CN101363810A

CN101363810A - 一种气敏传感器及其制备方法

Info

Publication number: CN101363810A
Application number: CNA2008100460245A
Authority: CN
Inventors: 蒋亚东; 于军胜; 李璐; 黄江; 谢光忠
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2008-09-11
Filing date: 2008-09-11
Publication date: 2009-02-11

Abstract

本发明公开了一种气敏传感器及其结构，包括基板、第一电极、介质层、敏感薄膜层、第二电极和第三电极，根据器件结构中各薄膜层和电极位置的不同，器件可以分为顶部接触式和底部接触式两种。本发明采用的新型结构提高了气敏传感器的集成度，机构简单、操作方便、造价低、检测迅速、灵敏度高，在临床医学、发酵、食品、化工、装备和环保等方面显示了广泛的应用前景。

Description

一种气敏传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，具体涉及一种气敏传感器及其制备方法。

背景技术

传感器是一种能够通过某种作用以选择性的方式对特定的待分析物质产生响应从而对分析物质进行定性或定量测定的装置，可以用于检测特定的一种或多种物质。

气敏传感器是用于检测某种特定气敏存在的传感设备，如检测一氧化碳、二氧化硫及乙醇等气敏。该传感器的原理是：采用敏感材料薄膜，基于该材料可以表面的气敏吸附可以导致材料中载流子浓度等特征参数发生相应的变化，从而改变器件的电导率等参数，外围电路会把材料参数的变化转化为电信号的变化，并放大为易被识别的的参数。

目前，气敏传感器的发展趋势集中表现为：1、提高灵敏度和工作性能，并使其微型化，能够与应用整机相结合。2、增强可靠性，具备多种功能，优先发展MEMS技术，发展现场适用的变送器和智能型传感器。

当前的研究热点就是新气敏材料与制作工艺的开发和新型结构的设计。研制开发新的气敏敏感膜材料，如复合型和混合型半导体气敏材料、高分子气敏材料，使得这些新材料对不同气敏具有高灵敏度、高选择性、高稳定性。由于有机高分子敏感材料具有材料丰富、成本低、制膜工艺简单、易于与其它技术兼容、在常温下工作等优点。此外，还可以沿用传统的作用原理和某些新效应，优先使用晶体材料，采用先进的加工技术和微结构设计，研制新型传感器及传感器系统。除了相关材料的开发，结构的设计应用同样重要，最优化的结构可以更好的发挥材料的特性，减小新材料开发的要求和难度，进一步提高器件的灵敏度和稳定性。

相信伴随着新材料、新工艺和新技术的应用，气敏传感器的性能更趋完善也能够满足人们小型化、多功能性的综合要求。相信随着纳米技术、薄膜技术等新材料研制成功，微机械与微电子技术、计算机技术等的综合应用，具备多种气敏监测功能的高性能智能化气敏传感器将会在不远的将来出现。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是如何提供一种气敏传感器及其制备方法，该气敏传感器使用了单一或者多种敏感材料的混合薄膜，简化了气敏传感器的制作工艺，增加了气敏传感器的集成度，进一步降低了工业化成本。

本发明所提出的技术问题是这样解决的：提供一种气敏传感器，包括基板、第一电极、介质层、敏感材料层、第二电极和第三电极，其特征在于，所述敏感材料层材料是以材料中的一种或者几种：聚硅氧烷类敏感材料、聚硅碳烷类敏感材料、有机膦毒剂敏感材料、半导体陶瓷材料、聚(氧{甲基(4-羟基-4，4-双(三氟代甲基)丁-1-烯-1-醇)亚甲基硅氧烷})SXFA、以六氟异丙醇(HFIP)为敏感基团和聚硅氧烷为骨架的材料、共聚碳硅氧烷BSP3、在寡聚二甲基硅氧烷链中引入氟代双酚基团形成的有机/无机混合型共聚物、聚吡咯、聚噻吩、聚苯胺、聚苯胺/纳米氧化物复合材料。

