專利名稱：一種多端輸出薄膜氣敏傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種傳感器，特別涉及一種多端輸出薄膜氣敏傳感器。
背景技術(shù)：
氣敏傳感器，又稱氣體傳感器，是指利用各種化學(xué)、物理效應(yīng)將氣體成分、濃度按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成電信號輸出的傳感器件，是化學(xué)傳感器中最活躍的一種，廣泛應(yīng)用于 環(huán)保、醫(yī)療、衛(wèi)生、煤礦安全、工業(yè)、軍事等領(lǐng)域，用來檢測和鑒別易燃、易爆、有毒氣體、工業(yè) 廢氣、汽車尾氣和環(huán)境保護氣體等。常見的薄膜氣敏傳感器，輸出為某一種電參量輸出，比如電導(dǎo)或者電容等。有些氣 體在氣敏材料吸附后引起材料的電導(dǎo)發(fā)生明顯變化，而有些氣體則引起材料的電容有很大 變化。因此在進行器件設(shè)計時，常常需要考慮被測氣體和材料特性。本發(fā)明在同一個器件 結(jié)構(gòu)上同時設(shè)計兩種電參量輸出，對于電導(dǎo)型氣體和材料可以提取其主要電導(dǎo)參量，同時 提取其次要電容參量作為補充。而對于電容型氣體和材料可以提取其主要電容參量，同時 提取其次要電導(dǎo)參量作為補充。在后端數(shù)據(jù)辨識系統(tǒng)中，可以通過兩種主要參量和次要參 量，來準確識別氣體種類和濃度值。本發(fā)明的意義在于通過多數(shù)據(jù)獲取來確定唯一變量，可以實現(xiàn)高精度、高可靠性測量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明實現(xiàn)一種多端輸出薄膜氣敏傳感器，采用該結(jié)構(gòu)的氣敏傳感器具有靈敏度 高、選擇性好、室溫下工作、易于操作等優(yōu)點。本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的包括傳感器的絕緣襯底，氣體敏感膜，薄膜電極 層。以絕緣材料(剛性和柔性)作為襯底，通過直流磁控濺射在襯底上淀積金屬薄膜，接著 采用光刻工藝形成復(fù)合電極，在復(fù)合電極上面設(shè)置氣體敏感膜。所述的絕緣襯底材料是鈣鈉玻璃、二氧化硅等其他剛性絕緣材料，或者是柔性聚 合物絕緣材料。薄膜電極、氣體敏感膜位于傳感器的絕緣襯底同側(cè)。所述的薄膜電極包括電導(dǎo)信號拾取電極和電容信號拾取電極，電導(dǎo)信號拾取電極 和電容信號拾取電極之間是相互獨立的，電容信號拾取電極采用環(huán)形叉指結(jié)構(gòu)，同時可作 為加熱絲。所述的薄膜電極材料采用鎳、鉻、不銹鋼及其它二元或者多元合金混合物。所述的氣體敏感膜材料采用金屬氧化物，或者是碳納米管，或者是有機聚合層，或 者是金屬氧化物、碳納米管和有機聚合層的復(fù)合材料。同現(xiàn)有的技術(shù)相比較，本設(shè)計結(jié)構(gòu)的多端輸出薄膜氣敏傳感器有以下優(yōu)點(1) 同一個器件結(jié)構(gòu)上同時設(shè)計兩種電參量輸出，對于電導(dǎo)型氣體和材料可以提取其主要電導(dǎo) 參量，同時提取其次要電容參量作為補充。而對于電容型氣體和材料可以提取其主要電容參量，同時提取其次要電導(dǎo)參量作為補充。在后端數(shù)據(jù)辨識系統(tǒng)中，可以通過兩種主要參量 和次要參量，來準確識別氣體種類和濃度值。(2)采用環(huán)形叉指電極，不僅拾取信號，而且可 對氣體敏感膜進行加熱，將吸附到氣體敏感膜上的測試氣體迅速解吸，傳感器快速恢復(fù)到 初始狀態(tài)，提高傳感器的穩(wěn)定性和重復(fù)性。(3)通過多數(shù)據(jù)獲取來確定唯一變量，可以實現(xiàn) 高精度、高可靠性測量。(4)制造工藝簡單，重復(fù)性好，可批量制備。


圖1為本發(fā)明的俯視結(jié)構(gòu)示意圖。圖中，1、4、5、8表示電導(dǎo)信號拾取電極引出端；2、3、6、7表示電容信號拾取電極引 出端；9表示傳感器的絕緣襯底；10表示氣體敏感膜；a、b、c、d、e分別為五個間距。圖2本發(fā)明采用的傳感器新結(jié)構(gòu)的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。圖中，9表示傳感器的絕緣襯底；10表示氣體敏感膜；11表示薄膜電極層。下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的內(nèi)容作進一步詳細說明。
