CN112577864B - 硅微米柱阵列三电极电离式微系统雾霾传感器及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种硅微米柱阵列三电极电离式微系统微系统雾霾传感器及制备方法，包括三个自下而上依次分布的第一、第二和第三电极，第一电极由内表面制备有硅微米柱阵列的硅基底以及设有小通孔的阴极构成；第二电极由设有小引出孔的引出极构成；第三电极由内表面设有深槽的收集极构成；三个电极分别通过绝缘支柱相互隔离。该传感器通过检测输出电流，检测雾霾颗粒物浓度。收集极电流大，灵敏度高，量程宽，分辨率高，能够响应多种粒径的颗粒物浓度。超声波清灰效率高，非接触式运行，不会损伤传感器。
Description
技术领域
本发明涉及雾霾颗粒物检测领域，特别是一种基于硅微米柱阵列及气体放电原理的可敏感不同浓度雾霾颗粒物的传感器。
背景技术
雾霾已经成为当前我国许多城市面临的主要污染问题。目前我国发电方式中以燃煤发电为主，火电厂排放的烟气向大气中输送了大量的颗粒物，是造成我国雾霾天气的主要原因之一。想要有效的治理固体颗粒物的污染，首先要做的是进行准确检测。目前，国内外对于颗粒物个数浓度的检测的主要方法有化学微孔滤膜显微镜计数法和光散射式粒子计数器；对于质量浓度的检测的主要方法有滤膜称重法、β射线吸收法、光散射法、压电晶体法、电荷法、微量振荡天平称量法等；用于检测颗粒物浓度的仪器主要有β射线法检测仪、振荡天平法检测仪、光散射法检测仪等等。以上检测方法及仪器存在易堵塞、寿命短、环境变化影响大等不足，不能用于火电厂烟尘的在线检测。
J等采用重量法(参考)和β射线法来测量颗粒物浓度，但是由于受空气中水分的影响，在仪器使用时，冬季和夏季的修正系数不同，说明易受水分的交叉干扰，选择性差。Wang Y等基于光散射法设计了PM2.5监测仪，该监测仪的监测结果易受颗粒物粒径、组成和结构、折射性等影响，测量结果误差很大，选择性差。潘晋孝等采用β射线法测量PM2.5和PM10，测量结果显示测量PM2.5误差相对较大，最大误差接近20％，测量PM10的误差基本在5％，对PM2.5、PM10的选择性差。Chen HY等基于光散射粒子浓度理论采用不同的光散射仪实现颗粒物浓度的检测，检测颗粒物浓度范围为0.1-0.7mg/m3，但是该检测系统电路复杂，调试困难，受环境噪声干扰较大。Zhang C等提出了一种基于扩散充电和电测量的微型气溶胶传感器，其用于粒径在30-500nm范围内的气溶胶粒子的检测，其检测的数浓度为5×102-107/cm3，但是该传感器测量系统复杂，还未能用于现场实际测量。武汉天虹的TH-2000PM型大气颗粒物浓度监测仪，采用了β射线法联用动态加热系统，但对采样滤膜带有着极高的要求，并且存在着一定的方法学偏差，而且在高湿度的地方或者是湿度短期内变化较大的地方非常容易出现结果偏差与仪器故障，选择性差。美国Thermo Fisher SCIENTIFIC的TEOM 1405-F型环境颗粒物连续监测仪，采用了微量振荡天平法加膜动态测量系统，测量准确度±0.75％，最低检测限≤2g/m3，分辨率为0.1g/m3，量程：0-1g/m3；但由于我国许多城市中的细颗粒物的浓度严重超标，造成该系统的透水膜微孔经常被堵塞的问题从而使其使用寿命大大降低，此外高湿度的环境也会极大的降低渗透膜的工作效率以及寿命，使得监测成本大大增高。北京汇丰隆联合中国环境科学研究院共同研制的LD320型大气颗粒物散射光粒径谱仪，采用了光散射法，可实现实时在线的非接触监测，测量准确度±8％，但实际应用中颗粒物重叠、形状、携带电荷等许多相关因素会引起测量结果误差，监测结果也易受颗粒物粒径、组成和结构、折射性等影响，选择性差。