CN113092542A - 一种平面型纳米气体传感器、阵列及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种平面型纳米气体传感器、阵列及其制备方法，涉及气体传感器技术领域，该气体传感器从顶部到底部依次包括平面传感电极、传感层、电绝缘层及微型加热器；传感层是在双通孔型基底内沉积纳米级传感材料后形成的；双通孔型基底是由多个双通孔型纳米管组成的；双通孔型纳米管为一端和另一端均开口，且一端与另一端连通的纳米管；纳米级传感材料沉积在双通孔型纳米管的管壁上；微型加热器的加热区域与平面传感电极的传感区域在竖直方向上重叠。本发明具有低功耗高性能的目的。
Description
技术领域
本发明涉及气体传感器技术领域，特别是涉及一种平面型纳米气体传感器、阵列及其制备方法。
背景技术
气体传感器，特别是基于金属氧化物半导体(MOX)的电阻式气体传感器，广泛应用于环境污染监测、危险气体泄漏、化学物检测等生产生活领域。随着物联网技术的发展和精准医疗战略的推进，传统的MOX气体传感器在可穿戴便携式设备、即时诊断设备(POCT)、智慧城市、智慧家居等新兴领域中具有巨大的应用潜力，也面临着诸多挑战。
目前市面上的大多数MOX气体传感器具有功耗高和选择性差的缺点。气体传感器多为平面二维薄膜结构且需在高温下(300-400摄氏度)运行，通过加热来活化与目标气体之间的吸附能力以借此提高对气体的响应灵敏度，这使得这些气体传感器不适用于低功耗运用场景，亦面临着长期稳定性及使用寿命的挑战。同时单个气体传感器对多种气体都存在响应，难以在有干扰性气体存在的情况下实现对目标气体的精准探测，严重阻碍气体传感器向智能化传感方向的发展。
发明内容
本发明的目的是提供一种平面型纳米气体传感器、阵列及其制备方法，以达到低功耗高性能的目的。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种平面型纳米气体传感器，从顶部到底部依次包括平面传感电极、传感层、电绝缘层以及微型加热器；
所述传感层是在双通孔型基底内沉积纳米级传感材料后形成的；所述双通孔型基底是由多个双通孔型纳米管组成的；所述双通孔型纳米管为一端和另一端均开口，且一端与另一端连通的纳米管；其中，所述纳米级传感材料沉积在所述双通孔型纳米管的管壁上；
所述微型加热器的加热区域与所述平面传感电极的传感区域在竖直方向上重叠。
可选的，所述微型加热器包括加热丝以及结构相同的第一加热电极、第二加热电极；其中，所述第一加热电极和所述第二加热电极均向中间逐渐收拢后与所述加热丝相连接；所述加热丝为蜿蜒型加热丝；所述微型加热器的加热区域为加热丝区域。
可选的，所述平面传感电极为平面叉指电极；所述为平面叉指电极包括第一叉指电极和第二叉指电极；所述第一叉指电极的一端形成第一端子，所述第一叉指电极的另一端形成第一电叉指，所述第二叉指电极的一端形成第二端子，所述第二叉指电极的另一端形成第二电叉指；所述第一端子和所述第二端子位于同一侧，所述第一电叉指与所述第二电叉指交叉设置以形成所述平面传感电极的传感区域。
可选的，所述双通孔型基底为双通孔型的3D阳极氧化铝模板；所述传感材料为SnO2、TiO2、ZnO或其他金属氧化物材料；所述电绝缘层的材料为SiO2。
一种平面型纳米气体传感器的制备方法，包括：
在双通孔型基底内沉积纳米级传感材料以形成传感层；
在所述传感层的上表面沉积金属材料以形成平面传感电极；
在所述传感层的下表面蒸镀/沉积绝缘材料以形成电绝缘层；
在所述电绝缘层上蒸镀金属材料以形成微型加热器，进而制备成平面型纳米气体传感器。
可选的，还包括：将所述平面型纳米气体传感器封装到陶瓷管壳中。
一种平面型纳米气体传感器，从顶部到底部依次包括平面传感电极、传感层以及微型加热器；
所述传感层是在单通孔型基底内沉积纳米级传感材料后形成的；所述单通孔型基底是由多个单通孔型纳米管组成的；所述单通孔型纳米管为一端开口，另一端封口，且一端与另一端连通的纳米管；其中，所述纳米级传感材料沉积在所述单通孔型纳米管的管壁上；
