谐振式声表面波无线无源温/湿度传感器的制作方法

[0001]
本实用新型属于环境参数检测技术领域，尤其涉及一种可检测温度和湿度的高精度传感器。


背景技术：

[0002]
温度、湿度是日常环境影响人们常生活最为密切相关的两个物理量，同时也是在科学实验和生产活动中需要测量和控制的重要物理量。温/湿度传感器是日常生活和工业生产中使用最为广泛的传感器，它可以应用到工农业生产、物流运输和管理、健康护理、医院药品存储和监管、食品质量监测、建筑结构质量监测等等众多场合。以药品的存储管理为例。gsp认证要求的药品储存条件要有药品分类保管和符合药品储存要求的库房。其中常温库温度为0～30℃，阴凉库温度不高于20℃，冷库温度为2～10℃；各库房相对湿度应保持在45～75％之间。药品储存的时候，应该根据季节的变迁和气候的变化，控制好仓库储存温度和湿度，既要保证药品存储的质量，又要遵循高效和节约以及方便安全的原则。
[0003]
目前工农业生产使用温/湿度传感器多为热敏电阻和湿敏电容组合使用的传感器，通常需要配线连接实现信号传输和电源供电。对于密闭和狭窄空间的温/湿度监测，这类传感器的使用对线缆配置和维护安装都带来了诸多不便。为此，开发一种小型的，不需要使用电缆和电源的无线无源温/湿度传感器具有重要的价值和意义。目前已知的无线无源温/湿度传感器主要有以下几种类型：
[0004]
m.k.jain等人开发了一种基于磁声原理的无源无线温湿传感器【jain m k,schmidt s,ong k g,et al.magnetoacoustic remote query temperature and humidity sensors.smart materials and structures,2000,9(4):502
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510.】。依靠磁弹性薄膜杨氏模量随温度和质量负载(以氧化铝薄膜吸附水分子的量表征湿度)的变化而变化，导致磁声传感器谐振频率的变化。这种传感器的具有灵敏度低和系统成本高的缺点。
[0005]
cn201810399536.3公开了一种声表面波(saw)温/湿度传感器。该温/湿度传感器通过设置在延迟线上的叉指换能器进行声表面波和电磁波的相互转换，并通过声表面波在延迟线上传播时间差来计算得出温度和湿度。延迟线类型的saw传感器具有无线传输距离短和系统成本高的缺点。
[0006]
cn201710886337.0公开了一种电感悬臂梁无线无源湿度传感器。该传感器利用温度和湿度导致的电感悬臂梁的形变来改变电感电容(lc)谐振回路的谐振频率。lc类型的谐振传感器主要缺点是无线传感距离短。
[0007]
因此，开发低成本、高灵敏度和远距离无线传感的温/湿度传感器对工农业生产和居民生活环境温/湿度的监测有重要意义。


技术实现要素：

[0008]
本实用新型针对现有技术中无线无源温/湿度传感器存在无线传输距离短或检测灵敏度低的问题，提供一种谐振式声表面波无线无源温/湿度传感器，其具有高灵敏度、传
输距离远、可同时测量温度和湿度。
[0009]
本实用新型通过以下技术方案加以实现：
[0010]
所述的谐振式声表面波无线无源温/湿度传感器，其特征在于该系统包括温/湿度传感器，所述温/湿度传感器为温度传感器和湿度传感器平行共面集成在一起，包括复合压电基底层、设置在复合压电基底层上的叉指换能器、对称分布在叉指换能器左右两边的等间距的反射栅阵、及设置在叉指换能器上方的表面压电波导层，所述反射栅阵形成谐振腔，所述温度传感器和湿度传感器具有相同的谐振器结构和表面压电波导层结构，在湿度传感器的表面压电波导层上方集成有纳米湿敏材料。
[0011]
优选地，复合压电基底层由厚度为100nm～10μm的idt压电层和厚度为200μm～500μm的基底压电层组成。
[0012]
优选地，叉指换能器压电层选用氧化锌、氮化铝、锆钛酸铅压电陶瓷、偏聚氟乙烯中的任一材料制成，优选氧化锌；所述基底压电层选用能够产生声表面横波的st-90
°
x石英、37
°
y-90
°
x石英、41
