CN110987879A - 一种光激发气敏传感器结构的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光激发气敏传感器结构的制备方法，包括：制备获得金属围坝支架和LED芯片；制备获得与所述金属围坝支架上表面匹配的透镜；在所述透镜上表面制备金属电极，获得带金属电极的透镜；在所述带金属电极的透镜上表面制备光激发气敏材料，使光激发气敏材料与所述金属电极电连接；将带金属电极和光激发气敏材料的透镜的下表面与所述金属围坝支架粘接，以对所述LED芯片进行封装，获得气敏传感器结构。由于将作为光源的LED芯片通过透镜进行封装，并将光激发气敏材料设置于透镜上，LED芯片设置于传感器内部，不单独占用空间，相比现有的外置光源，光敏检测系统的复杂性降低。

Description

一种光激发气敏传感器结构的制备方法

技术领域

本发明涉及传感器制备及半导体技术领域，尤其涉及一种光激发气敏传感器结构的制备方法。

背景技术

科技和现代工业的快速发展，给人类带的来便利的同时，人类生存环境中空气污染等问题日益增加。无论是室外工厂排放的有害尾气，还是室内家装释放的污染物，都会严重影响空气质量。因此，对生产和生活环境中的空气质量、有毒有害气体、易燃易爆气体等进行预警十分重要。气体传感器用来检测有害气体有着成本低廉、检测方便快捷等优点，已在与人民生活息息相关的各个领域得到了广泛应用。半导体金属氧化物类气敏材料是目前市场上应用最为广泛的气敏材料，但大多数采用热激发的方式工作(300℃以上)，高温的工作模式不仅带来了极大的安全隐患，限制了其在易燃易爆气体检测、生物领域等特殊环境应用的发展趋势。光激发金属氧化物气敏传感器无需加热，工作条件为室温，其能耗更低，且没有加热电路因而集成方便，适合可燃气体和爆炸气体检测，适合生物领域等特殊环境的应用。但其外置的光源会增加气敏检测系统的复杂性。

