專利名稱：薄膜氣體傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及氣體傳感器，具體是指一種廣譜型薄膜氣體傳感器。
1、半導(dǎo)體氣體傳感器這種傳感器主要使用半導(dǎo)體氣敏材料，按照檢測氣敏特征量方式不同可分為電阻式和非電阻式兩種。電阻式半導(dǎo)體氣體傳感器是通過檢測氣敏元件的電阻隨氣體含量的變化情況而工作的，主要使用金屬氧化物陶瓷氣敏材料。非電阻式半導(dǎo)體氣體傳感器是利用氣敏元件的電流或電壓隨氣體含量變化而工作的。主要有MOS二極管式和結(jié)型二極管式，以及場效應(yīng)管式氣體傳感器。檢測氣體大多為氫氣、硅烷等可燃氣體。半導(dǎo)體氣敏傳感器在待檢氣體中的電阻值與環(huán)境溫、濕度有關(guān)。一般情況下，當環(huán)境溫度較低時，傳感器的電阻值較高；溫度高時電阻值低。而濕度低時電阻值高；濕度高時電阻值低。即使在相同濃度的待檢氣體中，傳感器的阻值也有所不同，因此必須在電路中加以補償。
2、固體電解質(zhì)氣體傳感器這種氣體傳感器使用固體電解質(zhì)氣敏材料做氣敏元件。其原理是氣體在通過氣敏材料時產(chǎn)生離子，從而形成電動勢，通過測量電動勢來測量氣體濃度，如可以測量H2S的YST-Au-WO3等。
3、接觸燃燒式氣體傳感器這種氣體傳感器可分為直接接觸燃燒式和催化接觸燃燒式兩種。其工作原理是氣敏材料在通電狀態(tài)下，可燃性氣體氧化燃燒或在催化劑作用下氧化燃燒，產(chǎn)生的熱量使傳感器的電熱絲升溫，從而使其電阻值發(fā)生變化，通過測量電阻變化來測量氣體濃度。這種傳感器只能測量可燃氣體，對不燃性氣體不敏感。
4、高分子氣體傳感器高分子氣敏材料在遇到特定氣體時，其電阻、介電常數(shù)、材料表面聲波傳播速度和頻率、材料重量等物理性能發(fā)生變化，主要有酞菁聚合物、LB膜、苯菁基乙炔、聚乙烯醇-磷酸、聚異丁烯、氨基十一烷基硅烷等。根據(jù)所用材料的氣敏特性，這類傳感器可分為通過測量氣敏材料的電阻來測量氣體濃度的高分子電阻式氣體傳感器；根據(jù)氣敏材料吸收氣體時形成濃差電池，測量電動勢來確定氣體濃度的濃差電池式氣體傳感器；根據(jù)高分子氣敏材料吸收氣體后聲波在材料表面?zhèn)鞑ニ俣然蝾l率發(fā)生變化的原理制成的聲表面波氣體傳感器；以及根據(jù)高分子氣敏材料吸收氣體后重量變化而制成的石英振子式氣體傳感器等。高分子氣體傳感器具有對特定氣體分子靈敏度高，選擇性好，結(jié)構(gòu)簡單，能在常溫下使用。
雖然目前已有的氣體傳感器種類繁多、原理各不相同，但每種類型的傳感器都只能對某些特定氣體有效，而且傳感器的選擇性與適用范圍不能兼顧，即如果選擇性好的話，則可探測的氣體種類少，如果可探測的氣體種類多的話，則選擇性就不高。
基于傳統(tǒng)氣體傳感器的上述缺點，以及針對目前各種氣體傳感器均無法探測的氣體，人們期望能構(gòu)造一種新的傳感器件予以解決。本發(fā)明的目的就是為解決上述問題而提出的一種薄膜氣體傳感器。
本發(fā)明的技術(shù)方案是設(shè)計一個雙帶通雙層超窄帶通濾光片，二層之間為樣品室，將其中的一個帶通峰位設(shè)計至待檢氣體的特征吸收峰，另一個帶通峰位設(shè)計在特征吸收峰位附近的非吸收區(qū)作為參考峰位，利用氣體吸收引起的透射峰強度的相對變化來實現(xiàn)氣體含量的檢測。
本發(fā)明的薄膜氣體傳感器包括二片相同材料的襯底1，其中一片襯底的一表面有一凹槽2，帶有凹槽的表面鍍有無序型膜系3。另一片襯底的二表面為平面，其任一平面鍍有無序型膜系3，二片襯底表面所鍍的無序型膜系相同。在二無序型膜系之間的二側(cè)邊緣粘有特種微米小球粘膠4，使其固接成一體，中間為樣品室5。由于凹槽2內(nèi)外的高度差，導(dǎo)致樣品室內(nèi)不同區(qū)域的上下層無序型膜系之間的距離差，這二個不同的間距區(qū)域?qū)?yīng)二個不同的帶通峰位。本發(fā)明的結(jié)構(gòu)類似于F-P干涉儀，二個間距的控制是根據(jù)F-P干涉條件只有當間距滿足半波長整數(shù)倍時的光才能透過。
所說的凹槽2深度為 λ長為二個帶通峰位中較長波段的那個帶通峰位的波長，λ短為二個帶通峰位中較短波段的那個帶通峰位的波長，其中m、n為整數(shù)。所說的特種微米小球粘膠為高分子聚合物材料，其直徑略大于 一般取 為宜。然后通過對微米小球加壓使小球產(chǎn)生形變調(diào)節(jié)至 從而使二個帶通峰位調(diào)節(jié)到設(shè)計所需的位置。所說的無序型膜系是由低折射率的氧化物與高折射率的氧化物交替疊層12次構(gòu)成的，每一膜層的厚度是隨機漲落的層厚，其產(chǎn)生方法請見本發(fā)明人的專利“超窄帶通光學(xué)薄膜濾光片及膜層厚度產(chǎn)生方法”中國專利號01139082.4。
