一種具有兩支撐懸梁四層結(jié)構(gòu)的電阻式氣體傳感器的制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種具有兩支撐懸梁四層結(jié)構(gòu)的電阻式氣體傳感器，其具有兩支撐懸梁，其四層結(jié)構(gòu)自下而上依次為：硅襯底框架、加熱膜層、加熱電極層、敏感膜層，敏感膜層包括兩層以上敏感膜，且各層敏感膜自下而上，其比表面積逐漸減小、孔隙尺寸逐漸增大。與現(xiàn)有技術(shù)相比，其具有兩支撐懸梁的結(jié)構(gòu)易于通過調(diào)節(jié)和控制工作溫度來提高傳感器的性能；并且其采用兩層以上敏感膜作為敏感膜層，可以提高氣體傳感器的靈敏度和選擇性。
【專利說明】
一種具有兩支撐懸梁四層結(jié)構(gòu)的電阻式氣體傳感器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實(shí)用新型涉及氣體傳感器領(lǐng)域，尤其涉及一種具有兩支撐懸梁四層結(jié)構(gòu)的電阻式氣體傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]氣體傳感器已經(jīng)在工業(yè)、民用和環(huán)境監(jiān)測三大主要領(lǐng)域內(nèi)取得了廣泛的應(yīng)用。目前檢測氣體的方法和手段已經(jīng)非常多，主要包括催化燃燒式、電化學(xué)式、熱導(dǎo)式、紅外吸收式和半導(dǎo)體式氣體傳感器等。半導(dǎo)體式氣體傳感器包括電阻式半導(dǎo)體氣體傳感器和非電阻式半導(dǎo)體氣體傳感器，電阻式氣體傳感器是利用阻值變化來檢測氣體濃度。由于電阻式半導(dǎo)體傳感器具有靈敏度高、操作方便、體積小、成本低廉、響應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)，因此應(yīng)用最為廣泛，特別在對(duì)易燃易爆氣體(如CH4，H2等)和有毒有害氣體(如C0，N0x等)的探測中起著重要的作用。
[0003]半導(dǎo)體氣體傳感器通常使用金屬氧化物作為氣敏材料，通過在其表面吸附氣體及表面反應(yīng)而引起自身電阻的變化，從而監(jiān)測到目標(biāo)氣體。氣敏材料的比表面積越大靈敏度越高，越容易吸附目標(biāo)氣體?，F(xiàn)有的制備氣敏材料的方法很多，比如化學(xué)氣相沉積法、化學(xué)水浴沉積法等，其制得的氣敏材料比表面積大，化學(xué)活性高，可以監(jiān)測到濃度較低的目標(biāo)氣體。但是，由于制備氣敏材料的過程中引入了氣體雜質(zhì)，氣敏材料會(huì)存在缺陷，這些缺陷會(huì)導(dǎo)致傳感器在長期使用過程中靈敏度和選擇性降低。
[0004]目前，如何提高傳感器的靈敏度和選擇性，是本領(lǐng)域技術(shù)人員渴望解決的技術(shù)難題。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0005]本實(shí)用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種具有兩懸梁四層結(jié)構(gòu)的電阻式氣體傳感器，其具有較高的靈敏度和選擇性。
[0006]本實(shí)用新型是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:一種具有兩支撐懸梁四層結(jié)構(gòu)的電阻式氣體傳感器，所述電阻式氣體傳感器的四層結(jié)構(gòu)自下而上依次為:
[0007]硅襯底框架，其內(nèi)凹形成隔熱腔體，硅襯底框架上分布有供電電極、探測電極；
[0008]加熱膜層，其包括加熱膜區(qū)、過渡區(qū)和支撐懸梁，加熱膜層懸浮于隔熱腔體的上方，加熱膜區(qū)的兩端分別與過渡區(qū)連接，過渡區(qū)的兩端分別與支撐懸梁的一端連接，支撐懸梁的另一端與硅襯底框架連接；