因此，探索研究一种新型原理的雾霾颗粒物浓度检测传感器具有极其重要的意义。西安交通大学张勇教授课题组，研究了一种基于硅微米柱阵列的三电极电离式微系统雾霾传感器，能够响应最低0.1μg/m3的颗粒物浓度，检测量程为0-10mg/m3，目前还未见到国内外有关于此类传感器的研究成果报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种硅微米柱阵列三电极电离式微系统雾霾传感器，被测雾霾浓度的大小将会影响传感器收集电流的大小。通过实验与测试，获得本发明一种硅微米柱阵列三电极电离式微系统雾霾传感器收集电流与雾霾浓度之间的单值对应关系，能够检测多粒径雾霾颗粒物，具有量程宽、分辨率高、灵敏度高的优势。
本发明的目的是通过下述技术方案来实现的。
一种硅微米柱阵列三电极电离式微系统雾霾传感器，传感器包括三个自下而上依次分布的第一电极、第二电极和第三电极，所述第一电极内表面制备有硅微米柱阵列的硅基底以及设有小通孔，构成阴极；所述第二电极中心设有小引出孔，构成引出极；所述第三电极内表面设有深槽，构成收集极；每个电极由单晶圆硅片为基底；电极之间通过绝缘层控制传感器的极间距；
所述硅微米柱直径不大于10μm，高度不大于60μm，间距不大于30μm。
雾霾传感器可以在微量雾霾颗粒物中发生气体的场致电离及场致电子发射，使微量雾霾颗粒物荷电，将雾霾颗粒物浓度的微小变化转化为输出电流的变化，实现0.1μg/m3微量雾霾颗粒的检测，检测灵敏度达-1.3nA/μg·m-3。
优选的，硅微米柱直径为5～10μm，高度为10～60μm，间距为10～30μm。
优选的，小通孔的孔径设定在0.6～3.6mm；小引出孔的孔径为1.0～5.0mm；深槽的边长、深度分别为1×1～8×8mm和100～240μm；
三电极之间的极间距按照小通孔、小引出孔的孔径和深槽的边长、深度设定。
优选的，所述小通孔的孔径为0.6～3.6mm时，第一电极与第二电极之间极间距与小通孔的孔径之比为1/60～1/8；
小引出孔的孔径为1.0～5.0mm时，第一电极与第二电极之间极间距与小引出孔的孔径之比为3/250～3/40，第二电极与第三电极之间极间距与小引出孔的孔径之比为9/1000～2/25；
深槽的边长、槽深分别为1×1～8×8mm和100～240μm时，第二电极与第三电极之间极间距与深槽槽深之比为3/16～4/5。
优选的，第一电极的电极表面的小通孔为1～20个；所述第二电极引出极的小引出孔设有1～20个；所述第三电极收集极的深槽设有1～20个。
优选的，绝缘层材料为绝缘玻璃。
本发明进而给出了一种硅微米柱阵列三电极电离式微系统雾霾传感器的制备方法，包括下述步骤：
1)深硅刻蚀前预处理：选用刻蚀有小通孔、引出孔及深槽的三个电极硅片作为基底，并进行深硅刻蚀前清洗、涂胶、曝光预处理；
2)硅微米柱阵列刻蚀：采用基于交替往复式Bosch工艺的深层反应离子刻蚀DRIE法制备传感器硅微米柱阵列；
在持续通入SF6保护气体、C4F8刻蚀气体2～15s条件下，通过设定压力、射频功率、源功率、C4F8与SF6气体的流量比和刻蚀速率，得到硅微米柱阵列；
3)极间绝缘：电极间键合玻璃薄片，作为绝缘材料并控制极间距；
4)封装：采用陶瓷封装工艺封装硅微米柱阵列三电极电离式MEMS电场传感器及其阵列。
优选的，在Bosch工艺中，刻蚀和钝化两个步骤会一直交替进行，直至到达刻蚀深度要求。
优选的，步骤2)中，压力设定为6Pa，射频功率为20～70W，源功率为220～450W，C4F8与SF6气体的流量比为1.5:1～5:1，刻蚀速率为80～400A/min。