本發(fā)明的薄膜氣體傳感器的最大優(yōu)點是可以針對任何一種已知特征吸收峰位的氣體進行設(shè)計，使得響應(yīng)具有唯一性。同時具有靈敏度高、響應(yīng)快、選擇性高、穩(wěn)定性好、重復(fù)性好、壽命長等優(yōu)點，大大彌補了傳統(tǒng)氣體傳感器各種性能不能兼顧的缺點。
1.雙帶通的選取見圖3，從圖中可以看出，H2S在3.38μm(2960cm-1)處有一個很強的吸收峰，取其為被測氣體特征吸收帶通；再在其臨近處取一個H2S基本不吸收的帶通，本實施例取3.23μm。
2.凹槽的制備凹槽的深度由公式(m3.38μm2-n3.23μm2)]]>決定，本實施例取凹槽深度為771nm，通過半導(dǎo)體的離子刻蝕工藝在Si襯底1部分表面上刻蝕出凹槽2。
3.無序型膜系3的設(shè)計無序型膜系3是由高折射率的硅膜層301與低折射率的二氧化硅膜層302交替疊層12次構(gòu)成的，每一膜層的厚度有一個隨機的漲落，首先以每層材料光學(xué)厚度的1/4波長處為參考點，然后對每層的光學(xué)厚度作一個隨機漲落的變化，隨機漲落層厚見表1。
4.無序型膜系的蒸鍍采用常規(guī)的熱蒸發(fā)鍍膜機，在已刻槽的硅襯底上，按表1中序號次序，從序號最大的第24層開始鍍膜，依次鍍到第1層，由于鍍膜時凹槽內(nèi)外同時蒸鍍，因此凹槽內(nèi)外所鍍制的膜系完全相同。
5.H2S氣體傳感器的制備將鍍好的無序型膜系3的襯底1一分為二，其中一片為表面完全平整的膜系，另一片為含有凹槽部分的膜系，在二無序型膜系二側(cè)邊緣粘上直徑為10μm特種微米小球粘膠4，使二片帶有無序型膜系的襯底固接成一體，中間為樣品室5。由于粘膠是由粒度均勻的塑料小球組成，在壓力的作用下會鋪展成單層結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)壓力使得塑料小球發(fā)生形變，從而將上下兩片之間的距離調(diào)節(jié)到二個帶通峰位置。然后加熱使膠定型，固定上下兩片之間的距離。雖然上下兩片所鍍制的膜系完全相同，但該結(jié)構(gòu)中槽內(nèi)區(qū)域與槽外區(qū)域上下兩片之間的距離不同，因此分別處于不同的帶通峰位，槽內(nèi)區(qū)域為H2S的特征吸收峰位3.38μm，槽外區(qū)域為H2S的完全透過的參考峰位3.23μm。當樣品室5中沒有H2S氣體存在時，這兩個透射峰的相對強度一定，見圖4；當樣品室5中有H2S氣體存在時，由于3.38μm處于H2S的特征吸收峰處，而3.23μm處于H2S的非吸收區(qū)，3.38μm處的透射峰會因H2S的吸收而減弱，而3.23μm處的透射峰強度保持不變，見圖5。
因此我們可以3.23μm處的透射峰為參考，先測得3.38μm處的透射峰相對于3.23μm處透射峰的強度d0＝I3.38/I3.23，然后再測存在H2S氣體時的透射譜，由于H2S氣體的存在，3.38μm處的光會被H2S強烈吸收使得透過率下降，而3.23μm處的光不被H2S吸收，導(dǎo)致兩個透射峰相對強度d＝I’3.38/I’3.23的變化，從兩個透射峰相對強度d的變化就可以測出H2S的含量。
按照上面所述的結(jié)構(gòu)和具體實施方式
，本發(fā)明人還提供如下幾個實施例1.一氧化碳(CO)氣體傳感器見圖6，從圖中可以看出CO在4.63μm(2160cm-1)處有一個很強的吸收峰，取其為被測氣體特征吸收帶通；再在其臨近的非吸收區(qū)取一個CO基本不吸收的帶通4.35μm。凹槽深度取784nm，小球直徑為14μm。襯底為硅，其上蒸鍍的無序型膜系見表2。
2.甲醛(HCHO)氣體傳感器見圖7，從圖中可以看出HCHO在5.65μm(1770cm-1)處有一個很強的吸收峰，取其為被測氣體特征吸收帶通；再在其臨近非吸收區(qū)取一個HCHO基本不吸收的帶通5.40μm。凹槽深度取77nm，小球直徑為17μm。襯底為硅，其上蒸鍍的無序型膜系見表3。
3.二硫化碳(CS2)氣體傳感器見圖8，從圖中可以看出CS2在6.67μm(1500cm-1)處有一個很強的吸收峰，取其為被測氣體特征吸收帶通；再在其臨近處取一個CS2基本不吸收的帶通6.90μm。凹槽深度取762nm，小球直徑為20μm。襯底為硅，其上蒸鍍的無序型膜系見表4。
4.二氧化硫(SO2)氣體傳感器見圖9，從圖中可以看出SO2在7.31μm(1368cm-1)處有一個很強的吸收峰，取其為被測氣體特征吸收帶通；再在其臨近處取一個SO2基本不吸收的帶通7.69μm。凹槽深度取775nm，小球直徑為22μm。襯底為硅，其上蒸鍍的無序型膜系見表5。
表1 H2S氣體傳感器的無序型膜系

