一種氣敏傳感器及其製備方法
2024-02-06 23:29:15
專利名稱：一種氣敏傳感器及其製備方法
技術領域：
本發明涉及傳感器技術領域，具體涉及一種氣敏傳感器及其製備方法。
背景技術：
傳感器是一種能夠通過某種作用以選擇性的方式對特定的待分析物質產生 響應從而對分析物質進行定性或定量測定的裝置，可以用於檢測特定的一種或 多種物質。
氣敏傳感器是用於檢測某種特定氣敏存在的傳感設備，如檢測一氧化>碳、
二氧化硫及乙醇等氣敏。該傳感器的原理是採用敏感材料薄膜，基於該材料 可以表面的氣敏吸附可以導致材料中載流子濃度等特徵參數發生相應的變化， 從而改變器件的電導率等參數，外圍電路會把材料參數的變化轉化為電信號的 變化，並放大為易被識別的的參數。
目前，氣敏傳感器的發展趨勢集中表現為1、提高靈敏度和工作性能，並 使其微型化，能夠與應用整 目結合。2、增強可靠性，具備多種功能，優先發 展MEMS技術，發展現場適用的變送器和智能型傳感器。
當前的研究熱點就是新氣敏材料與製作工藝的開發和新型結構的i殳計。研製 開發新的氣敏敏感膜材料，如複合型和混合型半導體氣敏材料、高分子氣敏材 料，使得這些新材料對不同氣敏具有高靈敏度、高選擇性、高穩定性。由於有 機高分子敏感材料具有材料豐富、成本低、制膜工藝簡單、易於與其它技術兼 容、在常溫下工作等優點。此外，還可以沿用傳統的作用原理和某些新效應， 優先使用晶體材料，採用先進的加工技術和微結構設計，研製新型傳感器及傳 感器系統。除了相關材料的開發，結構的設計應用同樣重要，最優化的結構可 以更好的發揮材料的特性，減小新材料開發的要求和難度，進一步提高器件的
靈敏度和穩定性。
相信伴隨著新材料、新工藝和新技術的應用，氣敏傳感器的性能更趨完善 也能夠滿足人們小型化、多功能性的綜合要求。相信隨著納米技術、薄膜4支術 等新材料研製成功，微機械與微電子技術、計算機技術等的綜合應用，具備多 種氣敏監測功能的高性能智能化氣敏傳感器將會在不遠的將來出現。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是如何提供一種氣敏傳感器及其製備方法，該氣 敏傳感器使用了單一或者多種敏感材料的混合薄膜，簡化了氣敏傳感器的製作 工藝，增加了氣敏傳感器的集成度，進一步降低了工業化成本。
本發明所提&的技術問題是這樣解決的提供一種氣敏傳感器，包括J41、 第一電極、介質層、敏感材料層、第二電極和第三電極，其特徵在於，所述敏 感材料層材料是以材料中的一種或者幾種聚矽氧烷類敏感材料、聚矽碳烷類 敏感材料、有機膦毒劑敏感材料、半導體陶瓷材料、聚(氧{曱基(4-羥基-4,4-雙(三 氟代曱基)丁-l-烯-l-醇)亞曱基矽氧烷))SXFA、以六氟異丙醇(HFIP)為敏感基 團和聚矽氧烷為骨架的材料、共聚碳矽氧烷BSP3、在寡聚二曱基矽氧烷鏈中引 入氟代雙酚基團形成的有機/無機混合型共聚物、聚吡咯、聚瘞吩、聚苯胺、聚 苯胺/納米氧化物複合材料。
按照本發明所提供的氣敏傳感器，其特徵在於，根據器件結構分為頂部接 觸式和底部接觸式兩種，其中頂部接觸式結構為從下至上順次是基板、第一電 極、介質層和敏感材料層，第二電極和第三電極並行設置在敏感材料層上；底 部接觸式結構從下至上是基板、第一電極、介質層、第二電極、第三電極和敏 感材料層，第二電極和第三電極並行設置在介質層上。
