本發(fā)明涉及氣體檢測領(lǐng)域，特別涉及一種基于納米材料的傳感器檢測氣體的方法。

背景技術(shù)：

環(huán)境安全和工業(yè)安全監(jiān)控是社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的先決條件和基礎(chǔ)保障。在全球經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展及各種高強(qiáng)度人類活動的影響下，環(huán)境安全和工業(yè)安全面臨著巨大的挑戰(zhàn)，主要環(huán)境安全問題和工業(yè)安全問題包括：大氣污染、水污染、土壤污染、煤礦安全生產(chǎn)等等。

而解決主要環(huán)境安全問題和工業(yè)安全問題的關(guān)鍵因素之一，就是先進(jìn)傳感器件的研發(fā)，先進(jìn)的傳感器能夠用于監(jiān)測各類有毒有害氣體，以霧霾為例，二氧化硫、氮氧化物和可吸入顆粒物是霧霾的主要組成。

因此，在當(dāng)前人們越來越注重環(huán)境保護(hù)和生活安全的情況下，對一些有害氣體和危險氣體的檢測就顯得越來越重要。

而氣體傳感器是一種用于感測待檢測氣體的傳感設(shè)備，氣體傳感器能應(yīng)用于檢測例如一氧化碳、硫化氫、二氧化硫、氫氣或乙醇等各種氣體，廣泛應(yīng)用于安全檢測、環(huán)境檢測等各種環(huán)境。

通常的氣體傳感器包括熱線性傳感器、固體電解質(zhì)氣體傳感器、電化學(xué)氣體傳感器和光學(xué)氣體傳感器，

但是上述大部分氣體傳感器靈敏度差、檢測精度低、兼容性低，且需要額外的電源驅(qū)動，以及需要連線傳輸信號或檢測數(shù)據(jù)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明解決的問題是提供一種無需電源驅(qū)動和連線傳輸信號或檢測數(shù)據(jù)，且靈敏度高、檢測精度高、兼容性好的氣體傳感器。

為解決上述問題，本發(fā)明提供一種傳感器的形成方法，提供半導(dǎo)體襯底，所述半導(dǎo)體襯底具有第一表面和與第一表面相對的第二表面，所述半導(dǎo)體襯底的第一表面具有第一介質(zhì)層，第二表面具有第二介質(zhì)層；在所述第一介質(zhì)層表面形成若干MoS₂納米結(jié)構(gòu)，若干MoS₂納米結(jié)構(gòu)呈線性排列；在所述第一介質(zhì)層表面形成傳輸線，所述傳輸線具有間隔，所述間隔適于容納所述MoS₂納米結(jié)構(gòu)；在所述半導(dǎo)體襯底的第二介質(zhì)層表面形成接地層，所述接地層形成有互補(bǔ)開口諧振環(huán)，所述互補(bǔ)開口諧振環(huán)的位置與所述MoS₂納米結(jié)構(gòu)的位置對應(yīng)。

可選的，在所述第一介質(zhì)層表面形成若干MoS₂納米結(jié)構(gòu)包括：提供石英管式爐，所述石英管式爐具有連通的第一溫區(qū)和第二溫區(qū)，三氧化鉬粉末、硫粉；將三氧化鉬粉末放置于石英管式爐內(nèi)的第一溫區(qū)，形成有介質(zhì)層的半導(dǎo)體襯底設(shè)置于三氧化鉬粉末的上方，半導(dǎo)體襯底與三氧化鉬粉末的間距為1厘米至5厘米；將硫粉放置于石英管式爐的第二溫區(qū)，其中硫粉與三氧化鉬粉末的間距為17厘米至20厘米；其中，第一溫區(qū)的溫度設(shè)置為650攝氏度至800攝氏度，第二溫區(qū)的溫度設(shè)置為180攝氏度至300攝氏度，石英管式爐在制備過程中始終通入30sccm的氬氣，且氬氣沿第二溫區(qū)流向第一溫區(qū)；保持第一溫區(qū)650攝氏度至800攝氏度的時間為5分鐘后，讓管式爐自然冷卻到室溫，取出在所述介質(zhì)層表面形成MoS₂納米線層的半導(dǎo)體襯底；在所述半導(dǎo)體襯底100表面形成光刻膠圖形，所述光刻膠圖形覆蓋部分MoS₂納米線且所述光刻膠圖形與待形成的線性排列的MoS₂納米線對應(yīng)，采用刻蝕工藝去除未被覆蓋的MoS₂納米線，然后去除所述光刻膠圖形，形成若干間隔的MoS₂納米線且若干MoS₂納米線呈線性排列。

可選的，所述傳輸線的形成工藝包括：采用光刻膠圖形覆蓋所述MoS₂納米結(jié)構(gòu)，所述光刻膠圖形暴露出若干所述介質(zhì)層表面，所述光刻膠圖形與待形成的傳輸線對應(yīng)，采用物理氣相沉積工藝在所述介質(zhì)層表面形成金屬薄膜；去除光刻膠圖形，形成具有間隔的傳輸線。

