CN108414581A - 一种微型多维传感器及制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种微型多维传感器及制造方法，微型多维传感器包括：基底以及设置在基底上的第一绝缘层；第一绝缘层上设置有加热层；所述加热层上设置有第二绝缘层；第二绝缘层上设置有电极层，所述电极层包括N个相互独立的电极，所述N个相互独立的电极在沿所述电极层的水平方向上依次间隔分布，N≥3；所述电极层上设置有敏感层，所述敏感层包括N‑1个相互独立的敏感膜；所述N‑1个相互独立的敏感膜在沿所述敏感层的水平方向上依次间隔分布，且每个敏感膜覆盖在相邻的两个电极之上；所述N‑1个相互独立的敏感膜分别采用不同的敏感材料制备，用于检测不同的气体。本发明提供的微型多维传感器能够提高气体检测灵敏度，同时扩大气体检测范围。
Description
技术领域
本发明涉及空气质量检测领域，具体涉及一种微型多维传感器及制造方法。
背景技术
雾霾的日益加剧，使得人们越来越意识到环境的重要性。目前通过建立针对城市空气中多目标气体的快速、准确、可靠的现场监测系统，实现实时、动态监测城市空气基本安全参数及状况已迫在眉睫。
由于环境空气背景复杂，含有CO、CO2、SO2、氮化物、苯、甲苯等有毒有害气体，而市场上的通用检测器(PID、FID、SAW等)，其气体响应范围都存在盲区，如PID、FID对CO、CO2、SO2、氮化物等不响应，且本身不具备抗干扰能力，这些缺陷使得这些通用型检测器很难在这种宽谱范围的复杂环境普及应用。
金属氧化物检测器是色谱领域中非常重要且应用广泛的一种检测器，这种检测器能检测的气体种类很多，可根据气体成分更换相应的敏感膜，就可实现对该气体的快速检测。
但传统的金属氧化物检测器，由于金属冒的封装形式，其死体积特别大，这就大大降低了其响应速度及检测灵敏度。而且，传统的金属氧化物检测器，由于敏感膜单一，因此其检测的气体组分(或种类)非常有限，而且由于封装的局限，检测器的死体积非常大，极大影响了检测器的响应灵敏度。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供了一种微型多维传感器及制造方法，本发明提供的微型多维传感器能够提高气体检测灵敏度，同时扩大气体检测范围。
具体地，本发明提供了以下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种微型多维传感器，包括：
基底以及设置在基底上的第一绝缘层；
所述第一绝缘层上设置有加热层；
所述加热层上设置有第二绝缘层；
所述第二绝缘层上设置有电极层，所述电极层包括N个相互独立的电极，所述N个相互独立的电极在沿所述电极层的水平方向上依次间隔分布，N≥3；
所述电极层上设置有敏感层，所述敏感层包括N-1个相互独立的敏感膜；所述N-1个相互独立的敏感膜在沿所述敏感层的水平方向上依次间隔分布，且每个敏感膜覆盖在相邻的两个电极之上；
其中，所述N-1个相互独立的敏感膜分别采用不同的敏感材料制备，用于检测不同的气体。
进一步地，所述加热层包括N-1个相互独立的加热器，所述N-1个相互独立的加热器在沿所述加热层的水平方向上依次间隔分布，且N-1个加热器与N-1个敏感膜一一对应。
进一步地，每个加热器在水平方向上的长度大于或等于与之对应的敏感膜在水平方向上的长度，且每个敏感膜均位于与之对应的加热器的加热区域内。
进一步地，所述加热器采用白金Pt制备，所述加热器的电阻为5～20欧。
进一步地，所述敏感材料包括氧化石墨烯、ZnO、SnO、ZrO3、SnO2、WO3、CuO和In2O3。
进一步地，所述敏感膜为采用一种敏感材料制成的单层膜，或，所述敏感膜为采用两种或两种以上的敏感材料制成的复合膜。
进一步地，所述敏感膜采用纳米材料制成，所述敏感膜的形状为纳米线、纳米管、纳米纤维或纳米膜。
进一步地，所述敏感膜为掺杂敏感膜，所述掺杂物为石墨烯、碳纳米管、金属氧化物和贵金属中的一种或多种。
进一步地，所述掺杂物嵌入在所述敏感膜内或覆盖在所述敏感膜的表面。
第二方面，本发明还提供了一种如上面所述的微型多维传感器的制造方法，包括如下步骤：