发明内容

本申请实施例通过提供一种光激发气敏传感器结构的制备方法，其制备获得的气敏传感器结构可解决现有气敏检测系统复杂性高的技术问题。

本申请通过本申请的一实施例提供如下技术方案：

一种光激发气敏传感器结构的制备方法，所述气敏传感器结构包括金属围坝支架、LED芯片、透镜、金属电极和光激发气敏材料，所述制备方法包括：

制备获得金属围坝支架和LED芯片；

制备获得与所述金属围坝支架上表面匹配的透镜；

在所述透镜上表面制备金属电极，获得带金属电极的透镜；

在所述带金属电极的透镜上表面制备光激发气敏材料，使光激发气敏材料与所述金属电极电连接；

将带金属电极和光激发气敏材料的透镜的下表面与所述金属围坝支架粘接，以对所述LED芯片进行封装，获得气敏传感器结构。

可选的，所述LED芯片为深紫外LED芯片。

可选的，所述金属电极为叉指式电极结构；所述在所述透镜上表面制备金属电极，获得带金属电极的透镜，具体包括：

在所述透镜上按照叉指式结构进行光刻；

蒸镀Cr金属作为种子层，并进行剥离，获得带金属电极的透镜。

可选的，所述在所述带金属电极的透镜上表面制备光激发气敏材料，具体包括：

使用改性的气敏材料，在所述带金属电极的透镜上表面沉积获得光激发气敏材料。

可选的，所述改性的气敏材料为ZnO纳米棒。

可选的，所述改性的气敏材料的制备方法，包括：对所述气敏材料进行掺杂和/或高温退火处理，获得改性的气敏材料。

可选的，在所述带金属电极的透镜上表面沉积获得光激发气敏材料之前，所述制备方法还包括：

在所述带金属电极的透镜上表面制备晶种层。

可选的，所述透镜为平面透镜。

可选的，所述透镜为ITO导电玻璃、双抛蓝宝石或石英玻璃。

可选的，在所述透镜上表面制备金属电极之前，所述制备方法还包括：

使用丙酮和异丙醇对所述透镜进行超声清洗。

本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

本发明的气敏传感器结构的制备方法，所述气敏传感器结构包括金属围坝支架、LED芯片、透镜、金属电极和光激发气敏材料，所述制备方法包括：制备获得金属围坝支架和LED芯片；制备获得与所述金属围坝支架上表面匹配的透镜；在所述透镜上表面制备金属电极，获得带金属电极的透镜；在所述带金属电极的透镜上表面制备光激发气敏材料，使光激发气敏材料与所述金属电极电连接；将带金属电极和光激发气敏材料的透镜的下表面与所述金属围坝支架粘接，以对所述LED芯片进行封装，获得气敏传感器结构。由于将作为光源的LED芯片通过透镜进行封装，并将光激发气敏材料设置于透镜上，LED芯片设置于传感器内部，不单独占用空间，相比现有的外置光源，光敏检测系统的复杂性降低；在此基础上，由于可避免外置光源时发生散射等对光能的浪费，因此，该气敏传感器结构还可提高光能的利用率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，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它的附图。

图1是本发明一种实施例中的气敏传感器结构的爆炸图；

图2是本发明一种实施例中的气敏传感器结构的制备方法流程图；

图中：1-金属围坝支架，2-LED芯片，3-密封层，4-透镜，5-金属电极，6-光激发气敏材料。

具体实施方式

本申请实施例通过提供一种光激发气敏传感器结构的制备方法，其制备获得的气敏传感器结构可解决现有气敏检测系统复杂性高的技术问题。

本申请实施例的技术方案为解决上述技术问题，总体思路如下：

一种光激发气敏传感器结构的制备方法，所述气敏传感器结构包括金属围坝支架1、LED芯片2、透镜4、金属电极5和光激发气敏材料6，所述制备方法包括：制备获得金属围坝支架1和LED芯片2；制备获得与所述金属围坝支架1上表面匹配的透镜4；在所述透镜4上表面制备金属电极5，获得带金属电极5的透镜4；在所述带金属电极5的透镜4上表面制备光激发气敏材料6，使光激发气敏材料6与所述金属电极5电连接；将带金属电极5和光激发气敏材料6的透镜4的下表面与所述金属围坝支架1粘接，以对所述LED芯片2进行封装，获得气敏传感器结构。

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。

首先说明，本文中出现的术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

科技和现代工业的快速发展，给人类带的来便利的同时，人类生存环境中空气污染等问题日益增加。无论是室外工厂排放的有害尾气，还是室内家装释放的污染物，都会严重影响空气质量。因此，对生产和生活环境中的空气质量、有毒有害气体、易燃易爆气体等进行预警十分重要。气体传感器用来检测有害气体有着成本低廉、检测方便快捷等优点，已在与人民生活息息相关的各个领域得到了广泛应用。半导体金属氧化物类气敏材料是目前市场上应用最为广泛的气敏材料，但大多数采用热激发的方式工作(300℃以上)，高温的工作模式不仅带来了极大的安全隐患，限制了其在易燃易爆气体检测、生物领域等特殊环境应用的发展趋势。光激发金属氧化物气敏传感器无需加热，工作条件为室温，其能耗更低，且没有加热电路因而集成方便，适合可燃气体和爆炸气体检测，适合生物领域等特殊环境的应用。但其外置的光源会增加气敏检测系统的复杂性。此外，现有的光激发气敏传感器在性能方面缺乏高选择性、稳定性，无法定性定量地检测多种气味/气体，以及对微量气体的检测浓度极限始终停留在ppm级或亚ppm级，无法对ppb级的有害气体进行检测。