优选的，进一步将进行过雾霾检测后的传感器，采用超声波振荡器进行电极除尘，超声波振荡器振荡频率为20kHz-30kHz，超声功率大于6.35W。
本发明具有以下技术效果：
1)在第一电极内表面硅基底上刻蚀硅微米柱阵列材料，可以增强该电极对阴极结构放电特性的影响。硅材料功函数小，硅微米柱阵列结构具有较好的尖端发射特性及较大的场增强因子，低电压条件下能够产生大量高能电子，与气体分子碰撞后产生大量正离子使颗粒物荷电，降低阈值电压，使得传感器具有检测微量颗粒物的能力，分辨率高。硅微米柱阵列结构稳定，耐轰击能力强，稳定性高，使得传感器检测量程宽。
2)通过三电极之间的极间距按照小通孔、小引出孔的孔径和深槽的边长、深度设定，使得传感器能够获得待测雾霾浓度与收集电流之间的一一对应关系。
3)通过设置合适的超声波发生器参数，能够高效清除传感器电极吸附的雾霾颗粒，传感器性能得到恢复。
本发明方法特点还在于：该传感器基于场致发射电离机理，通过检测输出电流，检测雾霾颗粒物浓度。收集极电流大，灵敏度高，量程宽，分辨率高，能够响应多种粒径的颗粒物浓度。超声波清灰效率高，非接触式运行，不会损伤传感器。本发明能够准确在线检测雾霾浓度。
基于硅材料功函数小，硅微米柱阵列具有较好的尖端发射特性及较大的场增强因子，低电压条件下能够产生大量高能电子，与气体分子碰撞后产生大量正离子使颗粒物荷电，降低阈值电压，使得传感器具有检测微量颗粒物的能力，分辨率高。硅微米柱阵列结构稳定，耐轰击能力强，稳定性高，使得传感器检测量程宽。
附图说明
图1是本发明硅微米柱阵列三电极电离式微系统雾霾传感器结构示意图；
图2是本发明硅微米柱阵列三电极电离式微系统雾霾传感器三维展示图；
图3是本发明硅微米柱阵列三电极电离式微系统雾霾传感器，射频激励条件下，收集电流与PM1颗粒物的单值关系；
图4是本发明硅微米柱阵列三电极电离式微系统雾霾传感器，射频激励条件下，收集电流与PM2.5颗粒物的单值关系；
图5是本发明硅微米柱阵列三电极电离式微系统雾霾传感器，进行过PM2.5敏感特性实验，再经超声波清灰后，传感器性能恢复效果验证实验结果；
图6是本发明硅微米柱阵列三电极电离式微系统雾霾传感器，射频激励条件下，收集电流与多粒径雾霾颗粒无浓度的单值关系；
图7是本发明硅微米柱阵列三电极电离式微系统雾霾传感器阵列，射频激励条件下，检测PM1浓度、PM2.5浓度、PM4浓度、PM10浓度、SO2/NO/O2浓度以及温度8参量时，PM1颗粒物的敏感特性曲线；
图8是本发明硅微米柱阵列三电极电离式微系统雾霾传感器阵列，射频激励条件下，检测PM1浓度、PM2.5浓度、PM4浓度、PM10浓度、SO2/NO/O2浓度以及温度8参量时，PM2.5颗粒物的敏感特性曲线；
图9是本发明硅微米柱阵列三电极电离式微系统雾霾传感器阵列，射频激励条件下，检测PM1浓度、PM2.5浓度、PM4浓度、PM10浓度、SO2/NO/O2浓度以及温度8参量时，PM4颗粒物的敏感特性曲线；
图10是本发明硅微米柱阵列三电极电离式微系统雾霾传感器阵列，射频激励条件下，检测PM1浓度、PM2.5浓度、PM4浓度、PM10浓度、SO2/NO/O2浓度以及温度8参量时，PM10颗粒物的敏感特性曲线。
图中：1、第一电极；2、第二电极；3、第三电极；4、硅基底；5、玻璃绝缘支柱；6、硅微米柱；1-1、小通孔；2-1、小引出孔；3-1、深槽。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步说明。
