CN104614403A - 传感器及其形成方法、检测气体的方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于纳米材料的传感器及其形成方法、传感器检测气体的方法，其中传感器包括：具有第一表面和与第一表面相对的第二表面的半导体衬底；位于第一表面的第一介质层；位于第二表面的第二介质层；位于第一介质层表面的传输线，且传输线具有间隔；填充所述间隔的MoS2纳米结构；位于第二介质层的接地层，所述接地层内具有互补开口谐振环，互补开口谐振环的位置与传输线的间隔对应。本发明实施例的传感器无需电源驱动和连线传输信号或检测数据，且灵敏度高、检测精度高、兼容性好。

Description

传感器及其形成方法、检测气体的方法
技术领域
本发明涉及气体检测领域，特别涉及一种基于纳米材料的传感器及其形成方法、检测气体的方法。
背景技术
环境安全和工业安全监控是社会经济可持续发展的先决条件和基础保障。在全球经济高速发展及各种高强度人类活动的影响下，环境安全和工业安全面临着巨大的挑战，主要环境安全问题和工业安全问题包括：大气污染、水污染、土壤污染、煤矿安全生产等等。
而解决主要环境安全问题和工业安全问题的关键因素之一，就是先进传感器件的研发，先进的传感器能够用于监测各类有毒有害气体，以雾霾为例，二氧化硫、氮氧化物和可吸入颗粒物是雾霾的主要组成。
因此，在当前人们越来越注重环境保护和生活安全的情况下，对一些有害气体和危险气体的检测就显得越来越重要。
而气体传感器是一种用于感测待检测气体的传感设备，气体传感器能应用于检测例如一氧化碳、硫化氢、二氧化硫、氢气或乙醇等各种气体，广泛应用于安全检测、环境检测等各种环境。
通常的气体传感器包括热线性传感器、固体电解质气体传感器、电化学气体传感器和光学气体传感器，
但是上述大部分气体传感器灵敏度差、检测精度低、兼容性低，且需要额外的电源驱动，以及需要连线传输信号或检测数据。
发明内容
本发明解决的问题是提供一种无需电源驱动和连线传输信号或检测数据，且灵敏度高、检测精度高、兼容性好的气体传感器。
为解决上述问题，本发明提供一种传感器的形成方法，提供半导体衬底，所述半导体衬底具有第一表面和与第一表面相对的第二表面，所述半导体衬底的第一表面具有第一介质层，第二表面具有第二介质层；在所述第一介质层表面形成若干MoS2纳米结构，若干MoS2纳米结构呈线性排列；在所述第一介质层表面形成传输线，所述传输线具有间隔，所述间隔适于容纳所述MoS2纳米结构；在所述半导体衬底的第二介质层表面形成接地层，所述接地层形成有互补开口谐振环，所述互补开口谐振环的位置与所述MoS2纳米结构的位置对应。
可选的，在所述第一介质层表面形成若干MoS2纳米结构包括：提供石英管式炉，所述石英管式炉具有连通的第一温区和第二温区，三氧化钼粉末、硫粉；将三氧化钼粉末放置于石英管式炉内的第一温区，形成有介质层的半导体衬底设置于三氧化钼粉末的上方，半导体衬底与三氧化钼粉末的间距为1厘米至5厘米；将硫粉放置于石英管式炉的第二温区，其中硫粉与三氧化钼粉末的间距为17厘米至20厘米；其中，第一温区的温度设置为650摄氏度至800摄氏度，第二温区的温度设置为180摄氏度至300摄氏度，石英管式炉在制备过程中始终通入30sccm的氩气，且氩气沿第二温区流向第一温区；保持第一温区650摄氏度至800摄氏度的时间为5分钟后，让管式炉自然冷却到室温，取出在所述介质层表面形成MoS2纳米线层的半导体衬底；在所述半导体衬底100表面形成光刻胶图形，所述光刻胶图形覆盖部分MoS2纳米线且所述光刻胶图形与待形成的线性排列的MoS2纳米线对应，采用刻蚀工艺去除未被覆盖的MoS2纳米线，然后去除所述光刻胶图形，形成若干间隔的MoS2纳米线且若干MoS2纳米线呈线性排列。
可选的，所述传输线的形成工艺包括：采用光刻胶图形覆盖所述MoS2纳米结构，所述光刻胶图形暴露出若干所述介质层表面，所述光刻胶图形与待形成的传输线对应，采用物理气相沉积工艺在所述介质层表面形成金属薄膜；去除光刻胶图形，形成具有间隔的传输线。
可选的，所述互补开口谐振环的结构为两个互相反向放置的同心开口谐振环，所述互补开口谐振环的形成工艺包括：在所述接地层表面形成光刻胶图形，所述光刻胶图形具有与互补开口谐振环对应的图形；以所述光刻胶图形为掩膜，刻蚀所述接地层，直至暴露出第二介质层；去除所述光刻胶图形，形成互补开口谐振环。
