声表面波气体传感器的研究

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声表面波(SAW)气体传感器是一种新型的传感器,SAW气体传感器有很多突出的优点,例如测量气体时精度高、分辨率高,对外界干扰的抵抗能力较强,较为稳定,同时容易集成并且功耗小等特点。其结构主要是由压电材料,以及压电材料上用于激发或者接收声表面波的叉指换能器(IDT),还有位于叉指换能器之间的气敏吸附膜构成。气敏吸附膜不同,所能吸附检测的气体就不同。由于气敏吸附膜在吸附气体前与吸附气体后的质量效应、弹性模量和电导率的变化,叉指换能器激发的声表面波在一些物理特性上,如频率、振幅、相位等是会发生改变的。SAW气体传感器正是利用气敏吸附膜的不同以及声表面波在SAW气体传感器吸附气体前后物理特性差异的程度来探测气体的种类和浓度。应用于SAW气体传感器的谐振器主要的三个技术参数是,灵敏度、Q值和频率稳定性。由于吸附待测气体成分后引起谐振器频移正比于谐振器的中心频率平方,这就要求SAW谐振器具有很高的中心频率(GHz);要精确的分辨出SAW谐振器中心频率的微小偏移(即有很高的测量分辨率),就要求SAW谐振器具有很高的Q值;SAW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参数,SAW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。本文在论述声表面波气体传感器工作原理的基础上,通过对几种常用压电材料的比对,充分考虑SAW气体传感器在应用领域的要求,决定采用氮化硼(BN)作为压电材料制备压电薄膜。氮化硼是III-V族化合物,共价键结合,比较常见的是立方氮化硼(c-BN)和六角氮化硼(h-BN)。两者均可作为压电材料,应用于SAW器件。射频磁控溅射是制备BN的主要手段之一,但要得到纯净的c-BN或者h-BN是比较困难的,在制备的过程中立方相和六角相总会各占一部分比例。本文用射频磁控溅射的方法在硅衬底上制备BN薄膜,通过正交试验分析,以c-BN和h-BN的含量为指标,分别优化了用射频磁控溅射的方法制备c-BN和h-BN薄膜的工艺条件。实验利用傅里叶变换红外光谱、扫描电子显微镜(SEM),原子力显微镜(AFM)和压电力显微镜(PFM)对制备的薄膜进行了表征。实验结果表明,当射频磁控溅射的工艺参数为:衬底温度为575℃,氮氩比为8:8,溅射功率300W,衬底负偏压-100V时,可以得到较纯净的c-BN;衬底温度为450℃,氮氩比4:12,溅射功率200W或250W,衬底负偏压-125V时,可以得到较纯净的h-BN。并且制备的c-BN和h-BN薄膜样品,均具有较为明显的压电特性。
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