具體實施例方式參照圖1 2進行制作本發(fā)明傳感器，圖1為本發(fā)明的俯視結(jié)構(gòu)示意圖。1、4、5、 8為電導(dǎo)信號拾取電極引出端，具有拾取氣體敏感膜上的電導(dǎo)信號的功能。2、3、6、7為叉指 環(huán)形電容信號拾取電極的引出端，具有拾取氣體敏感膜上的電容信號和加熱電極功能。9為 傳感器的絕緣襯底。10為氣體敏感膜。a、b、C、d、e為五個間距尺寸，a的取值范圍為50um 到300um, b的取值范圍為50um到300um, c的取值范圍為250um到IOOOum, d的取值范圍 為Imm到1. 5mm，e的取值范圍為2mm到14mm。圖2為本發(fā)明的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。9為傳感 器的絕緣襯底。11為薄膜電極層。10為氣體敏感膜。公開一種多端輸出薄膜氣敏傳感器的新結(jié)構(gòu)，同時集成電導(dǎo)信號拾取電極和電容 信號拾取電極來獲取敏感膜信號。在電導(dǎo)模式下采用電導(dǎo)電極可以拾取氣體敏感膜上的電 導(dǎo)信號，在電容模式下采用電容叉指環(huán)形電極可以拾取氣體敏感膜上的電容信號，電容電 極同時可作為加熱絲對氣體敏感膜進行加熱。這種復(fù)合電極不同的設(shè)置模式下可以同時檢 測和鑒別電導(dǎo)敏感型和電容敏感型氣體，從而增強薄膜氣敏傳感器的選擇性。在加熱模式 下讓叉指環(huán)形電容電極通過電流，電極產(chǎn)生的電導(dǎo)熱可加熱氣體敏感膜，可使薄膜氣敏傳 感器迅速恢復(fù)到初始狀態(tài)，提高傳感器的穩(wěn)定性。同時這種新結(jié)構(gòu)的傳感器制造工藝簡單， 重復(fù)性好，靈敏度高，功耗低，生產(chǎn)成本低。本發(fā)明所提供的多端輸出薄膜氣敏傳感器的新結(jié)構(gòu)，至少包括以下三各部分傳 感器的絕緣襯底，薄膜電極層，氣體敏感膜。其特征在于采用絕緣材料作為襯底。薄膜電 極是通過直流磁控濺射在襯底上沉積一層金屬而后通過掩膜、曝光、顯影、刻蝕一系列工藝 形成的，電極與襯底之間有良好的接觸。電導(dǎo)信號拾取電極呈直線型，電容信號拾取電極呈 環(huán)形型叉指結(jié)構(gòu)。通過一對電導(dǎo)信號拾取電極可以拾取氣體敏感膜上的電導(dǎo)信號，一對電 容信號拾取電極可以拾取氣體敏感膜上的電容信號，單根電容環(huán)形電極兩端加上電壓產(chǎn)生 的電導(dǎo)熱可對氣體敏感膜進行加熱。由于電容信號拾取電極既要作為良好的導(dǎo)電電極又要 作為加熱電導(dǎo)絲，這就要求電極材料既要有良好的導(dǎo)電性又要具有足夠大的電導(dǎo)值，導(dǎo)電 性與電導(dǎo)之間需進行折中。氣體敏感膜材料是金屬氧化物、有機聚合層、碳納米管復(fù)合材料等。本發(fā)明所提供的多端輸出薄膜氣敏傳感器新結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)方法如下(1)取一片絕 緣材料作為襯底，比如鈣鈉玻璃、氧化硅等，先后用丙酮、乙醇、去離子水對襯底進行清洗，
烘干(2)通過直流磁控濺射法在襯底表面淀積一層金屬薄膜。(3)通過傳統(tǒng)的掩膜、曝光、顯影、刻蝕工藝加工出電極圖形。(4)通過厚膜工藝如印刷、滴涂等，或者薄膜工藝在電極上制備一層氣體敏感膜。采用鈣鈉玻璃作為傳感器的絕緣襯底9。先后用丙酮、乙醇、去離子水對玻璃襯底 進行清洗，烘干。采用直流磁控濺射在襯底上淀積一層200納米的不銹鋼。通過常規(guī)的光 刻工藝，涂膠、掩膜、曝光、顯影、刻蝕、去膠，將金屬層刻成圖1所示的電極形狀，構(gòu)成薄膜 電極層11。電極的線條寬50微米到80微米，間距a的取值范圍為50微米到300微米，間 距b的取值范圍為50微米到300微米，間距c的取值范圍為250微米到1000微米。間距 d的取值為1毫米到1. 5毫米，間距e的取值范圍是2毫米到14毫米。