图1、图2所示的硅微米柱阵列三电极电离式微系统雾霾传感器，包括三个自下而上依次分布的第一电极1、第二电极2和第三电极3，第一电极1由内表面附着有分布着硅微米柱6阵列以及设有小通孔的硅基底4构成；其中，硅微米柱直径为5～10μm，高度为10～60μm，间距为10～30μm。第二电极2由中心设有小引出孔2-1的引出极构成；第三电极3由板面设有深槽3-1的收集极构成；该三个电极分别通过绝缘支柱5相互隔离，绝缘支柱5分别设置在硅基底5与第二电极2之间、第二电极2与第三电极3之间，即绝缘支柱5分布于第二电极2正对第一电极1的表面两侧及第三电极3的内侧表面的两侧。
其中，小通孔1-1的孔径设定在0.6～3.6mm、小引出孔2-1的孔径为1.0～5.0mm，深槽3-1的边长、深度分别为1×1～8×8mm和100～240μm。当小通孔的孔径为0.6～3.6mm时，第一电极与第二电极间距之间极间距与小通孔的孔径之比为1/60～1/8；当小引出孔的孔径为1.0～5.0mm时，第一电极与第二电极之间极间距与小引出孔的孔径之比为3/250～3/40，第二电极与第三电极之间极间距与小引出孔的孔径之比为9/1000～2/25；当深槽的边长、槽深分别为1×1～8×8mm和100～240μm时，第二电极与第三电极之间极间距与深槽槽深之比为3/16～4/5。
在本发明结构中，第一电极的电极表面的小通孔有1～20个，小通孔形状可以是圆形的；第二电极引出极的小引出孔设有1～20个，小引出孔形状可以是圆形的；第三电极收集极的深槽设有1～20个，深槽形状可以是矩形的。
本发明设有小通孔的电极板面采用硅片材料制作；硅基底上制作硅微米柱阵列；第二电极和第三电极均采用硅片制作。
硅微米柱阵列三电极电离式微系统雾霾传感器的制备方法，包括以下步骤：
1)深硅刻蚀前预处理：选用刻蚀有小通孔、引出孔及深槽的三个电极硅片作为基底，并进行深硅刻蚀前清洗、涂胶、曝光预处理；
2)硅微米柱阵列刻蚀：采用基于交替往复式Bosch工艺的深层反应离子刻蚀DRIE法制备传感器硅微米柱阵列；在Bosch工艺中，刻蚀和钝化两个步骤会一直交替进行，直至到达刻蚀深度要求。
在持续通入SF6保护气体、C4F8刻蚀气体2～15s条件下，通过设定压力为6Pa、射频功率为20～70W、源功率为220～450W、C4F8与SF6气体的流量比为1.5:1～5:1和刻蚀速率为80～400A/min，得到硅微米柱阵列；
3)极间绝缘：电极间键合玻璃薄片，作为绝缘材料并控制极间距；
4)封装：采用陶瓷封装工艺封装硅微米柱阵列三电极电离式MEMS电场传感器及其阵列。
进一步将进行过雾霾检测后的传感器，采用超声波振荡器进行电极除尘，超声波振荡器振荡频率为20kHz-30kHz，超声功率大于6.35W。
传感器使用时，需要使用超声波振荡器进行电极清灰操作，以恢复传感器性能。
下面通过传感器结构制作实施例对本发明进行进一步说明。
实施例1
第一电极的电极上有2个小通孔1-1，孔径设定在3mm，第一电极与第二电极之间极间距与小通孔的比值为3/32；第二电极由中心有9个小引出孔，小引出孔的孔径为1.2mm，第一电极与第二电极之间、第二电极与第三电极之间极间距与小引出孔直径之比为1/16；第三电极上设有1个深槽，深槽的边长6×8mm，深度为200μm，第二电极与第三电极之间极间距与收集极深槽的孔深之比为15/40。第一电极内表面制备有间隔为10μm，直径为8μm，高度为40μm的硅微米柱阵列结构。
本实施例硅微米柱阵列三电极电离式微系统雾霾传感器的硅微米柱阵列制备步骤如下：
1)深硅刻蚀前预处理：选用刻蚀有小通孔的硅片作为基体，并进行深硅刻蚀前预处理；