[0009]加熱電極層，其包括加熱電阻絲、供電引線、叉指電極和探測引線，加熱電阻絲以折線形式排布在加熱膜區(qū)上，叉指電極排布在加熱電阻絲的間隙中，供電引線和探測引線排布在支撐懸梁上；
[0010]敏感膜層，其覆蓋在加熱電極層上，并且與叉指電極電性連接；
[0011 ]敏感膜層包括兩層以上敏感膜，各層敏感膜逐層電性連接，所述各層敏感膜自下而上，其比表面積逐漸減小、孔隙尺寸逐漸增大。
[0012]作為對(duì)上述方案的進(jìn)一步改進(jìn)，該孔隙為球形結(jié)構(gòu)，最內(nèi)層孔隙的內(nèi)徑大于10納米，最外層孔隙的內(nèi)徑小于1微米。
[0013]通常情況下，敏感膜層的比表面積越大，靈敏度越高，因此可以通過改變敏感膜的孔隙大小和密度來調(diào)控氣體傳感器的靈敏度。在比表面積大的敏感膜上覆蓋比表面積較小的膜，可以用于提高傳感器的選擇性，通過改變其材料和結(jié)構(gòu)，可以改變不同氣體分子在其表面的吸附能力，吸附能力越高的分子，檢測靈敏度越高;吸附能力越低的分子，檢測靈敏度越低，從而實(shí)現(xiàn)提高選擇性的目的。
[0014]作為對(duì)上述方案的進(jìn)一步改進(jìn)，隔熱腔體的形狀為橫截面呈倒梯形結(jié)構(gòu)、V字型結(jié)構(gòu)或圓弧形結(jié)構(gòu)。
[0015]作為對(duì)上述方案的進(jìn)一步改進(jìn)，加熱電阻絲通過供電引線與硅襯底框架上的供電電極相連，叉指電極通過探測引線與硅襯底框架上的探測電極相連。
[0016]作為對(duì)上述方案的進(jìn)一步改進(jìn)，加熱膜區(qū)的形狀為矩形結(jié)構(gòu)，過渡區(qū)的形狀為等腰梯形結(jié)構(gòu)，且等腰梯形的下底邊與矩形加熱膜區(qū)的短邊相連，等腰梯形的上底邊與支持懸梁相連。
[0017]采用兩支撐懸梁的結(jié)構(gòu)為傳感器提供工作所需的高溫，利于提高溫度的均勻性，易于通過調(diào)節(jié)和控制工作溫度來提高傳感器的性能，并且這種結(jié)構(gòu)在高溫下的機(jī)械強(qiáng)度較高;叉指電極位于加熱膜區(qū)相對(duì)應(yīng)處，用于連接敏感膜，當(dāng)目標(biāo)氣體與氣敏材料接觸時(shí)，氣敏材料的電阻會(huì)發(fā)生變化，通過測量探測電極間的電阻變化就能實(shí)現(xiàn)氣體探測。采用兩層以上敏感膜作為敏感膜層檢測氣體時(shí)，由于各層敏感膜的比表面積自下而上逐漸增大，其敏感度也逐漸增大;最外層的敏感膜可具有不同的材料和結(jié)構(gòu)，其直接與氣體接觸，可以提尚氣體傳感器對(duì)氣體的選擇性，進(jìn)而提尚相對(duì)靈敏度。
[0018]本實(shí)用新型相比現(xiàn)有技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn):本實(shí)用新型提供的一種具有兩懸梁四層結(jié)構(gòu)的電阻式氣體傳感器，其具有兩支撐懸梁的結(jié)構(gòu)易于通過調(diào)節(jié)和控制工作溫度來提高傳感器的性能;并且其采用不同比表面積和不同結(jié)構(gòu)的兩層以上的敏感膜，比表面積較大、孔隙尺寸較小的敏感膜在底層，比表面積較小、孔隙尺寸較大的敏感膜層在上層，提高了氣體傳感器的靈敏度和選擇性。
【附圖說明】
[0019]圖1是本實(shí)用新型的具有兩懸梁四層結(jié)構(gòu)的電阻式氣體傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]圖2氣體傳感器的第二至第四層結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021]圖3是氣體傳感器的具有兩層氣敏膜的第四層結(jié)構(gòu)的分解示意圖；