为此，本申请提供了如下实施例，以解决上述现有技术存在的问题。

为了便于理解本申请的气敏传感器结构的制备方法，首先通过实施例一对制备获得的一种光激发气敏传感器结构进行详细介绍。

实施例一

本实施例提供一种光激发气敏传感器结构，参见图1，包括：金属围坝支架1、LED芯片2、透镜4、金属电极5和光激发气敏材料6；其中，

所述金属围坝支架1上设置有凹槽，所述LED芯片2设置与所述凹槽内，所述LED芯片2用于产生LED光源；

所述透镜4封装于所述金属围坝支架1上，用于将所述LED芯片2封装于所述金属围坝支架1内；

所述光激发气敏材料6设置于所述透镜4上，用于在接触到气体时生成电信号；

所述光激发气敏材料6与所述透镜4之间设置有金属电极5，所述金属电极5将所述光激发气敏材料6生成的电信号导出。

需要说明的是，本申请中气敏传感器结构属于气敏传感器的主体结构。

金属围坝支架1作为基座起到支撑的作用，其内部设置凹槽用于安装LED芯片2。

在具体实施过程中，LED芯片2可以是紫外、蓝、绿、黄、红外LED芯片2等，作为一种可选的实施方式，所述LED芯片2为深紫外LED芯片2。深紫外波长短，具有更高的能量去激发光激发气敏材料6，使得光激发气敏材料6检测性能优异。另外，由于深紫外具有高的激发能量，因此其功耗低。

在具体实施过程中，LED芯片2外接电源供电或采用电池供电均可。

将气敏传感材料集成在平面透镜4上，可防止由于制备气敏材料中的强酸、强碱以及高温对LED芯片2的损害；同时，也简化了整个传感器的设计，使得其具有低成本、高性能、可重复、可产业化的优势。

为了便于封装以及利于LED芯片2光源透过，作为一种可选的实施方式，所述透镜4为平面透镜4。具体的，所述透镜4为ITO导电玻璃、双抛蓝宝石或石英玻璃。

在制备气敏传感材料之前，需要在透镜4上设计用于检测材料性能的金属电极5，为了减少金属电极5对深紫外光的吸收，增加透光率，作为一种可选的实施方式，参见图1，所述金属电极5为叉指式电极结构。使用光刻胶作为掩膜材料，电子束蒸发蒸镀金属电极5，考虑到其与透镜4的粘附性，采用Cr金属作为种子层。

考虑到衬底为石英玻璃时，在选择气敏材料的时候，避免合成过程中有HF等对石英玻璃有损害的化学试剂。同时考虑到气敏材料与透镜4的粘附性，在沉积气敏材料前，先制备一层晶种层。

作为一种可选的实施方式，所述光激发气敏材料6由ZnO纳米棒制备获得。优选ZnO纳米棒作为气敏材料，采用较为常见水热合成法。

作为一种可选的实施方式，所述透镜4通过密封胶封装于所述金属围坝支架1上。将带有金属电极5结构和气敏材料的石英玻璃，通过密封胶封装在深紫外LED上，形成密封层3，并进行焊线测试。金属电极5可通过导线引出以导出电信号，进行处理，获得对气体的检测结果。

上述本申请实施例中的技术方案，至少具有如下的技术效果或优点：

本实施的气敏传感器结构，包括：金属围坝支架1、LED芯片2、透镜4、金属电极5和光激发气敏材料6；其中，所述金属围坝支架1上设置有凹槽，所述LED芯片2设置与所述凹槽内，所述LED芯片2用于产生LED光源；所述透镜4封装于所述金属围坝支架1上，用于将所述LED芯片2封装于所述金属围坝支架1内；所述光激发气敏材料6设置于所述透镜4上，用于在接触到气体时生成电信号；所述光激发气敏材料6与所述透镜4之间设置有金属电极5，所述金属电极5将所述光激发气敏材料6生成的电信号导出。由于将作为光源的LED芯片2通过透镜4进行封装，并将光激发气敏材料6设置于透镜4上，LED芯片2设置于传感器内部，不单独占用空间，相比现有的外置光源，光敏检测系统的复杂性降低；在此基础上，由于可避免外置光源时发生散射等对光能的浪费，因此，该气敏传感器结构还可提高光能的利用率。