2)采用基于交替往复式工艺(Bosch工艺)的深层反应离子刻蚀(DRIE)工艺制备传感器阴极硅微米柱阵列。在Bosch工艺中，刻蚀和钝化两个步骤会一直交替进行，直至到达刻蚀深度要求。
在持续通入SF6保护气体、C4F8刻蚀气体10s条件下，通过设定压力为6Pa、射频功率为50W、源功率为220W、C4F8与SF6气体的流量比为2:1和刻蚀速率为150A/min，得到硅微米柱阵列；
3)极间绝缘：电极间键合玻璃薄片，作为绝缘材料并控制极间距；
4)封装：采用玻璃键合工艺制作极间绝缘支柱，采用陶瓷封装工艺封装硅微米柱阵列三电极电离式MEMS电场传感器及其阵列。
本发明第一电极的电极上有2个小通孔，便于待检测气体及雾霾颗粒物进入电极间隙；第二电极上设有正离子流小引出孔；第三电极收集极通过第二电极的小引出孔，可收集带有正电荷的颗粒物正离子流。第一电极与第二电极之间、第二电极与第三电极之间通过绝缘支柱相互隔离；被测气体及雾霾颗粒物通过传感器周边电极间的间隙进入传感器相邻两个电极的间隙中。
本发明采取上述结构的硅微米柱阵列三电极电离式传感器在测量雾霾颗粒物时，在射频条件下，呈现单值雾霾颗粒物浓度敏感关系。
下面通过一个具体实例，对本发明硅微米柱阵列三电极电离式微系统雾霾传感器检测颗粒物浓度做进一步说明。
采用上述结构的硅微米柱阵列三电极电离式微系统雾霾传感器，实验获得了射频激励条件下对PM1颗粒物的单值气敏特性(图3)。
图3所示的硅微米柱阵列三电极电离式微系统雾霾传感器，在射频激励条件下(频率：1.5MHz，功率：6W)，测量PM1颗粒物浓度的实施例中，随着颗粒物浓度的增加，硅微米柱阵列三电极电离式微系统雾霾传感器收集极收集到的离子流减小，离子流与颗粒物浓度之间呈现单值下降关系，传感器量程为0-10mg/m3，分辨率为0.1μg/m3，最大灵敏度最大值为-3.10×10-1nA·(μg·m-3)-1。
实施例2
本实施例基本结构同实施例1，所不同的是：第一电极的电极上有16个小通孔，孔径设定在3.6mm，第一电极与第二电极之间极间距与小通孔孔径的比值为1/60；第二电极由中心有16个小引出孔，小引出孔的孔径为5.0mm，第一电极与第二电极之间极间距与小引出孔孔径的比值为3/250；第二电极与第三电极之间极间距与小引出孔孔径的比值为9/1000；第三电极上设有12个深槽，深槽的边长1.0×1.0mm，深度为100μm，第二电极与第三电极之间极间距与槽深之间的比值为4/5。第一电极内表面制备有间隔为20μm，直径为6μm，高度为60μm的硅微米柱阵列结构。
本实施例硅微米柱阵列三电极电离式微系统雾霾传感器的硅微米柱阵列制备步骤如下：
1)深硅刻蚀前预处理：选用刻蚀有小通孔的硅片作为基体，并进行深硅刻蚀前预处理；
2)采用基于交替往复式工艺(Bosch工艺)的深层反应离子刻蚀(DRIE)工艺制备传感器阴极硅微米柱阵列。在Bosch工艺中，刻蚀和钝化两个步骤会一直交替进行，直至到达刻蚀深度要求。
在持续通入SF6保护气体、C4F8刻蚀气体10s条件下，通过设定压力为6Pa、射频功率为70W、源功率为450W、C4F8与SF6气体的流量比为5:1和刻蚀速率为400A/min，得到硅微米柱阵列；
3)极间绝缘：电极间键合玻璃薄片，作为绝缘材料并控制极间距；
4)封装：采用玻璃键合工艺制作极间绝缘支柱，采用陶瓷封装工艺封装硅微米柱阵列三电极电离式MEMS电场传感器及其阵列。
采用上述结构的硅微米柱阵列三电极电离式微系统雾霾传感器，实验获得了射频激励条件下对PM2.5颗粒物的单值气敏特性(图4)。