本发明还提供一种传感器，包括：具有第一表面和与第一表面相对的第二表面的半导体衬底；位于第一表面的第一介质层；位于第二表面的第二介质层；位于第一介质层表面的传输线，且传输线具有间隔；填充所述间隔的MoS2纳米结构；位于第二介质层的接地层，所述接地层内具有互补开口谐振环，互补开口谐振环的位置与传输线的间隔对应。
可选的，半导体衬底厚度为400微米至600微米，介电常数约为11.9；所述第一介质层的材料为氧化硅，所述第一介质层110的厚度为10到30微米，所述第一介质层的介电常数为4；所述第二介质层的材料为氧化硅，所述第二介质层的厚度为10到30微米，所述第二介质层的介电常数为4；所述传输线长度为11毫米至13毫米，宽度为0.6毫米；所述接地层的厚度为5微米至20微米。
可选的，所述互补开口谐振环的结构为两个互相反向放置的同心开口谐振环，其中，较大的开口谐振环的尺寸为：开口为0.3毫米，环的内径为5.52毫米，环的外径为5.92毫米。较小的开口谐振环的尺寸为：开口为0.3毫米，环的内径为4.72毫米，环的外径为5.12毫米。较大的开口谐振环与较小的开口谐振环的间距为0.2毫米。
可选的，当所述传感器的MoS2纳米结构数量为1时，所述传感器的等效电路为：输入端，所述输入端连接传输线第一等效电感的第一端，传输线第一等效电感的第二端连接MoS2纳米结构的等效电阻的第一端，MoS2纳米结构的等效电阻的第二端连接MoS2纳米结构的等效电感的第一端，MoS2纳米结构的等效电感的第二端连接MoS2纳米结构的等效电容的第一端，MoS2纳米结构的等效电容的第二端连接传输线第二等效电感的第一端，传输线第二等效电感的第二端连接输出端，传输线第一等效电容的第一端连接传输线第一等效电感的第二端，传输线第一等效电容的第二端连接传输线第二等效电容的第一端，传输线第二等效电容的第二端连接传输线第二等效电感的第一端；互补开口谐振环的等效电感的第一端连接传输线第一等效电容的第二端，互补开口谐振环的等效电容的第一端连接传输线第一等效电容的第二端，互补开口谐振环的等效电感的第二端连接互补开口谐振环的等效电容的第二端并接地。
本发明还提供一种传感器检测气体的方法，包括：获取第一曲线，所述第一曲线为：在没有待检测气体的环境下，所述传感器的频率与S11的曲线；将传感器放置于待检测环境，获取第二曲线，所述第二曲线为：在待检测环境下，所述传感器的频率与S11的曲线；通过比较第一曲线和第二曲线的频移的谐振频率变化与否，检测待检测环境下是否存在待检测气体。
可选的，还包括：通过获取待检测环境的多条第二曲线，根据多条第二曲线频移的谐振频率变化幅度，来获取待检测环境的待检测气体浓度。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：
本发明的传感器的实施例采用纳米材料MoS2结合互补开口谐振环应用于传感器，通过纳米材料MoS2吸收气体后，其材料的介电常数和导电性都发生变化，从而最终引起传感器谐振频率的变化，通过测量谐振频率的偏移，从而获得气体的浓度变化，起到检测报警作用，而采用互补开口谐振环应用于传感器，互补开口谐振环的同心圆之间的边缘电容效应发生谐振，互补开口谐振环应用于传感器使得器件在特定频段具有负介电常数和负磁导率，使得传感器的尺寸和工作频率相比很小，可小型化，并且传感器具有好的品质因数，可提高传感器灵敏性，拓展了左手材料及纳米材料在现代检测技术中的应用。
本发明的传感器的形成方法采用大规模集成电路工艺形成微波器件单元，优化基于纳米材料的传感器的工艺步骤。
本发明的传感器检测气体的方法能够检测不同浓度的气体，通过谐振频率变化获知检测气体的浓度变化，检测精度高。
附图说明
图1是本发明传感器的形成方法的一实施例的流程示意图；
图2至图8是本发明的传感器的形成方法一实施例的过程示意图；
图9是本发明的传感器一实施例的等效电路示意图；
图10是本发明传感器一实施例的测试气体示意图。
具体实施方式
现有的大部分气体传感器灵敏度差、检测精度低、兼容性低，且需要额外的电源驱动，以及需要连线传输信号或检测数据。以热线性传感器为例，热线性传感器是利用热导率变化的半导体传感器，是在Pt丝线圈上涂敷SnO2层，Pt丝除起加热作用外，还有检测温度变化的功能。施加电压半导体变热，表面吸氧，使自由电子浓度下降，可燃性气体存在时，由于燃烧耗掉氧自由电子浓度增大，导热率随自由电子浓度增加而增大，散热率相应增高，使Pt丝温度下降，阻值减小，Pt丝阻值变化与气体浓度为线性关系。
