專利名稱：一種微型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，具體涉及一種電容式氣體傳感器及其制備方 法。
背景技術(shù)：
氣體傳感器有多種類型，電容式氣體傳感器是其中的一種。它是在正負(fù)電極之間 設(shè)置介質(zhì)層，通過測量由于介質(zhì)層吸附待測氣體而產(chǎn)生的電容值變化來測量氣體濃度，具 有靈敏度高，體積小，噪聲低，探測的氣體種類多等特點(diǎn)。美國Seacoast公司對微型電容式氣體傳感器做了很多研究。圖1為該公司研制 的一種平板電容器結(jié)構(gòu)的微型氣體傳感器，通過MEMS工藝在上、下電極板層間形成空腔， 再在空腔中填充聚合物介質(zhì)，其特點(diǎn)是在上極板上設(shè)有通氣孔以進(jìn)行氣體的擴(kuò)散和吸附。 在該傳感器中，上電極板相當(dāng)于一個懸空膜片，膜片除了進(jìn)行四周支撐外，還在膜片的中心 部位設(shè)置了許多支柱以加固上極板，四周的支撐形成閉合的傳感器側(cè)壁。在上極板或側(cè)壁 上設(shè)有開孔以注入聚合物介質(zhì)。文獻(xiàn)[1] Sensors and Actuators B, 2003,96 541-553 ； [2]Sensors and ActuatorsB, 2005,107 892-903 ； [3]Proc. of SPIE,2005,5986,59860M ；Sensors andActuators B，2006，116 :192_201 ； [5]美國專利 US 7115969 ； [6]美國專利 US7393740 ； [7] Talanta, 2008, 76 :872_877中詳細(xì)介紹了這種電容式氣體傳感器的結(jié)構(gòu)， 并將它們應(yīng)用于探測有機(jī)揮發(fā)性化合物(VOCs)、炸藥、化學(xué)戰(zhàn)劑(CWAs)和有毒工業(yè)化學(xué)品 (TICs)等氣體。該種平板電容器型的氣體傳感器具有很高的靈敏度，如對DMMP和硝基苯炸藥的 檢測下限分別達(dá)到了 2ppb和0. Ippb0但它們都有一個共同點(diǎn)，就是待測氣體都是通過多孔 的上電極板或者開放的上電極，進(jìn)入氣體傳感器中，經(jīng)過介質(zhì)敏感材料的吸附，從而改變介 電常數(shù)和傳感器的電容。這種結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是待測氣體通過上電極板上的氣孔進(jìn)入傳感器，并被介質(zhì)敏感材料所充分吸附，需 要較長的時間，因而整個電容式氣體傳感器的響應(yīng)時間較長，如對DMMP的響應(yīng)時間t9(1高 達(dá)138s，這對于需要快速檢測和響應(yīng)的應(yīng)用有很大影響，如在爆炸氣體和毒氣的檢測方面。 并且，由于氣孔的面積有限，介質(zhì)薄膜暴露出來的吸附面積很小，不利于和氣體進(jìn)行充分接 觸。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的問題是如何提供一種微型電容式氣體傳感器及其制備方法，該傳感器能大幅縮短待測氣體的擴(kuò)散時間，提高了電容式氣體傳感器的響應(yīng)速度。本發(fā)明所提出的技術(shù)問題是這樣解決的提供一種微型電容式氣體傳感器，包括上電極平板、下電極平板、若干支柱和介質(zhì)薄膜，支柱設(shè)置在上電極平板和下電極平板之 間，使兩者之間形成空腔，所述介質(zhì)薄膜涂覆在支柱上以及上下電極的內(nèi)表面上，其特征在 于
①相鄰支柱上的介質(zhì)薄膜彼此不接觸，保留的空腔結(jié)構(gòu)形成氣體擴(kuò)散通道；②上電極平板上不設(shè)置氣孔，上電極平板和下電極平板之間的側(cè)壁開放，使氣體從側(cè)壁進(jìn)入。按照本發(fā)明所提供的微型電容式氣體傳感器，其特征在于，所述介質(zhì)薄膜是有機(jī) 介質(zhì)薄膜或無機(jī)氧化物介質(zhì)薄膜。一種微型電容式氣體傳感器的制備方法，其特征在于，包括以下步驟①在硅襯底上制備下電極薄膜，并圖形化形成下電極平板；②采用化學(xué)氣相沉積法在下電極平板上制備氮化硅或氮氧硅薄膜，并刻蝕薄膜形 成支柱，四周邊緣部位支柱的形狀可與中心部位的支柱不一致，尺寸也可比中心部位的大