可選的，所述互補(bǔ)開口諧振環(huán)的結(jié)構(gòu)為兩個互相反向放置的同心開口諧振環(huán)，所述互補(bǔ)開口諧振環(huán)的形成工藝包括：在所述接地層表面形成光刻膠圖形，所述光刻膠圖形具有與互補(bǔ)開口諧振環(huán)對應(yīng)的圖形；以所述光刻膠圖形為掩膜，刻蝕所述接地層，直至暴露出第二介質(zhì)層；去除所述光刻膠圖形，形成互補(bǔ)開口諧振環(huán)。

本發(fā)明還提供一種傳感器，包括：具有第一表面和與第一表面相對的第二表面的半導(dǎo)體襯底；位于第一表面的第一介質(zhì)層；位于第二表面的第二介質(zhì)層；位于第一介質(zhì)層表面的傳輸線，且傳輸線具有間隔；填充所述間隔的MoS₂納米結(jié)構(gòu)；位于第二介質(zhì)層的接地層，所述接地層內(nèi)具有互補(bǔ)開口諧振環(huán)，互補(bǔ)開口諧振環(huán)的位置與傳輸線的間隔對應(yīng)。

可選的，半導(dǎo)體襯底厚度為400微米至600微米，介電常數(shù)約為11.9；所述第一介質(zhì)層的材料為氧化硅，所述第一介質(zhì)層110的厚度為10到30微米，所述第一介質(zhì)層的介電常數(shù)為4；所述第二介質(zhì)層的材料為氧化硅，所述第二介質(zhì)層的厚度為10到30微米，所述第二介質(zhì)層的介電常數(shù)為4；所述傳輸線長度為11毫米至13毫米，寬度為0.6毫米；所述接地層的厚度為5微米至20微米。

可選的，所述互補(bǔ)開口諧振環(huán)的結(jié)構(gòu)為兩個互相反向放置的同心開口諧振環(huán)，其中，較大的開口諧振環(huán)的尺寸為：開口為0.3毫米，環(huán)的內(nèi)徑為5.52毫米，環(huán)的外徑為5.92毫米。較小的開口諧振環(huán)的尺寸為：開口為0.3毫米，環(huán)的內(nèi)徑為4.72毫米，環(huán)的外徑為5.12毫米。較大的開口諧振環(huán)與較小的開口諧振環(huán)的間距為0.2毫米。

可選的，當(dāng)所述傳感器的MoS₂納米結(jié)構(gòu)數(shù)量為1時，所述傳感器的等效電路為：輸入端，所述輸入端連接傳輸線第一等效電感的第一端，傳輸線第一等效電感的第二端連接MoS₂納米結(jié)構(gòu)的等效電阻的第一端，MoS₂納米結(jié)構(gòu)的等效電阻的第二端連接MoS₂納米結(jié)構(gòu)的等效電感的第一端，MoS₂納米結(jié)構(gòu)的等效電感的第二端連接MoS₂納米結(jié)構(gòu)的等效電容的第一端，MoS₂納米結(jié)構(gòu)的等效電容的第二端連接傳輸線第二等效電感的第一端，傳輸線第二等效電感的第二端連接輸出端，傳輸線第一等效電容的第一端連接傳輸線第一等效電感的第二端，傳輸線第一等效電容的第二端連接傳輸線第二等效電容的第一端，傳輸線第二等效電容的第二端連接傳輸線第二等效電感的第一端；互補(bǔ)開口諧振環(huán)的等效電感的第一端連接傳輸線第一等效電容的第二端，互補(bǔ)開口諧振環(huán)的等效電容的第一端連接傳輸線第一等效電容的第二端，互補(bǔ)開口諧振環(huán)的等效電感的第二端連接互補(bǔ)開口諧振環(huán)的等效電容的第二端并接地。

本發(fā)明還提供一種傳感器檢測氣體的方法，包括：獲取第一曲線，所述第一曲線為：在沒有待檢測氣體的環(huán)境下，所述傳感器的頻率與S₁₁的曲線；將傳感器放置于待檢測環(huán)境，獲取第二曲線，所述第二曲線為：在待檢測環(huán)境下，所述傳感器的頻率與S₁₁的曲線；通過比較第一曲線和第二曲線的頻移的諧振頻率變化與否，檢測待檢測環(huán)境下是否存在待檢測氣體。

可選的，還包括：通過獲取待檢測環(huán)境的多條第二曲線，根據(jù)多條第二曲線頻移的諧振頻率變化幅度，來獲取待檢測環(huán)境的待檢測氣體濃度。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)方案具有以下優(yōu)點(diǎn)：

本發(fā)明的傳感器的實施例采用納米材料MoS₂結(jié)合互補(bǔ)開口諧振環(huán)應(yīng)用于傳感器，通過納米材料MoS₂吸收氣體后，其材料的介電常數(shù)和導(dǎo)電性都發(fā)生變化，從而最終引起傳感器諧振頻率的變化，通過測量諧振頻率的偏移，從而獲得氣體的濃度變化，起到檢測報警作用，而采用互補(bǔ)開口諧振環(huán)應(yīng)用于傳感器，互補(bǔ)開口諧振環(huán)的同心圓之間的邊緣電容效應(yīng)發(fā)生諧振，互補(bǔ)開口諧振環(huán)應(yīng)用于傳感器使得器件在特定頻段具有負(fù)介電常數(shù)和負(fù)磁導(dǎo)率，使得傳感器的尺寸和工作頻率相比很小，可小型化，并且傳感器具有好的品質(zhì)因數(shù)，可提高傳感器靈敏性，拓展了左手材料及納米材料在現(xiàn)代檢測技術(shù)中的應(yīng)用。

