專利名稱：：一種氣體敏感陣列傳感器的制作方法
技術領域：
：本實用新型具體涉及一種氣體敏感陣列傳感器。技術背景氣體傳感器已廣泛應用于環(huán)境監(jiān)測、防火報警、化工、食品加工工業(yè)領域，在各種氣體傳感器中，金屬氧化物傳感器以其結構簡單、價格低廉的特點而得到關注，由于大多數(shù)金屬氧化物氣敏材料(Sn02、ZnO、Fe203等)需要在300-400'C的溫度工作，用傳統(tǒng)技術制造的器件功耗很大，體積也大，單個傳感器只能對氣體實現(xiàn)簡單的報警。應用微電機械系統(tǒng)(MEMS)力口工技術(KraigD.Mitzner，JasonSternhagen,DavidW.Galipeau，Developmentofamicromachinedhazardousgassensorarray,SensorsandActuatorsB93(2003)92-99)，以單晶硅片為基片，采用標準的微電子制造和后處理技術制備的氣體敏感陣列傳感器，雖然能制備低功耗的氣體傳感器及其陣列，但傳感器及其陣列的穩(wěn)定性及其一致性仍然是這一工藝的致命弱點。并且，該技術也難以滿足傳感器陣列中各元件具備不同化學組成的要求。同時，微電機械系統(tǒng)(MEMS)加工的生產(chǎn)設備非常昂貴，生產(chǎn)條件苛刻。而厚膜技術制備的陣列基片的封裝或采用貼裝在基座上，或采用電極引線支撐的懸空式(I.Czech,J.Manca,J.Roggenetal.ElectricalCharacterisationandReliabilityStudiesofThickFilmGasSensorStructures.Proceedingsofthe1996IEEEInternationalConferenceonMicroelectronicTestStructures,Vol.9,March1996)，前者陣列基片與基座一起升溫，能耗很大，后者電極引線懸空支撐強度弱，器件機械穩(wěn)定性很差。這些因素嚴重阻礙了傳感器陣列的推廣使用。尤其是目前在航空航天、環(huán)境監(jiān)測、樓宇安全、食品防偽及其生產(chǎn)過程自動化控制方面對低功耗、穩(wěn)定的微結構氣體敏感陣列傳感器有很急切的需要。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的是提供一種氣體敏感陣列傳感器，該氣體敏感陣列傳感器生產(chǎn)成本低，功耗低，機械穩(wěn)定性好。本實用新型提供的氣體敏感陣列傳感器，其特征在于第一、第二測試電極和第三、第四測試電極分別位于基片的對邊上，陣列加熱器正電極及其回路電極分別位于基片的另一條對邊上；第一、第二測試電極的回路電極和第三、第四測試電極的回路電極位于第一、第二測試電極和第三、第四測試電極之間，并分別與第一、第二測試電極和測試電極平行，第一、第二測試電極的回路電極、陣列加熱器正電極的回路電極和第三、第四測試電極的回路電極連接而成'匸'形,作為公共電極；在陣列加熱器正電極與陣列加熱器正電極的回路電極之間的基片上印刷有加熱膜，在各測試電極與其對應的公共電極之間的基片上分別印刷有金屬氧化物敏感層，在基片的中心安裝有軸，軸穿過加熱膜,并固定在基座的中心，基片與基座之間留有間隙；基座上還設有至少六個接線柱，分別通過電極引線與各測試電極、陣列加熱器正電極以及公共電極連接。本實用新型以多種不同氣體敏感特性的材料，采用絲網(wǎng)印刷技術制備敏感層構成氣體敏感陣列，氣體敏感陣列通過單軸固定在基座上，經(jīng)超聲熱壓焊接電極引線構成氣體敏感陣列傳感器，有效地克服現(xiàn)有氣體敏感陣列傳感器的不足，實現(xiàn)了低功耗、低成本、有助于大批量生產(chǎn)。與微電機械系統(tǒng)(MEMS)加工技術相比，本實用新型的氣體敏感陣列傳感器的制備工藝對生產(chǎn)設備、生產(chǎn)環(huán)境要求較低，各陣列傳感器具有更好的一致性、陣列各單元敏感層具有更好的氣敏穩(wěn)定性。氣體敏感陣列傳感器結合模式識別技術組成電子鼻系統(tǒng)能實時、快速的對被測氣體實現(xiàn)定性識別和定量分析，克服單個傳感器氣敏選擇性的局限及多個傳感器組合的大體積、高能耗的缺點及微電機械系統(tǒng)(MEMS)加工氣體敏感陣列傳感器的穩(wěn)定性和一致性差、生產(chǎn)設備非常昂貴，生產(chǎn)條件苛刻的缺點。