按照本发明所提供的气敏传感器，其特征在于，根据器件结构分为顶部接触式和底部接触式两种，其中顶部接触式结构为从下至上顺次是基板、第一电极、介质层和敏感材料层，第二电极和第三电极并行设置在敏感材料层上；底部接触式结构从下至上是基板、第一电极、介质层、第二电极、第三电极和敏感材料层，第二电极和第三电极并行设置在介质层上。

按照本发明所提供的气敏传感器，其特征在于，所述基板是硅基板、玻璃或者柔性基片。

按照本发明所提供的气敏传感器，其特征在于，所述柔性基片是聚酯类和聚酞亚胺化合物中的一种材料或者较薄的金属或者玻璃。

按照本发明所提供的气敏传感器，其特征在于，第一电极、第二电极和第三电极是金属或者导电薄膜，如Al金属、Au金属、Cu金属、Cr金属等，或者是具有良好的物理性质、化学性质和例如氧化铟锡(ITO)或氧化锌锡(IZO)导电薄膜。

按照本发明所提供的气敏传感器，其特征在于，所述介质层材料为氮化硅、氮化铝、氮化钛、氧化硅、氧化铝、氧化钛、氮氧化硅、氮氧化铝和氮氧化钛的一种或者几种，膜厚度在1nm～500nm，最佳厚度为60nm。

一种气敏传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

①先对基板进行彻底的清洗，清洗后干燥；

②在基板的表面制备第一电极；

③形成第一电极的图形；

④在第一电极的基板上制备介质层膜；

⑤对形成的介质层膜进行后期处理加工，如热处理等；

⑥然后在介质层膜上制备第二电极和第三电极；

⑦形成第二电极，第三电极图案；

⑧在第二电极，第三电极上继续制备敏感薄膜层。

一种气敏传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

①先对基板进行彻底的清洗，清洗后干燥；

②在基板的表面制备第一电极；

③形成第一电极的图形；

④在镀有第一电极的基板的上制备介质层膜；

⑤对形成的介质层膜进行后期处理加工，如热处理等；

⑥在介质层膜第二电极，第三电极上继续制备敏感薄膜层；

⑦然后在敏感薄膜层上制备第二电极和第三电极；

⑧形成第二电极，第三电极图案。

按照本发明所提供的气敏传感器的制备方法，其特征在于，敏感薄膜层以及介质层是通过真空蒸镀、离子团束沉积、离子镀、直流溅射镀膜、RF溅射镀膜、离子束溅射镀膜、离子束辅助沉积、等离子增强化学气相沉积(其中等离子增强化学气相沉积中的等离子发生器是射频激发、直流放电、微波等离子和电子回旋共振中的一种)、高密度电感耦合式等离子体源化学气相沉积(HD-ICP-CVD)、触媒式化学气相沉积(Cat-CVD)、磁控溅射、电镀、旋涂、浸涂、喷墨打印、辊涂和LB膜中的一种或者几种方式而形成。

本发明所提供的气敏传感器，结构新颖，敏感薄膜层可以是单一敏感薄膜或者多种敏感材料形成的复合薄膜层，有利于多种气敏传感器的集成化；这种结构的传感器本身利于集成，形成传感器阵列；器件超薄，体积小，重量轻，制备方法合理简单，易于操作；提高了响应速度和响应精度，并且优化了一般气敏传感器的制作工艺，降低了工艺要求，提高其性能，大幅降低气敏传感器的制备成本，对传感器的制作工艺有重要意义。本发明采用的新型结构提高了气敏传感器的集成度，机构简单、操作方便、造价低、检测迅速、灵敏度高，在临床医学、发酵、食品、化工、装备和环保等方面显示了广泛的应用前景。