[0022]圖4是氣體傳感器的具有三層氣敏膜的第四層結(jié)構(gòu)的分解示意圖；
[0023]圖5是本實(shí)用新型的具有兩懸梁四層結(jié)構(gòu)的電阻式氣體傳感器的俯視圖；
[0024]圖6是本實(shí)用新型的具有兩懸梁四層結(jié)構(gòu)的電阻式氣體傳感器的側(cè)視圖；
[0025]圖7是本實(shí)用新型的另一具有兩懸梁四層結(jié)構(gòu)的電阻式氣體傳感器的側(cè)視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0026]下面對(duì)本實(shí)用新型的實(shí)施例作詳細(xì)說明，本實(shí)施例在以本實(shí)用新型技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本實(shí)用新型的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。
[0027]根據(jù)圖1和圖2所示，一種具有兩懸梁四層結(jié)構(gòu)的電阻式氣體傳感器，所述四層結(jié)構(gòu)自下而上依次為:①硅襯底框架I，其內(nèi)凹形成隔熱腔體12，硅襯底框架I上分布有供電電極13和探測電極14，采用(100)面的硅片作為硅襯底框架I，制成的隔熱腔體12的形狀為橫截面呈倒梯形結(jié)構(gòu)、V字型結(jié)構(gòu)或圓弧形結(jié)構(gòu)(如圖5至圖7所示)；②加熱膜層2，其包括加熱膜區(qū)21、過渡區(qū)22和支撐懸梁23，加熱膜層2懸浮于隔熱腔體12上方，矩形加熱膜區(qū)21的短邊分別與等腰梯形過渡區(qū)22的下底邊連接，過渡區(qū)22的兩端分別與支撐懸梁23的一端連接，支撐懸梁23的另一端與硅襯底框架I連接，等腰梯形的上底邊與支持懸梁23相連，加熱膜層由氧化硅和氮化硅的多層復(fù)合膜組成;③加熱電極層3，其包括加熱電阻絲31、供電引線32、叉指電極33和探測引線34，加熱電阻絲31以折線形式排布在加熱膜區(qū)21上，叉指電極33排布在加熱電阻絲31的間隙中，供電引線32和探測引線34排布在支撐懸梁23上;并且加熱電阻絲31通過供電引線32與硅襯底框架上的供電電極13相連，叉指電極33通過探測引線34與硅襯底框架上的探測電極14相連，加熱電阻絲31、供電引線32、供電電極13、叉指電極33、探測引線34和探測電極14的材料為金屬材料(如鉑和/或金)；④敏感膜層4，其覆蓋在加熱電極層3上，并且與叉指電極31電性連接;敏感膜層4包括兩層以上敏感膜，各層敏感膜逐層電性連接，各層敏感膜自下而上，其比表面積逐漸減小、孔隙尺寸逐漸增大，孔隙為球形結(jié)構(gòu)，最內(nèi)層孔隙的內(nèi)徑大于1納米，最外層孔隙的內(nèi)徑小于1微米。
[0028]采用兩支撐懸梁的結(jié)構(gòu)為傳感器提供工作所需的高溫，利于提高溫度的均勻性，易于通過調(diào)節(jié)和控制工作溫度來提高傳感器的性能，并且這種結(jié)構(gòu)在高溫下的機(jī)械強(qiáng)度較高;叉指電極位于加熱膜區(qū)相對(duì)應(yīng)處，用于連接敏感膜，當(dāng)目標(biāo)氣體與氣敏材料接觸時(shí)，氣敏材料的電阻會(huì)發(fā)生變化，通過測量探測電極間的電阻變化就能實(shí)現(xiàn)氣體探測。采用兩層以上敏感膜作為敏感膜層檢測氣體時(shí)，由于各層敏感膜的比表面積自下而上逐漸增大，其敏感度也逐漸增大;最外層的敏感膜可具有不同的材料和結(jié)構(gòu)，其直接與氣體接觸，可以提尚氣體傳感器對(duì)氣體的選擇性，進(jìn)而提尚相對(duì)靈敏度。
[0029]實(shí)施例1