但是，Pt丝线圈上涂敷SnO2层无法采用集成电路工艺进行制造，兼容性低，另外需要采用额外的电源驱动以及连线连接热线性传感器。并且随着物联网的兴起，现有的传感器无法与射频器件兼容，因而无法兼容于物联网系统。
为此，本发明的发明人提出一种基于纳米材料的传感器及其形成方法，将能采用集成电路工艺制造基于纳米材料的传感器，所述传感器基于纳米材料和互补开口谐振环来探测气体，是一种无线无源气体传感器；可以用于易燃、易爆、高温、低温、强电磁场、运动物体及其它传感器无法应用的特殊场合，具有应用广泛的优点；所述传感器是优良的传感载体和无源器件，并且采用了互补开口谐振环应用于传感器，互补开口谐振环的同心圆之间的边缘电容效应发生谐振，互补开口谐振环应用于传感器使得器件在特定频段具有负介电常数和负磁导率，使得传感器的尺寸和工作频率相比很小，可小型化，并且传感器具有好的品质因数，可提高传感器灵敏性，拓展了左手材料及纳米材料在现代检测技术中的应用。
进一步地，通过设置传感器的参数，使得传感器的工作范围是射频微波领域，可直接收发射频和微波电磁波，实现非接触无线传感，具有无电源和信号连线，体积小，成本低、灵敏度高、功耗低、抗干扰能力强等优点，适合复杂环境下的应用。也可用于运动部件及不可接触对象的检测。
所述传感器是采用具有双负特性(负介电常数和负磁导率)左手材料逆开口的互补开口谐振环的谐振器结合气敏材料MoS2研制，通过纳米材料MoS2吸收不同气体后，其材料的介电常数和导电性都发生变化，从而最终引起传感器谐振频率的变化，通过测量谐振频率的偏移，从而获得气体的浓度变化，起到检测报警作用。
所述传感器具有无需电池供应能量，也无需互联线传输信号，可极大拓宽传感器使用寿命和应用环境，解决了恶劣环境下引线难和不稳定等问题，另外能够应用于被测对象与信号处理系统间无法用电缆、光纤等连接，不方便提供电源或处于恶劣环境中。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
本发明的实施例提供一种基于纳米材料的传感器的形成方法，请参考图1，包括如下步骤：
S101，提供半导体衬底，所述半导体衬底具有第一表面和与第一表面相对的第二表面，所述半导体衬底的第一表面具有第一介质层，第二表面具有第二介质层；
S102，在所述第一介质层表面形成若干MoS2纳米结构，若干MoS2纳米结构呈线性排列；
S103，在所述第一介质层表面形成传输线，所述传输线具有间隔，所述间隔适于容纳所述MoS2纳米结构；
S104，在所述半导体衬底的第二介质层表面形成接地层，所述接地层形成有互补开口谐振环，所述互补开口谐振环的位置与所述MoS2纳米结构的位置对应。
具体地，请参考图2，提供半导体衬底100，所述半导体衬底100具有第一表面I和与第一表面I相对的第二表面II。
所述半导体衬底100可以为半导体材料，比如所述半导体衬底100可以为单晶硅、单晶锗硅、单晶GaAs、单晶GaN等单晶的半导体材料(比如II－VI族、III－V族化合物半导体)，所述半导体衬底100的材料还可以是n型掺杂或p型掺杂硅衬底，多晶衬底或者是非晶衬底，比如所述半导体衬底100材料可以是多晶硅或者其他材质。
需要说明的是，所述半导体衬底100用于为后续形成的传感器提供载体平台，后续将在所述平台上形成传输线和互补开口谐振环等微波器件单元，本领域技术人员应该知晓，微波器件单元通常形成于微波PCB板载体平台上，但是微波PCB板无法与集成电路工艺兼容，为此，本发明的实施例选用与集成电路工艺兼容的所述半导体衬底100，并采用集成电路工艺形成微波器件单元，以优化基于纳米材料的传感器的工艺步骤。
需要指出的是，现有的半导体器件通常只形成于半导体衬底的工作面，而由于本实施例的所述半导体衬底100用于为后续形成的传感器提供载体平台，需要在所述半导体衬底100的第一表面I和第二表面II分别对应形成微波器件单元。作为一实施例，第一表面I可以为半导体衬底的工作面；作为另一实施例，第二表面II可以为半导体衬底的工作面。
在本实施例中，所述半导体衬底选用介电常数约为11.9的p型硅衬底。
请依旧参考图2，在所述半导体衬底100的第一表面I形成第一介质层110，在第二表面形成第二介质层150。
所述第一介质层110的用于电学隔离后续形成的微波器件单元和所述半导体衬底100。