本發(fā)明的傳感器的形成方法采用大規(guī)模集成電路工藝形成微波器件單元，優(yōu)化基于納米材料的傳感器的工藝步驟。

本發(fā)明的傳感器檢測氣體的方法能夠檢測不同濃度的氣體，通過諧振頻率變化獲知檢測氣體的濃度變化，檢測精度高。

附圖說明

圖1是本發(fā)明傳感器的形成方法的一實施例的流程示意圖；

圖2至圖8是本發(fā)明的傳感器的形成方法一實施例的過程示意圖；

圖9是本發(fā)明的傳感器一實施例的等效電路示意圖；

圖10是本發(fā)明傳感器一實施例的測試氣體示意圖。

具體實施方式

現(xiàn)有的大部分氣體傳感器靈敏度差、檢測精度低、兼容性低，且需要額外的電源驅(qū)動，以及需要連線傳輸信號或檢測數(shù)據(jù)。以熱線性傳感器為例，熱線性傳感器是利用熱導(dǎo)率變化的半導(dǎo)體傳感器，是在Pt絲線圈上涂敷SnO₂層，Pt絲除起加熱作用外，還有檢測溫度變化的功能。施加電壓半導(dǎo)體變熱，表面吸氧，使自由電子濃度下降，可燃性氣體存在時，由于燃燒耗掉氧自由電子濃度增大，導(dǎo)熱率隨自由電子濃度增加而增大，散熱率相應(yīng)增高，使Pt絲溫度下降，阻值減小，Pt絲阻值變化與氣體濃度為線性關(guān)系。

但是，Pt絲線圈上涂敷SnO₂層無法采用集成電路工藝進(jìn)行制造，兼容性低，另外需要采用額外的電源驅(qū)動以及連線連接熱線性傳感器。并且隨著物聯(lián)網(wǎng)的興起，現(xiàn)有的傳感器無法與射頻器件兼容，因而無法兼容于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。

為此，本發(fā)明的發(fā)明人提出一種基于納米材料的傳感器及其形成方法，將能采用集成電路工藝制造基于納米材料的傳感器，所述傳感器基于納米材料和互補(bǔ)開口諧振環(huán)來探測氣體，是一種無線無源氣體傳感器；可以用于易燃、易爆、高溫、低溫、強(qiáng)電磁場、運(yùn)動物體及其它傳感器無法應(yīng)用的特殊場合，具有應(yīng)用廣泛的優(yōu)點(diǎn)；所述傳感器是優(yōu)良的傳感載體和無源器件，并且采用了互補(bǔ)開口諧振環(huán)應(yīng)用于傳感器，互補(bǔ)開口諧振環(huán)的同心圓之間的邊緣電容效應(yīng)發(fā)生諧振，互補(bǔ)開口諧振環(huán)應(yīng)用于傳感器使得器件在特定頻段具有負(fù)介電常數(shù)和負(fù)磁導(dǎo)率，使得傳感器的尺寸和工作頻率相比很小，可小型化，并且傳感器具有好的品質(zhì)因數(shù)，可提高傳感器靈敏性，拓展了左手材料及納米材料在現(xiàn)代檢測技術(shù)中的應(yīng)用。

進(jìn)一步地，通過設(shè)置傳感器的參數(shù)，使得傳感器的工作范圍是射頻微波領(lǐng)域，可直接收發(fā)射頻和微波電磁波，實現(xiàn)非接觸無線傳感，具有無電源和信號連線，體積小，成本低、靈敏度高、功耗低、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，適合復(fù)雜環(huán)境下的應(yīng)用。也可用于運(yùn)動部件及不可接觸對象的檢測。

所述傳感器是采用具有雙負(fù)特性(負(fù)介電常數(shù)和負(fù)磁導(dǎo)率)左手材料逆開口的互補(bǔ)開口諧振環(huán)的諧振器結(jié)合氣敏材料MoS₂研制，通過納米材料MoS₂吸收不同氣體后，其材料的介電常數(shù)和導(dǎo)電性都發(fā)生變化，從而最終引起傳感器諧振頻率的變化，通過測量諧振頻率的偏移，從而獲得氣體的濃度變化，起到檢測報警作用。

所述傳感器具有無需電池供應(yīng)能量，也無需互聯(lián)線傳輸信號，可極大拓寬傳感器使用壽命和應(yīng)用環(huán)境，解決了惡劣環(huán)境下引線難和不穩(wěn)定等問題，另外能夠應(yīng)用于被測對象與信號處理系統(tǒng)間無法用電纜、光纖等連接，不方便提供電源或處于惡劣環(huán)境中。

為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠更為明顯易懂，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施例做詳細(xì)的說明。

本發(fā)明的實施例提供一種基于納米材料的傳感器的形成方法，請參考圖1，包括如下步驟：

S101，提供半導(dǎo)體襯底，所述半導(dǎo)體襯底具有第一表面和與第一表面相對的第二表面，所述半導(dǎo)體襯底的第一表面具有第一介質(zhì)層，第二表面具有第二介質(zhì)層；

