双层膜结构声表面波甲烷传感器关键技术研究

甲烷是造成全球变暖的第二大温室气体，2007年以来大气层中的甲烷水平急剧上升，在未来几年中需要密切监测大气层中的甲烷水平；另外煤矿瓦斯爆炸事件也是屡有发生，这也对甲烷传感器有着强烈的需求。目前大量使用的半导体传感器以及光纤传感器还不能完全满足检测要求。因此，本项目提出一种基于声表面波器件的双层膜结构传感器，根据对声表面波结构的质量沉积效应以及电导率变化效应的研究，分析双层膜结构参数对声表面波传输特性以及气体分子吸附脱附特性的影响，选择包括金属、有机半导体等不同类型的双层膜材料，调整不同的工艺参数，探索敏感材料微小的电导率变化即引起声表面波器件显著波速变化的"工作点"。这种利用SAW器件与双层膜结构相结合的传感器结构，对促进常温下有毒有害气体的检测研究提供了一个新的思路。

甲烷在自然界分布广泛，是造成全球变暖的第二大温室气体。此外，甲烷还是煤矿瓦斯的主要成分，瓦斯爆炸事故是威胁矿工生命和国家财产安全的“第一杀手”。研制在常温下能够工作的低成本甲烷传感器，对人类生存环境以及国计民生都具有十分重大的意义。在众多的小型化气体传感器中，声表面波气体传感器的灵敏度高、体积小、与半导体工艺兼容、价格低、功耗小、便于遥测，是近年来气体传感器的后起之秀。本项目拟采用双层膜结构与SAW传感器相结合，来解决SAW气体传感器用于甲烷检测的灵敏度问题。在实际实验当中，由于甲烷气体的化学惰性，用甲醛作为检测对象来研究和验证双层膜结构SAW气体传感器的敏感机制。单层的多壁碳纳米管材料（MWCNTs）作为敏感材料的SAW传感器对甲醛响应微弱，MWCNTs的金属特性会导致单层MWCNTs和工作电极之间形成回路，只能检测响应较小的质量沉积效应。而双层膜结构能使SAW传感器工作在强声电效应区域，并不是单纯的质量沉积效应和电导率变化的简单加和，在电导率高灵敏度区域，微小的电导率变化就能引起显著的波速变化，从而引起响应频率的急剧增加。本项目发表相关学术论文16篇，授权专利1项，为SAW传感器在有毒有害气体方面的检测提供了良好的发展思路。