S1.清洗硅片，然后在硅片的表面生长一层氧化硅作为第一绝缘层，其中第一绝缘层的厚度为0.2～2微米；
S2.在第一绝缘层的表面光刻，得到N-1个相互独立的加热器的结构图，然后溅射一层白金Pt，厚度为100～300nm，然后剥离得到N-1个相互独立的加热器；
S3.在加热器的表面通过溅射的方法制备氧化硅或氮化硅作为第二绝缘层，厚度0.2～2微米；
S4.在第二绝缘层的表面光刻，得到N个相互独立的电极的结构图，然后溅射一层金Au，厚度为100～300nm，然后剥离得到N个相互独立的电极；
S5.通过液相外延生长结合热氧化的方法在N-1个预设位置处分别沉积不同的敏感材料，形成N-1个相互独立的敏感膜，其中，形成的N-1个相互独立的敏感膜在沿所述敏感层的水平方向上依次间隔分布，且每个敏感膜覆盖在相邻的两个电极之上；每个敏感膜的厚度为40～100nm；
S6.在每个敏感膜的表面沉积一层金Au作为催化材料，Au的重量比为5％～20％。
由上述技术方案可知，本发明提供的微型多维传感器，由于其敏感层包含多个敏感膜，而每种敏感膜采用不同的敏感材料制成，因此可以用于检测不同的气体。可见，本发明提供的微型多维传感器大幅扩大了气体检测范围。同时，由于本发明提供的微型多维传感器克服了传统检测器由于封装局限造成的死体积大、检测灵敏度低的缺陷，因此可以大大提高气体检测灵敏度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一实施例提供的微型多维传感器的结构示意图；
图2是本发明一实施例提供的敏感膜的掺杂物的分布位置示意图；
图3是本发明另一实施例提供的微型多维传感器的制造方法流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1示出了本发明一实施例提供的微型多维传感器的结构示意图。参见图1，本发明实施例提供的微型多维传感器，包括：基底1以及设置在基底1上的第一绝缘层2；
可以理解的是，所述基底1可以采用硅、玻璃、陶瓷等材料制备，所述第一绝缘层2可以采用氮化硅或氧化硅材料制备。为了减小传感器的体积，优选地，基底的厚度为2～5微米，第一绝缘层的厚度为0.2～2微米。
进一步地，所述第一绝缘层2上设置有加热层3；
可以理解的是，所述加热层可以采用白金Pt制备，所述加热层的电阻为5～20欧，用于为敏感层提供一个高温环境，例如提供的温度为50-500℃。为了减小传感器的体积，优选地，所述加热层的厚度为100～300nm。
进一步地，所述加热层3上设置有第二绝缘层4，可以理解的是，所述第二绝缘层4可以采用氮化硅或氧化硅材料制备。为了减小传感器的体积，优选地，第二绝缘层的厚度为0.2～2微米。
进一步地，所述第二绝缘层4上设置有电极层5，所述电极层5包括N个相互独立的电极，所述N个相互独立的电极在沿所述电极层的水平方向上依次间隔分布，N≥3。为了减小传感器的体积，优选地，所述电极的厚度为100～300nm。
图1中以N＝4为例，参见图1，所述电极层5包括4个相互独立的电极，分别为5-1、5-2、5-3和5-4，这4个相互独立的电极在沿所述电极层的水平方向上依次间隔分布。这些电极可以采用金属材料制备，例如优选采用金属Au制备。
进一步地，所述电极层5上设置有敏感层6，所述敏感层6包括N-1个相互独立的敏感膜；所述N-1个相互独立的敏感膜在沿所述敏感层的水平方向上依次间隔分布，且每个敏感膜覆盖在相邻的两个电极之上；所述N-1个相互独立的敏感膜分别采用不同的敏感材料制备，用于检测不同的气体。为了减小传感器的体积，优选地，所述敏感膜的厚度为40～100nm。
参见图1，所述敏感层6包括3个相互独立的敏感膜，分别为6-1、6-2和6-3，这3个相互独立的敏感膜在沿所述敏感层的水平方向上依次间隔分布，这3个相互独立的敏感膜分别采用不同的敏感材料制备，用于检测不同的气体。
可以理解的是，根据实际使用需要可以在所述敏感层6中设置多个敏感膜，以用于检测多种气体，例如，所述N可以取值为3，4，5，6，7，8，9，10等。
在一种可选实施方式中，所述敏感材料包括氧化石墨烯、ZnO、SnO、ZrO3、SnO2、WO3、CuO和In2O3。一般地，一种敏感材料用于检测一种气体。