按照本發明所提供的氣敏傳感器，其特徵在於，所述基板是矽基板、玻璃 或者柔性基片。
按照本發明所提供的氣敏傳感器，其特徵在於，所述柔性基片是聚酯類和 聚酞亞胺化合物中的一種材料或者較薄的金屬或者玻璃。
按照本發明所提供的氣敏傳感器，其特徵在於，第一電極、第二電極和第 三電極是金屬或者導電薄膜，如A1金屬、Au金屬、Cu金屬、Cr金屬等，或者
是具有良好的物理性質、化學性質和例如氧化銦錫(ITO)或氧化鋅錫(IZO) 導電薄膜。
按照本發明所提供的氣敏傳感器，其特徵在於，所述介質層材料為氮化珪、 氮化鋁、氮化鈦、氧化矽、氧化鋁、氧化鈦、氮氧化矽、氮氧化鋁和氮氧化鈥 的一種或者幾種，膜厚度在lnm 500nm，最佳厚度為60nm。
一種氣敏傳感器的製備方法，其特徵在於，包括以下步驟
① 先對J41進行徹底的清洗，清洗後乾燥；
② 在基板的表面製備第 一 電極；
③ 形成第一電極的圖形；
在第 一 電極的基板上制^h質層膜；
⑤ 對形成的介質層膜進行後期處理加工，如熱處理等；
⑥ 然後在介質層膜上製備第二電極和第三電極；
⑦ 形成第二電極，第三電極圖案；
⑧ 在第二電極，第三電極上繼續制^t感薄膜層。 一種氣敏傳感器的製備方法，其特徵在於，包括以下步驟
① 先對M進行徹底的清洗，清洗後乾燥；
② 在基板的表面製備第 一 電極；
③ 形成第一電極的圖形； 在鍍有第一電極的 的上制^^質層膜；
⑤ 對形成的介質層膜進行後期處理加工，如熱處理等；
⑥ 在介質層膜第二電極，第三電極上繼續制^t感薄膜層；
⑦ 然後在敏感薄膜層上製備第二電極和第三電極；
⑧ 形成第二電極，第三電極圖案。
按照本發明所提供的氣敏傳感器的製備方法，其特徵在於，敏感薄膜層以 及介質層是通過真空蒸鍍、離子團束沉積、離子鍍、直流濺射 、 RF濺射鍍 膜、離子束濺射鍍膜、離子束輔助沉積、等離子增強化學氣相沉積(其中等離 子增強化學氣相沉積中的等離子發生器是射頻激發、直流放電、微波等離子和 電子迴旋共振中的一種)、高密度電感耦合式等離子體源化學氣相沉積(HD-ICP-CVD )、觸媒式化學氣相沉積(Cat-CVD)、磁控濺射、電鍍、旋塗、 浸塗、噴墨列印、輥塗和LB膜中的一種或者幾種方式而形成。
本發明所提供的氣敏傳感器，結構新穎，敏感薄膜層可以是單一敏感薄膜 或者多種敏感材料形成的複合薄膜層，有利於多種氣敏傳感器的集成化；這種 結構的傳感器本身利於集成，形成傳感器陣列；器件超薄，體積小，重量輕， 製備方法合理簡單，易於操作；提高了響應速度和響應精度，並且優化了一般 氣敏傳感器的製作工藝，降低了工藝要求，提高其性能，大幅降低氣敏傳感器 的製備成本，對傳感器的製作工藝有重要意義。本發明採用的新型結構提高了 氣敏傳感器的集成度，機構簡單、操作方便、造價低、檢測迅速、靈敏度高， 在臨床醫學、發酵、食品、化工、裝備和環保等方面顯示了廣泛的應用前景。
圖l是本發明所提供的頂部接觸式氣敏傳感器結構示意圖； 圖2是本發明所提供的底部接觸式氣敏傳感器結構示意圖； 其中，1、基板，2、第一電極，3、介質層，4、敏感薄膜層，5、第二電極，
6、第三電極。
具體實施例方式
下面結合附圖以及實施例對本發明作進一步的說明。
本發明的技術方案是提供一種氣敏傳感器，如圖l和2所示，器件的結構 包括^411，第一電極2，介質層3，敏感薄膜層4，第二電極5，第三電極6。
