[發明專利]基于微通道板三維結構的高靈敏度氣體傳感器及其制作方法

有效

• 申請號: 201310485008.7
• 申請日: 2013-10-16
• 公開（公告）號: CN103543183A
• 公開（公告）日: 2014-01-29
• 發明（設計）人: 朱一平;王連衛
• 申請（專利權）人: 華東師范大學;上海歐普泰科技創業有限公司
• 主分類號: G01N27/12
• 分類號: G01N27/12
• 代理公司: 上海伯瑞杰知識產權代理有限公司 31227
• 代理人: 吳澤群

技術領域

本發明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構的高靈敏度氣體傳感器的結構設計、器件制備與系統搭建，屬于半導體器件領域。

背景技術

隨著工農業生產的蓬勃發展、人們生活水平的不斷提高和對環保的日益重視，對各種有毒、有害氣體的探測，對大氣污染、工業廢氣的監測，以及對食品和居住環境質量的檢測都對氣體傳感器提出了更高的要求。微加工技術、納米、薄膜等新材料研制技術的成功應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械與微電子技術、計算機技術、信號處理技術、傳感技術、故障診斷技術、智能技術等多學科綜合技術的基礎上得到快速地發展。

在各種氣體傳感器中，應用最為廣泛的是以二氧化錫（SnO₂）等半導體氣敏材料為代表的半導體氣敏傳感器。其工作原理是，當半導體氣敏材料接觸CO、H₂、CH₄、C₂H₄、C₂H₅OH等氣體時，其電阻率會隨著氣體種類以及濃度而發生變化，變化前后的阻值比率R_a/R_g反映著該氣敏材料的探測靈敏度。然而，傳統的燒結型半導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。隨著微機械與微電子技術的發展，基于微加工技術的微型半導體氣敏傳感器可以有望很好地解決這些問題，它所具備的主要優點有：可制作微型化、低電壓工作的器件；容易實現測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、降低成本；易與集成電路模塊和無線發射模塊集成，實現智能化傳感網絡。

近年來，國內外已有多個單位對基于微加工技術的微型半導體氣敏傳感器進行了研究，其通常的做法是，在測量電極之間制備平面結構的半導體氣敏薄膜材料，其氣敏薄膜材料的制備方法通常有：溶膠凝膠法、絲網印刷法、化學氣相沉積法、分子束外延法、射頻磁控濺射法、噴霧法、電化學沉積等。在這些器件中，氣敏薄膜材料的結構通常是簡單的平面鋪膜，而這種二維平面結構的氣敏器件，其氣敏薄膜材料與測試氣體的接觸面僅僅是一個平面，靈敏度較低，很難實現微量低濃度氣體的有效檢測。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構的方法，來大幅度提高氣敏材料的比表面積，從而達到提高氣敏傳感器靈敏度的目的。然而，如果僅僅在一個平面結構上實現上述的納米結構，不但其結構可靠性和穩定性難以保證，而且其雜亂無章的納米纖維結構在兩個測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入薄膜內部空隙的問題，有效比表面積的提升仍然是一個難點。

發明內容

本發明的目的是提供一種基于微通道板（Microchannel?Plate，MCP）三維結構的高靈敏度氣體傳感器；已解決現有技術的上述問題。

本發明的目的是通過如下技術方案實現：

基于微通道板三維結構的高靈敏度氣體傳感器，由檢測模塊和加熱模塊兩部分組成；檢測模塊和加熱模塊之間通過導電漿料粘合，使其集成為一體器件。檢測模塊和加熱模塊分別設置有兩個引線引出電極，分別為檢測電極和加熱電極，所述的檢測模塊和加熱模塊封裝于封裝管殼內，所述的封裝管殼上共有至少四個電極；所述的檢測模塊，其結構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，其結構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。

所述的微通道板的橫向結構由內而外依次為微通道板骨架結構、側壁絕緣層和氣敏薄膜材料。

所述的微通道板骨架結構可由硅材料或玻璃材料制成。

所述的側壁絕緣層可為二氧化硅或氮化硅等半導體常用絕緣層。

所述的氣敏薄膜材料可為二氧化錫（SnO₂）、氧化鋅（ZnO）、三氧化二鐵（Fe₂O₃）、五氧化二鈮（Nb₂O₅）等氣敏材料中的一種。

所述的隔熱絕緣襯底材料可為7740康寧玻璃或Al₂O₃陶瓷片等隔熱絕緣襯底材料。

所述的加熱電阻線圈為鉑、金、鎢等耐高溫導電金屬材料，其下方添加鈦、鉻等材料作為與隔熱絕緣襯底材料的粘附層。

所述的絕緣薄膜，可為氮化硅或二氧化硅等半導體常用絕緣層。