所述第一介质层110的材料为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅等介质材料；所述第一介质层110的厚度为10到30微米，作为一实施例，所述第一介质层110的厚度为20微米；作为一实施例，所述第一介质层110的材料为氧化硅，形成工艺为氧化工艺或化学气相沉积工艺。
需要说明的是，也可以直接选用第一表面具有第一介质层110的所述半导体衬底100，而不需要额外再形成第一介质层110；本领域的技术人员可以根据实际工艺来选用所需的半导体衬底，在此特意说明，不应过分限制本发明的保护范围。
在本实施例中，所述第一介质层110的材料为氧化硅，厚度为20微米，介电常数约为4。
所述第二介质层150的用于电学隔离后续形成的互补开口谐振环和所述半导体衬底100。
所述第二介质层150的材料为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅等介质材料；所述第二介质层150的厚度为10到30微米，作为一实施例，所述第二介质层150的厚度为20微米；作为一实施例，所述第二介质层150的材料为氧化硅，形成工艺为氧化工艺或化学气相沉积工艺。
需要说明的是，也可以直接选用第二表面具有第二介质层150的所述半导体衬底100，而不需要额外再形成第二介质层150；本领域的技术人员可以根据实际工艺来选用所需的半导体衬底，在此特意说明，不应过分限制本发明的保护范围。
在本实施例中，所述第二介质层150的材料为氧化硅，厚度为20微米，介电常数约为4。
请参考图3，在所述第一介质层110表面形成若干的MoS2纳米结构122，若干MoS2纳米结构122呈线性排列。
所述MoS2纳米结构122适于吸附待探测气体，从而导致MoS2纳米结构的介电常数和导电性都发生变化，从而最终引起传感器谐振频率的变化，通过测量谐振频率的偏移，从而获得气体的浓度变化。另外，MoS2纳米结构122由于具有较大的比表面积，吸附气体的相应时间短，从而探测气体比较灵敏。
MoS2纳米结构122的数量可以为1、2、3、4…；需要说明的是，MoS2纳米结构122的数量越多，传感器探测的灵敏度越高，但是由于MoS2纳米结构的比表面积大，吸附待探测气体后介电常数和导电性都发生变化明显，因此，当MoS2纳米结构122的数量为1时，传感器探测的灵敏度也具有较高的值，本领域的技术人员可以根据传感器探测的灵敏度选择MoS2纳米结构122的数量。
需要说明的是，若干MoS2纳米结构122的间距可以相同也可以不同，本发明以若干MoS2纳米结构122的间距相同做示范性说明，但是，在其他实施例中，若干MoS2纳米结构122的间距也可不同或不全相同；发明人发现若干MoS2纳米结构122的间距的选择会影响后续传感器的谐振频率值。
作为一实施例，以MoS2纳米线为例做示范性说明，在所述第一介质层表面形成若干间隔的MoS2纳米结构122，若干MoS2纳米结构122呈线性排列包括如下步骤：采用化学气相沉积工艺在所述介质层表面形成MoS2纳米线层；采用光刻工艺形成若干间隔的MoS2纳米线且若干MoS2纳米结构呈线性排列。
作为一实施例，请参考图4，采用化学气相沉积工艺在所述介质层表面形成MoS2纳米线层，具体包括：提供石英管式炉200，所述石英管式炉200具有连通的第一温区201和第二温区202，三氧化钼(MoO3)粉末203、硫粉(S)204和形成有介质层(图4未示出)的半导体衬底100；将三氧化钼粉末203放置于石英管式炉200内的第一温区201，形成有介质层的半导体衬底100设置于三氧化钼粉末203的上方，半导体衬底100与三氧化钼粉末203的间距为1厘米至5厘米；将硫粉204放置于石英管式炉的第二温区202，其中硫粉204与三氧化钼粉末203的间距为17厘米至20厘米；其中，第一温区201的温度设置为650摄氏度至800摄氏度，第二温区202的温度设置为180摄氏度至300摄氏度，石英管式炉200在制备过程中始终通入30sccm的氩气(Ar)，且氩气沿第二温区202流向第一温区201；保持第一温区650摄氏度至800摄氏度的时间为5分钟后，让管式炉自然冷却到室温，取出在所述介质层表面形成MoS2纳米线层的半导体衬底100。
请参考图5，图5为采用化学气相沉积工艺在所述介质层表面形成MoS2纳米线层中单根MoS2纳米线的原子力显微镜图片，从图5中可以获知，MoS2纳米线的长度大于1000纳米，宽度约为20纳米至50纳米，且MoS2纳米线具有节，上述纳米结构具有较大的比表面积，能够吸附待探测气体，从而导致MoS2纳米结构的介电常数和导电性都发生变化。