S102，在所述第一介質(zhì)層表面形成若干MoS₂納米結(jié)構(gòu)，若干MoS₂納米結(jié)構(gòu)呈線性排列；

S103，在所述第一介質(zhì)層表面形成傳輸線，所述傳輸線具有間隔，所述間隔適于容納所述MoS₂納米結(jié)構(gòu)；

S104，在所述半導(dǎo)體襯底的第二介質(zhì)層表面形成接地層，所述接地層形成有互補(bǔ)開口諧振環(huán)，所述互補(bǔ)開口諧振環(huán)的位置與所述MoS₂納米結(jié)構(gòu)的位置對應(yīng)。

具體地，請參考圖2，提供半導(dǎo)體襯底100，所述半導(dǎo)體襯底100具有第一表面I和與第一表面I相對的第二表面II。

所述半導(dǎo)體襯底100可以為半導(dǎo)體材料，比如所述半導(dǎo)體襯底100可以為單晶硅、單晶鍺硅、單晶GaAs、單晶GaN等單晶的半導(dǎo)體材料(比如II－VI族、III－V族化合物半導(dǎo)體)，所述半導(dǎo)體襯底100的材料還可以是n型摻雜或p型摻雜硅襯底，多晶襯底或者是非晶襯底，比如所述半導(dǎo)體襯底100材料可以是多晶硅或者其他材質(zhì)。

需要說明的是，所述半導(dǎo)體襯底100用于為后續(xù)形成的傳感器提供載體平臺，后續(xù)將在所述平臺上形成傳輸線和互補(bǔ)開口諧振環(huán)等微波器件單元，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該知曉，微波器件單元通常形成于微波PCB板載體平臺上，但是微波PCB板無法與集成電路工藝兼容，為此，本發(fā)明的實施例選用與集成電路工藝兼容的所述半導(dǎo)體襯底100，并采用集成電路工藝形成微波器件單元，以優(yōu)化基于納米材料的傳感器的工藝步驟。

需要指出的是，現(xiàn)有的半導(dǎo)體器件通常只形成于半導(dǎo)體襯底的工作面，而由于本實施例的所述半導(dǎo)體襯底100用于為后續(xù)形成的傳感器提供載體平臺，需要在所述半導(dǎo)體襯底100的第一表面I和第二表面II分別對應(yīng)形成微波器件單元。作為一實施例，第一表面I可以為半導(dǎo)體襯底的工作面；作為另一實施例，第二表面II可以為半導(dǎo)體襯底的工作面。

在本實施例中，所述半導(dǎo)體襯底選用介電常數(shù)約為11.9的p型硅襯底。

請依舊參考圖2，在所述半導(dǎo)體襯底100的第一表面I形成第一介質(zhì)層110，在第二表面形成第二介質(zhì)層150。

所述第一介質(zhì)層110的用于電學(xué)隔離后續(xù)形成的微波器件單元和所述半導(dǎo)體襯底100。

所述第一介質(zhì)層110的材料為氧化硅、氮化硅、氮氧化硅等介質(zhì)材料；所述第一介質(zhì)層110的厚度為10到30微米，作為一實施例，所述第一介質(zhì)層110的厚度為20微米；作為一實施例，所述第一介質(zhì)層110的材料為氧化硅，形成工藝為氧化工藝或化學(xué)氣相沉積工藝。

需要說明的是，也可以直接選用第一表面具有第一介質(zhì)層110的所述半導(dǎo)體襯底100，而不需要額外再形成第一介質(zhì)層110；本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以根據(jù)實際工藝來選用所需的半導(dǎo)體襯底，在此特意說明，不應(yīng)過分限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。

在本實施例中，所述第一介質(zhì)層110的材料為氧化硅，厚度為20微米，介電常數(shù)約為4。

所述第二介質(zhì)層150的用于電學(xué)隔離后續(xù)形成的互補(bǔ)開口諧振環(huán)和所述半導(dǎo)體襯底100。

所述第二介質(zhì)層150的材料為氧化硅、氮化硅、氮氧化硅等介質(zhì)材料；所述第二介質(zhì)層150的厚度為10到30微米，作為一實施例，所述第二介質(zhì)層150的厚度為20微米；作為一實施例，所述第二介質(zhì)層150的材料為氧化硅，形成工藝為氧化工藝或化學(xué)氣相沉積工藝。

需要說明的是，也可以直接選用第二表面具有第二介質(zhì)層150的所述半導(dǎo)體襯底100，而不需要額外再形成第二介質(zhì)層150；本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以根據(jù)實際工藝來選用所需的半導(dǎo)體襯底，在此特意說明，不應(yīng)過分限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。

在本實施例中，所述第二介質(zhì)層150的材料為氧化硅，厚度為20微米，介電常數(shù)約為4。

請參考圖3，在所述第一介質(zhì)層110表面形成若干的MoS₂納米結(jié)構(gòu)122，若干MoS₂納米結(jié)構(gòu)122呈線性排列。

所述MoS₂納米結(jié)構(gòu)122適于吸附待探測氣體，從而導(dǎo)致MoS₂納米結(jié)構(gòu)的介電常數(shù)和導(dǎo)電性都發(fā)生變化，從而最終引起傳感器諧振頻率的變化，通過測量諧振頻率的偏移，從而獲得氣體的濃度變化。另外，MoS₂納米結(jié)構(gòu)122由于具有較大的比表面積，吸附氣體的相應(yīng)時間短，從而探測氣體比較靈敏。

