專利名稱：基于mems技術(shù)的陣列式氣味檢測元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及氣敏傳感器領(lǐng)域，具體是一種基于MEMS技術(shù)的陣列式氣味檢測元件。
背景技術(shù)：
電子鼻是一種能夠識別和量化目標(biāo)氣體的人工嗅覺系統(tǒng)，一般由氣敏傳感器陣列、數(shù)據(jù)采集設(shè)備和模式識別系統(tǒng)三部分構(gòu)成，其中，氣敏傳感器陣列由多個材料體系、制作工藝和工作方式相同或不同的傳感器構(gòu)成(例如金屬氧化物半導(dǎo)體傳感器、質(zhì)量型氣敏傳感器、電化學(xué)型氣敏傳感器、聲表面波傳感器等等)，利用各氣敏傳感器對復(fù)雜成分氣體都有響應(yīng)卻又互不相同這一特點(diǎn)，更加全面地獲得測試樣本的氣味信息，同時借助數(shù)據(jù)處理方法對多種氣味進(jìn)行識別，進(jìn)而對測試樣本的氣味進(jìn)行分析與評定；為此，在條件允許的情況下，人們會選擇盡可能多的材料體系不同的氣敏傳感器構(gòu)成傳感器陣列。但是由于構(gòu)成氣敏傳感器陣列的各傳感器存在材料體系、制作工藝和工作方式上的不同，各氣敏傳感器的穩(wěn)定性必然存在差異，而且各氣敏傳感器受環(huán)境溫度、濕度的影響也必然不同，盡管人們通常會對這些外在條件進(jìn)行控制，或用一些輔助或補(bǔ)償措施來彌補(bǔ)這方面的不足，各傳感器在使用過程中仍會因外在或內(nèi)在因素(如外界環(huán)境影響、元件使用過程中的正常老化等)的影響，使各傳感器的響應(yīng)特性發(fā)生不一致的漂移(即各傳感器響應(yīng)信號之間的平衡被打破)，進(jìn)而影響模式識別系統(tǒng)對目標(biāo)氣味的正確識別和量化；此外， 由于電子鼻的氣敏傳感器陣列是由多種傳感器組成，往往體積大、功耗多，也不利于電子鼻的集成化發(fā)展。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了解決現(xiàn)有電子鼻所用氣敏傳感器陣列中的個體存在響應(yīng)特性漂移不一致的問題，提出了一種基于MEMS技術(shù)的陣列式氣味檢測兀件。本發(fā)明是采取如下技術(shù)方案實現(xiàn)的基于MEMS技術(shù)的陣列式氣味檢測元件，包括半導(dǎo)體基底，以及在半導(dǎo)體基底上采用MEMS加工工藝加工得到的氣味敏感單元、用以檢測氣味敏感單元工作溫度的感溫單元、用以將氣味敏感單元加熱至所需工作溫度的加熱單元；所述氣味敏感單元包含按照陣列排布的若干氣敏型金屬氧化物薄膜，且各薄膜為尺寸參數(shù)各異的同種氣敏型金屬氧化物，各薄膜上分別設(shè)有兩個用于與數(shù)據(jù)采集設(shè)備連接的電極。其中，氣味敏感單元中氣敏型金屬氧化物薄膜的尺寸參數(shù)包括厚度、長度、寬度，氣味敏感單元中各薄膜的具體尺寸參數(shù)需根據(jù)本發(fā)明所述檢測元件的目標(biāo)檢測氣體種類、具體應(yīng)用場合，以及在各種濃度目標(biāo)檢測氣體的環(huán)境下，該氣敏型金屬氧化物的選擇特性、靈敏度、長期穩(wěn)定性等因素來共同確定；而整個確定過程是重復(fù)性勞動過程，需要重復(fù)進(jìn)行軟件仿真、樣品加工、實驗室測試、依據(jù)測試結(jié)果調(diào)整尺寸參數(shù)，直至獲得多組可實現(xiàn)的最佳尺寸參數(shù)；以最佳尺寸參數(shù)加工檢測元件成品，進(jìn)行實驗室測試，記錄檢測元件中各氣敏型金屬氧化物薄膜對不同濃度目標(biāo)氣體的響應(yīng)特性曲線，不同濃度目標(biāo)氣體分別對應(yīng)一組響應(yīng)特性曲線，各組響應(yīng)特性曲線是識別目標(biāo)氣體種類、量化目標(biāo)氣體濃度的基礎(chǔ)，即基準(zhǔn)響應(yīng) 