一些；③旋涂玻璃，其厚度與支柱的高度一致；④采用化學(xué)氣相沉積法在玻璃犧牲層上制備摻雜的多晶硅作為上電極平板，形成 平板電容器；⑤采用HF酸去除玻璃犧牲層，釋放空腔結(jié)構(gòu)，形成具有空腔結(jié)構(gòu)的平板電容器；⑥采用浸漬法在具有空腔結(jié)構(gòu)的平板電容器的支柱上以及上、下電極平板的內(nèi)表 面上涂覆介質(zhì)薄膜，形成微型平板電容式氣體傳感器。按照本發(fā)明所提供的微型電容式氣體傳感器的制備方法，其特征在于，所述介質(zhì) 薄膜是有機(jī)介質(zhì)薄膜或無機(jī)氧化物介質(zhì)薄膜，無機(jī)氧化物介質(zhì)薄膜采用金屬有機(jī)物作為前 驅(qū)溶液，浸漬涂覆后經(jīng)熱處理形成無機(jī)氧化物薄膜。按照本發(fā)明所提供的微型電容式氣體傳感器的制備方法，其特征在于，下電極平 板是化學(xué)氣相沉積法制備的摻雜多晶硅薄膜或者蒸發(fā)或?yàn)R射法制備的金屬薄膜，金屬薄膜 包括金、銅、鋁、鎳鉻、鉬、鈦、鎢。本發(fā)明是基于美國Seacoast公司的平板電容式氣體傳感器的改進(jìn)，主要的改進(jìn) 措施在于(1)美國Seacoast公司的平板電容式氣體傳感器的介質(zhì)層將上下電極之間的空 腔全部填滿；而在本發(fā)明中，涂覆在支柱上的介質(zhì)層較薄，支柱之間仍然保留有間隙，氣體 可以自由流動；(2)美國Seacoast公司的平板電容式氣體傳感器的側(cè)壁是封閉的，氣體由上電極 平板上的氣孔進(jìn)入；而在本發(fā)明中上電極平板上不設(shè)置氣孔，氣體是由傳感器的側(cè)壁進(jìn)入 的，因?yàn)閭鞲衅鞯膫?cè)壁是由支柱圍成的，支柱和支柱之間有間隙，這些間隙構(gòu)成了氣孔；(3)美國Seacoast公司的平板電容式氣體傳感器的介質(zhì)層是處于一個封閉空腔 中，因此采用灌注法填充介質(zhì)層；而在本發(fā)明中由于空腔結(jié)構(gòu)是開放的，灌注法不再適用， 而采用浸漬法涂覆介質(zhì)層。浸漬法也保證了只會在空腔的內(nèi)壁涂覆上一層介質(zhì)薄膜，而不 會將整個空腔填滿；(4)美國Seacoast公司的平板電容式氣體傳感器雖然在上、下電極板之間也有支 柱，但這些支柱的作用僅僅是為了增強(qiáng)對上電極平板的支撐。而在本發(fā)明中，還利用了支柱 形成后增大了內(nèi)表面積這一特點(diǎn)。而Seacoast公司的傳感器將介質(zhì)薄膜填滿整個空間后， 支柱所提供的內(nèi)表面積就消失了。本發(fā)明的實(shí)質(zhì)是將美國Seacoast公司的平板電容式氣體傳感器的實(shí)心介質(zhì)層改為多孔介質(zhì)層，使得吸附面積更大，吸附的路徑更長，吸附得更加充分，有利于提高傳感器的靈敏度；并且介質(zhì)層的多孔結(jié)構(gòu)是連為一體的，并與外壁的氣孔相通，有利于氣體的擴(kuò)散 從而縮短傳感器的響應(yīng)時間。本發(fā)明是基于現(xiàn)有微型平板電容式氣體傳感器結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，該改進(jìn)簡單易行，可以完全沿用原來的工藝步驟，只需改變支柱層和上電極層的光刻版即可實(shí)現(xiàn)。


圖1為美國Seacoast公司的平板電容式氣體傳感器結(jié)構(gòu)示意圖，(a)剖面圖(參 見 Talanta，2008，76 :872-877) ； (b)頂視圖(參見 Sensors and ActuatorsB, 2006,116 192-201)；圖2為本發(fā)明的微型平板電容式氣體傳感器的截面圖；圖3為本發(fā)明第一種結(jié)構(gòu)傳感器的俯視圖；圖4為本發(fā)明第二種結(jié)構(gòu)傳感器的俯視圖；圖5為本發(fā)明第三種結(jié)構(gòu)傳感器的俯視圖；圖6為本發(fā)明第四種結(jié)構(gòu)傳感器的俯視圖；圖7為本發(fā)明第五種結(jié)構(gòu)傳感器的俯視圖；圖8為本發(fā)明第六種結(jié)構(gòu)傳感器的俯視圖。