MoS₂納米結(jié)構(gòu)122的數(shù)量可以為1、2、3、4…；需要說明的是，MoS₂納米結(jié)構(gòu)122的數(shù)量越多，傳感器探測的靈敏度越高，但是由于MoS₂納米結(jié)構(gòu)的比表面積大，吸附待探測氣體后介電常數(shù)和導(dǎo)電性都發(fā)生變化明顯，因此，當(dāng)MoS₂納米結(jié)構(gòu)122的數(shù)量為1時，傳感器探測的靈敏度也具有較高的值，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以根據(jù)傳感器探測的靈敏度選擇MoS₂納米結(jié)構(gòu)122的數(shù)量。

需要說明的是，若干MoS₂納米結(jié)構(gòu)122的間距可以相同也可以不同，本發(fā)明以若干MoS₂納米結(jié)構(gòu)122的間距相同做示范性說明，但是，在其他實施例中，若干MoS₂納米結(jié)構(gòu)122的間距也可不同或不全相同；發(fā)明人發(fā)現(xiàn)若干MoS₂納米結(jié)構(gòu)122的間距的選擇會影響后續(xù)傳感器的諧振頻率值。

作為一實施例，以MoS₂納米線為例做示范性說明，在所述第一介質(zhì)層表面形成若干間隔的MoS₂納米結(jié)構(gòu)122，若干MoS₂納米結(jié)構(gòu)122呈線性排列包括如下步驟：采用化學(xué)氣相沉積工藝在所述介質(zhì)層表面形成MoS₂納米線層；采用光刻工藝形成若干間隔的MoS₂納米線且若干MoS₂納米結(jié)構(gòu)呈線性排列。

作為一實施例，請參考圖4，采用化學(xué)氣相沉積工藝在所述介質(zhì)層表面形成MoS₂納米線層，具體包括：提供石英管式爐200，所述石英管式爐200具有連通的第一溫區(qū)201和第二溫區(qū)202，三氧化鉬(MoO₃)粉末203、硫粉(S)204和形成有介質(zhì)層(圖4未示出)的半導(dǎo)體襯底100；將三氧化鉬粉末203放置于石英管式爐200內(nèi)的第一溫區(qū)201，形成有介質(zhì)層的半導(dǎo)體襯底100設(shè)置于三氧化鉬粉末203的上方，半導(dǎo)體襯底100與三氧化鉬粉末203的間距為1厘米至5厘米；將硫粉204放置于石英管式爐的第二溫區(qū)202，其中硫粉204與三氧化鉬粉末203的間距為17厘米至20厘米；其中，第一溫區(qū)201的溫度設(shè)置為650攝氏度至800攝氏度，第二溫區(qū)202的溫度設(shè)置為180攝氏度至300攝氏度，石英管式爐200在制備過程中始終通入30sccm的氬氣(Ar)，且氬氣沿第二溫區(qū)202流向第一溫區(qū)201；保持第一溫區(qū)650攝氏度至800攝氏度的時間為5分鐘后，讓管式爐自然冷卻到室溫，取出在所述介質(zhì)層表面形成MoS₂納米線層的半導(dǎo)體襯底100。

請參考圖5，圖5為采用化學(xué)氣相沉積工藝在所述介質(zhì)層表面形成MoS₂納米線層中單根MoS₂納米線的原子力顯微鏡圖片，從圖5中可以獲知，MoS₂納米線的長度大于1000納米，寬度約為20納米至50納米，且MoS₂納米線具有節(jié)，上述納米結(jié)構(gòu)具有較大的比表面積，能夠吸附待探測氣體，從而導(dǎo)致MoS₂納米結(jié)構(gòu)的介電常數(shù)和導(dǎo)電性都發(fā)生變化。

采用光刻工藝形成若干間隔的MoS₂納米線且若干MoS₂納米線呈線性排列，包括如下步驟：在所述半導(dǎo)體襯底100表面形成光刻膠圖形(未示出)，所述光刻膠圖形覆蓋部分MoS₂納米線且所述光刻膠圖形與待形成的線性排列的MoS₂納米線對應(yīng)，采用刻蝕工藝去除未被覆蓋的MoS₂納米線，然后去除所述光刻膠圖形，形成若干間隔的MoS₂納米線且若干MoS₂納米線呈線性排列。

還需要說明的是，控制MoS₂納米結(jié)構(gòu)的生長溫度、間距、氣體流量還可以制備出MoS₂的納米棒、納米帶、納米晶須等納米結(jié)構(gòu)，在此特意說明，不應(yīng)過分限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。

請參考圖6，在所述第一介質(zhì)層110表面形成傳輸線120，所述傳輸線120具有間隔121，所述間隔121適于容納所述MoS₂納米結(jié)構(gòu)122；