°
yx-linbo3、36
°
yx-litao3中的任一材料制成。
[0013]
优选地，叉指换能器结构为单金属叉指换能器结构或双金属叉指换能器结构，对于双金属叉指换能器结构，两个金属叉指换能器之间有间隔，所述反射栅阵为开路栅、短路栅和混合栅。
[0014]
优选地，叉指换能器两端设置有信号电极和接地电极，所述信号电极与天线集成，接地电极与地线连接并扩展包围整个叉指换能器结构和反射栅阵。
[0015]
优选地，表面压电波导层厚度为10-100nm，其采用与叉指换能器压电层相同的材料，或采用氧化硅、氧化钛、氮化硅、聚甲基丙烯酸甲酯中的任一种。
[0016]
优选地，纳米湿敏材料制备在表面压电波导层的上表面，并位于叉指换能器上方或两个叉指换能器间隔的上方；所述的纳米湿敏材料为低维纳米结构材料，其结构为纳米点、纳米颗粒、纳米线、纳米棒、纳米柱、纳米管、纳米花、纳米片、纳米带、纳米弹簧、纳米笼中的任一种，所述的纳米湿敏材料选用无机氧化物、高分子纳米湿敏材料、碳基纳米材料中的任一种；所述无机氧化物为fe3o4、fe2o3、cr2o3、al2o3、sb2o3、tio2、sno2、zno、cuo、cu2o、zro2中的任一种；所述高分子纳米湿敏材料为聚苯乙烯，聚酰亚胺、硅树脂中的任一种；所述碳基纳米材料为富勒烯、碳纳米管、石墨烯、氧化石墨烯中的任一种。
[0017]
优选地，该传感器还包括收发天线、转换开关、控制单元、激励信号发生器、温/湿度读取器、显示单元，所述收发天线经转换开关控制实现交替发射激励电磁信号和接收温/湿度传感电磁信号给收发装置，所述收发天线的频响带宽覆盖温/湿度传感器的频响带宽；所述激励信号发生器通过控制单元可以产生多个中心频率不同的激励电磁信号；所述的温/湿度读取器可以处理接收到的温/湿度传感电磁信号；所述的显示单元用以显示测量的温度和湿度数值。
[0018]
本实用新型由于声表面波无源无线传感器具有非接触、无电源、抗干扰、保密性好、成本低等优点，已广泛应用于许多领域。通过使用不同工作频段的温/湿度传感器阵列，传感器阵列无需引线连接，可分布于不同的工作地点，应用不受限制，特别适合一些应用环境复杂和恶劣的场合，例如狭小的空间、转动的零部件、高电压和高电磁场的环境。本实用新型提出了利用idt压电层与基底压电层复合实现了比单一压电基底更高的机电耦合系数。由于声表面横波模式是所有声波传感器中灵敏度最高的一种工作模式。同时，声表面横
波具有低的传播损耗、低的相位噪声、低的老化和低的振动灵敏度优势，特别适合于声表面波温/湿度传感器的应用。因此本实用新型所述的复合压电基底选择使用可产生声表面横波的基底压电层，实现了声表面波能量集中在表面压电波导层中传输。为了降低表面粗糙的纳米湿敏结构材料对声表面波的散射损耗，通过设计表面压电波导层增强声表面波在表面压电波导层中的传输，提高表面声波与纳米湿敏材料的相互作用，提高传感器的灵敏度。利用本实用新型提出的谐振式声表面波无线无源温/湿度传感器可以同时探测所处环境的温度和湿度参数。同时，测量的温度参数还被用于解耦湿度传感器中的温度影响分量。本实用新型的复合压电声表面波无线无源温/湿度传感器通过mems微加工方法制造，因此具有集成制造、批量生产、一致性好和成本低廉等优势。
附图说明
[0019]
图1为本实用新型实施例1基于单金属idt结构的zno/石英复合压电声表面波无线无源温/湿度传感器结构示意图；
[0020]
图2为图1的a-a剖视图；
[0021]
图3为本实用新型基于单金属idt结构的zno/石英复合压电声表面波无线无源温/湿度传感器制造工艺流程图；
[0022]
图4为本实用新型实施例2基于双金属idt结构aln/41
°
yx-linbo3复合压电声表面波无线无源温/湿度传感器结构示意图；
[0023]
图5为图4的a-a剖视图；
[0024]
图6为本实用新型基于双金属idt结构的aln/41
°
yx-linbo3复合压电声表面波无线无源温/湿度传感器制造工艺流程图；
[0025]
图7为本实用新型复合压电声表面波无线无源温/湿度传感器无线收发装置和工作原理示意图。
[0026]