表2 CO氣體傳感器的無序型膜系

表3 HCHO氣體傳感器的無序型膜系

表4 CS2氣體傳感器的無序型膜系

表5 SO2氣體傳感器的無序型膜系

權(quán)利要求
1.一種薄膜氣體傳感器，包括二片相同材料的襯底(1)，其特征在于其中一片襯底的一表面有一凹槽(2)，帶有凹槽的表面鍍有無序型膜系(3)；另一片襯底的二表面為平面，其任一平面鍍有無序型膜系(3)；在二無序型膜系(3)之間的二側(cè)邊緣粘有特種微米小球粘膠(4)，使其固接成一體，中間為樣品室(5)；所說的凹槽(2)深度為 λ長為二個帶通峰位中較長波段的那個帶通峰位的波長，λ短為二個帶通峰位中較短波段的那個帶通峰位的波長，其中m、n為整數(shù)；所說的特種微米小球粘膠(4)為高分子聚合物材料，其直徑略大于 一般取 為宜；所說的無序型膜系(3)是由低折射率的氧化物(302)與高折射率的氧化物(301)交替疊層12次構(gòu)成的，每一膜層的厚度是隨機漲落的層厚。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的一種薄膜氣體傳感器，其特征在于所說的低折射率的氧化物為二氧化硅，高折射率的氧化物為硅。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種薄膜氣體傳感器，包括二片相同材料的襯底，其中一片襯底的一表面有一凹槽，帶有凹槽的表面鍍有無序型膜系。另一片襯底的二表面為平面，其任一平面鍍有無序型膜系，在二無序型膜系之間的二側(cè)邊緣粘有特種微米小球粘膠，使其固接成一體，中間為樣品室。凹槽內(nèi)外的高度差分別對應(yīng)二個不同的帶通峰位，將其中的一個帶通峰位設(shè)計至待檢氣體的特征吸收峰，另一個帶通峰位設(shè)計在特征吸收峰附近的非吸收區(qū)作為參考峰位，利用氣體吸收引起的透射峰強度的相對變化來實現(xiàn)氣體含量的檢測。本發(fā)明的薄膜氣體傳感器的最大優(yōu)點是可以針對任何一種已知特征吸收峰的氣體進行設(shè)計，使得響應(yīng)具有唯一性，同時該傳感器還具有靈敏度高、響應(yīng)快、選擇性好、重復(fù)性好、壽命長等優(yōu)點，大大彌補了傳統(tǒng)氣體傳感器各種性能不能兼顧的缺點。
文檔編號G02B5/20GK1445530SQ0311678
公開日2003年10月1日 申請日期2003年5月8日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月8日
發(fā)明者陸衛(wèi), 王少偉, 陳效雙, 李志鋒, 李寧, 季亞林, 周梅 申請人:中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所