專利名稱：一種穿孔的平板電容式氣體傳感器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及氣體傳感器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種具有穿孔的平板電容式氣體傳感器及其制備方法。
背景技術(shù)：
電容式氣體傳感器主要由電極和氣敏介質(zhì)構(gòu)成，氣敏介質(zhì)吸附待測(cè)氣體后引起介電常數(shù)發(fā)生改變，從而導(dǎo)致電容值產(chǎn)生變化。傳感器的電極主要有平板電容器型和平面叉指電極型兩種，無(wú)論是哪一種，氣敏介質(zhì)都必須處于兩個(gè)電極所產(chǎn)生的電場(chǎng)中(電力線必須穿過(guò)氣敏介質(zhì))。否則，吸附氣體后介電常數(shù)的改變將對(duì)電容值沒(méi)有貢獻(xiàn)。

常規(guī)的平面叉指電容傳感器由于是在平面叉指上沉積氣敏介質(zhì)薄膜，電力線有一半穿過(guò)基板而沒(méi)有得到利用。為此，美國(guó)Seacoast公司報(bào)道了一種懸梁型叉指電極，氣敏薄膜包裹在懸梁的上下左右各個(gè)面上，因此懸梁下端的電力線也得到了充分利用，從而提高了傳感器的靈敏度，參見(jiàn)文獻(xiàn)①Chemicapacitive microsensors for chemicalwarfare agent and toxic industrial chemical detection, Sensors and ActuatorsB, 2006，116:192 - 201 ;@Chemicapacitive microsensors for detection of explosivesand TICs, SPIEj 2005, 5986, 59860M。該公司還研制了平板電容器型的氣體傳感器，兩種傳感器相比各有優(yōu)缺點(diǎn)，平板電容型的靈敏度高，約為懸梁型的I. 5倍，但其響應(yīng)太慢。原因在于待測(cè)氣體必須通過(guò)多孔的上電極板進(jìn)入傳感器的介質(zhì)薄膜中，氣體的擴(kuò)散和充分吸附需要較長(zhǎng)的時(shí)間，因而該氣體傳感器的響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)。除了電極結(jié)構(gòu)之外，氣敏介質(zhì)的微觀形貌對(duì)傳感器的性能也有很大影響?，F(xiàn)有的氣敏介質(zhì)，絕大多數(shù)都采用致密的薄膜，導(dǎo)致氣體的擴(kuò)散時(shí)間很長(zhǎng)，使得傳感器無(wú)法實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)。如果采用疏松多孔的氣敏薄膜，不僅有利于氣體的擴(kuò)散吸附，而且大大增大了氣敏薄膜的比表面積，可吸附更多的待測(cè)氣體，從而獲得更高的靈敏度。多孔型的氣敏介質(zhì)雖然可以方便地制備在平面叉指以及懸梁叉指型的電極上，但如前所述，這類結(jié)構(gòu)的傳感器靈敏度低。如果能將疏松多孔的氣敏薄膜制備在平板電容器的兩個(gè)電極平板之間，不僅可以獲得高的靈敏度，還能同時(shí)獲得快速的響應(yīng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是如何在平板電容型的氣體傳感器中，引入疏松多孔的氣敏介質(zhì)薄膜，以提高傳感器的靈敏度，并縮短傳感器的響應(yīng)時(shí)間。