专利名称：一种穿孔的平板电容式气体传感器及其制备方法
技术领域：
本发明涉及气体传感器技术领域，具体涉及一种具有穿孔的平板电容式气体传感器及其制备方法。
背景技术：
电容式气体传感器主要由电极和气敏介质构成，气敏介质吸附待测气体后引起介电常数发生改变，从而导致电容值产生变化。传感器的电极主要有平板电容器型和平面叉指电极型两种，无论是哪一种，气敏介质都必须处于两个电极所产生的电场中(电力线必须穿过气敏介质)。否则，吸附气体后介电常数的改变将对电容值没有贡献。
常规的平面叉指电容传感器由于是在平面叉指上沉积气敏介质薄膜，电力线有一半穿过基板而没有得到利用。为此，美国Seacoast公司报道了一种悬梁型叉指电极，气敏薄膜包裹在悬梁的上下左右各个面上，因此悬梁下端的电力线也得到了充分利用，从而提高了传感器的灵敏度，参见文献①Chemicapacitive microsensors for chemicalwarfare agent and toxic industrial chemical detection, Sensors and ActuatorsB, 2006，116:192 - 201 ;@Chemicapacitive microsensors for detection of explosivesand TICs, SPIEj 2005, 5986, 59860M。该公司还研制了平板电容器型的气体传感器，两种传感器相比各有优缺点，平板电容型的灵敏度高，约为悬梁型的I. 5倍，但其响应太慢。原因在于待测气体必须通过多孔的上电极板进入传感器的介质薄膜中，气体的扩散和充分吸附需要较长的时间，因而该气体传感器的响应时间较长。除了电极结构之外，气敏介质的微观形貌对传感器的性能也有很大影响。现有的气敏介质，绝大多数都采用致密的薄膜，导致气体的扩散时间很长，使得传感器无法实现快速响应。如果采用疏松多孔的气敏薄膜，不仅有利于气体的扩散吸附，而且大大增大了气敏薄膜的比表面积，可吸附更多的待测气体，从而获得更高的灵敏度。多孔型的气敏介质虽然可以方便地制备在平面叉指以及悬梁叉指型的电极上，但如前所述，这类结构的传感器灵敏度低。如果能将疏松多孔的气敏薄膜制备在平板电容器的两个电极平板之间，不仅可以获得高的灵敏度，还能同时获得快速的响应。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是如何在平板电容型的气体传感器中，引入疏松多孔的气敏介质薄膜，以提高传感器的灵敏度，并缩短传感器的响应时间。本发明所提出的技术问题是这样解决的提供一种穿孔的平板电容式气体传感器，包括硅基板、硅顶盖、上电极薄膜、下电极薄膜、气敏介质，其特征在于硅基板上设有微阱，下电极薄膜位于微阱底部，微阱具有倾斜的侧壁以引出电极；气敏介质为混乱交织的微纳米线或微纳米管，位于微阱内；上电极薄膜附着在硅顶盖上并悬于微阱的上方，硅基板和硅顶盖在微阱对应的位置分别开设有多个气孔。按照本发明所提供的一种穿孔的平板电容式气体传感器，所述硅基板为(100)切向的单晶硅。按照本发明所提供的一种穿孔的平板电容式气体传感器，所述硅顶盖为任意切向的单晶硅或多晶硅。按照本发明所提供的一种穿孔的平板电容式气体传感器，所述上、下电极薄膜为金、铜、招、镇络、怕、钦或鹤中的任意一种。按照本发明所提供的一种穿孔的平板电容式气体传感器及其制备方法，所述气敏介质为任意一种可电纺的聚合物、无机物或有机无机混合物。本发明还提供了一种穿孔的平板电容式气体传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤 a.对硅基板进行各向异性湿法腐蚀，形成底部平坦、侧壁倾斜的微阱；
