CN108061741A - 一种多通道阵列传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了多通道阵列传感器。该多通道阵列传感器包括：多个电极；和分别与所述多个电极对应的多个敏感材料层，每一所述敏感材料层是由敏感材料施加在对应的电极上形成；其中，每一所述电极的线宽和线距设置成根据施加在该电极上的敏感材料的预设基础电阻来调节。根据本发明的方案，通过将单一传感器升级到多通道阵列传感器，并通过多通道的阵列组合电极器件的方式提高传感器对待测物的高度识别以及高精确检测。此外，发明人经过多次试验和深入的总结分析创造性发现，通过控制每一个电极的间距及电极宽度来调节每种敏感材料的最佳基础电阻，以使每种敏感材料可以达到最佳的敏感性能。

Description

一种多通道阵列传感器
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，特别是涉及一种多通道阵列传感器。
背景技术
随着气体传感器技术的不断发展，人们对传感器的小型化及智能化的要求越来越高，并且，在传感器芯片本身的尺寸减小的同时，对传感器的精确识别的要求也是越来越高。市面上大多数的传感器都是单一器件及单一敏感材料的传感器，对气体的有效识别存在很大的弊端，而且也很难满足高度精确检测的行业要求。对于阵列传感器来说，其可以通过多种材料组合来提升传感器对气体的识别作用，因此越来越受到关注。
发明内容
本申请的发明人发现，阵列传感器中敏感材料的敏感性能与其基础电极有非常密切的关系，例如，对于阵列气体传感器来说，每种气敏材料在不同的基础电阻下的气敏性能都会有所不同。因此，基于该发现，申请人设计了以下技术方案。
本发明的一个目的是要提供一种多通道阵列传感器，以提高传感器对待测物的敏感性能、识别性能以及选择性能。
本发明提供的一个目的是要提供一种多通道阵列传感器，以使每种气敏材料处于最优的基础电阻，以达到阵列传感器对待测物的最优的敏感性能、最佳识别及选择性能。
本发明提供的一种多通道阵列传感器，包括：
多个电极；和
分别与所述多个电极对应的多个敏感材料层，每一所述敏感材料层是由敏感材料施加在对应的电极上形成；
其中，每一所述电极的线宽和线距设置成根据施加在该电极上的敏感材料的预设基础电阻来调节。
可选地，所述预设基础电阻为所述敏感材料的最佳基础电阻，以使得所述敏感材料达到最佳敏感性能。
可选地，所述多个敏感材料层上的敏感材料选择为完全相同、部分相同或完全不同。
可选地，所述多个电极之间的线宽和线距设置成在所述多个敏感材料层上的敏感材料完全不同时完全相同、部分相同或者均不相同。
所述多个电极之间的线宽和线距设置成在所述多个敏感材料层上的敏感材料部分相同时选择完全相同、部分相同或者均不相同。
可选地，每一敏感材料对应的电极的最佳线宽和最佳线距通过以下方法来确定：
在线宽和线距均不相同的多个电极上施加相同的敏感材料，以获取不同电极上的敏感材料的基础电阻；
比较不同电极上的敏感材料的基础电阻，以获取最佳基础电阻；
根据最佳基础电阻确定对应的电极，以获得该电极对应的线宽和线距，并将该电极对应的线宽和线距作为该敏感材料的最佳线宽和最佳线距。
可选地，所述电极为交叉齿状电极。
可选地，所述多通道阵列传感器还包括：
基底，用于在所述基底上进行刻蚀，以形成所述多个电极；
其中，所述基底的材料选自表面覆盖绝缘层的硅片、石英、陶瓷和塑料中的一种。
可选地，所述基底的形状为正方形或长方形。
可选地，所述基底的长度为范围在0.6-10mm之间的任一数值，宽度为范围在0.6-10mm之间的任一数值，厚度为范围在0.3-1mm。
可选地，所述电极的线宽为范围在1-100μm之间的任一数值，线距为范围在1-100μm之间的任一数值，厚度为范围在10nm-50μm之间的任一数值。