本發(fā)明所提出的技術(shù)問(wèn)題是這樣解決的提供一種穿孔的平板電容式氣體傳感器，包括硅基板、硅頂蓋、上電極薄膜、下電極薄膜、氣敏介質(zhì)，其特征在于硅基板上設(shè)有微阱，下電極薄膜位于微阱底部，微阱具有傾斜的側(cè)壁以引出電極；氣敏介質(zhì)為混亂交織的微納米線或微納米管，位于微阱內(nèi)；上電極薄膜附著在硅頂蓋上并懸于微阱的上方，硅基板和硅頂蓋在微阱對(duì)應(yīng)的位置分別開(kāi)設(shè)有多個(gè)氣孔。按照本發(fā)明所提供的一種穿孔的平板電容式氣體傳感器，所述硅基板為(100)切向的單晶硅。按照本發(fā)明所提供的一種穿孔的平板電容式氣體傳感器，所述硅頂蓋為任意切向的單晶硅或多晶硅。按照本發(fā)明所提供的一種穿孔的平板電容式氣體傳感器，所述上、下電極薄膜為金、銅、招、鎮(zhèn)絡(luò)、怕、欽或鶴中的任意一種。按照本發(fā)明所提供的一種穿孔的平板電容式氣體傳感器及其制備方法，所述氣敏介質(zhì)為任意一種可電紡的聚合物、無(wú)機(jī)物或有機(jī)無(wú)機(jī)混合物。本發(fā)明還提供了一種穿孔的平板電容式氣體傳感器的制備方法，其特征在于，包括以下步驟 a.對(duì)硅基板進(jìn)行各向異性濕法腐蝕，形成底部平坦、側(cè)壁傾斜的微阱；
b.采用干法刻蝕在微阱中制備氣孔；
c.利用掩模在微阱中蒸發(fā)下電極薄膜，并沿微阱的側(cè)壁引出電極；
d.采用靜電紡絲法在微阱中制備氣敏介質(zhì)的微納米線或微納米管；
e.采用干法刻蝕在硅頂蓋上制備氣孔；
f.在硅頂蓋上制備上電極薄膜并圖形化；
g.上下電極面對(duì)面對(duì)準(zhǔn)后，將硅頂蓋粘貼在硅基板上。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)
I.響應(yīng)快
本發(fā)明的平板電容器型氣體傳感器的上下兩個(gè)電極平板上都開(kāi)設(shè)有若干氣孔，并且兩電極板之間的氣敏薄膜是疏松多孔了，使得待測(cè)氣流可以從一個(gè)極板進(jìn)入，而從另一個(gè)極板流出，實(shí)現(xiàn)單向氣流。(單向的氣流由外接的微型氣泵提供，外接氣泵未畫(huà)出)。而Seacoast公司的平板電容型氣體傳感器只有上極板有氣孔，不能實(shí)現(xiàn)單向氣流，加上其氣敏薄膜是致密實(shí)心的，氣體在其中擴(kuò)散很慢。因此，本發(fā)明的具有穿孔的平板電容式氣體傳感器的響應(yīng)更快。2.靈敏度高
本發(fā)明的氣敏介質(zhì)薄膜是疏松多孔的，這不僅有利于縮短響應(yīng)時(shí)間，而且大大提高了比表面積，從而獲得更高的靈敏度。中國(guó)專利ZL201010161765. 5公開(kāi)了一種側(cè)壁開(kāi)放的平板電容式氣體傳感器，通過(guò)在上、下兩個(gè)電極板之間設(shè)置若干支柱，并將介質(zhì)薄膜涂覆在支柱上，因此也具有較大的表面積。顯然，支柱的直徑越小，表面積越大。但與本發(fā)明相比，支柱的尺寸很難做到比電紡的納米線更細(xì)。因此，本發(fā)明的氣敏薄膜的表面積更大，傳感器的靈敏度更高。


圖I為本發(fā)明的具有穿孔的平板電容式氣體傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖，其中，圖1(a)為側(cè)面剖視圖，圖1(b)為去除頂蓋后的俯視 圖2為本發(fā)明的具有穿孔的平板電容式氣體傳感器的制備流程示意圖。其中，I為娃基板，2為下電極薄膜,3為氣敏介質(zhì)，4為上導(dǎo)電薄膜,5為娃頂蓋,6為氣孔，7為下電極薄膜引線，8為上電極薄膜引線，9為微阱，10為粘接劑。