所述微型加热器的加热区域与所述平面传感电极的传感区域在竖直方向上重叠。
一种平面型纳米气体传感器的制备方法，包括：
在单通孔型基底内沉积纳米级传感材料以形成传感层；
在所述传感层的上表面沉积金属材料以形成平面传感电极；
在所述传感层的下表面蒸镀金属材料以形成微型加热器，进而制备成平面型纳米气体传感器。
一种平面型纳米气体传感器阵列，从顶部到底部依次包括平面传感电极阵列、传感层、电绝缘层以及微型加热器阵列；
所述传感层是在双通孔型基底内沉积纳米级传感材料后形成的；所述双通孔型基底是由多个双通孔型纳米管组成的；所述双通孔型纳米管为一端和另一端均开口，且一端与另一端连通的纳米管；其中，所述纳米级传感材料沉积在所述双通孔型纳米管的管壁上；
所述平面传感电极阵列包括多个平面传感电极，所述平面传感电极阵列按照第一组合形式、第二组合形式或者第三组合形式布置在所述传感层上；所述第一组合形式为多个平行传感电极对以所述传感层的中心为布置中心，在四周均匀分布的形式；所述第二组合形式为多个所述平行传感电极对和多个所述平行传感电极以所述传感层的中心为布置中心，在四周均匀分布的形式；所述第三组合形式为多个所述平行传感电极以所述传感层的中心为布置中心，在四周均匀分布的形式；其中，相邻所述平行传感电极对之间、相邻所述平行传感电极之间、以及一个所述平行传感电极对和一个所述平行传感电极之间均有空隙；所述平行传感电极对是由一个所述平行传感电极的第二电极与另一个所述平行传感电极的第二电极连接后形成的电极对；
所述微型加热器阵列包括多个微型加热器，所述微型加热器阵列按照第四组合形式、第五组合形式或者第六组合形式布置在所述电绝缘层上；所述第四组合形式为多个微型加热器对以所述电绝缘层的中心为布置中心，在四周均匀分布的形式；所述第五组合形式为多个所述微型加热器对和多个所述微型加热器以所述电绝缘层的中心为布置中心，在四周均匀分布的形式；所述第六组合形式为多个所述微型加热器以所述电绝缘层的中心为布置中心，在四周均匀分布的形式；其中，相邻所述微型加热器对之间、相邻所述微型加热器之间、以及一个所述微型加热器对和一个所述微型加热器之间均有空隙；所述微型加热器对是由一个所述微型加热器的第二加热电极与另一个所述微型加热器的第二加热电极连接后形成的加热器对；
当所述平行传感电极阵列按照第一组合形式布置时所述微型加热器阵列按照第四组合形式布置；当所述平行传感电极阵列按照第二组合形式布置时所述微型加热器阵列按照第五组合形式布置；当所述平行传感电极阵列按照第三组合形式布置时所述微型加热器阵列按照第六组合形式布置；
所述微型加热器阵列的加热区域与所述平面传感电极阵列的传感区域在竖直方向上重叠。
一种平面型纳米气体传感器阵列，从顶部到底部依次包括平面传感电极阵列、传感层以及微型加热器阵列；
所述传感层是在单通孔型基底内沉积纳米级传感材料后形成的；所述单通孔型基底是由多个单通孔型纳米管组成的；所述单通孔型纳米管为一端开口，另一端均封口，且一端与另一端连通的纳米管；其中，所述纳米级传感材料沉积在所述单通孔型纳米管的管壁上；
所述平面传感电极阵列包括多个平面传感电极，所述平面传感电极阵列按照第一组合形式、第二组合形式或者第三组合形式布置在所述传感层的上表面；所述第一组合形式为多个平行传感电极对以所述传感层的中心为布置中心，在四周均匀分布的形式；所述第二组合形式为多个所述平行传感电极对和多个所述平行传感电极以所述传感层的中心为布置中心，在四周均匀分布的形式；所述第三组合形式为多个所述平行传感电极以所述传感层的中心为布置中心，在四周均匀分布的形式；其中，相邻所述平行传感电极对之间、相邻所述平行传感电极之间、以及一个所述平行传感电极对和一个所述平行传感电极之间均有空隙；所述平行传感电极对是由一个所述平行传感电极的第二电极与另一个所述平行传感电极的第二电极连接后形成的电极对；