可以理解的是，由于不同的敏感材料对不同气体具有高特异性响应，因此包含多个敏感膜的敏感层能够用于检测多种气体，从而扩大了气体检测范围。
例如，对于图1中的敏感膜6-1、敏感膜6-2、敏感膜6-3采用不同的敏感材料制备，如敏感膜6-1采用ZnO制备、敏感膜6-2采用ZrO3制备、敏感膜6-3采用SnO2制备，这3个敏感膜分别用于检测不同的气体。
在一种可选实施方式中，所述敏感膜可以为采用一种敏感材料制成的单层膜，也可以为采用两种或两种以上的敏感材料制成的复合膜。例如，对于图1中敏感膜6-1为采用ZnO制备的单层膜，敏感膜6-2为采用SnO2和SnO制备的复合膜。
为了提高敏感膜与气体的接触面积及吸附量进而提高传感器的检测灵敏度，优选地，所述敏感膜采用纳米材料制成。具体地，所述敏感膜的形状可以是纳米线、纳米管、纳米纤维或纳米膜。
为了提高敏感膜的选择性、一致性以及降低敏感膜的工作温度，优选地，所述敏感膜为掺杂敏感膜，所述掺杂物为石墨烯、碳纳米管、金属氧化物(如CuO、In2O3、SnO等)和贵金属(如Pd、Au、Pt等)中的一种或多种。参见图2，所述掺杂物(掺杂材料)可以嵌入在所述敏感膜内，也可以覆盖在所述敏感膜的表面。例如，在敏感膜的表面沉积一层重金属Au作为催化材料，其中重金属Au的重量比可以为5％～20％。
在一种可选实施方式中，所述加热层可以为连续铺设的一层加热层，也可以为包括N-1个相互独立的加热器的加热层。
当所述加热层为包括N-1个相互独立的加热器的加热层时，所述N-1个相互独立的加热器在沿所述加热层的水平方向上依次间隔分布，且N-1个加热器与N-1个敏感膜一一对应。
参见图1，图1所示的加热层3为包括N-1个相互独立的加热器的加热层。图1中以N＝4为例，即图1所示的加热层3包括3个相互独立的加热器，分别为3-1、3-2和3-3，这三个加热器(3-1、3-2和3-3)与三个敏感膜(6-1、6-2和6-3)一一对应。
可以理解的是，当所述加热层为连续铺设的一层加热层时，所述加热层制作起来较为方便。
可以理解的是，当所述加热层为包括N-1个相互独立的加热器的加热层时，一方面可以节省制作加热层的加热材料，另一方面，还可以独立地对指定的某个或某些敏感膜进行加热控制，而对其他的敏感膜不进行加热控制。例如，控制部分加热器进行工作，而其他加热器不进行工作。此外，为每一个敏感膜分别配置一个对应的加热器还有利于保证每个敏感膜工作温度的一致，提高每个敏感膜的稳定性。
在一种可选实施方式中，所述加热器采用白金Pt制备，所述加热器的电阻为5～20欧，所述加热器用于为对应的敏感膜提供一个高温环境，例如提供温度在50-500℃。
在一种可选实施方式中，每个加热器在水平方向上的长度大于或等于与之对应的敏感膜在水平方向上的长度，且每个敏感膜均位于与之对应的加热器的加热区域内，这样可以保证加热器对相应的敏感膜的加热效果。
由上面记载的技术方案可知，本发明实施例提供的微型多维传感器，由于其敏感层包含多个敏感膜，而每种敏感膜采用不同的敏感材料制成，因此可以用于检测不同的气体。可见，本发明实施例提供的微型多维传感器大幅扩大了气体检测范围。同时，由于本发明实施例提供的微型多维传感器克服了传统检测器由于封装局限造成的死体积大、检测灵敏度低的缺陷，因此可以大大提高气体检测灵敏度。
本发明另一实施例提供了一种如上面实施例所述的微型多维传感器的制造方法，参见图3，所述方法包括如下步骤：
步骤101：清洗硅片，然后在硅片的表面生长一层氧化硅作为第一绝缘层，其中第一绝缘层的厚度为0.2～2微米。
在本步骤中，第一绝缘层的厚度优选为0.5微米。
步骤102：在第一绝缘层的表面光刻，得到N-1个相互独立的加热器的结构图，然后溅射一层白金Pt，厚度为100～300nm，然后剥离得到N-1个相互独立的加热器。
在本步骤中，加热器的厚度优选为200nm。
步骤103：在加热器的表面通过溅射的方法制备氧化硅或氮化硅作为第二绝缘层，厚度0.2～2微米。
在本步骤中，第二绝缘层的厚度优选为0.5微米。
步骤104：在第二绝缘层的表面光刻，得到N个相互独立的电极的结构图，然后溅射一层金Au，厚度为100～300nm，然后剥离得到N个相互独立的电极。
在本步骤中，电极的厚度优选为200nm。