根据本发明的方案，通过将单一的传感器升级到多通道阵列传感器，并通过多通道的阵列组合电极器件的方式提高传感器对待测物的高度识别以及高精确检测。此外，发明人经过多次试验和深入的总结分析创造性发现，通过控制每一个电极的间距及电极宽度来调节每种敏感材料的最佳基础电阻，以使每种敏感材料可以达到最佳的敏感性能。在每种敏感材料处于最优的基础电阻的情况下，几种敏感材料共同工作以达到阵列传感器对待测物的最优的敏感性能、识别和选择性能。由此，也可以将该多通道阵列电极用于高分辨率及高精准度的智能传感器的领域，并可以很好地应用于传统单一传感器无法适用的领域，如高精度环境监测，冰箱气味识别等。
根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。
附图说明
后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：
图1是根据本发明一个实施例的多通道阵列传感器的示意性结构图；
图2是根据本发明一个实施例的多通道阵列传感器的示意性俯视图；
图3是敏感材料点在线宽和线距为15μm的电极上时的基础电阻以及对一氧化碳的气敏测试效果图；
图4是与图3相同的敏感材料点在线宽和线距为20μm的电极上时的基础电阻以及对一氧化碳的气敏测试效果图；
图5是与图3相同的敏感材料点在线宽和线距为30μm的电极上时的基础电阻以及对一氧化碳的气敏测试效果图。
具体实施方式
图1示出了根据本发明一个实施例的多通道阵列传感器的示意性结构图。图2示出了根据本发明一个实施例的多通道阵列传感器的示意性俯视图。如图1所示，该多通道阵列传感器可以包括基底10。该基底10的材料可以选自表面覆盖绝缘层的硅片、石英、陶瓷和塑料中的一种。其中，该基底10的形状优选为正方形或长方形，原因是：当选择为正方形或长方形时，可以最大限度地利用基底10的面积，避免造成不必要的浪费。该基底10的长度为0.6mm、1mm、3mm、6mm、8mm或10mm，也可以为0.6-10mm中任一其它数值，宽度为0.6mm、1mm、3mm、6mm、8mm或10mm，也可以为0.6-10mm中任一其它数值，厚度为0.5mm、0.6mm、0.7mm、0.8mm、0.9mm或1mm，也可以为0.3-1mm中任一其它数值。当基底10的长度、宽度和厚度不在本发明实施例所限定的范围时，例如基底10的长度、宽度和/或厚度过大，则会造成传感器器件的体积增大，使其不适用于小型化传感器，并且也增加了后期封装的难度，若基底10的长度、宽度和/或厚度过小，则会极大增加电极刻蚀的难度，间接地增加了成本。
参见图1和图2，该多通道阵列传感器还可以包括多个电极和多个敏感材料层。多个电极形成在基底10上，例如可以在基底10上刻蚀出多个电极，多个电极可以均为交叉齿状电极。该多个敏感材料层分别与多个电极相对应，每一敏感材料层是由敏感材料施加在对应的电极上形成。在一个实施例中，敏感材料层是用点样机将敏感材料点在电极上形成的。在发明人意识到敏感材料在不同的基础电阻下对特定待测物的敏感性能都会有所不同之后，通过控制多个电极中的每个电极的线宽和线距来调节每种敏感材料的最佳基础电阻，以使得阵列传感器达到最佳的敏感性能。在其他实施例中，也可以通过控制每个电极的线宽和线距来调节各种敏感材料的基础电阻达到预设的基础电阻。如图2所示，w代表电极线宽，s代表电极线距。