图中：1-1：基底压电层，1-2：叉指换能器压电层，1-3：叉指换能器，1-4：反射栅阵，1-5：表面压电波导层，1-6：纳米湿敏材料，1-7：信号电极，1-8：接地电极，2：收发天线，3：转换开关，4：控制单元，5：激励信号发生器，6：温/湿度读取器，7：显示单元。
具体实施方式
[0027]
为了能够更清楚地理解本实用新型的上述目的、特征和优点，下面结合附图及具体实施例进行详细说明。
[0028]
以下实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对本实用新型保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的实质和范围。
[0029]
本实用新型谐振式声表面波无线无源温/湿度传感器，声表面波谐振器是在复合压电基底上制备一个或两个金属叉指换能器(idt)，并在其左右两边对称分布等间距的反射栅阵形成谐振腔。温度传感器和湿度传感器平行共面集成在一起，且两个传感器具有相同的谐振器结构和表面压电波导层结构。其中，在湿度传感器的表面压电波导层上集成有纳米湿敏材料。复合压电基底由idt压电层和基底压电层组成，利用该复合压电基底制备的
温度传感器和湿度传感器产生的声表面波为声表面横波。压电波导层优选与idt压电层相同的材料和结构。纳米湿敏材料集成在表面压电波导层上并位于谐振腔的上方。该纳米湿敏材料具有大的比表面积和亲水表面，具有高的吸附空气中水分子的能力。温/湿度传感器信号电极可与天线集成，用于接收远端无线收发装置发射的激励电磁信号和发射温/湿度传感电磁信号。温度传感电磁信号不仅用于温度测量，还被用于解耦湿度传感电磁信号中的温度影响分量。
[0030]
进一步地，复合压电基底由idt压电层和基底压电层组成。idt压电层材料可以是氧化锌(zno)、氮化铝(aln)、锆钛酸铅压电陶瓷(pzt)、偏聚氟乙烯(pvdf)等，优选zno；基底压电层材料为能够产生声表面横波的压电材料，可以是st-90
°
x石英、37
°
y-90
°
x石英、41
°
yx-linbo3、36
°
yx-litao3等。idt压电层材料厚度为100nm～10μm；所述的基底压电层厚度为200μm～500μm。
[0031]
进一步地，声表面波谐振器的金属idt制备在复合压电基底的idt压电层上。声表面波谐振器分为两种类型：单金属idt结构和双金属idt结构。对于双金属idt结构，两个金属idt之间有间隔距离。金属idt结构两边对称分布等间距的反射栅阵,所述的反射栅阵可以是开路栅、短路栅和混合栅。金属idt两端有信号电极和接地电极，信号电极可与天线集成，接地电极与地线连接并扩展包围整个金属idt结构和反射栅阵。
[0032]
进一步地，表面压电波导层覆盖在声表面波谐振器的表面。为提高声表面波谐振器品质因数，表面压电波导层优选与idt压电层相同的材料。表面压电波导层也可以使用与idt压电层材料不相同的材料，如氧化硅(sio2)、氧化钛(tio2)、氮化硅(si
x
n
y
)、聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)等。表面压电波导层厚度为10～100nm。
[0033]
进一步地，纳米湿敏材料制备在表面压电波导层上表面，并位于金属idt上方或两个金属idt的间隔的上方。纳米湿敏材料为低维纳米结构材料，具有高的吸附空气中水分子的能力。低维纳米结构包括纳米点、纳米颗粒、纳米线、纳米棒(纳米柱)、纳米管、纳米花、纳米片(纳米带)、纳米弹簧、纳米笼等。纳米湿敏材料包括无机氧化物(如fe3o4、fe2o3、cr2o3、al2o3、sb2o3、tio2、sno2、zno、cuo、cu2o、zro2等)、高分子纳米湿敏材料(如聚苯乙烯，聚酰亚胺、硅树脂等)、碳基纳米材料(如富勒烯、碳纳米管、石墨烯、氧化石墨烯等)等。
[0034]
进一步地，所述的谐振式声表面波无线无源温/湿度传感器的工作频段可以通过改变金属idt结构的尺寸参数(如金属插指的宽度和间距)而改变。多个不同工作频段的温度传感器和湿度传感器可以组成无线无源分布式传感系统。