采用光刻工艺形成若干间隔的MoS2纳米线且若干MoS2纳米线呈线性排列，包括如下步骤：在所述半导体衬底100表面形成光刻胶图形(未示出)，所述光刻胶图形覆盖部分MoS2纳米线且所述光刻胶图形与待形成的线性排列的MoS2纳米线对应，采用刻蚀工艺去除未被覆盖的MoS2纳米线，然后去除所述光刻胶图形，形成若干间隔的MoS2纳米线且若干MoS2纳米线呈线性排列。
还需要说明的是，控制MoS2纳米结构的生长温度、间距、气体流量还可以制备出MoS2的纳米棒、纳米带、纳米晶须等纳米结构，在此特意说明，不应过分限制本发明的保护范围。
请参考图6，在所述第一介质层110表面形成传输线120，所述传输线120具有间隔121，所述间隔121适于容纳所述MoS2纳米结构122；
所述传输线120用于传输微波信号，所述传输线的材料为金属，例如铜、金、银等。
所述传输线120为长条状，传输线120沿长度方向排列，其中，所述传输线长度为11毫米至13毫米，宽度为0.6毫米，间隔121为0.3毫米。
作为一实施例，所述传输线120的形成工艺包括：采用光刻胶图形覆盖所述MoS2纳米结构122，所述光刻胶图形暴露出若干所述第一介质层110表面，所述光刻胶图形与待形成的传输线120对应，采用物理气相沉积工艺在所述第一介质层110表面形成金属薄膜(未标示)；去除光刻胶图形，形成具有间隔121的传输线120。
请一并参考图7和图8，其中图8为沿垂直第二表面II方向的图7的俯视图，在第二介质层150表面形成接地层130，所述接地层形成有互补开口谐振环131。
其中，互补开口谐振环131作用为：当电磁波入射时，如果磁场方向垂直于开口谐振环平面，则开口谐振环上金属结构表面金属带部分产生电流回路，等效为电感；位移电流位于开口谐振环内外金属环间缝隙和各环开口处，等效为电容。因此，在入射电磁波磁场激励下，开口谐振环产生谐振，并且等效磁导率为负。互补开口谐振环是开口谐振环的互补结构。由传输线理论，准TEM模式使金属带条和地板间有强烈的电场分布，当电场强度足够大且正好平行于互补开口谐振环中心轴线，就能够较好地对互补开口谐振环进行激励，并产生负的介电常数，互补开口谐振环应用于传感器使得器件在特定频段具有负介电常数和负磁导率，使得传感器的尺寸和工作频率相比很小，可小型化，并且传感器具有好的品质因数，可提高传感器灵敏性。
因此，所述互补开口谐振环131能够放大消逝波，使得谐振环区域电场强，增强传感器灵敏性，并且所述互补开口谐振环131结构的超材料特性具有双负性，能够可以减小器件尺寸，例如所述互补开口谐振环131结构的超材料可在λ/8至λ//12谐振(需要说明的是：λ是传感器工作频率对应的波长)，从而减小器件尺寸。
进一步的，选用所述互补开口谐振环131的气体传感器具有低功耗。
作为一实施例，互补开口谐振环131的结构为两个互相反向放置的同心开口谐振环，其中，较大的开口谐振环的尺寸为：开口为0.3毫米，环的内径为5.52毫米，环的外径为5.92毫米。较小的开口谐振环的尺寸为：开口为0.3毫米，环的内径为4.72毫米，环的外径为5.12毫米。较大的开口谐振环与较小的开口谐振环的间距为0.2毫米。
互补开口谐振环131的位置与传输线120的间隔121对应，作为一实施例，间隔121投影的位置位于互补开口谐振环131的中心位置。为了示意，所述传输线120在图8中的投影以虚线示出。
具体地，在第二介质层150的表面形成接地层130的工艺包括：采用物理气相沉积工艺在所述第二介质层150的表面形成接地层130。
接地层130的厚度为5微米至20微米，接地层的材料为金属，例如铜、金、银等。
在所述接地层130内形成互补开口谐振环131的步骤包括：在所述接地层130表面形成光刻胶图形(未示出)，所述光刻胶图形具有与互补开口谐振环131对应的图形；以所述光刻胶图形为掩膜，刻蚀所述接地层130，直至暴露出所述第二介质层150的表面；去除所述光刻胶图形，形成互补开口谐振环131。
本发明还提供一种传感器的实施例，包括：具有第一表面I和与第一表面I相对的第二表面II的半导体衬底100；位于第一表面I的第一介质层110；位于第二表面II的第二介质层150；位于第一介质层110表面的传输线120，且传输线120具有间隔121；填充所述间隔121的MoS2纳米结构；位于第二介质层150的接地层130，所述接地层130内具有互补开口谐振环131，互补开口谐振环131的位置与传输线的间隔121对应。