3特性曲線，基準(zhǔn)響應(yīng)特性曲線以組劃分，每組基準(zhǔn)響應(yīng)特性曲線與相應(yīng)濃度的目標(biāo)氣體對應(yīng)。此外，本發(fā)明所選氣敏型金屬氧化物應(yīng)易于采用MEMS技術(shù)在半導(dǎo)體基底上加工為薄膜結(jié)構(gòu)。應(yīng)用所述陣列式氣味檢測元件的電子鼻識別目標(biāo)氣體的方法，所述電子鼻包括基于MEMS技術(shù)的陣列式氣味檢測元件、數(shù)據(jù)采集設(shè)備、與數(shù)據(jù)采集設(shè)備輸出端連接的模式識別系統(tǒng)，檢測元件與數(shù)據(jù)采集設(shè)備連接；模式識別系統(tǒng)按如下步驟識別目標(biāo)氣體
信息獲取步驟，經(jīng)數(shù)據(jù)采集設(shè)備獲取檢測元件中各氣敏型金屬氧化物薄膜對目標(biāo)氣體的響應(yīng)特性曲線；
識別步驟，對信息獲取步驟獲得的響應(yīng)特性曲線組進(jìn)行分析，選取反映各響應(yīng)特性曲線的特性參數(shù)，將各響應(yīng)特性曲線的特征參數(shù)與基準(zhǔn)響應(yīng)特性曲線組各曲線的對應(yīng)特征參數(shù)進(jìn)行逐一比較，如比較結(jié)果一致，則相應(yīng)基準(zhǔn)響應(yīng)特性曲線組對應(yīng)的目標(biāo)氣體種類和濃度即是電子鼻的檢測結(jié)果。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明中氣味敏感單元采用相同材料、不同尺寸參數(shù)的氣敏型金屬氧化物薄膜敏感氣味，利用各相同材料、不同尺寸參數(shù)的氣敏型金屬氧化物薄膜對同種濃度目標(biāo)氣體都有響應(yīng)卻又互不相同這一特點(diǎn)，獲得目標(biāo)氣體的氣味信息，依靠模式識別系統(tǒng)對目標(biāo)氣味進(jìn)行識別、量化，但因各薄膜的材料相同，使得各薄膜的穩(wěn)定性一致，因外界環(huán)境溫度和濕度引起的響應(yīng)特性漂移也具備一致性，保持各薄膜響應(yīng)信號之間的關(guān)系穩(wěn)定，促使模式識別系統(tǒng)對目標(biāo)氣味正確識別和量化。此外，本發(fā)明所用識別方法依據(jù)的是針對不同的目標(biāo)氣體，無論其濃度相同，還是不同，檢測元件中氣敏型金屬氧化物薄膜對目標(biāo)氣體的基準(zhǔn)響應(yīng)特性曲線組內(nèi)可能會有個別曲線相同，但每組基準(zhǔn)響應(yīng)特性曲線卻是獨(dú)一無二的，同樣實際檢測時，檢測元件中氣敏型金屬氧化物薄膜對目標(biāo)氣體的響應(yīng)特性曲線組也是獨(dú)一無二的，使響應(yīng)特性曲線組與基準(zhǔn)響應(yīng)特性曲線組能唯一對應(yīng)，有效避免檢測元件可測目標(biāo)氣體(只對一種氣味敏感的金屬氧化物是不存在的)間發(fā)生交叉影響， 保證了本發(fā)明所述識別方法檢測結(jié)果的正確性。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，能采用目前發(fā)展已較成熟的MEMS技術(shù)加工實現(xiàn)，利于實現(xiàn)電子鼻的集成化、小型化，且方法合理，識別準(zhǔn)確。