其中，1為硅基片；2為下電極板；3為上電極板；4為介質(zhì)敏感薄膜；5為頂電極氣 孔/注入孔；6為側(cè)壁；7為支柱；8為側(cè)面氣孔/注入孔；9為氣流通道。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步描述該微型電容式氣體傳感器，如圖2所示，包括上電極平板、下電極平板、若干支柱 和介質(zhì)薄膜，支柱設(shè)置在上電極平板和下電極平板之間，使兩者之間形成空腔，所述介質(zhì)薄 膜涂覆在支柱上以及上下電極的內(nèi)表面上，相鄰支柱上的介質(zhì)薄膜彼此不接觸，保留的空 腔結(jié)構(gòu)形成氣體擴(kuò)散通道，上電極平板上不設(shè)置氣孔，上電極平板和下電極平板之間的側(cè) 壁開放，使氣體從側(cè)壁進(jìn)入。介質(zhì)薄膜是有機(jī)介質(zhì)薄膜或無機(jī)氧化物介質(zhì)薄膜。制備方法包括以下步驟①在硅襯底上制備下電極薄膜，并圖形化形成下電極平板；②采用化學(xué)氣相沉積法在下電極平板上制備氮化硅或氮氧硅薄膜，并刻蝕薄膜形 成支柱，四周邊緣部位支柱的形狀可與中心部位的支柱不一致，尺寸也可比中心部位的大
一些；③旋涂玻璃，其厚度與支柱的高度一致；④采用化學(xué)氣相沉積法在玻璃犧牲層上制備摻雜的多晶硅作為上電極平板，形成 平板電容器；⑤采用HF酸去除玻璃犧牲層，釋放空腔結(jié)構(gòu)，形成具有空腔結(jié)構(gòu)的平板電容器；⑥采用浸漬法在具有空腔結(jié)構(gòu)的平板電容器的支柱上以及上、下電極平板的內(nèi)表 面上涂覆介質(zhì)薄膜，形成微型平板電容式氣體傳感器。介質(zhì)薄膜是有機(jī)介質(zhì)薄膜或無機(jī)氧化物介質(zhì)薄膜，無機(jī)氧化物介質(zhì)薄膜采用金屬有機(jī)物作為前驅(qū)溶液，浸漬涂覆后經(jīng)熱處理形成無機(jī)氧化物薄膜。下電極平板是化學(xué)氣相沉積法制備的摻雜多晶硅薄膜或者蒸發(fā)或?yàn)R射法制備的 金屬薄膜，金屬薄膜包括金、銅、鋁、鎳鉻、鉬、鈦、鎢。以下是本發(fā)明的具體實(shí)施例實(shí)施例1如圖3所示，傳感器的外形為圓形，支柱為正方形。該結(jié)構(gòu)的氣體傳感器包括下電極板2、上電極板3、支柱7、介質(zhì)敏感薄膜4、設(shè)置在側(cè)壁的氣孔5、具有開孔的側(cè)壁6。在 硅基片1上通過蒸發(fā)工藝淀積一層厚度為500nm的金屬鋁薄膜，將薄膜光刻圖形化后形成 直徑為Imm的圓，作為平板電容的下電極板2。側(cè)壁6和支柱7采用氮化硅，薄膜厚度為 2um，采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)工藝制備并采用干法刻蝕形成圖3所示圖 案。側(cè)壁6為相互分離的扇形支柱，占空比為1 1，扇形支柱和氣孔5對應(yīng)的圓心角都為 4. 5° ；內(nèi)部支柱7是邊長為50um的正方形，水平間隔150um，垂直間隔50um，交錯排列在 下電極板2上。隨后通過旋涂玻璃，使其厚度與支柱7高度一致，采用PECVD方法在玻璃犧 牲層上沉積一層厚度為500nm的摻雜多晶硅薄膜，形成上電極板3，再使用BOE緩沖蝕刻液 (HF NH4F H2O = 3ml 6g IOml)，去除玻璃犧牲層，形成具有空腔結(jié)構(gòu)的平板電容 器。介質(zhì)敏感薄膜4為聚甲基[3-(2-羥基)苯基]丙基硅氧烷(PMPS)，將PMPS溶解于三 氯甲烷溶液中，配成濃度為溶液。將微型平板電容式氣體傳感器浸漬到PMPS 溶液中半分鐘后撈出，放入烘箱，恒溫90°C烘烤60min，使溶劑三氯甲烷完全揮發(fā)。該氣體 傳感器可用來探測DMMP氣體，傳感器的響應(yīng)時間為20-30s。實(shí)施例2該例的傳感器外形為圓形，支柱也為圓形，如圖4所示。與例1相比，傳感器的下 電極板2、側(cè)壁6、介質(zhì)敏感薄膜4和上電極板3相同，只是介質(zhì)層支柱7設(shè)計(jì)成圓形。圓形 支柱7高度為2um，直徑為50um，相互之間水平間隔150um，垂直間隔50um，并交錯排列在下 電極板2上。