叉指换能器和敏感叉指电极为形状像手指交叉状的金属图案，用于实现声电换能；所述输入/输出叉指换能器、反射叉指换能器和敏感叉指电极依序制作在压电层表面上；输入/输出叉指换能器和反射叉指换能器平行对准，以便于超声波传输耦合；

所述气敏薄膜沉积在敏感叉指电极区域上方，与敏感叉指电极共同构成传感结构，用于探测气体；所述输入/输出叉指换能器用于信号输入输出，其一方面将电信号转换为超声波，通过压电层传送至反射叉指换能器；另一方面，将反射叉指换能器送来的超声波转换为电信号输出；

所述反射叉指换能器用于反射输入的超声波回到输入/输出叉指换能器，同时与传感结构相连，接收传感结构传来的信息；

所述传感结构为传感器的敏感面，用于感知气体；

工作时，随着待测气体浓度的变化，气敏薄膜的材料特性发生变化，引起传感结构的阻抗变化，导致与之相连的反射叉指电极的反射系数发生变化，因而反射到输入/输出叉指换能器的信号对应的反射峰包含了外界被感知量的信息，从而实现了气体信息的感知与传送。

2.根据权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，所述压电层可以是包括ZnO、AlN和GaN中任意一种的居里温度高的压电材料，也可以是LiNbO₃、LiTaO₃、四硼酸锂中任意一种的单晶薄层；所述输入/输出叉指换能器、反射叉指换能器的电极材料相同，选用包括铝、铜、金中任意一种的金属材料，采用光刻的方法制作在压电层表面。

3.根据权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，整个传感器涉及到的电极均设计成具有特殊高宽比的单指型结构；输入/输出叉指换能器、反射叉指换能器电极的周期和孔径根据阻抗匹配和能量损耗最小的原则得到优化；输入/输出叉指换能器和反射叉指换能器的指条参数相同，以得到更高的耦合效率。

4.根据权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，所述输入/输出叉指换能器和反射叉指换能器距离设置在50-200个波长范围内。

5.根据权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，所述敏感叉指电极与反射叉指换能器距离为输入/输出叉指换能器与反射叉指换能器距离的5-15倍。

6.根据权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，所述敏感叉指电极指条阵与反射叉指换能器指条阵不平行。

7.根据权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，所述的气敏薄膜包括氧化锌、二氧化锡中任意一种的对气体敏感的无机薄膜，或者包括聚乙二醇、聚氨酯中任意一种的有机薄膜；气敏薄膜其覆盖范围取决于其下制作的叉指电极大小。

8.根据权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，所述输入/输出叉指换能器连接有天线或导线，用于实现无线或有线的信号收发方式。

9.根据权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，所述输入/输出叉指换能器和反射叉指换能器设计成谐振器结构，即在输入/输出叉指换能器的两边都设置有反射叉指换能器，使声表面波在两个反射叉指换能器之间形成谐振，以进一步提高器件Q值。

10.根据权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，所述敏感叉指电极指条阵与反射叉指换能器指条阵的夹角优选值为30-60度。