[发明专利]一种集成式阻抗负载声表面波气体传感器

说明书

本发明公开了一种基于Si衬底的集成式阻抗负载声表面波气体传感器，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。通过在Si衬底上生长一层薄的SiO₂绝缘层和压电层，具有良好的温度特性；Si衬底材料具有低成本、大尺寸、可导电的特点，能与集成电路产业兼容；对叉指电极的排列结构进行了优化，能减少外接传感器造成的声波反射，同时可以减少连接线导致的寄生效应，叉指换能器和敏感叉指电极一次制成，确保了制造过程的简易性，易于大规模生产。本发明实现了传感器的无线无源测量，可以将易受外界影响的传感部分与信号传送部分分开，扩展了传感器的适用范围。

技术领域

本发明属于声表面波技术领域，更具体地，涉及一种基于半导体材料Si的集成式无线无源阻抗负载声表面波SAW气体传感器。

背景技术

由于外界因素(如温度、湿度、压力、磁场、电场等)会使SAW的传输特性发生变化，且SAW器件工作在射频波段，抗电磁干扰能力强，故SAW传感器的应用越来越广泛。现有的SAW器件是由压电材料基片和沉积在基片上不同功能的叉指换能器(IDT)组成，而现有的SAW气体传感器则是在这个结构的基础上覆盖一层气敏薄膜，与待检测气体发生反应，使SAW在其中的传输特性发生改变，从而起到测量气体的作用。

SAW器件是无源器件，且容易实现无线传感，故能用于许多不方便有源测量的特殊场合。无线无源SAW传感器的工作原理是：首先，射频询问单元发出高频询问信号，信号被直接与IDT相连的天线接收，转换成电信号。IDT将电信号转换成在压电晶体表面传播的SAW，部分SAW能量被传播路径上的反射叉指换能器反射回来，再通过IDT将声信号转换成电信号，然后由天线发送出去。射频接收器接收到由SAW传感器的天线发送出来的反馈信号，将其送到计算机或其他信号处理单元进行信号处理。外界被感知量的信息以及SAW传感器的身份识别信息都包含在反馈信号中，通过对这些信息的提取最终达到无线无源测量的目的。

阻抗负载SAW传感器是指在SAW芯片的反射器上附加传感结构构成组合型传感器，这种阻抗负载SAW传感器除了具有一般无线无源SAW传感器的优点之外，它将SAW信号传输模块封装起来，在使用时可以外接不同功能的传感模块，提供了更多的测量可能，以及更便宜的SAW传感器模块。

现阶段无线无源阻抗负载SAW传感器主要有两种结构：延迟线型和谐振器型。目前主要采用的是延迟线结构，它采用叉指电极作为反射器，与附加的传感部分相连接，故其反射系数随外接阻抗(电感、电容或电阻)的变化而变化，若外界被感知的物理量发生变化时，外接传感结构的阻抗将会发生变化，则与之相连的反射叉指电极的反射系数也会发生变化，据此在反馈信号中与之相对应的反射峰也包含了外界被感知量的信息，该信息经由读写器检测出来，从而实现测量目的。

现有的SAW气体传感器部分是在SAW的传输区域沉积气敏薄膜，形成层状结构(例如专利文献1“一种声表面波气体传感器”，申请号：201610173136.1)，但是这种结构的气敏区域与声-电转换区域不能隔离，因此在气敏薄膜沉积过程中容易对电极造成损坏，声波在传播过程中也会因为声电效应发生而产生损耗。

现有的无线无源阻抗负载SAW气体传感器多是组合式结构，即在SAW信号传送芯片的反射器上外接一个传统的气体传感器。第一，这样加大了制造难度，需要多次平面工艺分别制造SAW信号传送芯片的电极和外接气体传感器的电极；第二，引线不恰当排布容易导致寄生效应，产生pF和nH级别的电容和电感，这样再外接传感器时，外接传感器的阻抗变化对传感器的回波损耗影响非常小，致使传感器的分辨率很低。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种集成式无线无源阻抗负载SAW气体传感器，其目的在于将SAW信号传送芯片和外接传感结构共同集成在Si衬底结构上，由此解决现有技术存在的工艺复杂、成本高、制作效率低、高频高温特性差以及难以集成的技术问题。