附图说明

图1是本发明所提供的顶部接触式气敏传感器结构示意图；

图2是本发明所提供的底部接触式气敏传感器结构示意图；

其中，1、基板，2、第一电极，3、介质层，4、敏感薄膜层，5、第二电极，6、第三电极。

具体实施方式

下面结合附图以及实施例对本发明作进一步的说明。

本发明的技术方案是提供一种气敏传感器，如图1和2所示，器件的结构包括基板1，第一电极2，介质层3，敏感薄膜层4，第二电极5，第三电极6。

本发明中基板1为电极和有机薄膜层的依托，有一定的防水汽和氧气渗透的能力，有较好的表面平整性，它是硅基板、玻璃或柔性基片，柔性基片采用聚酯类、聚酞亚胺化合物中的一种材料或者较薄的金属或者玻璃。

本发明中第一电极2、第二电极5和第三电极6为金属或者导电薄膜，如Al金属、Au金属、Cu金属、Cr金属等，或者是具有良好的物理性质、化学性质和与例如氧化铟锡(ITO)或氧化锌锡(IZO)等导电薄膜。

本发明中介质层3是氮化硅、氮化铝、氮化钛、氧化硅、氧化铝、氧化钛、氮氧化硅、氮氧化铝和氮氧化钛的一种或者几种。

本发明中敏感薄膜层4是以下材料中的一种或者多种：聚硅氧烷类敏感材料、聚硅碳烷类敏感材料、有机膦毒剂敏感材料，半导体陶瓷材料、聚(氧{甲基(4-羟基-4，4-双(三氟代甲基)丁-1-烯-1-醇)亚甲基硅氧烷})SXFA、以六氟异丙醇(HFIP)为敏感基团和聚硅氧烷为骨架的一类材料、共聚碳硅氧烷BSP3、在寡聚二甲基硅氧烷链中引入氟代双酚基团形成的有机/无机混合型共聚物、聚吡咯、聚噻吩、聚苯胺、聚苯胺/纳米氧化物复合材料，如聚苯胺/二氧化锡、聚苯胺/二氧化钛、聚苯胺/氧化铟、聚苯胺/氧化钨。

以下是本发明的具体实施例：

实施例1

如图1所示结构中，基片1采用Si衬底，栅电极采用DC磁控溅射的ITO透明导电薄膜第一电极2，采用二氧化硅作为介质层3，第二电极5采用Cr金属薄膜作为电极层，第三电极6也采用Cr金属薄膜作为电极层。敏感薄膜层4采用聚苯胺/纳米氧化物复合材料。

制备方法如下所示：

①先对Si基板进行彻底的清洗，清洗后用干燥氮气吹干；

②在Si基板的表面通过DC磁控溅射的方法制备第一电极；

③通过光刻的方法刻蚀ITO第一电极图形；

④在镀有第一电极的Si基板上通过溅射二氧化硅介质膜；

⑤把已形成第一电极，覆盖介质膜的Si基板放入真空腔体制备敏感材料聚苯胺/纳米氧化物复合材料；

⑥然后在敏感材料膜上蒸镀Cr金属第二电极和Cr金属第三电极；

⑦通过光刻形成第二电极，第三电极图案。

实施例2

如图1所示结构中，基片1采用Si衬底，采用DC磁控溅射的ITO透明导电薄膜第一电极2，采用二氧化硅作为介质层3，第二电极5采用Cr金属薄膜作为电极层，第三电极6也采用Cr金属薄膜作为电极层。敏感薄膜层4采用SXFA。

器件的制备流程与实施例1相似。

实施例3

如图1所示结构中，基片1采用Si衬底，采用DC磁控溅射的ITO透明导电薄膜第一电极2，采用二氧化硅作为介质层3，第二电极5采用Cr金属薄膜作为电极层，第三电极6也采用Cr金属薄膜作为电极层。敏感薄膜层4采用BSP3。