步骤105：通过液相外延生长结合热氧化的方法在N-1个预设位置处分别沉积不同的敏感材料，形成N-1个相互独立的敏感膜，其中，形成的N-1个相互独立的敏感膜在沿所述敏感层的水平方向上依次间隔分布，且每个敏感膜覆盖在相邻的两个电极之上；每个敏感膜的厚度为40～100nm。
在本步骤中，敏感膜的厚度优选为60nm。
步骤106：在每个敏感膜的表面沉积一层金Au作为催化材料，Au的重量比为5％～20％。
在本步骤中，Au的重量比优选10％。其中，在敏感膜的表面沉积一层金Au有利于提高敏感膜的选择性、稳定性以及降低敏感膜的工作温度。
可以理解的是，采用本实施例的制造方法得到的微型多维传感器具有和上述实施例所述的微型多维传感器类似的技术效果，此处不再详述。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种微型多维传感器，其特征在于，包括：
基底以及设置在基底上的第一绝缘层；
所述第一绝缘层上设置有加热层；
所述加热层上设置有第二绝缘层；
所述第二绝缘层上设置有电极层，所述电极层包括N个相互独立的电极，所述N个相互独立的电极在沿所述电极层的水平方向上依次间隔分布，N≥3；
所述电极层上设置有敏感层，所述敏感层包括N-1个相互独立的敏感膜；所述N-1个相互独立的敏感膜在沿所述敏感层的水平方向上依次间隔分布，且每个敏感膜覆盖在相邻的两个电极之上；
其中，所述N-1个相互独立的敏感膜分别采用不同的敏感材料制备，用于检测不同的气体。
2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述加热层包括N-1个相互独立的加热器，所述N-1个相互独立的加热器在沿所述加热层的水平方向上依次间隔分布，且N-1个加热器与N-1个敏感膜一一对应。
3.根据权利要求2所述的传感器，其特征在于，每个加热器在水平方向上的长度大于或等于与之对应的敏感膜在水平方向上的长度，且每个敏感膜均位于与之对应的加热器的加热区域内。
4.根据权利要求2所述的传感器，其特征在于，所述加热器采用白金Pt制备，所述加热器的电阻为5～20欧。
5.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述敏感材料包括氧化石墨烯、ZnO、SnO、ZrO3、SnO2、WO3、CuO和In2O3。
6.根据权利要求1或5所述的传感器，其特征在于，所述敏感膜为采用一种敏感材料制成的单层膜，或，所述敏感膜为采用两种或两种以上的敏感材料制成的复合膜。
7.根据权利要求1或5所述的传感器，其特征在于，所述敏感膜采用纳米材料制成，所述敏感膜的形状为纳米线、纳米管、纳米纤维或纳米膜。
8.根据权利要求1或5所述的传感器，其特征在于，所述敏感膜为掺杂敏感膜，所述掺杂物为石墨烯、碳纳米管、金属氧化物和贵金属中的一种或多种。
9.根据权利要求8所述的传感器，其特征在于，所述掺杂物嵌入在所述敏感膜内或覆盖在所述敏感膜的表面。
10.一种如权利要求2～9任一项所述的微型多维传感器的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.清洗硅片，然后在硅片的表面生长一层氧化硅作为第一绝缘层，其中第一绝缘层的厚度为0.2～2微米；
S2.在第一绝缘层的表面光刻，得到N-1个相互独立的加热器的结构图，然后溅射一层白金Pt，厚度为100～300nm，然后剥离得到N-1个相互独立的加热器；
S3.在加热器的表面通过溅射的方法制备氧化硅或氮化硅作为第二绝缘层，厚度0.2～2微米；
S4.在第二绝缘层的表面光刻，得到N个相互独立的电极的结构图，然后溅射一层金Au，厚度为100～300nm，然后剥离得到N个相互独立的电极；
S5.通过液相外延生长结合热氧化的方法在N-1个预设位置处分别沉积不同的敏感材料，形成N-1个相互独立的敏感膜，其中，形成的N-1个相互独立的敏感膜在沿所述敏感层的水平方向上依次间隔分布，且每个敏感膜覆盖在相邻的两个电极之上；每个敏感膜的厚度为40～100nm；
S6.在每个敏感膜的表面沉积一层金Au作为催化材料，Au的重量比为5％～20％。
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