所述微型加热器阵列包括多个微型加热器，所述微型加热器阵列按照第四组合形式、第五组合形式或者第六组合形式布置在所述传感层的下表面；所述第四组合形式为多个微型加热器对以所述传感层的中心为布置中心，在四周均匀分布的形式；所述第五组合形式为多个所述微型加热器对和多个所述微型加热器以所述传感层的中心为布置中心，在四周均匀分布的形式；所述第六组合形式为多个所述微型加热器以所述传感层的中心为布置中心，在四周均匀分布的形式；其中，相邻所述微型加热器对之间、相邻所述微型加热器之间、以及一个所述微型加热器对和一个所述微型加热器之间均有空隙；所述微型加热器对是由一个所述微型加热器的第二加热电极与另一个所述微型加热器的第二加热电极连接后形成的加热器对；
当所述平行传感电极阵列按照第一组合形式布置时所述微型加热器阵列按照第四组合形式布置；当所述平行传感电极阵列按照第二组合形式布置时所述微型加热器阵列按照第五组合形式布置；当所述平行传感电极阵列按照第三组合形式布置时所述微型加热器阵列按照第六组合形式布置；
所述微型加热器阵列的加热区域与所述平面传感电极阵列的传感区域在竖直方向上重叠。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明将传感材料沉积在纳米管壁上以获得极高的比表面积，实现与气体分子更充分的接触和更高的灵敏度，降低了气体传感器所需的工作温度，同时配合高加热效率的微型加热器，可实现更低功耗下的更高的灵敏度。
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，下面描述中的附图仅仅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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明双通孔型的平面型纳米气体传感器的结构示意图；
图2为本发明微型加热器的结构示意图；
图3为本发明平面传感电极的结构示意图；
图4为本发明叉指区域的示意图；
图5为本发明单通孔型的平面型纳米气体传感器的结构示意图；
图6为本发明平面型纳米气体传感器阵列的结构示意图；
图7为本发明平面型纳米气体传感器阵列的结构示意图；
图8为本发明双通孔型的平面型纳米气体传感器的制备方法的流程示意图；
图9为本发明单通孔型的平面型纳米气体传感器的制备方法的流程示意图。
具体实施方式
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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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做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。
本发明的目的是提供一种平面型纳米气体传感器、阵列及其制备方法，以达到低功耗高性能的目的。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明的目的是开发低功耗高性能的气体传感器及芯片级封装。目前最前沿的金属氧化物气体传感器封装采用微电子机械系统(MEMS，Micro-Electro-MechanicalSystem)工艺，将微加热板与气敏材料集成在一起，实现芯片级封装。常见的产品可见炜盛MEMS传感器(https://www.winsensor.com/products/MEMS/)、日本费加罗MEMS传感器(http://www.figarosensor.com/product/feature/tgs8100.html)等。然而这种MEMS封装仅能适配薄膜气敏材料，与三维纳米管结构尚不兼容，且加热性能及传感器灵敏度都有改善的空间。
本发明根据所采用的阳极氧化铝种类的不同可以分为双通孔型的平面型纳米气体传感器和单通孔型的平面型纳米气体传感器。
实施例一
如图1所示，本实施例提供的一种双通孔型的平面型纳米气体传感器，从顶部到底部依次包括平面传感电极1、传感层、电绝缘层3以及微型加热器4。
所述传感层是在双通孔型基底内沉积纳米级传感材料后形成的；所述双通孔型基底是由多个双通孔型纳米管组成的；所述双通孔型纳米管为一端和另一端均开口，且一端与另一端连通的纳米管；其中，所述纳米级传感材料沉积在所述双通孔型纳米管的管壁上。
