基于微通道板三維結(jié)構(gòu)的高靈敏度氣體傳感器的制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了基于微通道板三維結(jié)構(gòu)的高靈敏度氣體傳感器，由檢測(cè)模塊和加熱模塊兩部分組成；檢測(cè)模塊和加熱模塊之間通過導(dǎo)電漿料粘合；檢測(cè)模塊和加熱模塊分別設(shè)置有兩個(gè)引線引出電極，分別為檢測(cè)電極和加熱電極，所述的檢測(cè)模塊和加熱模塊封裝于封裝管殼內(nèi)，所述的封裝管殼上共有至少四個(gè)電極；所述的檢測(cè)模塊，其結(jié)構(gòu)自上而下依次為上電極、微通道板和下電極；所述的加熱模塊，其結(jié)構(gòu)自下而上依次為隔熱絕緣襯底材料、加熱電阻線圈和絕緣薄膜。其有益效果是：大幅度提升氣體傳感器的靈敏度；微通道板的多孔道結(jié)構(gòu)非常有利于被檢測(cè)氣體的順利通過，可進(jìn)一步提高器件的測(cè)試靈敏度和反應(yīng)速度；增強(qiáng)了氣敏器件的穩(wěn)定性和可靠性。
【專利說明】基于微通道板三維結(jié)構(gòu)的高靈敏度氣體傳感器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種高敏氣體傳感器，具體為一種基于微通道板三維結(jié)構(gòu)的高靈敏度氣體傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、器件制備與系統(tǒng)搭建，屬于半導(dǎo)體器件領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的蓬勃發(fā)展、人們生活水平的不斷提高和對(duì)環(huán)保的日益重視，對(duì)各種有毒、有害氣體的探測(cè)，對(duì)大氣污染、工業(yè)廢氣的監(jiān)測(cè)，以及對(duì)食品和居住環(huán)境質(zhì)量的檢測(cè)都對(duì)氣體傳感器提出了更高的要求。微加工技術(shù)、納米、薄膜等新材料研制技術(shù)的成功應(yīng)用為氣體傳感器的微型化、集成化和智能化提供了很好的前提條件。氣體傳感器將在充分利用微機(jī)械與微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)、傳感技術(shù)、故障診斷技術(shù)、智能技術(shù)等多學(xué)科綜合技術(shù)的基礎(chǔ)上得到快速地發(fā)展。
[0003]在各種氣體傳感器中，應(yīng)用最為廣泛的是以二氧化錫(SnO2)等半導(dǎo)體氣敏材料為代表的半導(dǎo)體氣敏傳感器。其工作原理是，當(dāng)半導(dǎo)體氣敏材料接觸CO、H2, CH4, C2H4, C2H5OH等氣體時(shí)，其電阻率會(huì)隨著氣體種類以及濃度而發(fā)生變化，變化前后的阻值比率Ra/Rg反映著該氣敏材料的探測(cè)靈敏度。然而，傳統(tǒng)的燒結(jié)型半導(dǎo)體氣敏器件存在著靈敏度較低、難以做到小型化和集成化等問題。隨著微機(jī)械與微電子技術(shù)的發(fā)展，基于微加工技術(shù)的微型半導(dǎo)體氣敏傳感器可以有望很好地解決這些問題，它所具備的主要優(yōu)點(diǎn)有:可制作微型化、低電壓工作的器件；容易實(shí)現(xiàn)測(cè)氣部分和加熱模塊的集成化；器件溫度特性好；器件容易組裝；易于大批量生產(chǎn)、降低成本；易與集成電路模塊和無線發(fā)射模塊集成，實(shí)現(xiàn)智能化傳感網(wǎng)絡(luò)。