在一个实施例中，多通道阵列传感器为四通道阵列传感器，四个通道对应有四个电极，四个电极上可以分别点上四种不同的敏感材料，当该四种不同的敏感材料的最佳基础电阻均不同时，可以通过调整四个电极中的每一电极的线宽和线距来调整对应电极上的敏感材料的最佳基础电阻。当然，在其它实施例中，该多通道阵列传感器可以为五通道、六通道、七通道、八通道、十六通道或其他更多通道的阵列传感器，只要设计对应的电极即可。此外，多个电极上的敏感材料可以完全相同或部分相同，当然也可以完全不同。多个电极的线宽和线距可以各不相同，也可以完全或部分相同，主要作用是根据不同的敏感材料来控制材料的基础电阻，达到优化敏感材料的敏感性能的目的。
在一个实施例中，多通道阵列传感器可以是四通道阵列传感器，其对应有四个电极，四个电极可以以矩形阵列布置的形式形成在一个基底10上。电极的材料可以是普通的金属电极材料，例如金、铂、铝、铜、钨或相关合金等。在一个实施例中，交叉齿状电极可以为圆形交叉齿状电极，每一电极的总体直径为100μm、300μm、500μm、700μm、900μm、1mm、1.5mm或2mm，也可以为100μm-2mm中任一其它数值，优选直径为600μm。在一个实施例中，每一电极的线宽为5μm、20μm、40μm、60μm、80μm或100μm，也可以为5-100μm中任一其它数值。每一电极的线距为5μm、20μm、40μm、60μm、80μm或100μm，也可以为5-100μm中任一其它数值。当电极的线宽和线距不在本发明实施例所限定的范围时，例如，线宽或线距过大时，点在电极上的敏感材料的有效面积则占比减小，这样会造成不必要的浪费。若线宽或线距过小，则对电极的制作工艺技术要求以及仪器要求过高，则会造成样品良率或者成本的过分增加。
在图2所示的实施例中，传感器为四通道阵列传感器，其基底10为表面覆盖有300nm厚度的二氧化硅的单晶硅片，其形状为长方形，长为3.4mm，宽为2.3mm，厚度为400μm。电极的材料为钛、铂及金的合金材料，其中，钛的厚度为50nm，铂的厚度为50nm，金的厚度为300nm。该四通道阵列传感器包括四个电极，分别为第一电极21、第二电极22、第三电极23和第四电极24。四个电极均为圆形交叉齿状电极，每一电极的直径均为600μm。其中，第一电极21的线宽和线距均为10μm，第二电极22的线宽和线距均为15μm，第三电极23的线宽和线距均为20μm，第四电极24的线宽和线距均为30μm。点在四个电极上的敏感材料均为气敏材料。此外，该四通道阵列传感器还包括五个电极pad(electrode pad)，五个电极pad中的四个电极pad 31均连接一个电极，以传输敏感材料的电信号。另一个电极pad作为整个电极的地信号电极pad 32。其中，每一电极pad的形状为长方形或正方形，长度为100μm、300μm、600μm、800μm或1mm，也可以为100μm-1mm中任一其它数值，宽度为100μm、300μm、600μm、800μm或1mm，也可以为100μm-1mm中任一其它数值，厚度为10nm、30nm、500nm、1μm、10μm或50mm，也可以为10nm-50μm中任一其它数值。其中，每一电极的长度和宽度均优选为300μm，厚度优选为300nm。电极pad的长度、宽度和厚度不在本发明实施例所限定的范围时，例如电极pad的长度、宽度和厚度过大时，则造成有效面积的缩小，造成材料的浪费并增加传感器的尺寸，电极pad的长度、宽度和厚度过小时，工艺难度过大，增加成本。
图3示出了敏感材料点在线宽和线距为15μm的电极上时的基础电阻以及对一氧化碳的气敏测试效果图。图3中敏感材料的基础电阻为132.1K，由图3可知，测试150ppm的CO气体时的响应值为11.4％。图4示出了与图3相同的敏感材料点在线宽和线距为20μm的电极上时的基础电阻以及对一氧化碳的气敏测试效果图。图4中敏感材料的基础电阻为212.7K，由图4可知，测试150ppm的CO气体时的响应值为9％。图5示出了与图3相同的敏感材料点在线宽和线距为30μm的电极上时的基础电阻以及对一氧化碳的气敏测试效果图。图5中敏感材料的基础电阻为353.2K，由图5可知，测试150ppm的CO气体时的响应值为6.8％。结合图3至图5可知，同一敏感材料点在线宽和线距为15μm的电极上时的电阻最小，响应值最大。同一敏感材料点在线宽和线距为30μm的电极上时的电阻最大，响应值最小。