所述微型加热器的加热区域与所述平面传感电极的传感区域在竖直方向上重叠。
作为一种优选的具体实施方式，本实施例提供的所述微型加热器4如图2所示，包括加热丝43以及结构相同的第一加热电极41、第二加热电极42；其中，所述第一加热电极41和所述第二加热电极42均向中间逐渐收拢后与所述加热丝43相连接；所述加热丝43为蜿蜒型加热丝；所述微型加热器4的加热区域为加热丝区域。
所述加热丝43的宽度为70μm，间距为80μm。所述第一加热电极41和所述第二加热电极42的方形区域的尺寸为1000μm*3000μm，所述第一加热电极41和所述第二加热电极42之间的间距为2325μm。
其加热原理为：由于蜿蜒型加热丝的长度远大于加热电极(代表第一加热电极和第二加热电极)，宽度远小于加热电极，所以整个微型加热器的电阻主要集中在蜿蜒型加热丝上。根据焦耳定律，热量主要集中于中间的加热丝，因此可以起到小区域加热的作用。而由于双通孔型基底为多孔结构，其横向的热传导系数要小于纵向热传导系数，因此横向的热损耗较小，可在纵向上获得较高的加热效率。
作为一种优选的具体实施方式，本实施例提供的所述平面传感电极1如图3和图4所示，所述平面传感电极1为平面叉指电极；所述为平面叉指电极包括第一叉指电极11和第二叉指电极12；所述第一叉指电极11的一端形成第一端子111，所述第一叉指电极11的另一端形成第一电叉指112，所述第二叉指电极12的一端形成第二端子121，所述第二叉指电极12的另一端形成第二电叉指122；所述第一端子111和所述第二端子121位于同一侧，所述第一电叉指112与所述第二电叉指交叉122设置以形成所述平面传感电极的传感区域13/叉指区域13。
叉指区域13的面积为700μm*700μm，指宽45μm，指间距(边缘到边缘)55μm。
平面型纳米气体传感器电流主要分布传感层的上表面，即传感层与平面传感电极1的接触面，亦有部分电流会流经沉积有传感材料的纳米管壁上，也就是说，气敏响应发生的地方大部分集中在传感层的上表面的叉指区域，少部分在纳米管壁内，即传感电流主要在第一叉指电极11和第二叉指电极12之间的传感材料中传输。
作为一种优选的具体实施方式，本实施例提供的所述双通孔型基底为双通孔型的3D阳极氧化铝模板2；所述传感材料为SnO2、TiO2、ZnO或其他金属氧化物材料。
所述电绝缘层3的材料为SiO2。所述电绝缘层3在实现加热结构(即微型加热器)与传感结构(即传感层)的电学隔离的同时，保持了热量的传导。
虽然平面型气体传感器的灵敏度要低于垂直性气体传感器，然而由于双通孔型基底横向热损失较小，与商用MEMS气体传感器相比，仍可实现相同功耗下更高的灵敏度，或相同灵敏度下更低的功耗。
实施例二
本实施例提供的一种实施例一所述的双通孔型的平面型纳米气体传感器的制备方法，其双通孔型的平面型纳米气体传感器的结构如实施例一所述，在此不过多描述。其制备方法如图8所示，包括如下步骤。
步骤S11：在双通孔型基底内沉积纳米级传感材料以形成传感层，即沉积完成后，在双通孔型基底的上下表面以及纳米管的内壁上都会有纳米级传感材料。
优选的，本实施例提供的传感材料为SnO2、TiO2、ZnO或其他金属氧化物材料，本实施例提供的双通孔型基底为双通孔型的3D阳极氧化铝模板；本实施例提供的双通孔型的阳极氧化铝(AAO)模板的厚度为100nm～100μm，孔径为100nm～1μm。
优选的，本实施例采用基于原子层沉积(ALD)技术在双通孔型基底内沉积纳米级传感材料以形成传感层；本实施例提供的原子层沉积(ALD)技术的工艺参数为：沉积速率为0.1nm/cycle～1nm/cycle，沉积温度为25℃～250℃。
优选的，在阳极氧化铝(AAO)模板的上表面沉积的纳米级传感材料的厚度为1nm～100nm。
其中，沉积过程为：以四二甲氨基锡为锡源，打开ALD锡源阀门300ms后，关闭锡源泵阀；待锡源在腔体内停留30s后，打开氮气泵阀清洗腔体30s，然后打开ALD气态水源阀门，30ms后，关闭气态水源泵阀；当气态水在腔体内停留30s后，打开氮气泵阀清洗腔体5s，从而形成了一个工艺循环。这样一个工艺循环内所生长的SnO2厚度为0.1nm左右。通过多次工艺循环得到3～10nm的SnO2薄膜之后，在空气中进行高温煅烧。