圖I為本發(fā)明所述氣味檢測元件的一種具體結(jié)構(gòu)示意圖2為圖I的A-A剖面圖中1_半導(dǎo)體基底；2_感溫單元；3_加熱單元；4_氣敏型金屬氧化物薄膜；5_電極。
具體實施例方式如圖I所示，基于MEMS技術(shù)的陣列式氣味檢測元件，包括半導(dǎo)體基底1，以及在半導(dǎo)體基底I上采用MEMS加工工藝加工得到的氣味敏感單元、用以檢測氣味敏感單元工作溫度的感溫單元2、用以將氣味敏感單元加熱至所需工作溫度的加熱單元3 ;所述氣味敏感單元包含按照陣列排布的若干氣敏型金屬氧化物薄膜4，且各薄膜為尺寸參數(shù)各異的同種氣敏型金屬氧化物，各薄膜上分別設(shè)有兩個用于與數(shù)據(jù)采集設(shè)備連接的電極5。應(yīng)用所述陣列式氣味檢測元件的電子鼻識別目標(biāo)氣體的方法，所述電子鼻包括基于MEMS技術(shù)的陣列式氣味檢測元件、數(shù)據(jù)采集設(shè)備、與數(shù)據(jù)采集設(shè)備輸出端連接的模式識別系統(tǒng)，檢測元件與數(shù)據(jù)采集設(shè)備連接；模式識別系統(tǒng)按如下步驟識別目標(biāo)氣體
信息獲取步驟，經(jīng)數(shù)據(jù)采集設(shè)備獲取檢測元件中各氣敏型金屬氧化物薄膜對目標(biāo)氣體的響應(yīng)特性曲線；
識別步驟，對信息獲取步驟獲得的響應(yīng)特性曲線組進(jìn)行分析，選取反映各響應(yīng)特性曲線的特性參數(shù)，將各響應(yīng)特性曲線的特征參數(shù)與基準(zhǔn)響應(yīng)特性曲線組各曲線的對應(yīng)特征參數(shù)進(jìn)行逐一比較，如比較結(jié)果一致，則相應(yīng)基準(zhǔn)響應(yīng)特性曲線組對應(yīng)的目標(biāo)氣體種類和濃度即是電子鼻的檢測結(jié)果。具體實施時，氣味敏感單元和感溫單元2設(shè)置于半導(dǎo)體基底I的上表面，而加熱單元3設(shè)置于半導(dǎo)體基底I的上下表面皆可，設(shè)置于上表面時，屬于旁熱式加熱；而設(shè)置于下表面時，為了實現(xiàn)氣味敏感單元的均勻受熱，在半導(dǎo)體基底I的下表面采用MEMS工藝將正對氣味敏感單元的位置處進(jìn)行腐蝕，形成凹槽，如圖2所示，使半導(dǎo)體基底I的縱截面呈橋式結(jié)構(gòu)，將加熱單元3設(shè)置于凹槽底部，以低功耗實現(xiàn)對氣味敏感單元的均勻加熱，建議采用鉬絲(Pt)作為加熱單元3的加熱電阻，鉬具有準(zhǔn)確度高，測量范圍大，穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。 感溫單元2設(shè)置于氣味敏感單元的旁邊，建議采用SiC薄膜實現(xiàn)。此外，可以在氣味敏感單元上設(shè)置氣體滲透性薄膜，即在按照陣列排布的若干氣敏型金屬氧化物薄膜上覆蓋一層氣體滲透性薄膜，其目的有三1、過濾氣體，避免其它氣體對氣敏型金屬氧化物薄膜造成干擾；2、增強(qiáng)對目標(biāo)氣體的吸收，協(xié)助提高氣味敏感單元的檢測準(zhǔn)確度；3、保護(hù)氣敏型金屬氧化物薄膜；氣體滲透性薄膜建議采用Si02薄膜實現(xiàn)。
