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第 37 卷 第 5 期 王文等： 基于声表面波的氢气传感器 761

长度分别为 120 倍波长和 60 倍波长，铝电极膜厚为
3 钯基氢气传感器的研制 300 nm，声孔径为 50 倍波长。另外，在器件图形表

面溅射 40 nm 的SiO 2 薄层，以实现在钯基薄膜沉积
本文中所研制的钯基 SAW 氢气传感器系统结
过程中对金属叉指电极的保护。采用标准光刻工
构如图 4 所示，该系统包括双通道差分式振荡器以
艺，实验研制了用于氢气传感器的延迟线器件，并利
及沉积在传感器器件的两换能器间的声传播路径
用网络分析仪对其性能进行了测试，如图5(a)所示，
上的钯基气敏薄膜。由气敏薄膜气体吸附所导致的
器件频率为150 MHz，损耗小于10 dB。
频率电信号经参考通道差分之后由数据采集模块
在完成 SAW 延迟线器件研制之后，利用磁控
采集处理并在 PC 机上实时显示成图。差分结构有
溅射方法与套刻工艺在器件的两个叉指换能器之
助于降低环境温度及振动等的影响。
间的 SAW 传播路径上沉积掺杂 10% 金属镍的钯镍
合金薄膜，通过调节溅射时间来获得不同钯镍合金
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薄膜厚度 (60 nm、40 nm 和 10 nm)，以实验研究气
஝૶᧔ᬷ 敏薄膜厚度对传感器性能的影响。图5(b)为沉积有
ஊܸ٨ 钯镍薄膜的SAW传感器件图片。
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另外，为探讨新型钯基气敏材料的响应特性，合
成并制备了钯铜纳米线。合成方法采用湿化学法，
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即在氧化铝模板上电化学沉积波状钯铜纳米线，溶
图 4 双通道差分式钯基氢气传感器系统结构图
解阳极氧化铝模板后得到钯铜纳米线的电沉积预
Fig. 4 The scheme of SAW Hydrogen gas sensor
处理原料，然后再将其中的铜逐步蚀刻，经处理后即
incorporating differential dual-channel oscillation
可得到表面粗糙的纳米线产物。将制作的钯铜纳米
structure
线样品用扫描电子显微镜表征，其表面形貌如图 6
传感器件与参考器件均采用 SAW延迟线结构。 所示。样品主要由随机分布的细长纳米线 (直径约
为改善器件损耗以提升振荡器频率稳定性，延迟线 为 70 nm) 组成，表面粗糙且分布有大量裂痕，体积
采用单相单向换能器 (SPUDTs) 结构，通过在叉指 表面积比大，具有易吸附大量气体的形貌特征，为传
换能器间设置反射电极，通过相位调控使得声波沿 感器的快速响应提供有利条件。
设定方向传播，从而降低器件损耗。器件设计频率 钯铜纳米线的镀膜采用滴涂法。镀膜之前将制
为 150 MHz，由两个设置于 128 YX LiNbO 3 压电 备的钯铜纳米线置入超声清洗机振荡以消除纳米
◦
晶体表面的采用铝电极的 SPUDTs 组成，两换能器 线的团聚现象，然 后将钯铜纳米线溶解于乙醇之中

0
-10
-20
S 21 /dB -30
-40
-50
-60

-70
145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155
ᮠဋ/MHz
(a) SAWणᤍጳ٨͈฾តᮠ־ (b) ොሥ40 nmᨏ᪞Ռ᧛ᘙᒛᄊSAW͜ਖ٨͈

图 5 所研制的 SAW 延迟线器件测试频响及沉积 40 nm 钯镍合金薄膜的 SAW 传感器件
Fig. 5 The measured frequency response of the prepared SAW delay line and the
picture of prepared 40 nm Pa-Ni alloy thin-film coated SAW sensing device