具体地，半导体衬底100厚度为400微米至600微米，介电常数约为11.9；
所述第一介质层110的材料为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅等介质材料；所述第一介质层110的厚度为10到30微米，所述第一介质层110的介电常数约为4。
所述第二介质层150的材料为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅等介质材料；所述第二介质层150的厚度为10到30微米，所述第二介质层150的介电常数约为4。
所述传输线120为长条状，传输线120沿长度方向排列，其中，所述传输线长度为11毫米至13毫米，宽度为0.6毫米，间隔121为0.3毫米。所述MoS2纳米结构122适于吸附待探测气体，从而导致MoS2纳米结构的介电常数和导电性都发生变化，从而最终引起传感器谐振频率的变化，通过测量谐振频率的偏移，从而获得气体的浓度变化。MoS2纳米结构122的数量可以为1、2、3、4…；MoS2纳米结构可以为MoS2的纳米棒、纳米带、纳米晶须等纳米结构。
互补开口谐振环131的结构为两个互相反向放置的同心开口谐振环，其中，较大的开口谐振环的尺寸为：开口为0.3毫米，环的内径为5.52毫米，环的外径为5.92毫米。较小的开口谐振环的尺寸为：开口为0.3毫米，环的内径为4.72毫米，环的外径为5.12毫米。较大的开口谐振环与较小的开口谐振环的间距为0.2毫米。
需要说明的是，所述传感器可以做以下近似：互补开口谐振环131忽略对谐振频率影响较小的电阻，其性能接近于一个LC网络；传输线120可以等效为电容和电感，MoS2纳米结构122等效为RLC电路，来调谐谐振的频率。
其中，以具有一个MoS2纳米结构122的传感器为例，其中所述传感器的传输线120为长条状，所述传输线120只有1个间隔，图9为所述传感器的等效电路，包括：输入端，所述输入端连接传输线第一等效电感L传输线的第一端，传输线第一等效电感L传输线的第二端连接MoS2纳米结构的等效电阻RMoS2的第一端，MoS2纳米结构的等效电阻RMoS2的第二端连接MoS2纳米结构的等效电感LMoS2的第一端，MoS2纳米结构的等效电感LMoS2的第二端连接MoS2纳米结构的等效电容CMoS2的第一端，MoS2纳米结构的等效电容CMoS2的第二端连接传输线第二等效电感L’传输线的第一端，传输线第二等效电感L’传输线的第二端连接输出端，传输线第一等效电容C传输线的第一端连接传输线第一等效电感L传输线的第二端，传输线第一等效电容C传输线的第二端连接传输线第二等效电容C’传输线的第一端，传输线第二等效电容C’传输线的第二端连接传输线第二等效电感L’传输线的第一端；互补开口谐振环的等效电感LCSRR的第一端连接传输线第一等效电容C传输线的第二端，互补开口谐振环的等效电容CCSRR的第一端连接传输线第一等效电容C传输线的第二端，互补开口谐振环的等效电感LCSRR的第二端连接互补开口谐振环的等效电容CCSRR的第二端并接地。
由所述传感器的等效电路可知，所述MoS2纳米结构122等效为串联的电阻、电感和电容，将所述传感器放置于待检测环境时，当微波信号通过所述传输线120时，所述MoS2纳米结构122吸附待检测气体，等效电容的电容值和电阻值改变，从而引起传感器的频率与S11的曲线的谐振频率变化，使得所述传感器能够检测待检测气体。
本发明还提供一种采用上述实施例的传感器检测气体的方法，包括如下步骤：
S201，提供传感器，所述传感器包括：具有第一表面和与第一表面相对的第二表面的半导体衬底；位于第一表面的第一介质层；位于第二表面的第二介质层；位于第一介质层表面的传输线，且传输线具有间隔；填充所述间隔的MoS2纳米结构；位于第二介质层的接地层，所述接地层内具有互补开口谐振环，互补开口谐振环的位置与传输线的间隔对应；
S202，获取第一曲线，所述第一曲线为：在没有待检测气体的环境下，所述传感器的频率与S11的曲线；
S203，将传感器放置于待检测环境，获取第二曲线，所述第二曲线为：在待检测环境下，所述传感器的频率与S11的曲线；
S204，通过比较第一曲线和第二曲线的频移的谐振频率变化与否，检测待检测环境下是否存在待检测气体。