本發明中基板1為電極和有機薄膜層的依託，有一定的防水汽和氧氣滲透 的能力，有較好的表面平整性，它是矽基板、玻璃或柔性基片，柔性基片採用 聚酯類、聚酞亞胺化合物中的一種材料或者較薄的金屬或者玻璃。
本發明中第一電極2、笫二電極5和第三電極6為金屬或者導電薄膜，如 Al金屬、Au金屬、Cu金屬、Cr金屬等，或者是具有良好的物理性質、化學性 質和與例如氧化銦錫(ITO)或氧化鋅錫(IZO)等導電薄膜。
本發明中介質層3是氮化矽、氮化鋁、氮化鈦、氧化矽、氧化鋁、氧化鈦、 氮氧化矽、氮氧化鋁和氮氧化鈥的一種或者幾種。
本發明中敏感薄膜層4是以下材料中的一種或者多種聚矽氧烷類敏感材
料、聚矽碳烷類敏感材料、有機膦毒劑敏感材料，半導體陶瓷材料、聚(氧{甲基
(4-羥基-4，4-雙(三氟代曱基)丁-l-烯-l-醇)亞曱基矽氧烷》)SXFA、以六氟異丙醇 (HFIP)為敏感基團和聚矽氧烷為骨架的一類材料、共聚碳矽氧烷BSP3、在寡 聚二甲M氧烷鏈中引入氟代雙酚基團形成的有機/無機混合型共聚物、聚吡咯、 聚噻吩、聚苯胺、聚苯胺/納米氧化物複合材料，如聚苯胺/二氧化錫、聚苯胺/ 二氧化鈦、聚苯胺/氧化銦、聚苯胺/氧化鴒。
以下是本發明的具體實施例 實施例1
如圖1所示結構中，基片1採用Si襯底，柵電極採用DC磁控濺射的ITO 透明導電薄膜第一電極2，採用二氧化矽作為介質層3，第二電極5採用Cr金 屬薄膜作為電極層，第三電極6也採用Cr金屬薄膜作為電極層。敏感薄膜層4 採用聚苯胺/納米氧化物複合材料。
製備方法如下所示
① 先對Si J4l進行徹底的清洗，清洗後用乾燥氮氣吹乾；
② 在Si基板的表面通過DC磁控'踐射的方法製備第一電極；
③ 通過光刻的方法刻蝕ITO第一電極圖形；
④ 在鍍有第一電極的Si基板上通過濺射二氧化矽介質膜；
⑤ 把已形成第一電極，覆蓋介質膜的Si基板放入真空腔體制M感材料聚 苯胺/納米氧化物複合材料；
⑥ 然後在敏感材料膜上蒸鍍Cr金屬第二電極和Cr金屬第三電極；
⑦ 通過光刻形成第二電極，第三電極圖案。
實施例2
如圖1所示結構中，基片1採用Si襯底，採用DC磁控賊射的ITO透明導 電薄膜第一電極2，採用二氧化矽作為介質層3，第二電極5採用Cr金屬薄膜 作為電極層，第三電極6也採用Cr金屬薄膜作為電極層。敏感薄膜層4採用 SXFA。器件的製備流程與實施例1相似。
實施例3
如圖1所示結構中，基片1採用Si襯底，採用DC磁控濺射的ITO透明導 電薄膜第一電極2，採用二氧化矽作為介質層3，第二電極5採用Cr金屬薄膜 作為電極層，第三電極6也採用Cr金屬薄膜作為電極層。敏感薄膜層4採用 BSP3。
器件的製備流程與實施例1相似。
權利要求
1、一種氣敏傳感器，包括基板、第一電極、介質層、敏感材料層、第二電極和第三電極，其特徵在於，所述敏感材料層材料是以下材料中的一種或者幾種聚矽氧烷類敏感材料、聚矽碳烷類敏感材料、有機膦毒劑敏感材料、半導體陶瓷材料、聚(氧{甲基(4-羥基-4，4-雙(三氟代甲基)丁-1-烯-1-醇)亞甲基矽氧烷})、以六氟異丙醇為敏感基團和聚矽氧烷為骨架的材料、共聚碳矽氧烷、在寡聚二甲基矽氧烷鏈中引入氟代雙酚基團形成的有機/無機混合型共聚物、聚吡咯、聚噻吩、聚苯胺和聚苯胺/納米氧化物複合材料。