图4所示的硅微米柱阵列三电极电离式微系统雾霾传感器，在射频激励条件下(频率：1.5MHz，功率：6W)，测量PM2.5颗粒物浓度的实施例中，随着颗粒物浓度的增加，硅微米柱阵列三电极电离式微系统雾霾传感器收集极收集到的离子流减小，离子流与颗粒物浓度之间呈现单值下降关系，传感器量程为0-10mg/m3，分辨率为0.1μg/m3，最大灵敏度最大值为-1.54×102nA·(μg·m-3)-1。
实验后，采用超声波发生器进行传感器清灰，超声波发生器频率选择为21kHz、功率为12W，清灰后，传感器输出电流与初始电流相差仅为1.89％(图5)，证明了超声清灰的有效性。
实施例3
本实施例基本结构同实施例1，所不同的是：第一电极的电极表面有20个小通孔，孔径为0.6mm，第一电极与第二电极之间极间距与小通孔孔径之间的比值为1/8。第二电极中心有20个小引出孔，孔径为1.0mm时，第一电极与第二电极之间极间距与小引出孔孔径之间的比值为3/40-3/20。第二电极与第三电极之间极间距与小引出孔孔径之间的比值为2/25。第三电极有20个深槽，边长、深度分别为8×8mm和240μm时，第二电极与第三电极之间极间距与槽深之间的比值为3/16-3/8。第一电极内表面制备有间隔为30μm，直径为10μm，高度为10μm的硅微米柱阵列结构。
本实施例硅微米柱阵列三电极电离式微系统雾霾传感器的硅微米柱阵列制备步骤如下：
1)深硅刻蚀前预处理：选用刻蚀有小通孔的硅片作为基体，并进行深硅刻蚀前预处理；
2)采用基于交替往复式工艺(Bosch工艺)的深层反应离子刻蚀(DRIE)工艺制备传感器阴极硅微米柱阵列。在Bosch工艺中，刻蚀和钝化两个步骤会一直交替进行，直至到达刻蚀深度要求。
在持续通入SF6保护气体、C4F8刻蚀气体10s条件下，通过设定压力为6Pa、射频功率为55W、源功率为300W、C4F8与SF6气体的流量比为1.5:1和刻蚀速率为80A/min，得到硅微米柱阵列；
3)极间绝缘：电极间键合玻璃薄片，作为绝缘材料并控制极间距；
4)封装：采用玻璃键合工艺制作极间绝缘支柱，采用陶瓷封装工艺封装硅微米柱阵列三电极电离式MEMS电场传感器及其阵列。
采用上述结构的硅微米柱阵列三电极电离式微系统雾霾传感器，制作了具有不同极间距的4只传感器，实验获得了射频激励条件下对多粒径颗粒物的单值气敏特性(图6)。
图6所示的硅微米柱阵列三电极电离式微系统雾霾传感器，在射频激励条件下(频率：1.5MHz，功率：6W)，测量PM1/PM2.5/PM10/TSP多粒径颗粒物浓度的实施例中，随着颗粒物浓度的增加，硅微米柱阵列三电极电离式微系统雾霾传感器收集极收集到的离子流减小，离子流与颗粒物浓度之间呈现单值下降关系。
实施例4
本实施例基本结构同实施例1，所不同的是：第一电极的电极表面有20个小通孔，孔径为2mm，第一电极与第二电极之间极间距与小通孔孔径之间的比值为13/400。第二电极中心有20个小引出孔，孔径为3mm时，第一电极与第二电极之间极间距与小引出孔孔径之间的比值为3/200-3/100。第二电极与第三电极之间极间距与小引出孔孔径之间的比值为7/300。第三电极有20个深槽，边长、深度分别为8×8mm和200μm时，第二电极与第三电极之间极间距与槽深之间的比值为7/20-7/10。第一电极内表面制备有间隔为25μm，直径为5μm，高度为20μm的硅微米柱阵列结构。
本实施例硅微米柱阵列三电极电离式传感器的硅微米柱阵列制备步骤如实施例1，包括以下步骤：
1)深硅刻蚀前预处理：选用刻蚀有小通孔的硅片作为基体，并进行深硅刻蚀前预处理；
2)采用基于交替往复式工艺(Bosch工艺)的深层反应离子刻蚀(DRIE)工艺制备传感器阴极硅微米柱阵列。在Bosch工艺中，刻蚀和钝化两个步骤会一直交替进行，直至到达刻蚀深度要求。