其中，第一曲线和第二曲线的获取方式为采用矢量网络分析仪测试传感器对传感器进行测试。
在另一实施例中，还可以通过获取待检测环境的多条第二曲线，根据多条第二曲线频移的谐振频率变化幅度，来获取待检测环境的待检测气体浓度。
具体地，以所述待检测气体为NO2为例做示范性说明，通过设置传感器的参数，使得传感器工作于移动通信或者WIFI等免费开放频段，作为一实施例，半导体衬底厚度为530微米，介电常数约为11.9，第一介质层厚度为20微米，介电常数约为4，第二介质层厚度为20微米，介电常数约为4，互补开口谐振环的结构为两个互相反向放置的同心开口谐振环，其中，较大的开口谐振环的尺寸为：开口为0.3毫米，环的内径为5.52毫米，环的外径为5.92毫米。较小的开口谐振环的尺寸为：开口为0.3毫米，环的内径为4.72毫米，环的外径为5.12毫米。较大的开口谐振环与较小的开口谐振环的间距为0.2毫米。传输线长度为12.1毫米，宽度为0.6毫米，间隔121为0.3毫米。
将传感器放置于没有待检测气体的环境下(大气环境，温度为20摄氏度，氮约占78％，氧约占21％，稀有气体约占0.94％，二氧化碳约占0.03％，其他气体约占0.03％)，采用矢量网络分析仪测试传感器，在2.0GHz至3.0GHz频率下，测试所述传感器的频率与S11的曲线3，获得曲线3的谐振频率为2.46GHz；之后，将传感器放置于待检测环境中，其中NO2的浓度为10ppm，采用矢量网络分析仪测试传感器，在2.0GHz至3.0GHz频率下，测试所述传感器的频率与S11的曲线2，获得曲线2的谐振频率为2.41GHz；曲线2相对于曲线3频移0.05GHz，之后，将传感器放置于另一待检测环境中，其中NO2的浓度为100ppm，采用矢量网络分析仪测试传感器，在2.0GHz至3.0GHz频率下，测试所述传感器的频率与S11的曲线1，获得曲线1的谐振频率为2.32GHz，曲线1相对于曲线3频移0.14GHz；根据传感器的频率与S11的曲线的谐振频率变换，可以得知待检测环境存在待检测气体NO2，并且能够根据曲线谐振频率的变换获知待检测气体NO2的浓度。
本发明的传感器的实施例采用纳米材料MoS2结合互补开口谐振环应用于传感器，通过纳米材料MoS2吸收气体后，其材料的介电常数和导电性都发生变化，从而最终引起传感器谐振频率的变化，通过测量谐振频率的偏移，从而获得气体的浓度变化，起到检测报警作用，而采用互补开口谐振环应用于传感器，互补开口谐振环的同心圆之间的边缘电容效应发生谐振，互补开口谐振环应用于传感器使得器件在特定频段具有负介电常数和负磁导率，使得传感器的尺寸和工作频率相比很小，可小型化，并且传感器具有好的品质因数，可提高传感器灵敏性，拓展了左手材料及纳米材料在现代检测技术中的应用。
本发明的传感器的形成方法采用大规模集成电路工艺形成微波器件单元，优化基于纳米材料的传感器的工艺步骤。
本发明的传感器检测气体的方法能够检测不同浓度的气体，通过谐振频率变化获知检测气体的浓度变化，检测精度高。
虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (10)

1.一种基于纳米材料的传感器的形成方法，其特征在于，包括：
提供半导体衬底，所述半导体衬底具有第一表面和与第一表面相对的第二表面，所述半导体衬底的第一表面具有第一介质层，第二表面具有第二介质层；
在所述第一介质层表面形成若干MoS2纳米结构，若干MoS2纳米结构呈线性排列；
在所述第一介质层表面形成若干传输线，所述传输线具有间隔，所述间隔适于容纳所述MoS2纳米结构；
在所述半导体衬底的第二介质层表面形成接地层，所述接地层形成有互补开口谐振环，所述互补开口谐振环的位置与所述MoS2纳米结构的位置对应。
2.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，在所述第一介质层表面形成若干MoS2纳米结构包括：提供石英管式炉，所述石英管式炉具有连通的第一温区和第二温区，三氧化钼粉末、硫粉；将三氧化钼粉末放置于石英管式炉内的第一温区，形成第一介质层的半导体衬底设置于三氧化钼粉末的上方，半导体衬底与三氧化钼粉末的间距为1厘米至5厘米；将硫粉放置于石英管式炉的第二温区，其中硫粉与三氧化钼粉末的间距为17厘米至20厘米；其中，第一温区的温度设置为650摄氏度至800摄氏度，第二温区的温度设置为180摄氏度至300摄氏度，石英管式炉在制备过程中始终通入30sccm的氩气，且氩气沿第二温区流向第一温区；保持第一温区650摄氏度至800摄氏度的时间为5分钟后，让石英管式炉自然冷却到室温，取出在所述介质层表面形成MoS2纳米线层的半导体衬底；在所述半导体衬底100表面形成光刻胶图形，所述光刻胶图形覆盖部分MoS2纳米线且所述光刻胶图形与待形成的线性排列的MoS2纳米线对应，采用刻蚀工艺去除未被覆盖的MoS2纳米线，然后去除所述光刻胶图形，形成若干间隔的MoS2纳米线且若干MoS2纳米线呈线性排列。
