CN102768230A - 一种竖直平板电容式气体传感器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种竖直平板电容式气体传感器，包括绝缘基板，绝缘基板上沉积有平面叉指电极，平面叉指电极上设置有竖直的N个电极板，N≥2，导电平板表面上附着有气敏薄膜，电极板上设置有绝缘顶盖，其中，①导电平板分别与相应的平面叉指电极接触；②导电平板彼此不接触，形成平板电容结构；③导电平板之间没有完全涂满气敏薄膜，气体可以快速地到达气敏薄膜的表面。本发明的气体传感器具有响应快、灵敏度高的特点，可以检测极低浓度的被测气体，且制备方法简单。

Description

一种竖直平板电容式气体传感器及其制备方法
技术领域
本发明涉及气体传感器技术领域，具体涉及一种平板电容式气体传感器及其制备方法。
背景技术
电容式气体传感器是在正负电极之间设置介质层，介质层吸附待测气体后导致电容值产生变化，通过测量电容值的变化来检测气体浓度，以实现对待测气体的检测的一种传感器。与其他类型的传感器相比，电容式气体传感器具有温度稳定性好，灵敏度高，分辨力高，动态响应好，成本低，并能在高温，辐射和强烈振动等恶劣条件下工作的优点。
美国专利US7115969、US7393740以及文献①Chemicapacitive microsensors for volatile organic compound detection, Sensors and Actuators B,2003,96:541–553;②Chemicapacitive microsensors for chemical warfare agent and toxic industrial chemical detection,Sensors and Actuators B,2006,116:192–201;③Ethanol vapor detection in aqueous environments using micro-capacitors and dielectric polymers,Sensors and Actuators B,2005,107:892–903;④Detection of methyl salicylate using polymer-filled chemicapacitors,Talanta,2008,76:872–877⑤Chemicapacitive microsensors for detection of explosives and TICs Proc. of SPIE，2005,5986,59860M公开了一种空腔型平板电容式气体传感器，系在衬底上制备上、下电极板层形成空腔，再在空腔中填充介质层，该传感器的上电极板相当于一个悬空膜片，膜片的中心和四周都有支柱以加固传感器结构，传感器四周的支撑形成闭合的侧壁。其特点是在上极板上设有通气孔以进行气体的扩散和吸附，并且在上极板或侧壁上设有开孔以注入聚合物介质。该气体传感器虽然具有很高的灵敏度，但却存在着响应时间长的缺点。原因在于待测气体都是通过多孔的上电极板进入传感器的介质薄膜中，气体的扩散和充分吸附需要较长的时间，因而该气体传感器的响应时间较长，这在爆炸气体和毒气的检测方面存在很大的局限性。