在其它实施例中，该多通道阵列传感器可以是湿度传感器、温度传感器或其它传感器，本发明方案适用于将敏感材料施加在电极表面上的传感器制备方法。
根据本发明的方案，通过将单一的传感器升级到多通道阵列传感器，并通过多通道的阵列组合电极器件的方式提高传感器对待测物的高度识别以及高精确检测。此外，发明人经过多次试验和深入的总结分析创造性发现，通过控制每一个电极的间距及电极宽度来调节每种敏感材料的最佳基础电阻，以使每种敏感材料可以达到最佳的敏感性能。在每种敏感材料处于最优的基础电阻的情况下，几种敏感材料共同工作以达到阵列传感器对待测物的最优的敏感性能、识别和选择性能。由此，也可以将该多通道阵列电极用于高分别率及高精准度的智能传感器的领域，并可以很好地应用于传统单一传感器无法适用的领域，如高精度环境监测，冰箱气味识别等。
至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (10)

1.一种多通道阵列传感器，其特征在于，包括：
多个电极；和
分别与所述多个电极对应的多个敏感材料层，每一所述敏感材料层是由敏感材料施加在对应的电极上形成；
其中，每一所述电极的线宽和线距设置成根据施加在该电极上的敏感材料的预设基础电阻来调节。
2.根据权利要求1所述的多通道阵列传感器，其特征在于，所述预设基础电阻为所述敏感材料的最佳基础电阻，以使得所述敏感材料达到最佳敏感性能。
3.根据权利要求1或2所述的多通道阵列传感器，其特征在于，所述多个敏感材料层上的敏感材料选择为完全相同、部分相同或完全不同。
4.根据权利要求2所述的多通道阵列传感器，其特征在于，所述多个电极之间的线宽和线距设置成在所述多个敏感材料层上的敏感材料完全不同时选择完全相同、部分相同或者均不相同；
所述多个电极之间的线宽和线距设置成在所述多个敏感材料层上的敏感材料部分相同时选择完全相同、部分相同或者均不相同。
5.根据权利要求2所述的多通道阵列传感器，其特征在于，每一敏感材料对应的电极的最佳线宽和最佳线距通过以下方法来确定：
在线宽和线距均不相同的多个电极上施加相同的敏感材料，以获取不同电极上的敏感材料的基础电阻；
比较不同电极上的敏感材料的基础电阻，以获取最佳基础电阻；
根据最佳基础电阻确定对应的电极，以获得该电极对应的线宽和线距，并将该电极对应的线宽和线距作为该敏感材料的最佳线宽和最佳线距。
6.根据权利要求1所述的多通道阵列传感器，其特征在于，所述电极为交叉齿状电极。
7.根据权利要求1-2、4-6中任一项所述的多通道阵列传感器，其特征在于，还包括：
基底，用于在所述基底上进行刻蚀，以形成所述多个电极；
其中，所述基底的材料选自表面覆盖绝缘层的硅片、石英、陶瓷和塑料中的一种。
8.根据权利要求7所述的多通道阵列传感器，其特征在于，所述基底的形状为正方形或长方形。
9.根据权利要求8所述的多通道阵列传感器，其特征在于，所述基底的长度为范围在0.6-10mm之间的任一数值，宽度为范围在0.6-10mm之间的任一数值，厚度为范围在0.3-1mm。
10.根据权利要求1-2、4-6中任一项所述的多通道阵列传感器，其特征在于，所述电极的线宽为范围在1-100μm之间的任一数值，线距为范围在1-100μm之间的任一数值，厚度为范围在10nm-50μm之间的任一数值。
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