采用絲網(wǎng)印刷技術，結合全新的納米材料體系，設計獨特的氣體敏感陣列傳感器結構，為實現(xiàn)低功耗、低成本、氣敏穩(wěn)定的氣體敏感陣列傳感器提供了保證。圖1為含四個氣敏單元的氣體敏感陣列傳感器的結構示意圖，其中圖1(a)為俯視圖；圖l(b)為圖l(a)的AB剖面主視圖；圖2為本實用新型氣體敏感陣列傳感器的加熱電極、測試電極及公共電極布局結構示意圖，其中圖2(a)為批量制備示意圖；圖2(b)為一個陣列基片上的示意圖；圖3為本實用新型氣體敏感陣列基片印刷了加熱膜后布局結構示意圖，其中圖3(a)俯視圖；圖3(b)印刷加熱膜的網(wǎng)版圖案。圖4為本實用新型氣體敏感陣列傳感器基片印刷了一個單元敏感層后布局結構示意圖，其中圖4(a)俯視圖；圖4(b)印刷敏感膜的網(wǎng)版圖案(b);圖5為本實用新型氣體敏感陣列傳感器基片印刷了兩個單元敏感層后俯視圖；圖6為本實用新型氣體敏感陣列傳感器基片印刷了三個單元敏感層后俯視圖；圖7為本實用新型氣體敏感陣列傳感器基片印刷了四個單元敏感層后俯視圖；圖8為本實用新型氣體敏感陣列傳感器基片中心穿孔后俯視圖；圖9為本實用新型氣體敏感陣列傳感器的穩(wěn)定溫度與能耗關系圖；圖10.為本實用新型優(yōu)選實施例四單元氣體敏感陣列傳感器的酒精氣敏響應曲線圖。具體實施方式以下結合附圖和實例對本實用新型作進一步詳細的說明。如圖1所示，本實用新型氣體敏感陣列傳感器的結構為第一、第二測試電極9、ll和第三、第四測試電極12、13分別位于基片3的對邊上，陣列加熱器正電極7及其回路電極10分別位于基片3的另一條對邊上。第一、第二測試電極9、11的回路電極14和第三、第四測試電極12、13的回路電極15位于第一、第二測試電極9、11和第三、第四測試電極12、13之間，并與第一、第二測試電極9、11和測試電極12、13平行，第一、第二測試電極9、11的回路電極14、陣列加熱器正電極7的回路電極10和第三、第四測試電極12、13的回路電極15連接而成'匸，形作為公共電極，如圖2(b)。在陣列加熱器正電極7與陣列加熱器正電極7的回路電極10之間的基片3平面上印刷有加熱膜4，如圖3(a),圖3(b)為印刷網(wǎng)版圖。在測試電極9、11、12、13與其對應的公共電極之間的基片3平面上分別印刷金屬氧化物敏感層8，構成一個或多個氣敏單元，如圖4、5、6、7。在基片3的中心安裝有軸5，軸5穿過加熱膜4，并固定在基座2的中心，如圖8,并使基片3與基座2留有間隙(通常為l-3mm)，如圖1(b)?；?上設有至少6個接線柱1，分別通過電極引線6與測試電極9、11、12、13及陣列加熱器正電極7與公共電極連接。加熱膜可以是Ru02、MoSi2、W或Pt的漿料絲網(wǎng)印刷制備而成，如圖金屬氧化物敏感層8的材料可以是ZnO、Sn02或Fe203，或者ZnO、Sn02或Fe203與下述各組分中任一或幾種的摻雜Pt(O.lwt%-3wt%)、Pd(O.lwt%-3wt%)、Ni(lwt%-30wt%)、Ti02(lwt%-30wto/。)、WO3(lwt%-40wt%)、Co203(lwt%-15wt%)、V2O5(lwt%-30wt%)、Al2O3(lwt%-20wt%)、MnO2(lwt。/。-30wt。/。)等形成的摻雜復合物材料。實例下面將參照各附圖實例詳細說明本實用新型的優(yōu)選實施例實施例一(1)帶電極和加熱器的基片的制備。以0.4mm厚的八1203陶瓷為基片3，通過絲網(wǎng)印刷金漿料，一次性制備陣列加熱器正電極7、第一、第二、第三、第四測試電極9、11、12、13及其回路電極10、14、15組成的公共電極的漿料膜。干燥后，空氣中900'C燒結10分鐘，隨爐緩冷至室溫，得到如圖2所示的帶電極的基片。在采用圖3(b)所示的網(wǎng)版絲網(wǎng)印刷Ru02漿料膜，干燥后空氣中850'C燒結15分鐘，隨爐緩冷至室溫，得到如圖3(a)所示的帶電極和加熱器的基片。(2)氣體陣列的敏感層8的制備。以四針狀納米ZnO、10wt。/。TiO2摻雜四針狀納米ZnO、5wte/。Co203摻雜四針狀納米ZnO、15wtn/。Mn02摻雜四針狀納米ZnO為敏感材料，分別加入30wtn/。有機粘合劑混合，用球磨機球磨6小時制成穩(wěn)定的可印刷的漿料。