b.采用干法刻蚀在微阱中制备气孔；
c.利用掩模在微阱中蒸发下电极薄膜，并沿微阱的侧壁引出电极；
d.采用静电纺丝法在微阱中制备气敏介质的微纳米线或微纳米管；
e.采用干法刻蚀在硅顶盖上制备气孔；
f.在硅顶盖上制备上电极薄膜并图形化；
g.上下电极面对面对准后，将硅顶盖粘贴在硅基板上。本发明与现有技术相比具有如下优点
I.响应快
本发明的平板电容器型气体传感器的上下两个电极平板上都开设有若干气孔，并且两电极板之间的气敏薄膜是疏松多孔了，使得待测气流可以从一个极板进入，而从另一个极板流出，实现单向气流。(单向的气流由外接的微型气泵提供，外接气泵未画出)。而Seacoast公司的平板电容型气体传感器只有上极板有气孔，不能实现单向气流，加上其气敏薄膜是致密实心的，气体在其中扩散很慢。因此，本发明的具有穿孔的平板电容式气体传感器的响应更快。2.灵敏度高
本发明的气敏介质薄膜是疏松多孔的，这不仅有利于缩短响应时间，而且大大提高了比表面积，从而获得更高的灵敏度。中国专利ZL201010161765. 5公开了一种侧壁开放的平板电容式气体传感器，通过在上、下两个电极板之间设置若干支柱，并将介质薄膜涂覆在支柱上，因此也具有较大的表面积。显然，支柱的直径越小，表面积越大。但与本发明相比，支柱的尺寸很难做到比电纺的纳米线更细。因此，本发明的气敏薄膜的表面积更大，传感器的灵敏度更高。
图I为本发明的具有穿孔的平板电容式气体传感器的结构示意图，其中，图1(a)为侧面剖视图，图1(b)为去除顶盖后的俯视 图2为本发明的具有穿孔的平板电容式气体传感器的制备流程示意图。其中，I为娃基板，2为下电极薄膜,3为气敏介质，4为上导电薄膜,5为娃顶盖,6为气孔，7为下电极薄膜引线，8为上电极薄膜引线，9为微阱，10为粘接剂。
具体实施例方式该平板电容式气体传感器如图I所不，包括上下叠放粘牢的娃基板和娃顶盖，娃基板上挖有一个微阱，微纳米线或微纳米管状的气敏介质混乱交织在微阱内，微阱的底部平坦，设置有下电极薄膜，并通过微阱倾斜的侧壁实现电极的引出，上电极薄膜正对着微阱并附着在硅顶盖上，硅基板和硅顶盖在微阱对应的位置分别开设有多个气孔，外界气流垂直穿过硅基板上的气孔，而从硅顶盖上的气孔流出。以下是本发明的具体实施 例。
实施例如图I所示，一种穿孔型平板电容式气体传感器，该结构包括绝缘的硅基板I、铝制下电极薄膜2、纳米线薄膜型的气敏介质3、铝制上电极薄膜4、硅顶盖5。制备流程如下第一步，选用300丨.UU厚、(100)切向的单晶硅作为绝缘的硅基板1，采用KOH作腐蚀液腐蚀出方形的腐蚀坑，腐蚀坑开口3mmX3臟，边长沿[110]晶向族方向，深度约3叫!，获得底部平坦、4个侧壁都为54. 7°的微阱9。第二步，采用干法刻蚀从硅基板I的背面开始刻蚀气孔6，气孔6直径约50 m,间隔约100 Mm,刻蚀的位置正对微阱9，并将整个硅片刻蚀穿。(在图I、图2中气孔并未按实际比例画出)。第三步，采用蒸发法在微阱中淀积金属铝作为下电极薄膜，蒸发时利用掩模进行遮蔽，使得仅在微阱的底部沉积铝膜，并沿一个侧壁布设有一条下电极薄膜引线7并到达微阱9之外硅基板I的上表面，铝膜厚度约600 nm，其下有约150nm的镍铬打底层。第四步，采用静电纺丝的方法，在下电极上涂覆一层纳米线状的气敏介质3。在本实施例中，纺丝的材料采用聚合物聚环氧氯丙烷(PECH)。通过调节静电纺丝工艺，获得直径在680-930nm左右的纳米线。电纺时，通过采用漏板，使得制备的PECH纳米线位于微阱9之中。