[發(fā)明專利]一種基于納米TiO2的低功耗微納氣體傳感器及制備方法

有效

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• 申請日: 2017-03-29
• 公開（公告）號: CN106841314B
• 公開（公告）日: 2019-10-11
• 發(fā)明（設計）人: 王海容;王夢雅;王博
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: G01N27/00
• 分類號: G01N27/00;G01N27/12
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 姚詠華

本發(fā)明公開了一種基于納米TiO₂的低功耗微納氣體傳感器及制備方法，該傳感器自下而上分別為SiO₂?Si₃N₄掩蔽層、硅基底、SiO₂?Si₃N₄?SiO₂?Si₃N₄復合絕緣層、電極層、敏感材料層。通過布置測溫電極，實時測量芯片中心溫度。Si基底下通過濕法腐蝕去掉絕大部分Si，形成SiO₂?Si₃N₄?SiO₂?Si₃N₄復合懸膜結構，懸膜之上為按中心對稱、螺旋布置的加熱電極和敏感電極。敏感材料位于敏感電極之上，在敏感材料區(qū)域內(nèi)依次濺射TiO₂薄膜、Ti薄膜，其中TiO₂薄膜用于定義后續(xù)納米棒的生長區(qū)，熱鹽酸蒸汽法將Ti源氧化為TiO₂納米棒制備敏感層，使TiO₂納米棒生長在TiO₂薄膜上。本發(fā)明納米棒橋接相連，具有極高的比表面積和更好的氣體響應特性；優(yōu)化了懸膜的機械性能，減少熱傳遞，溫度精確可控。簡化了工序，避免了寄生電場的產(chǎn)生。

技術領域

本發(fā)明涉及一種基于納米TiO₂的低功耗微納氣體傳感器結構及制備方法。

背景技術

國民生產(chǎn)生活的許多領域都對氣體種類和濃度的檢測有著廣泛的需求。比如，家居、辦公間、車廂等密閉空間內(nèi)的空氣質量直接影響人的舒適度，如果有毒有害氣體得不到及時的檢測、引發(fā)報警，甚至會威脅人的生命安全。在工業(yè)生產(chǎn)領域，如石化、制藥、橡膠、皮革等，特別是產(chǎn)生有毒易燃或惡臭氣體的工作場所，需要對生產(chǎn)中各類有毒氣體進行檢測、監(jiān)測與報警。以及在農(nóng)業(yè)領域，氧氣或二氧化碳的含量會直接影響作物的生長。

氣體傳感器是氣體檢測的有效手段，可以實現(xiàn)對特定氣體的實時監(jiān)測以及對氣體成分的分析等，在國民生產(chǎn)生活相關領域存在著巨大的應用潛力。自1962 年半導體金屬氧化物陶瓷氣體傳感器問世以來，半導體氣體傳感器已經(jīng)成為當前應用最普遍、最具有實用價值的一類氣體傳感器。半導體氣體傳感器是采用金屬氧化物半導體材料做成的元件，在一定溫度下，與氣體相互作用時產(chǎn)生表面吸附或反應，引起以載流子運動為特征的電導率或伏安特性或表面電位變化。所以，金屬氧化物氣體傳感器一般由金屬氧化物敏感元件和加熱元件組成。

其中敏感元件由最初的塊體形態(tài)變?yōu)榛诮z網(wǎng)印刷技術的厚膜形態(tài)，到現(xiàn)如今基于MEMS技術的薄膜形態(tài)，使敏感材料的比表面積不斷增大，氣體響應特性逐漸增強。尤其是近些年研究的各種形態(tài)的金屬氧化物納米材料，如納米棒、納米球、納米線等，由無數(shù)納米單體橋接而成的薄膜材料有著極高的氣敏特性。

加熱元件也朝著體積不斷減小、各結構高度集成的方向發(fā)展，將加熱元件、敏感元件等集成在一個微米級別的器件上，實現(xiàn)快速加熱、快速電阻測量等功能，并通過釋放絕熱槽形成懸臂梁或懸膜結構等來降低功耗，與普通傳感器相比，更容易符合當今各行各業(yè)對便攜、低功耗氣體傳感器的要求。但由各層薄膜組成的微加熱器由于工藝的復雜和薄膜應力容易出現(xiàn)破裂，降低了器件的成品率。

此外，納米薄膜材料與低功耗的微加熱板相集成是如今制備微納氣體傳感器的難點。如何將具有高靈敏度的納米薄膜材料與制備低功耗微加熱板的工藝相融合是研究的熱點。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術問題在于克服納米材料制備與傳統(tǒng)MEMS工藝不兼容問題，使納米敏感材料在保持較高靈敏度的前提下定位均勻生長。同時，改善氣體傳感器懸膜的機械特性，并設置溫度控制電極，由此提供一種金屬氧化物氣體傳感器及制備方法，簡化傳感器集成工藝，制備出精確控溫的可大批量生產(chǎn)的低功耗氣體傳感器。

為達到以上目的，本發(fā)明是采取如下技術方案予以實現(xiàn)的：