实施例二

本实施例提供一种光激发气敏传感器结构的制备方法，用于制备实施例一所述的气敏传感器结构。所述气敏传感器结构包括金属围坝支架1、LED芯片2、透镜4、金属电极5和光激发气敏材料6，所述制备方法包括：

S101、制备获得金属围坝支架1和LED芯片2；

S102、制备获得与所述金属围坝支架1上表面匹配的透镜4；

S103、在所述透镜4上表面制备金属电极5，获得带金属电极5的透镜4：

S104、在所述带金属电极5的透镜4上表面制备光激发气敏材料6，使光激发气敏材料6与所述金属电极5电连接；

S105、将带金属电极5和光激发气敏材料6的透镜4的下表面与所述金属围坝支架1粘接，以对所述LED芯片2进行封装，获得气敏传感器结构。

需要说明的是，由于本实施中的制备方法是用于制备实施例一中的气敏传感器结构。因此，在本实施例中未详细解释说明的特征可完全参照实施例一中的解释。

在具体实施过程中，LED芯片2可以是紫外、蓝、绿、黄、红外LED芯片2等，作为一种可选的实施方式，所述LED芯片2为深紫外LED芯片2。深紫外波长短，具有更高的能量去激发光激发气敏材料6，使得光激发气敏材料6检测性能优异。另外，由于深紫外具有高的激发能量，因此其功耗低。紫外光激发气敏传感器无需加热，工作条件为室温，在室温下具有较好的气敏传感性能，包括选择性、响应恢复速度、灵敏度、稳定性等。特别是能实现对ppb级的有害气体进行检测。

作为一种可选的实施方式，所述金属电极5为叉指式电极结构；具体的，所述在所述透镜4上表面制备金属电极5，获得带金属电极5的透镜4，具体包括：

在所述透镜4上按照叉指式结构进行光刻；

蒸镀Cr金属作为种子层，并进行剥离，获得带金属电极5的透镜4。

举例来说，可首先进行n型电极的光刻，包括旋涂6um厚的光刻胶并95℃前烘1min，使用365nm的紫外光源进行投影曝光3s并显影60s。其次使用电子束蒸发蒸镀Cr金属作为种子层的叉指式电极，并使用剥离液进行剥离。

作为一种可选的实施方式，所述在所述带金属电极5的透镜4上表面制备光激发气敏材料6，具体包括：

使用改性的气敏材料，在所述带金属电极5的透镜4上表面沉积获得光激发气敏材料6。

具体的，选择复合型和混合型的气敏传感材料，例如，ZnO纳米棒，通过掺杂、表面修饰、高温退火等处理对材料进行改性，得到光激发传感性能较好的气敏材料。

此外，考虑到衬底为可能为石英玻璃，在选择气敏材料的时候，避免合成过程中有HF等对石英玻璃有损害的化学试剂。同时考虑到气敏材料与石英玻璃的粘附性，应在沉积气敏材料前，先制备一层晶种层。

具体的，作为一种改性的气敏材料的制备方法，包括：对所述气敏材料进行掺杂和/或高温退火处理，获得改性的气敏材料。

具体的，以ZnO材料为例，通过磁控溅射一层20nm的ZnO晶种层，再通过水热法制备ZnO纳米棒，(以水为前驱体，将六水硝酸锌和六亚甲基四胺放入反应釜中，80℃水热反应6h得到ZnO纳米棒。水洗后80℃烘干，如果需要用贵金属修饰，则需要加入相应的贵金属化合物)。