第五步，采用另一块300 MlU厚的硅片作为硅顶盖5，采用与第二步相同的工艺在其中刻蚀出数个直径约50 fUll的气孔6。第六步，在硅顶盖5蒸发Ni-Cr/Al上电极薄膜4，利用掩模获得2. SmmX2. 8mm的上电极薄膜图案和上电极薄膜引线8。蒸发有电极薄膜的位置布满了气孔6。第七步，将硅顶盖5倒扣过来，使得其上的上电极薄膜4和硅基板I上的下电极薄膜2面对面对准后，利用树脂10将硅顶盖5粘贴在硅基板I上。粘贴时，在微阱9的四周均匀涂敷一层树脂，以尽量避免粘接面漏气。粘贴前，对硅基板I和硅顶盖5都进行了适当的切割，使得粘贴后上电极薄膜引线8和下电极薄膜引线7的焊点都没有被盖住。本实施例最终获得的电容式传感器体积小巧，尺寸大致为10X10X0. 6mm3，将其垂直安装于一个输气管中，输气管外接一个微型气泵，使得待测气体垂直穿过电容器平板。因此，该电容式气体传感器的响应很快，对50mg/m3的氯乙基乙基硫醚(CEES)气体的响应时间仅为12s，最小探测极限约为0. 35mg/m3，表现出很高的灵敏度。
权利要求
1.一种穿孔的平板电容式气体传感器，包括娃基板、娃顶盖、上电极薄膜、下电极薄膜、气敏介质，其特征在于硅基板上设有微阱，下电极薄膜位于微阱底部，微阱具有倾斜的侧壁以引出电极；气敏介质为微纳米线或微纳米管，位于微阱内；上电极薄膜附着在硅顶盖上并悬于微阱的上方，硅基板和硅顶盖在微阱对应的位置分别开设有多个气孔。
2.根据权利要求I所述的一种穿孔的平板电容式气体传感器，其特征在于所述硅基板为(100)切向的单晶硅。
3.根据权利要求I所述的一种穿孔的平板电容式气体传感器，其特征在于所述硅顶盖为任意切向的单晶硅或多晶硅。
4.根据权利要求I所述的一种穿孔的平板电容式气体传感器，其特征在于所述上、下电极薄膜为金、铜、铝、镍铬、钼、钛或钨中的任意一种。
5.根据权利要求I所述的一种穿孔的平板电容式气体传感器的制备方法，其特征在 于所述气敏介质为任意一种可电纺的聚合物、无机物或有机无机混合物。
6.一种穿孔的平板电容式气体传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤 a、对硅基板进行各向异性湿法腐蚀，形成底部平坦、侧壁倾斜的微阱； b、采用干法刻蚀在微阱中制备气孔； C、利用掩模在微阱中蒸发下电极薄膜，并沿微阱的侧壁引出电极； d、采用静电纺丝法在微阱中制备气敏介质的微纳米线或微纳米管； e、采用干法刻蚀在硅顶盖上制备气孔； f、在硅顶盖上制备上电极薄膜并图形化； g、上下电极面对面对准后，将硅顶盖粘贴在硅基板上。
7.根据权利要求6所述的一种穿孔的平板电容式气体传感器的制备方法，其特征在于所述气敏介质为任意一种可电纺的聚合物、无机物或有机无机混合物。
全文摘要
本发明公开了一种穿孔的平板电容式气体传感器，包括硅基板、硅顶盖、上电极薄膜、下电极薄膜、气敏介质。其特征在于①硅基板上设有微阱，下电极薄膜位于微阱底部，上电极薄膜附着在硅顶盖上并悬于微阱的上方。电极薄膜彼此不接触，构成平板电容结构；②气敏介质为混乱交织的微纳米线或微纳米管，位于微阱内；③硅基板和硅顶盖在微阱对应的位置分别开设有多个气孔，构成气流通道。由于采用微纳米线/管作气敏薄膜，不仅表面积大，因而气体扩散吸附容易，因此本发明的气体传感器具有响应快、灵敏度高的特点，可检测极低浓度的气体，且制备方法简单。
文档编号G01N27/22GK102759551SQ20121028191
公开日2012年10月31日 申请日期2012年8月9日 优先权日2012年8月9日
发明者杜晓松, 蒋亚东, 蔡贝贝, 邱栋 申请人:电子科技大学