在持续通入SF6保护气体、C4F8刻蚀气体10s条件下，通过设定压力为6Pa、射频功率为20W、源功率为400W、C4F8与SF6气体的流量比为3.5:1和刻蚀速率为350A/min，得到硅微米柱阵列；
3)极间绝缘：电极间键合玻璃薄片，作为绝缘材料并控制极间距；
4)封装：采用玻璃键合工艺制作极间绝缘支柱，采用陶瓷封装工艺封装硅微米柱阵列三电极电离式MEMS电场传感器及其阵列。
总共制作了8只不同极间距的传感器组成了传感器阵列，同时检测了PM1浓度、PM2.5浓度、PM4浓度、PM10浓度、SO2浓度、NO浓度、O2浓度以及温度。
图7所示的硅微米柱阵列三电极电离式微系统雾霾传感器，在射频激励条件下(频率：1.5MHz，功率：6W)，同时测量同时检测了PM1浓度、PM2.5浓度、PM4浓度、PM10浓度、SO2浓度、NO浓度、O2浓度以及温度的实施例中，随着PM1颗粒物浓度的增加，硅微米柱阵列三电极电离式微系统雾霾传感器收集极收集到的离子流减小，离子流与颗粒物浓度之间呈现单值下降关系。
图8所示的硅微米柱阵列三电极电离式微系统雾霾传感器，在射频激励条件下(频率：1.5MHz，功率：6W)，同时测量同时检测了PM1浓度、PM2.5浓度、PM4浓度、PM10浓度、SO2浓度、NO浓度、O2浓度以及温度的实施例中，随着PM2.5颗粒物浓度的增加，硅微米柱阵列三电极电离式微系统雾霾传感器收集极收集到的离子流减小，离子流与颗粒物浓度之间呈现单值下降关系。
图9所示的硅微米柱阵列三电极电离式微系统雾霾传感器，在射频激励条件下(频率：1.5MHz，功率：6W)，同时测量同时检测了PM1浓度、PM2.5浓度、PM4浓度、PM10浓度、SO2浓度、NO浓度、O2浓度以及温度的实施例中，随着PM4颗粒物浓度的增加，硅微米柱阵列三电极电离式微系统雾霾传感器收集极收集到的离子流减小，离子流与颗粒物浓度之间呈现单值下降关系。
图10所示的硅微米柱阵列三电极电离式微系统雾霾传感器，在射频激励条件下(频率：1.5MHz，功率：6W)，同时测量同时检测了PM1浓度、PM2.5浓度、PM4浓度、PM10浓度、SO2浓度、NO浓度、O2浓度以及温度的实施例中，随着PM10颗粒物浓度的增加，硅微米柱阵列三电极电离式微系统雾霾传感器收集极收集到的离子流减小，离子流与颗粒物浓度之间呈现单值下降关系。
本发明在相同实验条件下，采用实施例1-4的传感器结构均能够获得满足要求的实验效果。
表1是本发明传感器与现有技术传感器的灵敏度对比。
表1本发明雾霾传感器与现有雾霾颗粒物传感器对比
从表1可以看出，本发明硅微米柱阵列三电极电离式微系统雾霾传感器可以在微量雾霾颗粒物中发生气体的场致电离及场致电子发射，使微量雾霾颗粒物荷电，将雾霾颗粒物浓度的微小变化转化为输出电流的变化，与现有传感器相比，其量程、分辨率及灵敏度均得到了提高，增强了实用性能，雾霾传感器实现0.1μg/m3微量雾霾颗粒的检测，检测灵敏度达-1.3nA/μg·m-3。具有非常好的应用前景。
虽然本发明以上述较佳的实施例对本发明做出了详细的描述，但上述实施例并不用于限定本发明。在不脱离本发明技术方案所给出的技术特征和结构范围的情况下，对技术特征所作的增加、变形或以本领域同样内容的替换，均应属本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种硅微米柱阵列三电极电离式微系统雾霾传感器，传感器包括三个自下而上依次分布的第一电极、第二电极和第三电极，所述第一电极内表面制备有硅微米柱阵列的硅基底以及设有小通孔，构成阴极；所述第二电极中心设有小引出孔，构成引出极；所述第三电极内表面设有深槽，构成收集极；其特征在于，每个电极由单晶圆硅片为基底；电极之间通过绝缘层控制传感器的极间距；