[0004]近年來，國(guó)內(nèi)外已有多個(gè)單位對(duì)基于微加工技術(shù)的微型半導(dǎo)體氣敏傳感器進(jìn)行了研究，其通常的做法是，在測(cè)量電極之間制備平面結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體氣敏薄膜材料，其氣敏薄膜材料的制備方法通常有:溶膠凝膠法、絲網(wǎng)印刷法、化學(xué)氣相沉積法、分子束外延法、射頻磁控濺射法、噴霧法、電化學(xué)沉積等。在這些器件中，氣敏薄膜材料的結(jié)構(gòu)通常是簡(jiǎn)單的平面鋪膜，而這種二維平面結(jié)構(gòu)的氣敏器件，其氣敏薄膜材料與測(cè)試氣體的接觸面僅僅是一個(gè)平面，靈敏度較低，很難實(shí)現(xiàn)微量低濃度氣體的有效檢測(cè)。由此人們很自然地想到，可以通過制備納米纖維、納米線、或者其它表面三維結(jié)構(gòu)的方法，來大幅度提高氣敏材料的比表面積，從而達(dá)到提高氣敏傳感器靈敏度的目的。然而，如果僅僅在一個(gè)平面結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)上述的納米結(jié)構(gòu)，不但其結(jié)構(gòu)可靠性和穩(wěn)定性難以保證，而且其雜亂無章的納米纖維結(jié)構(gòu)在兩個(gè)測(cè)量電極之間有效電阻上的比表面積的提升是非常有限的。另一些研究小組還嘗試了通過制備中空型或者多孔型的氣敏薄膜的方法來提升器件的比表面積，這是一種很有前景的方法，但目前在其器件中還存在著如何讓外部氣體迅速順利地進(jìn)入薄膜內(nèi)部空隙的問題，有效比表面積的提升仍然是一個(gè)難點(diǎn)。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0005]本實(shí)用新型的目的是提供一種基于微通道板(MicroChannel Plate, MCP)三維結(jié)構(gòu)的高靈敏度氣體傳感器；已解決現(xiàn)有技術(shù)的上述問題。
[0006]本實(shí)用新型的目的是通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
[0007]基于微通道板三維結(jié)構(gòu)的高靈敏度氣體傳感器，由檢測(cè)模塊和加熱模塊兩部分組成；檢測(cè)模塊和加熱模塊之間通過導(dǎo)電漿料粘合，使其集成為一體器件。檢測(cè)模塊和加熱模塊分別設(shè)置有兩個(gè)引線引出電極，分別為檢測(cè)電極和加熱電極，所述的檢測(cè)模塊和加熱模塊封裝于封裝管殼內(nèi)，所述的封裝管殼上共有至少四個(gè)電極；所述的檢測(cè)模塊，其結(jié)構(gòu)自上而下依次為上電極、微通道板和下電極；所述的加熱模塊，其結(jié)構(gòu)自下而上依次為隔熱絕緣襯底材料、加熱電阻線圈和絕緣薄膜。
[0008]所述的微通道板的橫向結(jié)構(gòu)由內(nèi)而外依次為微通道板骨架結(jié)構(gòu)、側(cè)壁絕緣層和氣敏薄膜材料。
[0009]半導(dǎo)體氣體傳感器工作所依據(jù)的原理是:當(dāng)半導(dǎo)體氣敏材料接觸C0、H2、CH4、C2H4、C2H5OH等氣體時(shí)，其電阻率會(huì)隨著氣體種類以及濃度而發(fā)生變化，變化前后的阻值比率Ra/Rg反映著該氣敏材料的探測(cè)靈敏度。本實(shí)用新型提出利用微通道板多孔側(cè)壁的三維立體結(jié)構(gòu)，制作具有三維結(jié)構(gòu)的氣體傳感器，利用該結(jié)構(gòu)的幾何特征，大幅度提高氣敏材料薄膜的有效比表面積，實(shí)現(xiàn)其薄膜電阻值在測(cè)試時(shí)的高變化率，從而大大提升了氣體傳感器的靈敏度。