2、 根據權利婆求l所述的氣敏傳感器，其特徵在於，根據器件結構分為頂 部接觸式和底部接觸式兩種，其中頂部接觸式結構為從下至上順次;1^板、第 一電極、介質層和敏感材料層，第二電極和第三電極並行設置在敏感材料層上； 底部接觸式結構從下至上是基板、第一電極、介質層、第二電極、第三電極和 敏感材料層，第二電極和第三電極並行設置在介質層上。
3、 根據權利要求1或2所述的氣敏傳感器，其特徵在於，所述J4反是矽基 板、玻璃或者柔性基片。
4、 根據權利要求1或2所迷的氣敏傳感器，其特徵在於，所述柔性基片是 聚酯類和聚醯亞胺化合物中的 一種材料或者較薄的金屬或者玻璃。
5、 根據權利要求1或2所述的氣敏傳感器，其特徵在於，第一電極、第二 電極和第三電極是金屬或者導電薄膜。
6、 根據權利要求1或2所述的氣敏傳感器，其特徵在於，所述介質層材料 為氮化矽、氮化鋁、氮化鈦、氧化矽、氧化鋁、氧化鈦、氮氧化矽、氮氧化鋁 和氮氧化鈦的一種或者幾種，膜厚度在1 nm 500nm。
7、 一種氣敏傳感器的製備方法，其特徵在於，包括以下步驟① 先對基板進行徹底的清洗，清洗後乾燥；② 在基板的表面製備第一電極；③ 形成第一電極的圖形；④ 在第一電極的基板上製備介質層膜； ⑤ 對形成的介質層膜進行後期處理加工；⑥ 然後在介質層膜上製備第二電極和第三電極；⑦ 形成第二電極，第三電極圖案；⑧ 在第二電極，第三電極上繼續制M感薄膜層。
8、 根據權利要求7所述的氣敏傳感器的製備方法，其特徵在於，敏感薄膜 層以及介質層是通過真空蒸鍍、離子團束沉積、離子鍍、直流'減射鍍膜、RF濺 射鍍膜、離子束濺射鍍膜、離子束輔助沉積、等離子增強化學氣相沉積、高密 度電感耦合式等離子體源化學氣相沉積、觸媒式化學氣相沉積、》茲控'減射、電 鍍、旋塗、浸塗、噴墨列印、輥塗和LB膜中的一種或者幾種方式而形成。
9、 一種氣敏ft感器的製備方法，其特徵在於，包括以下步驟① 先對基板進行徹底的清洗，清洗後乾燥；② 在基板的表面製備第 一 電極；③ 形成第一電極的圖形；④ 在鍍有第一電極的基板的上製備介質層膜；⑤ 對形成的介質層膜進行後期處理加工；⑥ 在介質層膜上繼續制M感薄膜層；⑦ 然後在敏感薄膜層上製備第二電極和第三電極；⑧ 形成第二電極，第三電極圖案。
10、 根據權利要求9所述的氣敏傳感器的製備方法，其特徵在於，敏感薄膜 層以及介質層是通過真空蒸鍍、離子團束沉積、離子鍍、直流'踐射鍍膜、RF濺 射鍍膜、離子束濺射鍍膜、離子束輔助沉積、等離子增強化學氣相沉積、高密 度電感耦合式等離子體源化學氣相沉積、觸媒式化學氣相沉積、不茲控濺射、電 鍍、旋塗、浸塗、噴墨列印、輥塗和LB膜中的一種或者幾種方式而形成。
全文摘要
本發明公開了一種氣敏傳感器及其結構，包括基板、第一電極、介質層、敏感薄膜層、第二電極和第三電極，根據器件結構中各薄膜層和電極位置的不同，器件可以分為頂部接觸式和底部接觸式兩種。本發明採用的新型結構提高了氣敏傳感器的集成度，機構簡單、操作方便、造價低、檢測迅速、靈敏度高，在臨床醫學、發酵、食品、化工、裝備和環保等方面顯示了廣泛的應用前景。
文檔編號G01N27/12GK101363810SQ20081004602
公開日2009年2月11日 申請日期2008年9月11日 優先權日2008年9月11日
發明者於軍勝, 璐 李, 蔣亞東, 謝光忠, 江 黃 申請人:電子科技大學