所述硅微米柱直径为5 ~ 10 μm；高度为10 ~ 60 μm；间距为10 ~ 30 μm；
所述硅微米柱阵列采用基于交替往复式Bosch工艺的深层反应离子刻蚀DRIE法制备得到；
在持续通入SF6保护气体、C4F8刻蚀气体2 ~ 15s条件下，通过设定压力为6 Pa、射频功率为20 ~ 70 W、源功率为220 ~ 450 W、C4F8与SF6气体的流量比为1.5:1 ~ 5:1和刻蚀速率为80 ~ 400 Å /min，得到硅微米柱阵列；
硅微米柱雾霾传感器分辨率为0.1μg∙m-3；对PM1颗粒归一化灵敏度为1.12×10-3(μg∙m-3)-1，对PM2.5颗粒归一化灵敏度为5.54×10-2(μg∙m-3)-1。
2.根据权利要求1所述的硅微米柱阵列三电极电离式微系统雾霾传感器，其特征在于，所述小通孔的孔径设定在0.6 ~ 3.6 mm；小引出孔的孔径为1.0 ~ 5.0 mm；深槽的边长为1×1 ~ 8×8 mm、深度为100 ~ 240 mm；
三电极之间的极间距按照小通孔、小引出孔的孔径和深槽的边长、深度设定。
3.根据权利要求1所述的硅微米柱阵列三电极电离式微系统雾霾传感器器，其特征在于，所述小通孔的孔径为0.6 ~ 3.6 mm时，第一电极与第二电极之间极间距与小通孔的孔径之比为1/60~ 1/8；
所述小引出孔的孔径为1.0 ~ 5.0 mm时，第一电极与第二电极之间极间距与小引出孔的孔径之比为3/250~ 3/40，第二电极与第三电极之间极间距与小引出孔的孔径之比为9/1000~ 2/25；
所述深槽的边长、槽深分别为1×1 ~ 8×8 mm和100 ~ 240 mm时，第二电极与第三电极之间极间距与深槽槽深之比为3/16~ 4/5。
4.根据权利要求1所述的硅微米柱阵列三电极电离式微系统雾霾传感器，其特征在于，所述第一电极的电极表面的小通孔为1 ~ 20个；所述第二电极引出极的小引出孔设有1 ~20个；所述第三电极收集极的深槽设有1 ~ 20个。
5.根据权利要求1所述的硅微米柱阵列三电极电离式微系统雾霾传感器，其特征在于，所述绝缘层材料为绝缘玻璃。
6.一种权利要求1-5任一项所述的硅微米柱阵列三电极电离式微系统雾霾传感器的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：
1）深硅刻蚀前预处理：选用刻蚀有小通孔、小引出孔及深槽的三个电极硅片作为基底，并进行深硅刻蚀前清洗、涂胶、曝光预处理；
2）硅微米柱阵列刻蚀：采用基于交替往复式Bosch工艺的深层反应离子刻蚀DRIE法制备传感器硅微米柱阵列；
在持续通入SF6保护气体、C4F8刻蚀气体2 ~ 15s条件下，通过设定压力、射频功率、源功率、C4F8与SF6气体的流量比和刻蚀速率，得到硅微米柱阵列；
3）极间绝缘：电极间键合玻璃薄片，作为绝缘材料并控制极间距；
4）封装：采用陶瓷封装工艺封装硅微米柱阵列三电极电离式MEMS电场传感器及其阵列。
7.根据权利要求6所述硅微米柱阵列三电极电离式微系统雾霾传感器的制备方法，其特征在于，在Bosch工艺中，刻蚀和钝化两个步骤会一直交替进行，直至到达刻蚀深度要求。
8.根据权利要求1所述硅微米柱阵列三电极电离式微系统雾霾传感器的使用方法，其特征在于，传感器使用时，需要使用超声波振荡器进行电极清灰操作，以恢复传感器性能。
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