[0035]
实施例1
[0036]
如图1和图2所示，该温/湿度传感器为基于单金属idt结构的zno/石英复合压电声表面波无线无源温/湿度传感器，包括使用st-90
°
x石英作为基底压电层1-1，zno作为叉指换能器压电层1-2和表面压电波导层1-5，zno纳米柱作为纳米湿敏材料1-6。温/湿度传感器的信号电极可与天线集成，用于接收远端无线收发装置发射的激励电磁信号和发射温/湿度传感电磁信号。所述的温度传感电磁信号不仅用于温度测量，还被用于解耦湿度传感电磁信号中的温度影响分量。
[0037]
具体制造工艺步骤如图3所示的工艺流程：
[0038]
1)使用单抛的st-90
°
x石英为基底压电层1-1；
[0039]
2)利用磁控溅射技术，使用zn金属为靶材，氩气和氧气作为混合气体，在st-90
°
x
石英上沉积300nm厚度的c-轴取向的zno idt压电层1-2；
[0040]
3)在zno idt压电层上涂覆光刻胶，并进行掩膜光刻。通过显影形成掩膜结构。利用磁控溅射技术沉积300nm的铝金属，并通过剥离技术制备出金属idt、反射栅阵、信号电极和接地电极；
[0041]
4)利用磁控溅射技术，使用zn金属为靶材，氩气和氧气作为混合气体，在上一步制备的基片表面上沉积300nm厚度的c-轴取向的zno表面压电波导层1-5；
[0042]
5)采用水热法在zno表面压电波导层上制备zno纳米柱湿敏材料。将上一步制备的基片放在反应釜中，倒入0.05摩尔硝酸锌、0.05摩尔的六亚甲基四胺、5％的聚醚酰亚胺的混合生长液，然后保持95℃恒温下生长1小时。取出后，用去离子水清洗所得的zno纳米柱纳米湿敏材料1-6。
[0043]
实施例2
[0044]
如图4和图5所示，该实施例为基于双金属叉指换能器结构的aln/41
°
yx-linbo3复合压电声表面波无线无源温/湿度传感器，包括使用41
°
yx-linbo3作为基底压电层1-1，aln作为叉指换能器压电层1-2和表面压电波导层1-5，氧化石墨烯作为纳米湿敏材料1-6。
[0045]
具体制造工艺步骤如图6所示的工艺流程：
[0046]
1)使用单抛的41
°
yx-linbo3为基底压电层1-1；
[0047]
2)利用磁控溅射技术，使用al金属为靶材，氩气和氮气作为混合气体，在41
°
yx-linbo3上沉积50nm aln缓冲层和250nm厚度的c-轴取向的aln叉指换能器压电层1-2；
[0048]
3)在aln idt压电层上涂覆光刻胶，并进行掩膜光刻。通过显影形成掩膜结构。利用磁控溅射技术沉积300nm的铝金属，并通过剥离技术制备出金属idt、反射栅阵、信号电极和接地电极；
[0049]
4)利用磁控溅射技术，使用al金属为靶材，氩气和氮气作为混合气体，在上一步制备的基片表面上沉积300nm厚度的c-轴取向的aln表面压电波导层；
[0050]
5)在aln表面压电波导层制备氧化石墨烯。通过将氧化石墨烯粉末与超纯水或有机液体(如乙醇、二甲基甲酰胺、四氢呋喃等)按照0.1mg/ml浓度混合，经超声或高剪切剧烈搅拌形成氧化石墨烯分散液。然后将氧化石墨烯分散液滴注到aln表面压电波导层上并位于两个金属idt之间的区域。将器件保持在室温下直到液体挥发，由此在aln表面压电波导层上形成氧化石墨烯纳米湿敏材料。
[0051]
实施例3
[0052]
如图7所示，本实用新型复合压电声表面波无线无源温/湿度传感器无线收发装置和工作原理示意图。该装置包括收发天线、转换开关、控制单元、激励信号发生器、温/湿度读取器、显示单元。激励信号发生器通过控制单元可交替产生频率为f1和f2的激励电磁信号，并通过收发天线发射出去。湿度传感器和温度传感器可以通过各自天线实现对激励电磁信号的接收和发射传感电磁信号f1+
·
f1和f2+
·
f2。利用无线收发装置中的转换开关可以实现信号发射和信号接收的转换。收发天线接受到的传感电磁信号传递给温/湿度读取器进行数据处理。所述的温度传感电磁信号不仅用于温度测量，还被用于解耦湿度传感电磁信号中的温度影响分量。最终获得的环境温度和湿度参数被数字呈现在显示单元中。