[0010]與現(xiàn)有的微型氣體傳感器相比，本實(shí)用新型的有益效果是:利用微通道板多孔側(cè)壁的三維立體結(jié)構(gòu)，可使其側(cè)壁上沉積的氣敏薄膜材料形成三維薄膜結(jié)構(gòu)，大大提高氣敏材料薄膜的有效比表面積，實(shí)現(xiàn)其薄膜電阻值在測(cè)試時(shí)的高變化率，從而大幅度提升氣體傳感器的靈敏度。微通道板的多孔道結(jié)構(gòu)非常有利于被檢測(cè)氣體的順利通過，可進(jìn)一步提高器件的測(cè)試靈敏度和反應(yīng)速度。與此同時(shí)，微通道板的框架結(jié)構(gòu)，非常有利于保護(hù)內(nèi)部生長(zhǎng)的氣敏薄膜材料的納米結(jié)構(gòu)，從而增強(qiáng)了氣敏器件的穩(wěn)定性和可靠性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1為本實(shí)用新型氣體傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0012]圖2為本實(shí)用新型的封裝結(jié)構(gòu)俯視示意圖；
[0013]圖3本實(shí)用新型的封裝結(jié)構(gòu)的立體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0014]圖4為本實(shí)用新型檢測(cè)模塊和加熱模塊的俯視結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015]圖5為本實(shí)用新型檢測(cè)模塊和加熱模塊的的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016]圖6為檢測(cè)模塊的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]以上所有示意圖均不是等比例的。
[0018]圖中:1、檢測(cè)模塊2、加熱模塊3、導(dǎo)電漿料4、檢測(cè)電極5、加熱電極6、封裝套殼7、上電極8、硅微道板9、下電極10、微通道板骨架結(jié)構(gòu)11、側(cè)壁絕緣層12、氣敏薄膜材料13、隔熱絕緣襯底材料14、加熱電阻線圈15、絕緣薄膜。
【具體實(shí)施方式】
[0019]下面結(jié)合具體實(shí)施例進(jìn)一步闡述本實(shí)用新型的技術(shù)特點(diǎn):
[0020]如圖1所示，基于微通道板三維結(jié)構(gòu)的高靈敏度氣體傳感器，由檢測(cè)模塊I和加熱模塊2兩部分組成；檢測(cè)模塊I和加熱模塊2之間通過導(dǎo)電漿料3粘合，使其集成為一體器件。如圖2和圖3所示，檢測(cè)模塊I和加熱模塊2分別設(shè)置有兩個(gè)引線引出電極，分別為檢測(cè)電極4和加熱電極5,所述的檢測(cè)模塊和加熱模塊封裝于封裝管殼內(nèi)，所述的封裝管殼6上共有至少四個(gè)電極；如圖4和圖5所示，所述的檢測(cè)模塊1，其結(jié)構(gòu)自上而下依次為上電極7、微通道板8和下電極9 ;所述的加熱模塊2，其結(jié)構(gòu)自下而上依次為隔熱絕緣襯底材料13、加熱電阻線圈14和絕緣薄膜15。
[0021]如圖6所示，所述的微通道板8的橫向結(jié)構(gòu)由內(nèi)而外依次為微通道板骨架結(jié)構(gòu)10、側(cè)壁絕緣層11和氣敏薄膜材料12 ；
[0022]在本實(shí)施例中，檢測(cè)模塊部分，由硅材料制作微通道板三維結(jié)構(gòu)，側(cè)壁絕緣層為二氧化硅，氣敏薄膜材料為二氧化錫，上下電極為金屬鉬。加熱模塊部分，自下而上依次為Al2O3陶瓷片、金屬鉬加熱電阻線圈、氮化硅絕緣薄膜。具體制作過程如下:
[0023](I)采用專利201110196442.4所提供的方法，并采用專利申請(qǐng)201120406111.4所提供的裝置，在4英寸硅片上制作獲得硅微通道板，每個(gè)微通道邊長(zhǎng)5微米x5微米、深250微米、側(cè)壁厚度I微米。經(jīng)過激光切割，獲得直徑為3毫米的圓片；
[0024](2)采用專利201210402277.8所提供的方法，對(duì)硅微通道板進(jìn)行熱氧化，獲得0.5微米的二氧化硅側(cè)壁絕緣層；
[0025](3)采用溶膠凝膠法，在微通道側(cè)壁上淀積0.5微米的二氧化錫氣敏薄膜材料；
