使用一維納米材料的微型氣體傳感器的製作方法

2023-04-29 09:50:21 1

專利名稱：使用一維納米材料的微型氣體傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及的是一種微電子技術領域的傳感器。具體是一種使用一維納米材料的微型氣體傳感器。
背景技術：
基於氣體分子在電場中的電離與由此而產生的帶電粒子輸運為機理的傳感器，可以用於傳感不同氣體成分與含量信息，相對於其他類型的傳感器，這種傳感器的主要優點在於它有很高的選擇性。
經對現有技術的文獻檢索發現，Modi.Ashish等人在「Nature(自然)」，2003年第424卷發表的「Miniaturized gas ionization sensors using carbonnanotubes(使用碳納米管的微型氣體電離傳感器)」。該文章提出了一種一維納米材料——碳納米管作為電極使用時，由於其強電場增強因子的作用，在相同的電壓之下，相比於常規金屬平板電極可以產生更強的電場，因此相當於可以在更低的電壓之下擊穿氣體，並以各種氣體不同的擊穿電壓為依據判斷氣體的成分和濃度信息。由於這種原理的氣體傳感器對某範圍的氣體具有選擇性高的特徵，因此該文獻所述技術一定程度上解決了降低此類原理的傳感器工作電壓的問題，但該文獻並沒有提出一種可加工實現的器件結構，而是實驗性的將各部件簡單拼湊，事實上，改種器件的核心結構要素之一是電極間距，只有使電極間距小至幾微米到十幾微米的水平，才可以避免對這種傳感器進行高壓操作，但這樣小的間距需要高精度的加工手段來控制，而為了引入這樣的加工手段，必須有適合這種加工手段的器件結構，該文獻中所提出的器件結構只是試驗性的，很難依照這種結構方案實現高精度的批量加工。目前也並沒有將該文獻的技術原理應用於微型傳感器製造，而提出適於利用先進微細加工工藝的器件結構出現。

發明內容
本發明針對現有技術的不足和缺陷，提出一種使用一維納米材料的微型氣體傳感器，使其適於利用微電子技術進行加工製造，能夠利用微電子加工工藝對器件的關鍵參數進行高精度控制，因此該種結構的傳感器具有選擇性高、靈敏度高、低能耗、成本低、易於實現陣列化、小型化的優點。
本發明是通過以下技術方案實現的，本發明包括襯底、金屬底電極層、一維納米材料層、金屬支柱層、金屬頂電極層。其中，金屬底電極層設置在襯底上。一維納米材料層設置在金屬底電極層之上。金屬支柱層設置在襯底之上。頂電極設置在襯底上。金屬底電極層、一維納米材料層與金屬支柱層之間相互隔離。頂電極層和底電極層、一維納米材料層之間有氣體間隙相互隔離。
所述的襯底，其表面具有高絕緣性能，它可以是玻璃，也可以是上層帶有絕緣層的矽片，絕緣層材料可以是二氧化矽、氮化矽，也可以是其它絕緣襯底。
所述的金屬底電極層，可以是單層或者多層金屬薄膜。
所述的一維納米材料層，可以是一維納米材料與其他物質形成的混合物。
所述的金屬支柱層，可以是單層或者多層金屬薄膜。
所述的金屬頂電極層，位於金屬支柱層之上，並與金屬支柱層相連，金屬頂電極層和金屬底電極層、一維納米材料層之間有間隙相互隔離，間隙中有氣體。
在本發明的器件結構中，由於頂電極、底電極和電極支柱都由金屬製成，因此利於使用微電子加工技術的感光材料光刻顯影技術、金屬選擇性電鍍技術和多層膜技術實現，並有利於高精度地控制頂電極與一維納米材料層之間的距離，從而可以更大幅度地降低工作電壓、降低能耗、提高安全性、穩定性。