所述傳輸線120用于傳輸微波信號，所述傳輸線的材料為金屬，例如銅、金、銀等。

所述傳輸線120為長條狀，傳輸線120沿長度方向排列，其中，所述傳輸線長度為11毫米至13毫米，寬度為0.6毫米，間隔121為0.3毫米。

作為一實施例，所述傳輸線120的形成工藝包括：采用光刻膠圖形覆蓋所述MoS₂納米結(jié)構(gòu)122，所述光刻膠圖形暴露出若干所述第一介質(zhì)層110表面，所述光刻膠圖形與待形成的傳輸線120對應(yīng)，采用物理氣相沉積工藝在所述第一介質(zhì)層110表面形成金屬薄膜(未標(biāo)示)；去除光刻膠圖形，形成具有間隔121的傳輸線120。

請一并參考圖7和圖8，其中圖8為沿垂直第二表面II方向的圖7的俯視圖，在第二介質(zhì)層150表面形成接地層130，所述接地層形成有互補(bǔ)開口諧振環(huán)131。

其中，互補(bǔ)開口諧振環(huán)131作用為：當(dāng)電磁波入射時，如果磁場方向垂直于開口諧振環(huán)平面，則開口諧振環(huán)上金屬結(jié)構(gòu)表面金屬帶部分產(chǎn)生電流回路，等效為電感；位移電流位于開口諧振環(huán)內(nèi)外金屬環(huán)間縫隙和各環(huán)開口處，等效為電容。因此，在入射電磁波磁場激勵下，開口諧振環(huán)產(chǎn)生諧振，并且等效磁導(dǎo)率為負(fù)?；パa(bǔ)開口諧振環(huán)是開口諧振環(huán)的互補(bǔ)結(jié)構(gòu)。由傳輸線理論，準(zhǔn)TEM模式使金屬帶條和地板間有強(qiáng)烈的電場分布，當(dāng)電場強(qiáng)度足夠大且正好平行于互補(bǔ)開口諧振環(huán)中心軸線，就能夠較好地對互補(bǔ)開口諧振環(huán)進(jìn)行激勵，并產(chǎn)生負(fù)的介電常數(shù)，互補(bǔ)開口諧振環(huán)應(yīng)用于傳感器使得器件在特定頻段具有負(fù)介電常數(shù)和負(fù)磁導(dǎo)率，使得傳感器的尺寸和工作頻率相比很小，可小型化，并且傳感器具有好的品質(zhì)因數(shù)，可提高傳感器靈敏性。

因此，所述互補(bǔ)開口諧振環(huán)131能夠放大消逝波，使得諧振環(huán)區(qū)域電場強(qiáng)，增強(qiáng)傳感器靈敏性，并且所述互補(bǔ)開口諧振環(huán)131結(jié)構(gòu)的超材料特性具有雙負(fù)性，能夠可以減小器件尺寸，例如所述互補(bǔ)開口諧振環(huán)131結(jié)構(gòu)的超材料可在λ/8至λ//12諧振(需要說明的是：λ是傳感器工作頻率對應(yīng)的波長)，從而減小器件尺寸。

進(jìn)一步的，選用所述互補(bǔ)開口諧振環(huán)131的氣體傳感器具有低功耗。

作為一實施例，互補(bǔ)開口諧振環(huán)131的結(jié)構(gòu)為兩個互相反向放置的同心開口諧振環(huán)，其中，較大的開口諧振環(huán)的尺寸為：開口為0.3毫米，環(huán)的內(nèi)徑為5.52毫米，環(huán)的外徑為5.92毫米。較小的開口諧振環(huán)的尺寸為：開口為0.3毫米，環(huán)的內(nèi)徑為4.72毫米，環(huán)的外徑為5.12毫米。較大的開口諧振環(huán)與較小的開口諧振環(huán)的間距為0.2毫米。

互補(bǔ)開口諧振環(huán)131的位置與傳輸線120的間隔121對應(yīng)，作為一實施例，間隔121投影的位置位于互補(bǔ)開口諧振環(huán)131的中心位置。為了示意，所述傳輸線120在圖8中的投影以虛線示出。

具體地，在第二介質(zhì)層150的表面形成接地層130的工藝包括：采用物理氣相沉積工藝在所述第二介質(zhì)層150的表面形成接地層130。

接地層130的厚度為5微米至20微米，接地層的材料為金屬，例如銅、金、銀等。

在所述接地層130內(nèi)形成互補(bǔ)開口諧振環(huán)131的步驟包括：在所述接地層130表面形成光刻膠圖形(未示出)，所述光刻膠圖形具有與互補(bǔ)開口諧振環(huán)131對應(yīng)的圖形；以所述光刻膠圖形為掩膜，刻蝕所述接地層130，直至暴露出所述第二介質(zhì)層150的表面；去除所述光刻膠圖形，形成互補(bǔ)開口諧振環(huán)131。

本發(fā)明還提供一種傳感器的實施例，包括：具有第一表面I和與第一表面I相對的第二表面II的半導(dǎo)體襯底100；位于第一表面I的第一介質(zhì)層110；位于第二表面II的第二介質(zhì)層150；位于第一介質(zhì)層110表面的傳輸線120，且傳輸線120具有間隔121；填充所述間隔121的MoS₂納米結(jié)構(gòu)；位于第二介質(zhì)層150的接地層130，所述接地層130內(nèi)具有互補(bǔ)開口諧振環(huán)131，互補(bǔ)開口諧振環(huán)131的位置與傳輸線的間隔121對應(yīng)。

