CN101825596A - 一种多端输出薄膜气敏传感器 - Google Patents

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李昕
左曙
刘卫华
贺永宁
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Abstract

本发明公开一种多端输出薄膜气敏传感器，同时集成电导信号拾取电极和电容信号拾取电极来获取气体敏感膜上的信号。所述的电导信号拾取电极可以获取气体敏感膜上的电导信号，环形叉指电容信号拾取电极可以获取气体敏感膜上的电容信号。所述环形叉指电容信号拾取电极同时可以作为加热丝，电极上通过电流时产生的电导热可对气体敏感膜进行加热。该气敏传感器集成电导信号和电容信号拾取电极，可同时对电导敏感型和电容敏感型气体进行检测，气敏的选择性和检测精度得到极大的增强。环形叉指电容电极加热，使得吸附的气体短时间内脱附，传感器得以快速恢复到初态，提高传感器的稳定性。同时这种新结构的传感器制造工艺简单，重复性好，灵敏度高，功耗低，生产成本低。

Description

一种多端输出薄膜气敏传感器
技术领域
本发明涉及一种传感器，特别涉及一种多端输出薄膜气敏传感器。
背景技术
气敏传感器，又称气体传感器，是指利用各种化学、物理效应将气体成分、浓度按照一定的规律转换成电信号输出的传感器件，是化学传感器中最活跃的一种，广泛应用于环保、医疗、卫生、煤矿安全、工业、军事等领域，用来检测和鉴别易燃、易爆、有毒气体、工业废气、汽车尾气和环境保护气体等。
常见的薄膜气敏传感器，输出为某一种电参量输出，比如电导或者电容等。有些气体在气敏材料吸附后引起材料的电导发生明显变化，而有些气体则引起材料的电容有很大变化。因此在进行器件设计时，常常需要考虑被测气体和材料特性。本发明在同一个器件结构上同时设计两种电参量输出，对于电导型气体和材料可以提取其主要电导参量，同时提取其次要电容参量作为补充。而对于电容型气体和材料可以提取其主要电容参量，同时提取其次要电导参量作为补充。在后端数据辨识系统中，可以通过两种主要参量和次要参量，来准确识别气体种类和浓度值。
本发明的意义在于通过多数据获取来确定唯一变量，可以实现高精度、高可靠性测量。
发明内容
本发明实现一种多端输出薄膜气敏传感器，采用该结构的气敏传感器具有灵敏度高、选择性好、室温下工作、易于操作等优点。
本发明的技术方案是这样实现的：包括传感器的绝缘衬底，气体敏感膜，薄膜电极层。以绝缘材料(刚性和柔性)作为衬底，通过直流磁控溅射在衬底上淀积金属薄膜，接着采用光刻工艺形成复合电极，在复合电极上面设置气体敏感膜。
所述的绝缘衬底材料是钙钠玻璃、二氧化硅等其他刚性绝缘材料，或者是柔性聚合物绝缘材料。
薄膜电极、气体敏感膜位于传感器的绝缘衬底同侧。
所述的薄膜电极包括电导信号拾取电极和电容信号拾取电极，电导信号拾取电极和电容信号拾取电极之间是相互独立的，电容信号拾取电极采用环形叉指结构，同时可作为加热丝。
所述的薄膜电极材料采用镍、铬、不锈钢及其它二元或者多元合金混合物。
所述的气体敏感膜材料采用金属氧化物，或者是碳纳米管，或者是有机聚合层，或者是金属氧化物、碳纳米管和有机聚合层的复合材料。
同现有的技术相比较，本设计结构的多端输出薄膜气敏传感器有以下优点：(1)同一个器件结构上同时设计两种电参量输出，对于电导型气体和材料可以提取其主要电导参量，同时提取其次要电容参量作为补充。而对于电容型气体和材料可以提取其主要电容参量，同时提取其次要电导参量作为补充。在后端数据辨识系统中，可以通过两种主要参量和次要参量，来准确识别气体种类和浓度值。(2)采用环形叉指电极，不仅拾取信号，而且可对气体敏感膜进行加热，将吸附到气体敏感膜上的测试气体迅速解吸，传感器快速恢复到初始状态，提高传感器的稳定性和重复性。(3)通过多数据获取来确定唯一变量，可以实现高精度、高可靠性测量。(4)制造工艺简单，重复性好，可批量制备。
附图说明
图1为本发明的俯视结构示意图。
图中，1、4、5、8表示电导信号拾取电极引出端；2、3、6、7表示电容信号拾取电极引出端；9表示传感器的绝缘衬底；10表示气体敏感膜；a、b、c、d、e分别为五个间距。
图2本发明采用的传感器新结构的剖面结构示意图。
图中，9表示传感器的绝缘衬底；10表示气体敏感膜；11表示薄膜电极层。
下面结合附图对本发明的内容作进一步详细说明。
具体实施方式
参照图1～2进行制作本发明传感器，图1为本发明的俯视结构示意图。1、4、5、8为电导信号拾取电极引出端，具有拾取气体敏感膜上的电导信号的功能。2、3、6、7为叉指环形电容信号拾取电极的引出端，具有拾取气体敏感膜上的电容信号和加热电极功能。9为传感器的绝缘衬底。10为气体敏感膜。a、b、c、d、e为五个间距尺寸，a的取值范围为50um到300um，b的取值范围为50um到300um，c的取值范围为250um到1000um，d的取值范围为1mm到1.5mm，e的取值范围为2mm到14mm。图2为本发明的剖面结构示意图。9为传感器的绝缘衬底。11为薄膜电极层。10为气体敏感膜。
公开一种多端输出薄膜气敏传感器的新结构，同时集成电导信号拾取电极和电容信号拾取电极来获取敏感膜信号。在电导模式下采用电导电极可以拾取气体敏感膜上的电导信号，在电容模式下采用电容叉指环形电极可以拾取气体敏感膜上的电容信号，电容电极同时可作为加热丝对气体敏感膜进行加热。这种复合电极不同的设置模式下可以同时检测和鉴别电导敏感型和电容敏感型气体，从而增强薄膜气敏传感器的选择性。在加热模式下让叉指环形电容电极通过电流，电极产生的电导热可加热气体敏感膜，可使薄膜气敏传感器迅速恢复到初始状态，提高传感器的稳定性。同时这种新结构的传感器制造工艺简单，重复性好，灵敏度高，功耗低，生产成本低。
本发明所提供的多端输出薄膜气敏传感器的新结构，至少包括以下三各部分：传感器的绝缘衬底，薄膜电极层，气体敏感膜。其特征在于：采用绝缘材料作为衬底。薄膜电极是通过直流磁控溅射在衬底上沉积一层金属而后通过掩膜、曝光、显影、刻蚀一系列工艺形成的，电极与衬底之间有良好的接触。电导信号拾取电极呈直线型，电容信号拾取电极呈环形型叉指结构。通过一对电导信号拾取电极可以拾取气体敏感膜上的电导信号，一对电容信号拾取电极可以拾取气体敏感膜上的电容信号，单根电容环形电极两端加上电压产生的电导热可对气体敏感膜进行加热。由于电容信号拾取电极既要作为良好的导电电极又要作为加热电导丝，这就要求电极材料既要有良好的导电性又要具有足够大的电导值，导电性与电导之间需进行折中。气体敏感膜材料是金属氧化物、有机聚合层、碳纳米管复合材料等。
本发明所提供的多端输出薄膜气敏传感器新结构的实现方法如下：(1)取一片绝缘材料作为衬底，比如钙钠玻璃、氧化硅等，先后用丙酮、乙醇、去离子水对衬底进行清洗，烘干。
(2)通过直流磁控溅射法在衬底表面淀积一层金属薄膜。
(3)通过传统的掩膜、曝光、显影、刻蚀工艺加工出电极图形。
(4)通过厚膜工艺如印刷、滴涂等，或者薄膜工艺在电极上制备一层气体敏感膜。
采用钙钠玻璃作为传感器的绝缘衬底9。先后用丙酮、乙醇、去离子水对玻璃衬底进行清洗，烘干。采用直流磁控溅射在衬底上淀积一层200纳米的不锈钢。通过常规的光刻工艺，涂胶、掩膜、曝光、显影、刻蚀、去胶，将金属层刻成图1所示的电极形状，构成薄膜电极层11。电极的线条宽50微米到80微米，间距a的取值范围为50微米到300微米，间距b的取值范围为50微米到300微米，间距c的取值范围为250微米到1000微米。间距d的取值为1毫米到1.5毫米，间距e的取值范围是2毫米到14毫米。叉指环形指长9毫米，共有十对叉指。在电极的引出端通过丝网印刷工艺印刷银浆形成电极引出端接线盘，完成薄膜电极的制作。在图1中，1、4、5、8为电导信号拾取电极的引出端，在电导信号拾取电极引出端1和电导信号拾取电极引出端5之间或者在电导信号拾取电极引出端4和电导信号拾取电极引出端8之间加电压可获取气体敏感膜上的电导信号；2、3、6、7为电容信号拾取电极的引出端，在电容信号拾取电极引出端2、6与电容信号拾取电极引出端3、7之间加电压可获取气体敏感膜上的电容信号。当电容信号拾取电极作为加热丝时，在电容信号拾取电极引出端2与电容信号拾取电极引出端6之间或者在电容信号拾取电极引出端3与电容信号拾取电极引出端7之间施加加热电流，每根环形电极上产生电导热可对气体敏感膜进行加热。最后采用传统厚膜工艺比如印刷、滴涂等在薄膜电极上制作一层气体敏感膜10完成本发明新结构的气敏传感器的制备。