步骤S12：在所述传感层的上表面沉积金属材料以形成平面传感电极。
优选的，本实施例采用热蒸镀技术在所述传感层的上表面沉积厚度为100～500nm的金属，作为平面传感电极。本实施例提供的金属为金。
优选的，本实施例提供的平面传感电极为平面叉指电极。
步骤S13：在所述传感层的下表面蒸镀/沉积绝缘材料以形成电绝缘层。
优选的，本实施例采用基于电子束蒸发技术在高真空环境下在所述传感层的下表面蒸镀300nm～1μm厚的SiO2作为电绝缘层。
优选的，本实施例提供的绝缘层的厚度为50nm～1μm。
步骤S14：在所述电绝缘层上蒸镀金属材料以形成微型加热器，进而制备成平面型纳米气体传感器。其中，电绝缘层的面积大于微型加热器的面积。
优选的，基于电子束蒸发技术和热蒸发技术在高真空环境下在所述电绝缘层上蒸镀150nm～350nm的金属或者金属堆积层作为微型加热器，即微型加热器直接镀在二氧化硅层的下表面，二氧化硅层的上表面与传感层的下表面接触。本实施例提供的金属为金。
优选的，本实施例提供的微型加热器的厚度为100nm～500nm。
步骤S15：将所述平面型纳米气体传感器封装到陶瓷管壳(Chip Carrier)中。
其中，封装的主要步骤是：将2cm×2cm的平面型纳米气体传感器使用激光切割工艺切成适当大小，并使用导电胶将切割好的器件封装在陶瓷管壳中。
实施例三
如图5所示，本实施例提供的一种单通孔型的平面型纳米气体传感器，从顶部到底部依次包括平面传感电极1、传感层以及微型加热器4。
所述传感层是在单通孔型基底内沉积纳米级传感材料后形成的；所述单通孔型基底是由多个单通孔型纳米管组成的；所述单通孔型纳米管为一端开口，另一端封口，且一端与另一端连通的纳米管；其中，所述纳米级传感材料沉积在所述单通孔型纳米管的管壁上。
所述微型加热器4的加热区域与所述平面传感电极1的传感区域在竖直方向上重叠。
作为一种优选的具体实施方式，本实施例提供的所述微型加热器4如图2所示，其微型加热器4与实施例一所述的微型加热器相同，在此不过多描述。
作为一种优选的具体实施方式，本实施例提供的所述平面传感电极1如图3和图4所示，其平面传感电极1与实施例一所述的平面传感电极相同，在此不过多描述。
作为一种优选的具体实施方式，本实施例提供的所述单通孔型基底为单通孔型的3D阳极氧化铝模板5，所述单通孔型的3D阳极氧化铝模板5包括阻挡层以及布置在所述阻挡层上的多个紧密接触的纳米管。所述传感材料为SnO2、TiO2、ZnO或其他金属氧化物材料。
虽然平面型气体传感器的灵敏度要低于垂直性气体传感器，然而由于双通孔型基底横向热损失较小，与商用MEMS气体传感器相比，仍可实现相同功耗下更高的灵敏度，或相同灵敏度下更低的功耗。。
实施例四
本实施例提供的一种如实施例三所述的单通孔型的平面型纳米气体传感器的制备方法，其单通孔型的平面型纳米气体传感器的结构如实施例三所述，在此不过多描述。其制备方法如图9所示，包括如下步骤。
步骤S21：在单通孔型基底内沉积纳米级传感材料以形成传感层，即沉积完成后，在单通孔型基底的上表面以及纳米管的内壁上，都会有纳米级传感材料。
单通孔型基底为一端开孔，另一端为阻挡层，即另一端因阻挡层而闭孔。
优选的，本实施例提供的传感材料为SnO2、TiO2、ZnO或其他金属氧化物材料，本实施例提供的单通孔型基底为单通孔型的3D阳极氧化铝(AAO)模板；本实施例提供的单通孔型的3D阳极氧化铝(AAO)模板的厚度为100nm～100μm，孔径为100nm～1μm。
优选的，本实施例采用基于原子层沉积(ALD)技术在单通孔型基底内沉积纳米级传感材料以形成传感层；本实施例提供的原子层沉积(ALD)技术的工艺参数为：沉积速率为0.1nm/cycle～1nm/cycle，沉积温度为25℃～250℃。
优选的，在阳极氧化铝(AAO)模板的上表面沉积的纳米级传感材料的厚度为1nm～100nm。