具體地，半導(dǎo)體襯底100厚度為400微米至600微米，介電常數(shù)約為11.9；

所述第一介質(zhì)層110的材料為氧化硅、氮化硅、氮氧化硅等介質(zhì)材料；所述第一介質(zhì)層110的厚度為10到30微米，所述第一介質(zhì)層110的介電常數(shù)約為4。

所述第二介質(zhì)層150的材料為氧化硅、氮化硅、氮氧化硅等介質(zhì)材料；所述第二介質(zhì)層150的厚度為10到30微米，所述第二介質(zhì)層150的介電常數(shù)約為4。

所述傳輸線120為長條狀，傳輸線120沿長度方向排列，其中，所述傳輸線長度為11毫米至13毫米，寬度為0.6毫米，間隔121為0.3毫米。所述MoS₂納米結(jié)構(gòu)122適于吸附待探測氣體，從而導(dǎo)致MoS₂納米結(jié)構(gòu)的介電常數(shù)和導(dǎo)電性都發(fā)生變化，從而最終引起傳感器諧振頻率的變化，通過測量諧振頻率的偏移，從而獲得氣體的濃度變化。MoS₂納米結(jié)構(gòu)122的數(shù)量可以為1、2、3、4…；MoS₂納米結(jié)構(gòu)可以為MoS₂的納米棒、納米帶、納米晶須等納米結(jié)構(gòu)。

互補(bǔ)開口諧振環(huán)131的結(jié)構(gòu)為兩個互相反向放置的同心開口諧振環(huán)，其中，較大的開口諧振環(huán)的尺寸為：開口為0.3毫米，環(huán)的內(nèi)徑為5.52毫米，環(huán)的外徑為5.92毫米。較小的開口諧振環(huán)的尺寸為：開口為0.3毫米，環(huán)的內(nèi)徑為4.72毫米，環(huán)的外徑為5.12毫米。較大的開口諧振環(huán)與較小的開口諧振環(huán)的間距為0.2毫米。

需要說明的是，所述傳感器可以做以下近似：互補(bǔ)開口諧振環(huán)131忽略對諧振頻率影響較小的電阻，其性能接近于一個LC網(wǎng)絡(luò)；傳輸線120可以等效為電容和電感，MoS₂納米結(jié)構(gòu)122等效為RLC電路，來調(diào)諧諧振的頻率。

其中，以具有一個MoS₂納米結(jié)構(gòu)122的傳感器為例，其中所述傳感器的傳輸線120為長條狀，所述傳輸線120只有1個間隔，圖9為所述傳感器的等效電路，包括：輸入端，所述輸入端連接傳輸線第一等效電感L_傳輸線的第一端，傳輸線第一等效電感L_傳輸線的第二端連接MoS₂納米結(jié)構(gòu)的等效電阻R_MoS2的第一端，MoS₂納米結(jié)構(gòu)的等效電阻R_MoS2的第二端連接MoS₂納米結(jié)構(gòu)的等效電感L_MoS2的第一端，MoS₂納米結(jié)構(gòu)的等效電感L_MoS2的第二端連接MoS₂納米結(jié)構(gòu)的等效電容C_MoS2的第一端，MoS₂納米結(jié)構(gòu)的等效電容C_MoS2的第二端連接傳輸線第二等效電感L’_傳輸線的第一端，傳輸線第二等效電感L’_傳輸線的第二端連接輸出端，傳輸線第一等效電容C_傳輸線的第一端連接傳輸線第一等效電感L_傳輸線的第二端，傳輸線第一等效電容C_傳輸線的第二端連接傳輸線第二等效電容C’_傳輸線的第一端，傳輸線第二等效電容C’_傳輸線的第二端連接傳輸線第二等效電感L’_傳輸線的第一端；互補(bǔ)開口諧振環(huán)的等效電感L_CSRR的第一端連接傳輸線第一等效電容C_傳輸線的第二端，互補(bǔ)開口諧振環(huán)的等效電容C_CSRR的第一端連接傳輸線第一等效電容C_傳輸線的第二端，互補(bǔ)開口諧振環(huán)的等效電感L_CSRR的第二端連接互補(bǔ)開口諧振環(huán)的等效電容C_CSRR的第二端并接地。

由所述傳感器的等效電路可知，所述MoS₂納米結(jié)構(gòu)122等效為串聯(lián)的電阻、電感和電容，將所述傳感器放置于待檢測環(huán)境時，當(dāng)微波信號通過所述傳輸線120時，所述MoS₂納米結(jié)構(gòu)122吸附待檢測氣體，等效電容的電容值和電阻值改變，從而引起傳感器的頻率與S₁₁的曲線的諧振頻率變化，使得所述傳感器能夠檢測待檢測氣體。

本發(fā)明還提供一種采用上述實施例的傳感器檢測氣體的方法，包括如下步驟：

S201，提供傳感器，所述傳感器包括：具有第一表面和與第一表面相對的第二表面的半導(dǎo)體襯底；位于第一表面的第一介質(zhì)層；位于第二表面的第二介質(zhì)層；位于第一介質(zhì)層表面的傳輸線，且傳輸線具有間隔；填充所述間隔的MoS₂納米結(jié)構(gòu)；位于第二介質(zhì)層的接地層，所述接地層內(nèi)具有互補(bǔ)開口諧振環(huán)，互補(bǔ)開口諧振環(huán)的位置與傳輸線的間隔對應(yīng)；