圖1是本發明的一種結構的二維結構簡圖。
圖2是本發明當一維納米材料層表面距離頂電極間距為約3微米時氣體電離輸出電壓-電流信號曲線。
圖3是本發明當一維納米材料薄膜表面距離頂電極間距為約10微米時氣體電離輸出電壓-電流信號曲線。
具體實施例方式
如圖1所示，本發明包括襯底1、金屬底電極層2、一維納米材料層3、金屬支柱層4、金屬頂電極層5。其中，金屬底電極層2設置在襯底1上。一維納米材料層3設置在金屬底電極2之上。金屬支柱層4設置在襯底1之上。頂電極5設置在襯底1之上。金屬底電極層2以及一維納米材料層3與金屬支柱層4之間相互隔離。頂電極層5和底電極層2以及一維納米材料層3之間有氣體間隙相互隔離。
所述的襯底1，其表面具有高絕緣性能，它可以是玻璃，也可以是上層帶有絕緣層的矽片，絕緣層材料可以是二氧化矽、氮化矽，也可以是其它絕緣襯底。
所述的金屬底電極層2，可以是單層或者多層金屬薄膜。所述的金屬，例如鉻、銅、金、鉑金、鋁、鎳、鐵-鎳、鎳-銅。
所述的一維納米材料層3，是包含一維納米材料的混合物薄膜。其一維納米材料可以是碳納米管、納米碳纖維、納米碳化矽纖維、納米氧化鋅纖維。
所述的金屬支柱層4，可以是單層或者多層金屬薄膜。其金屬可以為鉻、銅、金、鉑金、鋁、鎳、鐵-鎳、鎳-銅。
所述的金屬頂電極層5，位於金屬支柱層4之上，並與金屬支柱層4相連，金屬頂電極層5和金屬底電極層2、一維納米材料層3之間有間隙相互隔離，間隙中有氣體。
當本發明工作時，在金屬頂電極層5和金屬底電極層2之間施加一定的電壓時，就會在一維納米材料層3與金屬頂電極層5之間的間隙中產生電場，當電場足以擊穿間隙中的氣體時，外電路就會由氣體未擊穿的短路狀態快速轉換為氣體擊穿後的導通狀態，也就是檢測到電流，依據不同成分和濃度氣體的放電起始電壓、放電起始電流不同的事實，可以作為判斷某種成分與含量氣體存在與否的依據，也可以作為某種氣體成分與含量發生變化與否的依據。在本發明的器件結構中，由於金屬頂電極層5、金屬底電極層2和電極支柱層4都由金屬製成，因此利於使用微電子加工技術的感光材料光刻顯影技術、金屬選擇性電鍍技術和多層膜技術實現，並有利於高精度地控制頂電極與一維納米材料層之間的距離，從而可以更大幅度地降低工作電壓、降低能耗、提高安全性、穩定性。
如圖2、圖3所示，是本發明氣體電離輸出電壓-電流信號曲線。被測氣體有三種，分別為空氣、體積比為1％的氦氣和體積比為10％的二氧化碳混合於空氣中。這三種氣體的氣壓均為1大氣壓。測試環境溫度為18攝氏度。器件用微電子加工技術製造，使用感光材料作為微鑄模的金屬微電鑄技術，金屬頂電極層5距離碳納米管的間距分別為約1-3微米(圖2)和約8-10微米(圖3)。由圖中可見，器件的工作電壓可以降至幾伏特到十幾伏特的水平，器件的平面尺寸約為3×3毫米，選擇性高，穩定性、安全性好，能耗低，易於實現量產，易於陣列化，成本低。
權利要求
1.一種使用一維納米材料的微型氣體傳感器，包括襯底(1)、金屬底電極層(2)、一維納米材料層(3)、金屬支柱層(4)、金屬頂電極層(5)，其特徵在於，金屬底電極層(2)設置在襯底(1)上，一維納米材料層(3)設置在金屬底電極(2)之上，金屬支柱層(4)設置在襯底(1)之上，頂電極(5)設置在襯底(1)之上，金屬底電極層(2)以及一維納米材料層(3)與金屬支柱層(4)之間相互隔離，頂電極層(5)和底電極層(2)以及一維納米材料層(3)之間有氣體間隙相互隔離。
2.根據權利要求1所述的使用一維納米材料的微型氣體傳感器，其特徵是，襯底(1)，為絕緣襯底。
3.根據權利要求1所述的使用一維納米材料的微型氣體傳感器，其特徵是，所述的金屬底電極層(2)，是單層或者多層金屬薄膜。
4.根據權利要求1所述的使用一維納米材料的微型氣體傳感器，其特徵是，所說的一維納米材料層(3)，是包含一維納米材料的混合物薄膜。
5.根據權利要求1所述的使用一維納米材料的微型氣體傳感器，其特徵是，所述的金屬支柱層(4)，是單層或者多層金屬薄膜。
6.根據權利要求1所述的使用一維納米材料的微型氣體傳感器，其特徵是，所述金屬頂電極層(5)，位於金屬支柱層(4)之上，並與金屬支柱層(4)相連，金屬頂電極層(5)和金屬底電極層(2)、一維納米材料層(3)之間有間隙相互隔離，間隙中有氣體。
全文摘要
一種傳感器技術領域的使用一維納米材料的微型氣體傳感器。本發明包括襯底、金屬底電極層、一維納米材料層、金屬支柱層、金屬頂電極層。其中，金屬底電極層設置在襯底上，一維納米材料層設置在金屬底電極層之上，金屬支柱層設置在襯底之上，頂電極設置在襯底上。金屬底電極層、一維納米材料層與金屬支柱層之間相互隔離，頂電極層和底電極層、一維納米材料層之間有氣體間隙相互隔離。本發明具有選擇性高、靈敏度高、低能耗、成本低、易於實現陣列化、小型化的優點，並有利於提高安全性、穩定性。
文檔編號H01L49/00GK1793893SQ20051011221
公開日2006年6月28日 申請日期2005年12月29日 優先權日2005年12月29日
發明者侯中宇, 蔡炳初, 張亞非, 徐東, 魏星 申請人:上海交通大學