具體實(shí)施例方式該平板電容式氣體傳感器如圖I所不，包括上下疊放粘牢的娃基板和娃頂蓋，娃基板上挖有一個(gè)微阱，微納米線或微納米管狀的氣敏介質(zhì)混亂交織在微阱內(nèi)，微阱的底部平坦，設(shè)置有下電極薄膜，并通過(guò)微阱傾斜的側(cè)壁實(shí)現(xiàn)電極的引出，上電極薄膜正對(duì)著微阱并附著在硅頂蓋上，硅基板和硅頂蓋在微阱對(duì)應(yīng)的位置分別開(kāi)設(shè)有多個(gè)氣孔，外界氣流垂直穿過(guò)硅基板上的氣孔，而從硅頂蓋上的氣孔流出。以下是本發(fā)明的具體實(shí)施 例。
實(shí)施例如圖I所示，一種穿孔型平板電容式氣體傳感器，該結(jié)構(gòu)包括絕緣的硅基板I、鋁制下電極薄膜2、納米線薄膜型的氣敏介質(zhì)3、鋁制上電極薄膜4、硅頂蓋5。制備流程如下第一步，選用300丨.UU厚、(100)切向的單晶硅作為絕緣的硅基板1，采用KOH作腐蝕液腐蝕出方形的腐蝕坑，腐蝕坑開(kāi)口3mmX3臟，邊長(zhǎng)沿[110]晶向族方向，深度約3叫!，獲得底部平坦、4個(gè)側(cè)壁都為54. 7°的微阱9。第二步，采用干法刻蝕從硅基板I的背面開(kāi)始刻蝕氣孔6，氣孔6直徑約50 m,間隔約100 Mm,刻蝕的位置正對(duì)微阱9，并將整個(gè)硅片刻蝕穿。(在圖I、圖2中氣孔并未按實(shí)際比例畫(huà)出)。第三步，采用蒸發(fā)法在微阱中淀積金屬鋁作為下電極薄膜，蒸發(fā)時(shí)利用掩模進(jìn)行遮蔽，使得僅在微阱的底部沉積鋁膜，并沿一個(gè)側(cè)壁布設(shè)有一條下電極薄膜引線7并到達(dá)微阱9之外硅基板I的上表面，鋁膜厚度約600 nm，其下有約150nm的鎳鉻打底層。第四步，采用靜電紡絲的方法，在下電極上涂覆一層納米線狀的氣敏介質(zhì)3。在本實(shí)施例中，紡絲的材料采用聚合物聚環(huán)氧氯丙烷(PECH)。通過(guò)調(diào)節(jié)靜電紡絲工藝，獲得直徑在680-930nm左右的納米線。電紡時(shí)，通過(guò)采用漏板，使得制備的PECH納米線位于微阱9之中。第五步，采用另一塊300 MlU厚的硅片作為硅頂蓋5，采用與第二步相同的工藝在其中刻蝕出數(shù)個(gè)直徑約50 fUll的氣孔6。第六步，在硅頂蓋5蒸發(fā)Ni-Cr/Al上電極薄膜4，利用掩模獲得2. SmmX2. 8mm的上電極薄膜圖案和上電極薄膜引線8。蒸發(fā)有電極薄膜的位置布滿了氣孔6。第七步，將硅頂蓋5倒扣過(guò)來(lái)，使得其上的上電極薄膜4和硅基板I上的下電極薄膜2面對(duì)面對(duì)準(zhǔn)后，利用樹(shù)脂10將硅頂蓋5粘貼在硅基板I上。粘貼時(shí)，在微阱9的四周均勻涂敷一層樹(shù)脂，以盡量避免粘接面漏氣。粘貼前，對(duì)硅基板I和硅頂蓋5都進(jìn)行了適當(dāng)?shù)那懈?，使得粘貼后上電極薄膜引線8和下電極薄膜引線7的焊點(diǎn)都沒(méi)有被蓋住。本實(shí)施例最終獲得的電容式傳感器體積小巧，尺寸大致為10X10X0. 6mm3，將其垂直安裝于一個(gè)輸氣管中，輸氣管外接一個(gè)微型氣泵，使得待測(cè)氣體垂直穿過(guò)電容器平板。因此，該電容式氣體傳感器的響應(yīng)很快，對(duì)50mg/m3的氯乙基乙基硫醚(CEES)氣體的響應(yīng)時(shí)間僅為12s，最小探測(cè)極限約為0. 35mg/m3，表現(xiàn)出很高的靈敏度。
權(quán)利要求