S202，獲取第一曲線，所述第一曲線為：在沒有待檢測氣體的環(huán)境下，所述傳感器的頻率與S₁₁的曲線；

S203，將傳感器放置于待檢測環(huán)境，獲取第二曲線，所述第二曲線為：在待檢測環(huán)境下，所述傳感器的頻率與S₁₁的曲線；

S204，通過比較第一曲線和第二曲線的頻移的諧振頻率變化與否，檢測待檢測環(huán)境下是否存在待檢測氣體。

其中，第一曲線和第二曲線的獲取方式為采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試傳感器對傳感器進(jìn)行測試。

在另一實施例中，還可以通過獲取待檢測環(huán)境的多條第二曲線，根據(jù)多條第二曲線頻移的諧振頻率變化幅度，來獲取待檢測環(huán)境的待檢測氣體濃度。

具體地，以所述待檢測氣體為NO₂為例做示范性說明，通過設(shè)置傳感器的參數(shù)，使得傳感器工作于移動通信或者WIFI等免費(fèi)開放頻段，作為一實施例，半導(dǎo)體襯底厚度為530微米，介電常數(shù)約為11.9，第一介質(zhì)層厚度為20微米，介電常數(shù)約為4，第二介質(zhì)層厚度為20微米，介電常數(shù)約為4，互補(bǔ)開口諧振環(huán)的結(jié)構(gòu)為兩個互相反向放置的同心開口諧振環(huán)，其中，較大的開口諧振環(huán)的尺寸為：開口為0.3毫米，環(huán)的內(nèi)徑為5.52毫米，環(huán)的外徑為5.92毫米。較小的開口諧振環(huán)的尺寸為：開口為0.3毫米，環(huán)的內(nèi)徑為4.72毫米，環(huán)的外徑為5.12毫米。較大的開口諧振環(huán)與較小的開口諧振環(huán)的間距為0.2毫米。傳輸線長度為12.1毫米，寬度為0.6毫米，間隔121為0.3毫米。

將傳感器放置于沒有待檢測氣體的環(huán)境下(大氣環(huán)境，溫度為20攝氏度，氮約占78％，氧約占21％，稀有氣體約占0.94％，二氧化碳約占0.03％，其他氣體約占0.03％)，采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試傳感器，在2.0GHz至3.0GHz頻率下，測試所述傳感器的頻率與S₁₁的曲線3，獲得曲線3的諧振頻率為2.46GHz；之后，將傳感器放置于待檢測環(huán)境中，其中NO₂的濃度為10ppm，采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試傳感器，在2.0GHz至3.0GHz頻率下，測試所述傳感器的頻率與S₁₁的曲線2，獲得曲線2的諧振頻率為2.41GHz；曲線2相對于曲線3頻移0.05GHz，之后，將傳感器放置于另一待檢測環(huán)境中，其中NO₂的濃度為100ppm，采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試傳感器，在2.0GHz至3.0GHz頻率下，測試所述傳感器的頻率與S₁₁的曲線1，獲得曲線1的諧振頻率為2.32GHz，曲線1相對于曲線3頻移0.14GHz；根據(jù)傳感器的頻率與S₁₁的曲線的諧振頻率變換，可以得知待檢測環(huán)境存在待檢測氣體NO₂，并且能夠根據(jù)曲線諧振頻率的變換獲知待檢測氣體NO₂的濃度。

本發(fā)明的傳感器的實施例采用納米材料MoS₂結(jié)合互補(bǔ)開口諧振環(huán)應(yīng)用于傳感器，通過納米材料MoS₂吸收氣體后，其材料的介電常數(shù)和導(dǎo)電性都發(fā)生變化，從而最終引起傳感器諧振頻率的變化，通過測量諧振頻率的偏移，從而獲得氣體的濃度變化，起到檢測報警作用，而采用互補(bǔ)開口諧振環(huán)應(yīng)用于傳感器，互補(bǔ)開口諧振環(huán)的同心圓之間的邊緣電容效應(yīng)發(fā)生諧振，互補(bǔ)開口諧振環(huán)應(yīng)用于傳感器使得器件在特定頻段具有負(fù)介電常數(shù)和負(fù)磁導(dǎo)率，使得傳感器的尺寸和工作頻率相比很小，可小型化，并且傳感器具有好的品質(zhì)因數(shù)，可提高傳感器靈敏性，拓展了左手材料及納米材料在現(xiàn)代檢測技術(shù)中的應(yīng)用。

本發(fā)明的傳感器的形成方法采用大規(guī)模集成電路工藝形成微波器件單元，優(yōu)化基于納米材料的傳感器的工藝步驟。

本發(fā)明的傳感器檢測氣體的方法能夠檢測不同濃度的氣體，通過諧振頻率變化獲知檢測氣體的濃度變化，檢測精度高。

雖然本發(fā)明披露如上，但本發(fā)明并非限定于此。任何本領(lǐng)域技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，均可作各種更動與修改，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)當(dāng)以權(quán)利要求所限定的范圍為準(zhǔn)。