[0030]如圖2和圖3所示，上述具有兩懸梁四層結(jié)構(gòu)的電阻式氣體傳感器，其中敏感膜層包括兩層敏感膜，底層敏感膜411厚度為50納米，晶體結(jié)構(gòu)為六方密排，孔隙的內(nèi)徑為50納米，其比表面積較大;上層層敏感膜412厚度為500納米，晶體結(jié)構(gòu)為六方密排，孔隙的內(nèi)徑為50納米，其比表面積較小;制得敏感膜層為兩層敏感膜的氣體傳感器。此類結(jié)構(gòu)傳感器與同種材料的傳統(tǒng)陶瓷管式傳感器相比，在靈敏度上能夠提高2-3個(gè)數(shù)量級(jí)。
[0031]實(shí)施例2
[0032]如圖2和圖4所示，上述具有兩懸梁四層結(jié)構(gòu)的電阻式氣體傳感器，其中敏感膜層包括三層敏感膜，底層敏感膜421厚度為50納米，晶體結(jié)構(gòu)為六方密排，孔隙的內(nèi)徑為50納米，其比表面積較大；中層敏感膜422厚度為500納米，晶體結(jié)構(gòu)為六方密排，孔隙的內(nèi)徑為500納米，其比表面積較小;上層層敏感膜423厚度為1000納米，晶體結(jié)構(gòu)為六方密排，孔隙的內(nèi)徑為1000納米，其比表面積最小;制得敏感膜層為三層敏感膜的氣體傳感器。此類傳感器和實(shí)施例1中的傳感器一樣，具有良好的靈敏度，而且上層敏感膜423通過選擇特定材料，可以提高對(duì)還原性氣體的選擇性。
[0033]以上所述僅為本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本實(shí)用新型，凡在本實(shí)用新型的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種具有兩支撐懸梁四層結(jié)構(gòu)的電阻式氣體傳感器，所述電阻式氣體傳感器的四層結(jié)構(gòu)自下而上依次為: 硅襯底框架，其內(nèi)凹形成隔熱腔體，所述硅襯底框架上分布有供電電極、探測電極； 加熱膜層，其包括加熱膜區(qū)、過渡區(qū)和支撐懸梁，所述加熱膜層懸浮于所述隔熱腔體的上方，所述加熱膜區(qū)的兩端分別與過渡區(qū)連接，所述過渡區(qū)的兩端分別與支撐懸梁的一端連接，所述支撐懸梁的另一端與硅襯底框架連接； 加熱電極層，其包括加熱電阻絲、供電引線、叉指電極和探測引線，所述加熱電阻絲以折線形式排布在所述加熱膜區(qū)上，所述叉指電極排布在所述加熱電阻絲的間隙中，所述供電引線和探測引線排布在所述支撐懸梁上； 敏感膜層，其覆蓋在所述加熱電極層上，并且與所述叉指電極電性連接； 其特征在于，所述敏感膜層包括兩層以上敏感膜，各層敏感膜逐層電性連接，所述各層敏感膜自下而上，其比表面積逐漸減小、孔隙尺寸逐漸增大； 所述加熱膜區(qū)的形狀為矩形結(jié)構(gòu)，所述過渡區(qū)的形狀為等腰梯形結(jié)構(gòu)，且所述等腰梯形的下底邊與矩形加熱膜區(qū)的短邊相連，所述等腰梯形的上底邊與支持懸梁相連。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于，所述孔隙為球形結(jié)構(gòu)，最內(nèi)層孔隙的內(nèi)徑大于10納米，最外層孔隙的內(nèi)徑小于10微米。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于，所述隔熱腔體的形狀為橫截面呈倒梯形結(jié)構(gòu)、V字型結(jié)構(gòu)或圓弧形結(jié)構(gòu)。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于，所述加熱電阻絲通過所述供電引線與硅襯底框架上的所述供電電極相連，所述叉指電極通過所述探測引線與所述硅襯底框架上的探測電極相連。
【文檔編號(hào)】G01N27/04GK205449859SQ201520759055
【公開日】2016年8月10日
【申請(qǐng)日】2015年9月28日
【發(fā)明人】許磊
【申請(qǐng)人】合肥微納傳感技術(shù)有限公司