[0026](4)采用磁控濺射的方法，在微通道板的上下兩側(cè)分別淀積0.3微米的金屬鉬電極，在此之前先濺射20納米的金屬鈦以增強(qiáng)粘附性。到此步可獲得器件的檢測(cè)模塊；
[0027](5)在4英寸的Al2O3陶瓷圓片基底上進(jìn)行光刻，定義加熱電阻線圈的圖形；
[0028](6)采用磁控濺射的方法，在Al2O3陶瓷圓片基底上淀積0.3微米的金屬鉬，在此之前先濺射20納米的金屬鈦以增強(qiáng)粘附性；
[0029](7)采用剝離(Lift-off)工藝，獲得金屬鉬加熱電阻線圈的圖形；
[0030](8)采用等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積法(PECVD)，在表面淀積0.5微米的氮化硅；[0031 ] (9)在氮化硅表面進(jìn)行再一次光刻，定義加熱電阻線圈引線電極部分的圖形；
[0032](10)采用反應(yīng)離子刻蝕(RIE)的方法，刻蝕氮化硅，直至露出加熱電阻線圈引線電極部分的圖形。到此步可獲得器件的加熱模塊；
[0033](11)用絲網(wǎng)印刷的方法，在加熱模塊上淀積導(dǎo)電漿料；
[0034](12)在導(dǎo)電漿料上安裝檢測(cè)模塊，然后在200°C的環(huán)境下烘烤2小時(shí)以上；
[0035](13)對(duì)作為加熱模塊的Al2O3陶瓷圓片進(jìn)行激光切割，獲得4.5毫米x4.5毫米的方形器件；
[0036](14)將該方形器件安裝到如圖2所示的圓形管座，并進(jìn)行引線鍵合；
[0037](15)蓋上網(wǎng)狀管帽。氣體傳感器制作完成。
[0038]通過測(cè)算，以250微米的微通道深度、2x2微通道單元、12微米xl2微米的面積為例，氣敏材料薄膜與氣體的接觸面積由原來二維平面形式的144平方微米大幅度增加為20000平方微米，提升幅度將近140倍。
[0039]本實(shí)用新型所述的基于微通道板三維結(jié)構(gòu)的氣體傳感器，為氣體傳感器的器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供新的思路，可大幅度提升氣敏器件的測(cè)試靈敏度，為工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人們?nèi)粘Ｉ钪械奈⒘康蜐舛葰怏w的精確檢測(cè)提供良好的工具和手段。
【權(quán)利要求】
1.基于微通道板三維結(jié)構(gòu)的高靈敏度氣體傳感器，其特征在于:由檢測(cè)模塊和加熱模塊兩部分組成；檢測(cè)模塊和加熱模塊之間通過導(dǎo)電漿料粘合；檢測(cè)模塊和加熱模塊分別設(shè)置有兩個(gè)引線引出電極，分別為檢測(cè)電極和加熱電極，所述的檢測(cè)模塊和加熱模塊封裝于封裝管殼內(nèi)，所述的封裝管殼上共有至少四個(gè)電極；所述的檢測(cè)模塊，其結(jié)構(gòu)自上而下依次為上電極、微通道板和下電極；所述的加熱模塊，其結(jié)構(gòu)自下而上依次為隔熱絕緣襯底材料、加熱電阻線圈和絕緣薄膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于微通道板三維結(jié)構(gòu)的高靈敏度氣體傳感器，其特征在于:所述的微通道板的橫向結(jié)構(gòu)由內(nèi)而外依次為微通道板骨架結(jié)構(gòu)、側(cè)壁絕緣層和氣敏薄膜材料。
【文檔編號(hào)】G01N27/12GK203551501SQ201320639249
【公開日】2014年4月16日 申請(qǐng)日期:2013年10月16日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月16日
【發(fā)明者】朱一平, 王連衛(wèi) 申請(qǐng)人:華東師范大學(xué), 上海歐普泰科技創(chuàng)業(yè)有限公司