为了克服上述缺点，中国专利ZL201010161765.5公开了一种侧壁开放的空腔型平板电容式气体传感器，系在衬底上制备的上、下电极板间设置有若干支柱，介质薄膜涂覆在支柱以及上下电极的内表面，上电极平板上不设置气孔，传感器的侧壁开放，气体从开放的侧壁进入。该传感器的特点是多孔介质层，使得吸附面积更大，有利于提高传感器的灵敏度；并且介质层的多孔结构是连为一体的，并与外壁的气孔相通，有利于气体的扩散从而缩短传感器的响应时间。但该传感器存在制备工艺复杂的缺点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：如何提供一种竖直平板电容式气体传感器及其制备方法，解决现有电容式气体传感器气体的扩散和吸附时间长的缺点，并简化传感器的制备工艺。
本发明所提出的技术问题是这样解决的：提供一种竖直平板电容式气体传感器，包括绝缘基板、平面叉指电极、导电平板、气敏薄膜和绝缘顶盖，其特征在于，绝缘基板上沉积有平面叉指电极，平面叉指电极上设置有N个竖直的导电平板，N≥2，导电平板上附着有气敏薄膜；相邻的导电平板之间彼此不接触，而相间的导电平板之间通过其下的平面叉指电极形成电连接；绝缘顶盖设置在N个导电平板之上，使得导电平板之间形成气流通道。
本发明还提供了一种竖直平板电容式气体传感器的制备方法，包括以下步骤：
a、在绝缘基板上制备平面叉指电极；
b、在平面叉指电极上涂覆厚的光刻胶，利用光刻技术将平面叉指电极中的指条部分上方的光刻胶去除，形成光刻胶图案；
c、采用电镀法填充光刻胶图案中的孔洞，形成导电平板；
d、去除光刻胶；
e、在导电平板的表面涂覆气敏薄膜；
f、在导电平板上粘贴绝缘顶盖，使得导电平板之间形成气流通道。
进一步地，所述导电平板的高度为30~1000μm，间距为10~500μm。
进一步地，所述绝缘基板和绝缘顶盖为高阻硅片、陶瓷片或玻璃片。
进一步地，所述导电平板的材料为镍、铜、金、铜镍合金或坡莫合金
进一步地，所述平面叉指电极的材料为铝、铜、金、铂、镍铬、钛或钨。
进一步地，所述气敏薄膜为有机气敏薄膜或无机气敏薄膜，无机气敏薄膜采用金属有机物作为前驱溶液，经热处理后形成无机氧化物薄膜。
进一步地，所述气敏薄膜的制备方法为滴涂、喷涂、灌注中的一种。
进一步地，所述光刻胶为SU-8胶。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
本发明的平板型电容器为竖直平板，气体可以从传感器的侧面穿过，从而加快了气体的吸附，缩短了响应时间。竖直平板采用电镀法制备，且与对应平面叉指电极相连形成电容的正负电极，制备方法简单，成本低，适合批量生产。
附图说明
图1为本发明的竖直平板电容式气体传感器的结构示意，其中，图1(a)为立体图，图1(b)为侧视图，图1(c)俯视图（去除顶盖）；
图2为制备本发明所提供的传感器的流程示意图。
其中，1为绝缘基板，2为平面叉指电极，3为导电平板，4为气敏薄膜，5为绝缘顶盖，6为光刻厚胶，7为气流通道。
具体实施方式
该竖直平板电容式气体传感器，如图1所示，绝缘基板上沉积有平面叉指电极，平面叉指电极上设置有竖直的N个导电平板，N≥2，导电平板表面上附着有气敏薄膜，绝缘顶盖设置在N个电极板上。其中，①导电平板分别与相应的平面叉指电极接触；②导电平板彼此不接触，从而形成平板电容结构；③导电平板之间没有完全涂满气敏薄膜，气体可以快速地到达气敏薄膜的表面。
其制备步骤如下：
a、在绝缘基板上制备电极薄膜，并图形化形成平面叉指电极；
b、涂覆光刻厚胶，光刻后将平面叉指电极中的指条部分上方的光刻胶去除，形成光刻胶图案；
c、采用电镀法在图案化的光刻胶中沉积金属，形成导电平板；
d、去除光刻胶，形成金属平板结构；
e、采用滴涂等方法在电极板之间涂覆敏感材料，并留出气流通道；
f、设置绝缘顶盖。
以下是本发明的具体实施例。
实施例