以圖4(b)所示網(wǎng)版分別印刷四單元的敏感層，每印刷一單元待干燥后，在印刷下一單元。最后于燒結爐70(TC燒結3小時，得到如圖7所示的四單元氣體敏感陣列片。(3)氣體陣列封裝。對如圖7所示的具有四單元氣體敏感層8的陣列基片3中心激光穿孔，通過軸5將四單元氣體敏感層陣列片固定在基座2上，并與基座2之間留2mm間隙。超聲波金絲球熱壓焊機在陣列片上的陣列加熱器正電極7、測試電極9、11、12、13及其公共電極與基座2上的6個接線柱之間邦定電極引線6。制得到如圖1所示結構的氣體敏感陣列傳感器。(4)測試。氣體敏感陣列傳感器經(jīng)400'C老化3天后作能耗和氣體敏感性測試。圖9為本實用新型氣體敏感陣列傳感器實例的穩(wěn)定溫度與能耗關系圖，能耗為整個陣列的能耗，溫度是敏感層8區(qū)域的溫度；圖10為本實用新型優(yōu)選實施例的四單元氣體敏感陣列傳感器的酒精氣敏響應曲線圖。實施例二在實施例一中四單元陣列的第9，ll測試電極之間、第12，13測試電極之間分別增加一測試電極就可得六單元的氣體傳感器陣列。制備步驟同實施例一，氣體傳感器陣列基片、加熱膜、電極及敏感層材料，燒結工藝如表1?？傻玫骄哂胁煌瑲怏w敏感特性的六單元的氣體傳感器陣列。表l:六單元氣體傳感器陣列基片、加熱膜、電極及敏感層材料，燒結工藝<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>本實用新型不僅局限于上述實施例，通過在第一、第二測試電極之間、以及第三、第四測試電極增設不同個數(shù)的測試電極，并印刷加熱膜和金屬氧化物敏感層，可以得到含4個以上的任意個數(shù)的氣敏單元的氣體傳感器陣列。各氣敏單元的材料可以相同或不同，本領域一般技術人員根據(jù)本實用新型公開的內(nèi)容，可以采用其它多種具體實現(xiàn)方式實施本實用新型。權利要求1、一種氣體敏感陣列傳感器，其特征在于第一、第二測試電極(9、11)和第三、第四測試電極(12、13)分別位于基片(3)的對邊上，陣列加熱器正電極(7)及其回路電極(10)分別位于基片(3)的另一條對邊上；第一、第二測試電極(9、11)的回路電極(14)和第三、第四測試電極(12、13)的回路電極(15)位于第一、第二測試電極(9、11)和第三、第四測試電極(12、13)之間，并與分別第一、第二測試電極(9、11)和測試電極(12、13)平行，第一、第二測試電極(9、11)的回路電極(14)、陣列加熱器正電極(7)的回路電極(10)和第三、第四測試電極(12、13)的回路電極(15)連接而成‘ㄈ’形作為公共電極；在陣列加熱器正電極(7)與陣列加熱器正電極(7)的回路電極(10)之間的基片(3)上印刷有加熱膜(4)，在各測試電極與其對應的公共電極之間的基片(3)上分別印刷有金屬氧化物敏感層(8)，在基片(3)的中心安裝有軸(5)，軸(5)穿過加熱膜(4)，并固定在基座(2)的中心，基片(3)與基座(2)之間留有間隙；基座(2)上還設有至少6個接線柱(1)，分別通過電極引線(6)與各測試電極、陣列加熱器正電極(7)以及公共電極連接。2、根據(jù)權利要求1所述的氣體敏感陣列傳感器，其特征在于第一、第二測試電極(9、11)之間、以及第三、第四測試電極(12、13)之間分別設置有至少一個測試電極。專利摘要本實用新型公開了一種氣體敏感陣列傳感器，其結構為四個測試電極分別位于基片的對邊上，陣列加熱器正電極及其回路電極分別位于基片的另一條對邊上；測試電極的回路電極分別位于二對測試電極之間，并相互平行。測試電極的回路電極和陣列加熱器正電極的回路電極連接而成‘ㄈ’形，作為公共電極；在陣列加熱器正電極與陣列加熱器正電極的回路電極之間的基片上印刷有加熱膜，在各測試電極與其公共電極之間的基片上分別印刷有金屬氧化物敏感層，在基片的中心安裝有軸，軸穿過加熱膜，并固定在基座的中心，基片與基座留有間隙；基座上還設有至少六個接線柱。該氣體敏感陣列傳感器生產(chǎn)成本低、功耗低、機械穩(wěn)定性好、各單元具有不同的氣體敏感特性，制備工藝有助于大批量生產(chǎn)。文檔編號G01N27/00GK201096739SQ200720087770公開日2008年8月6日申請日期2007年10月26日優(yōu)先權日2007年10月26日發(fā)明者張順平,曾大文,柏自奎,胡木林,謝長生申請人:華中科技大學