器件的制备流程与实施例1相似。

Claims

1.一种气敏传感器，包括基板、第一电极、介质层、敏感材料层、第二电极和第三电极，其特征在于，所述敏感材料层材料是以下材料中的一种或者几种：聚硅氧烷类敏感材料、聚硅碳烷类敏感材料、有机膦毒剂敏感材料、半导体陶瓷材料、聚(氧{甲基(4-羟基-4，4-双(三氟代甲基)丁-1-烯-1-醇)亚甲基硅氧烷})、以六氟异丙醇为敏感基团和聚硅氧烷为骨架的材料、共聚碳硅氧烷、在寡聚二甲基硅氧烷链中引入氟代双酚基团形成的有机/无机混合型共聚物、聚吡咯、聚噻吩、聚苯胺和聚苯胺/纳米氧化物复合材料。

2.根据权利要求1所述的气敏传感器，其特征在于，根据器件结构分为顶部接触式和底部接触式两种，其中顶部接触式结构为从下至上顺次是基板、第一电极、介质层和敏感材料层，第二电极和第三电极并行设置在敏感材料层上；底部接触式结构从下至上是基板、第一电极、介质层、第二电极、第三电极和敏感材料层，第二电极和第三电极并行设置在介质层上。

3.根据权利要求1或2所述的气敏传感器，其特征在于，所述基板是硅基板、玻璃或者柔性基片。

4.根据权利要求1或2所述的气敏传感器，其特征在于，所述柔性基片是聚酯类和聚酰亚胺化合物中的一种材料或者较薄的金属或者玻璃。

5.根据权利要求1或2所述的气敏传感器，其特征在于，第一电极、第二电极和第三电极是金属或者导电薄膜。

6.根据权利要求1或2所述的气敏传感器，其特征在于，所述介质层材料为氮化硅、氮化铝、氮化钛、氧化硅、氧化铝、氧化钛、氮氧化硅、氮氧化铝和氮氧化钛的一种或者几种，膜厚度在1nm～500nm。

7.一种气敏传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

①先对基板进行彻底的清洗，清洗后干燥；

②在基板的表面制备第一电极；

③形成第一电极的图形；

④在第一电极的基板上制备介质层膜；

⑤对形成的介质层膜进行后期处理加工；

⑥然后在介质层膜上制备第二电极和第三电极；

⑦形成第二电极，第三电极图案；

⑧在第二电极，第三电极上继续制备敏感薄膜层。

8.根据权利要求7所述的气敏传感器的制备方法，其特征在于，敏感薄膜层以及介质层是通过真空蒸镀、离子团束沉积、离子镀、直流溅射镀膜、RF溅射镀膜、离子束溅射镀膜、离子束辅助沉积、等离子增强化学气相沉积、高密度电感耦合式等离子体源化学气相沉积、触媒式化学气相沉积、磁控溅射、电镀、旋涂、浸涂、喷墨打印、辊涂和LB膜中的一种或者几种方式而形成。

9.一种气敏传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

①先对基板进行彻底的清洗，清洗后干燥；

②在基板的表面制备第一电极；

③形成第一电极的图形；

④在镀有第一电极的基板的上制备介质层膜；

⑤对形成的介质层膜进行后期处理加工；

⑥在介质层膜上继续制备敏感薄膜层；

⑦然后在敏感薄膜层上制备第二电极和第三电极；

⑧形成第二电极，第三电极图案。

10.根据权利要求9所述的气敏传感器的制备方法，其特征在于，敏感薄膜层以及介质层是通过真空蒸镀、离子团束沉积、离子镀、直流溅射镀膜、RF溅射镀膜、离子束溅射镀膜、离子束辅助沉积、等离子增强化学气相沉积、高密度电感耦合式等离子体源化学气相沉积、触媒式化学气相沉积、磁控溅射、电镀、旋涂、浸涂、喷墨打印、辊涂和LB膜中的一种或者几种方式而形成。