1.一種穿孔的平板電容式氣體傳感器，包括娃基板、娃頂蓋、上電極薄膜、下電極薄膜、氣敏介質(zhì)，其特征在于硅基板上設(shè)有微阱，下電極薄膜位于微阱底部，微阱具有傾斜的側(cè)壁以引出電極；氣敏介質(zhì)為微納米線或微納米管，位于微阱內(nèi)；上電極薄膜附著在硅頂蓋上并懸于微阱的上方，硅基板和硅頂蓋在微阱對(duì)應(yīng)的位置分別開(kāi)設(shè)有多個(gè)氣孔。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種穿孔的平板電容式氣體傳感器，其特征在于所述硅基板為(100)切向的單晶硅。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種穿孔的平板電容式氣體傳感器，其特征在于所述硅頂蓋為任意切向的單晶硅或多晶硅。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種穿孔的平板電容式氣體傳感器，其特征在于所述上、下電極薄膜為金、銅、鋁、鎳鉻、鉬、鈦或鎢中的任意一種。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種穿孔的平板電容式氣體傳感器的制備方法，其特征在 于所述氣敏介質(zhì)為任意一種可電紡的聚合物、無(wú)機(jī)物或有機(jī)無(wú)機(jī)混合物。
6.一種穿孔的平板電容式氣體傳感器的制備方法，其特征在于，包括以下步驟 a、對(duì)硅基板進(jìn)行各向異性濕法腐蝕，形成底部平坦、側(cè)壁傾斜的微阱； b、采用干法刻蝕在微阱中制備氣孔； C、利用掩模在微阱中蒸發(fā)下電極薄膜，并沿微阱的側(cè)壁引出電極； d、采用靜電紡絲法在微阱中制備氣敏介質(zhì)的微納米線或微納米管； e、采用干法刻蝕在硅頂蓋上制備氣孔； f、在硅頂蓋上制備上電極薄膜并圖形化； g、上下電極面對(duì)面對(duì)準(zhǔn)后，將硅頂蓋粘貼在硅基板上。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種穿孔的平板電容式氣體傳感器的制備方法，其特征在于所述氣敏介質(zhì)為任意一種可電紡的聚合物、無(wú)機(jī)物或有機(jī)無(wú)機(jī)混合物。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種穿孔的平板電容式氣體傳感器，包括硅基板、硅頂蓋、上電極薄膜、下電極薄膜、氣敏介質(zhì)。其特征在于①硅基板上設(shè)有微阱，下電極薄膜位于微阱底部，上電極薄膜附著在硅頂蓋上并懸于微阱的上方。電極薄膜彼此不接觸，構(gòu)成平板電容結(jié)構(gòu)；②氣敏介質(zhì)為混亂交織的微納米線或微納米管，位于微阱內(nèi)；③硅基板和硅頂蓋在微阱對(duì)應(yīng)的位置分別開(kāi)設(shè)有多個(gè)氣孔，構(gòu)成氣流通道。由于采用微納米線/管作氣敏薄膜，不僅表面積大，因而氣體擴(kuò)散吸附容易，因此本發(fā)明的氣體傳感器具有響應(yīng)快、靈敏度高的特點(diǎn)，可檢測(cè)極低濃度的氣體，且制備方法簡(jiǎn)單。
文檔編號(hào)G01N27/22GK102759551SQ20121028191
公開(kāi)日2012年10月31日 申請(qǐng)日期2012年8月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月9日
發(fā)明者杜曉松, 蔣亞?wèn)|, 蔡貝貝, 邱棟 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)