3.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，所述传输线的形成工艺包括：采用光刻胶图形覆盖所述MoS2纳米结构，所述光刻胶图形暴露出若干所述第一介质层表面，所述光刻胶图形与待形成的传输线对应，采用物理气相沉积工艺在所述第一介质层表面形成金属薄膜；去除光刻胶图形，形成具有间隔的传输线。
4.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，所述互补开口谐振环的结构为两个互相反向放置的同心开口谐振环，所述互补开口谐振环的形成工艺包括：在所述接地层表面形成光刻胶图形，所述光刻胶图形具有与互补开口谐振环对应的图形；以所述光刻胶图形为掩膜，刻蚀所述接地层，直至暴露出第二介质层；去除所述光刻胶图形，形成互补开口谐振环。
5.一种传感器，其特征在于，包括：
具有第一表面和与第一表面相对的第二表面的半导体衬底；位于第一表面的第一介质层；位于第二表面的第二介质层；位于第一介质层表面的传输线，且传输线具有间隔；填充所述间隔的MoS2纳米结构；位于第二介质层的接地层，所述接地层内具有互补开口谐振环，互补开口谐振环的位置与传输线的间隔对应。
6.如权利要求5所述的传感器，其特征在于，半导体衬底厚度为400微米至600微米，介电常数为11.9；所述第一介质层的材料为氧化硅，所述第一介质层110的厚度为10到30微米，所述第一介质层的介电常数为4；所述第二介质层的材料为氧化硅，所述第二介质层的厚度为10到30微米，所述第二介质层的介电常数为4；所述传输线长度为11毫米至13毫米，宽度为0.6毫米；所述接地层的厚度为5微米至20微米。
7.如权利要求5所述的传感器，其特征在于，所述互补开口谐振环的结构为两个互相反向放置的同心开口谐振环，其中，较大的开口谐振环的尺寸为：开口为0.3毫米，环的内径为5.52毫米，环的外径为5.92毫米；较小的开口谐振环的尺寸为：开口为0.3毫米，环的内径为4.72毫米，环的外径为5.12毫米；较大的开口谐振环与较小的开口谐振环的间距为0.2毫米。
8.如权利要求5所述的传感器，其特征在于，当所述传感器的MoS2纳米结构数量为1时，所述传感器的等效电路包括：输入端，所述输入端连接传输线第一等效电感的第一端，传输线第一等效电感的第二端连接MoS2纳米结构的等效电阻的第一端，MoS2纳米结构的等效电阻的第二端连接MoS2纳米结构的等效电感的第一端，MoS2纳米结构的等效电感的第二端连接MoS2纳米结构的等效电容的第一端，MoS2纳米结构的等效电容的第二端连接传输线第二等效电感的第一端，传输线第二等效电感的第二端连接输出端，传输线第一等效电容的第一端连接传输线第一等效电感的第二端，传输线第一等效电容的第二端连接传输线第二等效电容的第一端，传输线第二等效电容的第二端连接传输线第二等效电感的第一端；互补开口谐振环的等效电感的第一端连接传输线第一等效电容的第二端，互补开口谐振环的等效电容的第一端连接传输线第一等效电容的第二端，互补开口谐振环的等效电感的第二端连接互补开口谐振环的等效电容的第二端并接地。
9.一种采用权利要求5至8任一项的传感器检测气体的方法，其特征在于，包括：
获取第一曲线，所述第一曲线为：在没有待检测气体的环境下，所述传感器的频率与S11的曲线；
将传感器放置于待检测环境，获取第二曲线，所述第二曲线为：在待检测环境下，所述传感器的频率与S11的曲线；
通过比较第一曲线和第二曲线的频移的谐振频率变化与否，检测待检测环境下是否存在待检测气体。
10.如权利要求9所述的检测气体的方法，其特征在于，还包括：通过获取待检测环境的多条第二曲线，根据多条第二曲线频移的谐振频率变化幅度，来获取待检测环境的待检测气体浓度。
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