實(shí)施例3與實(shí)施例1和例子2相比，該例的傳感器的下電極板2、側(cè)壁6、介質(zhì)敏感薄膜4和 上電極板3都相同，只是介質(zhì)層支柱7設(shè)計(jì)成矩形，如圖5所示。矩形支柱7高度為2um，長 為75um，寬為37. 5um，水平間隔和垂直間隔都為37. 5um，相鄰支柱之間正交排列。實(shí)施例4-實(shí)施例6在實(shí)施例1-3的基礎(chǔ)上，將傳感器的外形設(shè)計(jì)為長方形，其余都不改變，可以分別 得到如圖6-8所示的實(shí)施例4-6的傳感器結(jié)構(gòu)。其中，下電極板2是長為1 IOOum,寬為850um 的矩形。側(cè)壁6由長60um，寬35um的矩形依次排列而成，占空比為1 1，其中四個頂點(diǎn)處 為邊長60um的正方形。
權(quán)利要求
一種微型電容式氣體傳感器，包括上電極平板、下電極平板、若干支柱和介質(zhì)薄膜，支柱設(shè)置在上電極平板和下電極平板之間，使兩者之間形成空腔，所述介質(zhì)薄膜涂覆在支柱上以及上下電極的內(nèi)表面上，其特征在于①相鄰支柱上的介質(zhì)薄膜彼此不接觸，保留的空腔結(jié)構(gòu)形成氣體擴(kuò)散通道；②上電極平板上不設(shè)置氣孔，上電極平板和下電極平板之間的側(cè)壁開放，使氣體從側(cè)壁進(jìn)入。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型電容式氣體傳感器，其特征在于，所述介質(zhì)薄膜是有機(jī) 介質(zhì)薄膜或無機(jī)氧化物介質(zhì)薄膜。
3.—種微型電容式氣體傳感器的制備方法，其特征在于，包括以下步驟①在硅襯底上制備下電極薄膜，并圖形化形成下電極平板；②采用化學(xué)氣相沉積法在下電極平板上制備氮化硅或氮氧硅薄膜，并刻蝕薄膜形成支柱；③旋涂玻璃，其厚度與支柱的高度一致；④采用化學(xué)氣相沉積法在玻璃犧牲層上制備摻雜的多晶硅作為上電極平板，形成平板 電容器；⑤采用HF酸去除玻璃犧牲層，釋放空腔結(jié)構(gòu)，形成具有空腔結(jié)構(gòu)的平板電容器；⑥采用浸漬法在具有空腔結(jié)構(gòu)的平板電容器的支柱上以及上、下電極平板的內(nèi)表面上 涂覆介質(zhì)薄膜，形成微型平板電容式氣體傳感器。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的微型電容式氣體傳感器的制備方法，其特征在于，所述介質(zhì) 薄膜是有機(jī)介質(zhì)薄膜或無機(jī)氧化物介質(zhì)薄膜，無機(jī)氧化物介質(zhì)薄膜采用金屬有機(jī)物作為前 驅(qū)溶液，浸漬涂覆后經(jīng)熱處理形成無機(jī)氧化物薄膜。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的微型電容式氣體傳感器的制備方法，其特征在于，下電極平 板是化學(xué)氣相沉積法制備的摻雜多晶硅薄膜或者蒸發(fā)或?yàn)R射法制備的金屬薄膜，金屬薄膜 包括金、銅、鋁、鎳鉻、鉬、鈦、鎢。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種微型電容式氣體傳感器，包括上電極平板、下電極平板、若干支柱和介質(zhì)薄膜，支柱設(shè)置在上電極平板和下電極平板之間，使兩者之間形成空腔，所述介質(zhì)薄膜涂覆在支柱上以及上下電極的內(nèi)表面上，其特征在于①相鄰支柱上的介質(zhì)薄膜彼此不接觸，保留的空腔結(jié)構(gòu)形成氣體擴(kuò)散通道；②上電極平板上不設(shè)置氣孔，上電極平板和下電極平板之間的側(cè)壁開放，使氣體從側(cè)壁進(jìn)入。本發(fā)明的微型平板電容式氣體傳感器可以對濃度極低的多種待測氣體進(jìn)行檢測，具有響應(yīng)快、靈敏度高、檢測對象廣泛的特點(diǎn)。
文檔編號C23C14/06GK101825511SQ20101016176
公開日2010年9月8日 申請日期2010年5月4日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月4日
發(fā)明者杜曉松, 蔣亞東, 靖紅軍 申請人:電子科技大學(xué)