如图1所示，一种竖直的平板电容式气体传感器，该结构的气体传感器包括硅基板、铝平面叉指电极、镍导电平板、介质敏感薄膜，玻璃顶盖。制备流程如下：第一步，在硅基板上蒸发一层厚度约为500nm的金属铝薄膜，然后旋涂一层普通的光刻薄胶，曝光显影后形成平面叉指图案，进而用稀盐酸做腐蚀液，将光刻胶的图案转移到铝膜中，形成铝的平面叉指电极；该步亦可采用剥离法制备铝平面叉指电极。第二步，采用旋涂法在铝平面叉指电极上涂覆厚度约为400um的SU-8光刻胶，曝光显影后将铝平面叉指电极中的指条部分对应的SU-8胶去除，形成深槽，槽宽50um，长为1mm，间距为80um。第三步，采用电镀法沉积金属镍，填充SU-8胶中的深槽，使金属镍的高度略低于光刻胶的厚度，形成导电平板。第四步，将SU-8胶置于丙酮溶液中加热浸泡约2小时，使得SU-8光刻胶充分溶胀，再用超声振荡彻底去除光刻胶，形成竖直的导电平板。第五步，采用滴涂法将溶解有聚甲基-{3-[2-羟基-4,6-二(三氟甲基)]苯基}-丙基硅氧烷（简称DKAP）的有机溶液，滴加在竖直的导电平板上，干燥后在传感器的导电平板表面沉积上一层DKAP敏感薄膜；薄膜沉积后，要求在两个相邻的电极板之间必须有气隙，只要气隙足够大，也可多次滴涂增加敏感膜的厚度。第六步，粘贴玻璃盖，使其覆盖住所有的竖直导电平板，使得气体只能从侧面进出传感器（单向的气流由外接的微型气泵提供，外接气泵未画出）。该气体传感器可用来探测DMMP气体，传感器的响应时间约为15s。

Claims (10)

1.一种竖直平板电容式气体传感器，其特征在于：包括绝缘基板、平面叉指电极、导电平板、气敏薄膜和绝缘顶盖，其特征在于，绝缘基板上沉积有平面叉指电极，平面叉指电极上设置有N个竖直的导电平板，N≥2，导电平板上附着有气敏薄膜；相邻的导电平板之间彼此不接触，而相间的导电平板之间通过其下的平面叉指电极形成电连接；绝缘顶盖设置在N个导电平板之上，使得导电平板之间形成气流通道。
2.根据权利要求1所述的一种竖直平板电容式气体传感器，其特征在于：所述导电平板的高度为30~1000μm，间距为10~500μm。
3.根据权利要求1所述的一种竖直平板电容式气体传感器，其特征在于：所述绝缘基板和绝缘顶盖为高阻硅片、陶瓷片或玻璃片。
4.根据权利要求1所述的一种竖直平板电容式气体传感器，其特征在于：所述导电平板的材料为镍、铜、金、铜镍合金或坡莫合金。
5.根据权利要求1所述的一种竖直平板电容式气体传感器，其特征在于：所述平面叉指电极的材料为铝、铜、金、铂、镍铬、钛或钨。
6.根据权利要求1所述的一种竖直平板电容式气体传感器，其特征在于：所述气敏薄膜为有机气敏薄膜或无机气敏薄膜，无机气敏薄膜采用金属有机物作为前驱溶液，经热处理后形成无机氧化物薄膜。
7.一种竖直平板电容式气体传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
a、在绝缘基板上制备平面叉指电极；
b、在平面叉指电极上涂覆厚的光刻胶，利用光刻技术将平面叉指电极中的指条部分上方的光刻胶去除，形成光刻胶图案；
c、采用电镀法填充光刻胶图案中的孔洞，形成导电平板；
d、去除光刻胶；
e、在导电平板的表面涂覆气敏薄膜；
f、在导电平板上粘贴绝缘顶盖，使得导电平板之间形成气流通道。
8.根据权利要求7所述的一种竖直平板电容式气体传感器的制备方法，其特征在于：所述气敏薄膜的制备方法为滴涂、喷涂或灌注。
9.根据权利要求7所述的一种竖直平板电容式气体传感器的制备方法，其特征在于：所述光刻胶为SU-8胶。
10. 根据权利要求7所述的一种竖直平板电容式气体传感器的制备方法，其特征在于：所述气敏薄膜为有机气敏薄膜或无机气敏薄膜，无机气敏薄膜采用金属有机物作为前驱溶液，经热处理后形成无机氧化物薄膜。
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