Claims (6)

1.一种多端输出薄膜气敏传感器，包括传感器的绝缘衬底(9)、薄膜电极层(11)、气体敏感膜(10)，其特征在于，以绝缘材料作为传感器的绝缘衬底(9)，通过直流磁控溅射在绝缘衬底上淀积金属薄膜，接着采用光刻工艺形成薄膜电极层(11)，在薄膜电极层(11)上面设置气体敏感膜(10)。
2.根据权利要求1所述的多端输出薄膜气敏传感器，其特征在于，所述的传感器的绝缘衬底(9)材料是钙钠玻璃、二氧化硅等其他刚性绝缘材料，或者是柔性聚合物绝缘材料。
3.根据权利要求1所述的多端输出薄膜气敏传感器，其特征在于，薄膜电极层(11)、气体敏感膜(10)位于传感器的绝缘衬底(9)同侧。
4.根据权利要求1所述的多端输出薄膜气敏传感器，其特征在于，所述的薄膜电极层(11)包括电导信号拾取电极和电容信号拾取电极，电导信号拾取电极和电容信号拾取电极之间是相互独立的，电容信号拾取电极采用环形叉指结构，同时作为加热丝。
5.根据权利要求1所述的多端输出薄膜气敏传感器，其特征在于，所述的薄膜电极层(11)材料采用镍、铬、不锈钢及其它二元或者多元合金混合物。
6.根据权利要求1所述的多端输出薄膜气敏传感器，其特征在于，所述的气体敏感膜(10)材料采用金属氧化物，或者是碳纳米管，或者是有机聚合层，或者是金属氧化物、碳纳米管和有机聚合层的复合材料。
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