其中，上述沉积过程为：以四二甲氨基锡为锡源，打开ALD锡源阀门300ms后，关闭锡源泵阀；待锡源在腔体内停留30s后，打开氮气泵阀清洗腔体30s，然后打开ALD气态水源阀门，30ms后，关闭气态水源泵阀；当气态水在腔体内停留30s后，打开氮气泵阀清洗腔体5s，从而形成了一个工艺循环。这样一个工艺循环内所生长的SnO2厚度为0.1nm左右。通过多次工艺循环得到3～10nm的SnO2薄膜之后，在空气中进行高温煅烧。
步骤S22：在所述传感层的上表面沉积金属材料以形成平面传感电极。
优选的，本实施例采用热蒸镀技术在所述传感层的上表面沉积厚度为100～500nm的金属，作为平面传感电极。本实施例提供的金属为金。
优选的，本实施例提供的平面传感电极为平面叉指电极。
步骤S23：在所述传感层的下表面蒸镀金属材料以形成微型加热器，进而制备成平面型纳米气体传感器。其中，传感层的面积大于微型加热器的面积。
优选的，基于电子束蒸发技术和热蒸发技术在高真空环境下在所述传感层上蒸镀150nm～350nm的金属或者金属堆积层作为微型加热器。本实施例提供的金属为金。
优选的，本实施例提供的微型加热器的厚度为100nm～500nm。
步骤S24：将所述平面型纳米气体传感器封装到陶瓷管壳(Chip Carrier)中。
其中，封装的主要步骤是：将2cm×2cm的平面型纳米气体传感器使用激光切割工艺切成适当大小，并使用导电胶将切割好的器件封装在陶瓷管壳中。
实施例五
如图6所示，本实施例提供的一种平面型纳米气体传感器阵列，从顶部到底部依次包括平面传感电极阵列6、传感层、电绝缘层3以及微型加热器阵列7。
所述传感层是在双通孔型基底内沉积纳米级传感材料后形成的；所述双通孔型基底是由多个双通孔型纳米管组成的；所述双通孔型纳米管为一端和另一端均开口，且一端与另一端连通的纳米管；其中，所述纳米级传感材料沉积在所述双通孔型纳米管的管壁上。
所述平面传感电极阵列6包括多个平面传感电极，所述平面传感电极阵列按照第一组合形式、第二组合形式或者第三组合形式布置在所述传感层上；所述第一组合形式为多个平行传感电极对以所述传感层的中心为布置中心，在四周均匀分布的形式；所述第二组合形式为多个所述平行传感电极对和多个所述平行传感电极以所述传感层的中心为布置中心，在四周均匀分布的形式；所述第三组合形式为多个所述平行传感电极以所述传感层的中心为布置中心，在四周均匀分布的形式；其中，相邻所述平行传感电极对之间、相邻所述平行传感电极之间、以及一个所述平行传感电极对和一个所述平行传感电极之间均有空隙；所述平行传感电极对是由一个所述平行传感电极的第二电极与另一个所述平行传感电极的第二电极连接后形成的电极对。
所述微型加热器阵列7包括多个微型加热器，所述微型加热器阵列按照第四组合形式、第五组合形式或者第六组合形式布置在所述电绝缘层上；所述第四组合形式为多个微型加热器对以所述电绝缘层的中心为布置中心，在四周均匀分布的形式；所述第五组合形式为多个所述微型加热器对和多个所述微型加热器以所述电绝缘层的中心为布置中心，在四周均匀分布的形式；所述第六组合形式为多个所述微型加热器以所述电绝缘层的中心为布置中心，在四周均匀分布的形式；其中，相邻所述微型加热器对之间、相邻所述微型加热器之间、以及一个所述微型加热器对和一个所述微型加热器之间均有空隙；所述微型加热器对是由一个所述微型加热器的第二加热电极与另一个所述微型加热器的第二加热电极连接后形成的加热器对。
当所述平行传感电极阵列6按照第一组合形式布置时所述微型加热器阵列7按照第四组合形式布置；当所述平行传感电极阵列6按照第二组合形式布置时所述微型加热器阵列7按照第五组合形式布置；当所述平行传感电极阵列6按照第三组合形式布置时所述微型加热器阵列7按照第六组合形式布置。
所述微型加热器阵列7的加热区域与所述平面传感电极阵列6的传感区域在竖直方向上重叠。
作为一种优选的具体实施方式，本实施例提供的所述微型加热器4如图2所示，其微型加热器4与实施例一所述的微型加热器相同，在此不过多描述。
作为一种优选的具体实施方式，本实施例提供的所述平面传感电极1如图3和图4所示，其平面传感电极1与实施例一所述的平面传感电极相同，在此不过多描述。