作为一种可选的实施方式，所述透镜4为平面透镜4。具体的，所述透镜4为ITO导电玻璃、双抛蓝宝石或石英玻璃。

可选的，在所述透镜4上表面制备金属电极5之前，所述制备方法还包括：

使用丙酮和异丙醇对所述透镜4进行超声清洗。

在具体实施过程中，举例来说，可使用丙酮和异丙醇分别超声清洗5min，去除片子表面的有机物，再用去离子水冲洗5min，氮气枪吹干，即可。可提高粘接效果。

上述本申请实施例中的技术方案，至少具有如下的技术效果或优点：

本发明的气敏传感器结构的制备方法，所述气敏传感器结构包括金属围坝支架1、LED芯片2、透镜4、金属电极5和光激发气敏材料6，所述制备方法包括：制备获得金属围坝支架1和LED芯片2；制备获得与所述金属围坝支架1上表面匹配的透镜4；在所述透镜4上表面制备金属电极5，获得带金属电极5的透镜4；在所述带金属电极5的透镜4上表面制备光激发气敏材料6，使光激发气敏材料6与所述金属电极5电连接；将带金属电极5和光激发气敏材料6的透镜4的下表面与所述金属围坝支架1粘接，以对所述LED芯片2进行封装，获得气敏传感器结构。由于将作为光源的LED芯片2通过透镜4进行封装，并将光激发气敏材料6设置于透镜4上，LED芯片2设置于传感器内部，不单独占用空间，相比现有的外置光源，光敏检测系统的复杂性降低：在此基础上，由于可避免外置光源时发生散射等对光能的浪费，因此，该气敏传感器结构还可提高光能的利用率。此外，根据本实施例中的制备过程可知，本实施例的制备方法制备的气敏传感器结构具有低成本、低功耗、高性能、可重复、可产业化的优势，适合检测可燃气体和爆炸气体，适合生物领域等特殊环境的应用。

基于与前述实施例中同样的发明构思，本发明实施例还提供一种包括实施例二的制备方法制备获得的气敏传感器结构的气敏传感器。

基于与前述实施例中同样的发明构思，本发明实施例还提供一种包括实施例二的制备方法制备获得的气敏传感器结构的气敏检测系统。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种光激发气敏传感器结构的制备方法，所述气敏传感器结构包括金属围坝支架、LED芯片、透镜、金属电极和光激发气敏材料，其特征在于，所述制备方法包括：

制备获得金属围坝支架和LED芯片；

制备获得与所述金属围坝支架上表面匹配的透镜；

在所述透镜上表面制备金属电极，获得带金属电极的透镜；

在所述带金属电极的透镜上表面制备光激发气敏材料，使光激发气敏材料与所述金属电极电连接；

将带金属电极和光激发气敏材料的透镜的下表面与所述金属围坝支架粘接，以对所述LED芯片进行封装，获得气敏传感器结构。

2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述LED芯片为深紫外LED芯片。

3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述金属电极为叉指式电极结构；所述在所述透镜上表面制备金属电极，获得带金属电极的透镜，具体包括：

在所述透镜上按照叉指式结构进行光刻；

蒸镀Cr金属作为种子层，并进行剥离，获得带金属电极的透镜。

4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述在所述带金属电极的透镜上表面制备光激发气敏材料，具体包括：

使用改性的气敏材料，在所述带金属电极的透镜上表面沉积获得光激发气敏材料。

5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述改性的气敏材料为ZnO纳米棒。

6.如权利要求4或5所述的制备方法，其特征在于，所述改性的气敏材料的制备方法，包括：

对所述气敏材料进行掺杂和/或高温退火处理，获得改性的气敏材料。

7.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，在所述带金属电极的透镜上表面沉积获得光激发气敏材料之前，所述制备方法还包括：

在所述带金属电极的透镜上表面制备晶种层。

8.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述透镜为平面透镜。

9.如权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述透镜为ITO导电玻璃、双抛蓝宝石或石英玻璃。

10.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述透镜上表面制备金属电极之前，所述制备方法还包括：

使用丙酮和异丙醇对所述透镜进行超声清洗。

Images