叉指環(huán)形指長9毫 米，共有十對叉指。在電極的引出端通過絲網(wǎng)印刷工藝印刷銀漿形成電極引出端接線盤，完 成薄膜電極的制作。在圖1中，1、4、5、8為電導(dǎo)信號拾取電極的引出端，在電導(dǎo)信號拾取電 極引出端1和電導(dǎo)信號拾取電極引出端5之間或者在電導(dǎo)信號拾取電極引出端4和電導(dǎo)信 號拾取電極引出端8之間加電壓可獲取氣體敏感膜上的電導(dǎo)信號；2、3、6、7為電容信號拾 取電極的引出端，在電容信號拾取電極引出端2、6與電容信號拾取電極引出端3、7之間加 電壓可獲取氣體敏感膜上的電容信號。當電容信號拾取電極作為加熱絲時，在電容信號拾 取電極引出端2與電容信號拾取電極引出端6之間或者在電容信號拾取電極引出端3與電 容信號拾取電極引出端7之間施加加熱電流，每根環(huán)形電極上產(chǎn)生電導(dǎo)熱可對氣體敏感膜 進行加熱。最后采用傳統(tǒng)厚膜工藝比如印刷、滴涂等在薄膜電極上制作一層氣體敏感膜10 完成本發(fā)明新結(jié)構(gòu)的氣敏傳感器的制備。
權(quán)利要求
一種多端輸出薄膜氣敏傳感器，包括傳感器的絕緣襯底(9)、薄膜電極層(11)、氣體敏感膜(10)，其特征在于，以絕緣材料作為傳感器的絕緣襯底(9)，通過直流磁控濺射在絕緣襯底上淀積金屬薄膜，接著采用光刻工藝形成薄膜電極層(11)，在薄膜電極層(11)上面設(shè)置氣體敏感膜(10)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多端輸出薄膜氣敏傳感器，其特征在于，所述的傳感器的絕 緣襯底(9)材料是鈣鈉玻璃、二氧化硅等其他剛性絕緣材料，或者是柔性聚合物絕緣材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多端輸出薄膜氣敏傳感器，其特征在于，薄膜電極層(11)、氣 體敏感膜(10)位于傳感器的絕緣襯底(9)同側(cè)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多端輸出薄膜氣敏傳感器，其特征在于，所述的薄膜電極層 (11)包括電導(dǎo)信號拾取電極和電容信號拾取電極，電導(dǎo)信號拾取電極和電容信號拾取電極 之間是相互獨立的，電容信號拾取電極采用環(huán)形叉指結(jié)構(gòu)，同時作為加熱絲。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多端輸出薄膜氣敏傳感器，其特征在于，所述的薄膜電極層 (11)材料采用鎳、鉻、不銹鋼及其它二元或者多元合金混合物。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多端輸出薄膜氣敏傳感器，其特征在于，所述的氣體敏感膜 (10)材料采用金屬氧化物，或者是碳納米管，或者是有機聚合層，或者是金屬氧化物、碳納 米管和有機聚合層的復(fù)合材料。
全文摘要
本發(fā)明公開一種多端輸出薄膜氣敏傳感器，同時集成電導(dǎo)信號拾取電極和電容信號拾取電極來獲取氣體敏感膜上的信號。所述的電導(dǎo)信號拾取電極可以獲取氣體敏感膜上的電導(dǎo)信號，環(huán)形叉指電容信號拾取電極可以獲取氣體敏感膜上的電容信號。所述環(huán)形叉指電容信號拾取電極同時可以作為加熱絲，電極上通過電流時產(chǎn)生的電導(dǎo)熱可對氣體敏感膜進行加熱。該氣敏傳感器集成電導(dǎo)信號和電容信號拾取電極，可同時對電導(dǎo)敏感型和電容敏感型氣體進行檢測，氣敏的選擇性和檢測精度得到極大的增強。環(huán)形叉指電容電極加熱，使得吸附的氣體短時間內(nèi)脫附，傳感器得以快速恢復(fù)到初態(tài)，提高傳感器的穩(wěn)定性。同時這種新結(jié)構(gòu)的傳感器制造工藝簡單，重復(fù)性好，靈敏度高，功耗低，生產(chǎn)成本低。
文檔編號G01N27/02GK101825596SQ20101015458
公開日2010年9月8日 申請日期2010年4月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月23日
發(fā)明者劉衛(wèi)華, 左曙, 朱長純, 李昕, 賀永寧 申請人:西安交通大學(xué)