作为一种优选的具体实施方式，本实施例提供的所述双通孔型基底为双通孔型的3D阳极氧化铝模板2；所述传感材料为SnO2、TiO2、ZnO或其他金属氧化物材料。
实施例六
如图7所示，本实施例提供了一种平面型纳米气体传感器阵列，从顶部到底部依次包括平面传感电极阵列6、传感层以及微型加热器阵列7。
所述传感层是在单通孔型基底内沉积纳米级传感材料后形成的；所述单通孔型基底是由多个单通孔型纳米管组成的；所述单通孔型纳米管为一端开口，另一端均封口，且一端与另一端连通的纳米管；其中，所述纳米级传感材料沉积在所述单通孔型纳米管的管壁上。
所述平面传感电极阵列6包括多个平面传感电极，所述平面传感电极阵列6按照第一组合形式、第二组合形式或者第三组合形式布置在所述传感层的上表面；所述第一组合形式为多个平行传感电极对以所述传感层的中心为布置中心，在四周均匀分布的形式；所述第二组合形式为多个所述平行传感电极对和多个所述平行传感电极以所述传感层的中心为布置中心，在四周均匀分布的形式；所述第三组合形式为多个所述平行传感电极以所述传感层的中心为布置中心，在四周均匀分布的形式；其中，相邻所述平行传感电极对之间、相邻所述平行传感电极之间、以及一个所述平行传感电极对和一个所述平行传感电极之间均有空隙；所述平行传感电极对是由一个所述平行传感电极的第二电极与另一个所述平行传感电极的第二电极连接后形成的电极对。
所述微型加热器阵列7包括多个微型加热器，所述微型加热器阵列按照第四组合形式、第五组合形式或者第六组合形式布置在所述传感层的下表面；所述第四组合形式为多个微型加热器对以所述传感层的中心为布置中心，在四周均匀分布的形式；所述第五组合形式为多个所述微型加热器对和多个所述微型加热器以所述传感层的中心为布置中心，在四周均匀分布的形式；所述第六组合形式为多个所述微型加热器以所述传感层的中心为布置中心，在四周均匀分布的形式；其中，相邻所述微型加热器对之间、相邻所述微型加热器之间、以及一个所述微型加热器对和一个所述微型加热器之间均有空隙；所述微型加热器对是由一个所述微型加热器的第二加热电极与另一个所述微型加热器的第二加热电极连接后形成的加热器对。
当所述平行传感电极阵列6按照第一组合形式布置时所述微型加热器阵列7按照第四组合形式布置；当所述平行传感电极阵列6按照第二组合形式布置时所述微型加热器阵列7按照第五组合形式布置；当所述平行传感电极阵列6按照第三组合形式布置时所述微型加热器阵列7按照第六组合形式布置。
所述微型加热器阵列7的加热区域与所述平面传感电极阵列6的传感区域在竖直方向上重叠。
作为一种优选的具体实施方式，本实施例提供的所述微型加热器4如图2所示，其微型加热器4与实施例一所述的微型加热器相同，在此不过多描述。
作为一种优选的具体实施方式，本实施例提供的所述平面传感电极1如图3和图4所示，其平面传感电极1与实施例一所述的平面传感电极相同，在此不过多描述。
作为一种优选的具体实施方式，本实施例提供的所述单通孔型基底为单通孔型的3D阳极氧化铝模板5，所述单通孔型的3D阳极氧化铝模板5包括阻挡层以及布置在所述阻挡层上的多个紧密接触的纳米管。所述传感材料为SnO2、TiO2、ZnO或其他金属氧化物材料。
与现有技术相比，本发明公开了一种基于三维上下通孔纳米管基底(如AAO)的高性能气体传感器，并在此基础上集成了微型加热器，实现一体化封装。本申请具有以下优点：
第一，单位面积加热效率高；多孔形纳米管的纵向热传导要优于横向热传导，可使大部分热量沿着纳米管进行纵向传输而减少横向的热量损耗。
第二，与市售微加热板相比，制备过程简单，成本低，无需光刻。
第三，集成了微型加热器的平面型纳米气体传感器可实现更低功耗下的更高的灵敏度；将气敏材料/传感材料沉积在纳米管壁上以获得极高的比表面积，实现与气体分子更充分的接触和更高的灵敏度，降低了气体传感器所需的工作温度(25℃～200℃)，同时配合高加热效率的微型加热器，可实现更低功耗下的更高的灵敏度。
第四，由于目前商用MEMS微加热板只适用于二维薄膜传感器结构，本申请还在平面型纳米气体传感器上直接集成微型加热器进行温度控制。