權(quán)利要求
1.一種基于MEMS技術(shù)的陣列式氣味檢測元件，包括半導(dǎo)體基底(1)，以及在半導(dǎo)體基底(I)上采用MEMS加工工藝加工得到的氣味敏感單元、用以檢測氣味敏感單元工作溫度的感溫單元(2)、用以將氣味敏感單元加熱至所需工作溫度的加熱單元(3);其特征在于 所述氣味敏感單元包含按照陣列排布的若干氣敏型金屬氧化物薄膜(4)，且各薄膜為尺寸參數(shù)各異的同種氣敏型金屬氧化物，各薄膜上分別設(shè)有兩個用于與數(shù)據(jù)采集設(shè)備連接的電極(5 )。
2.應(yīng)用權(quán)利要求I所述陣列式氣味檢測元件的電子鼻識別目標(biāo)氣體的方法，其特征在于所述電子鼻包括基于MEMS技術(shù)的陣列式氣味檢測元件、數(shù)據(jù)采集設(shè)備、與數(shù)據(jù)采集設(shè)備輸出端連接的模式識別系統(tǒng)，檢測元件與數(shù)據(jù)采集設(shè)備連接；模式識別系統(tǒng)按如下步驟識別目標(biāo)氣體信息獲取步驟，經(jīng)數(shù)據(jù)采集設(shè)備獲取檢測元件中各氣敏型金屬氧化物薄膜對目標(biāo)氣體的響應(yīng)特性曲線；識別步驟，對信息獲取步驟獲得的響應(yīng)特性曲線組進(jìn)行分析，選取反映各響應(yīng)特性曲線的特性參數(shù)，將各響應(yīng)特性曲線的特征參數(shù)與基準(zhǔn)響應(yīng)特性曲線組各曲線的對應(yīng)特征參數(shù)進(jìn)行逐一比較，如比較結(jié)果一致，則相應(yīng)基準(zhǔn)響應(yīng)特性曲線組對應(yīng)的目標(biāo)氣體種類和濃度即是電子鼻的檢測結(jié)果。
全文摘要
本發(fā)明涉及氣敏傳感器領(lǐng)域，具體是一種基于MEMS技術(shù)的陣列式氣味檢測元件。解決了現(xiàn)有電子鼻所用氣敏傳感器陣列中的個體存在響應(yīng)特性漂移不一致的問題。所述檢測元件包括半導(dǎo)體基底，以及在半導(dǎo)體基底上采用MEMS加工工藝加工得到的氣味敏感單元、用以檢測氣味敏感單元工作溫度的感溫單元、用以將氣味敏感單元加熱至所需工作溫度的加熱單元；所述氣味敏感單元包含按照陣列排布的若干氣敏型金屬氧化物薄膜，且各薄膜為尺寸參數(shù)各異的同種氣敏型金屬氧化物，各薄膜上分別設(shè)有兩個用于與數(shù)據(jù)采集設(shè)備連接的電極。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，能采用目前發(fā)展已較成熟的MEMS技術(shù)加工實現(xiàn)，利于實現(xiàn)電子鼻的集成化、小型化，且方法合理，識別準(zhǔn)確。
文檔編號G01N33/00GK102590450SQ201210018690
公開日2012年7月18日 申請日期2012年1月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月20日
發(fā)明者劉俊, 劉文怡, 張文棟, 朱思敏, 熊繼軍, 薛晨陽, 裴向東, 譚秋林 申請人:中北大學(xué)