第五，集成度高；本申请还可以实现单芯片上多个气体传感器的封装，即易于扩展为传感器阵列，为未来运用机器学习算法的智能气体传感器阵列提供解决方案。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种平面型纳米气体传感器，其特征在于，从顶部到底部依次包括平面传感电极、传感层、电绝缘层以及微型加热器；
所述传感层是在双通孔型基底内沉积纳米级传感材料后形成的；所述双通孔型基底是由多个双通孔型纳米管组成的；所述双通孔型纳米管为一端和另一端均开口，且一端与另一端连通的纳米管；其中，所述纳米级传感材料沉积在所述双通孔型纳米管的管壁上；
所述微型加热器的加热区域与所述平面传感电极的传感区域在竖直方向上重叠。
2.根据权利要求1所述的一种平面型纳米气体传感器，其特征在于，所述微型加热器包括加热丝以及结构相同的第一加热电极、第二加热电极；其中，所述第一加热电极和所述第二加热电极均向中间逐渐收拢后与所述加热丝相连接；所述加热丝为蜿蜒型加热丝；所述微型加热器的加热区域为加热丝区域。
3.根据权利要求1所述的一种平面型纳米气体传感器，其特征在于，所述平面传感电极为平面叉指电极；所述为平面叉指电极包括第一叉指电极和第二叉指电极；所述第一叉指电极的一端形成第一端子，所述第一叉指电极的另一端形成第一电叉指，所述第二叉指电极的一端形成第二端子，所述第二叉指电极的另一端形成第二电叉指；所述第一端子和所述第二端子位于同一侧，所述第一电叉指与所述第二电叉指交叉设置以形成所述平面传感电极的传感区域。
4.根据权利要求1所述的一种平面型纳米气体传感器，其特征在于，所述双通孔型基底为双通孔型的3D阳极氧化铝模板；所述传感材料为SnO2、TiO2、ZnO或其他金属氧化物材料；所述电绝缘层的材料为SiO2。
5.一种权利要求1所述的平面型纳米气体传感器的制备方法，其特征在于，包括：
在双通孔型基底内沉积纳米级传感材料以形成传感层；
在所述传感层的上表面沉积金属材料以形成平面传感电极；
在所述传感层的下表面蒸镀/沉积绝缘材料以形成电绝缘层；
在所述电绝缘层上蒸镀金属材料以形成微型加热器，进而制备成平面型纳米气体传感器。
6.根据权利要求5所述的平面型纳米气体传感器的制备方法，其特征在于，还包括：将所述平面型纳米气体传感器封装到陶瓷管壳中。
7.一种平面型纳米气体传感器，其特征在于，从顶部到底部依次包括平面传感电极、传感层以及微型加热器；
所述传感层是在单通孔型基底内沉积纳米级传感材料后形成的；所述单通孔型基底是由多个单通孔型纳米管组成的；所述单通孔型纳米管为一端开口，另一端封口，且一端与另一端连通的纳米管；其中，所述纳米级传感材料沉积在所述单通孔型纳米管的管壁上；
所述微型加热器的加热区域与所述平面传感电极的传感区域在竖直方向上重叠。
8.一种权利要求7所述的平面型纳米气体传感器的制备方法，其特征在于，包括：
在单通孔型基底内沉积纳米级传感材料以形成传感层；
在所述传感层的上表面沉积金属材料以形成平面传感电极；
在所述传感层的下表面蒸镀金属材料以形成微型加热器，进而制备成平面型纳米气体传感器。
9.一种平面型纳米气体传感器阵列，其特征在于，从顶部到底部依次包括平面传感电极阵列、传感层、电绝缘层以及微型加热器阵列；
所述传感层是在双通孔型基底内沉积纳米级传感材料后形成的；所述双通孔型基底是由多个双通孔型纳米管组成的；所述双通孔型纳米管为一端和另一端均开口，且一端与另一端连通的纳米管；其中，所述纳米级传感材料沉积在所述双通孔型纳米管的管壁上；
所述平面传感电极阵列包括多个平面传感电极，所述平面传感电极阵列按照第一组合形式、第二组合形式或者第三组合形式布置在所述传感层上；所述第一组合形式为多个平行传感电极对以所述传感层的中心为布置中心，在四周均匀分布的形式；所述第二组合形式为多个所述平行传感电极对和多个所述平行传感电极以所述传感层的中心为布置中心，在四周均匀分布的形式；所述第三组合形式为多个所述平行传感电极以所述传感层的中心为布置中心，在四周均匀分布的形式；其中，相邻所述平行传感电极对之间、相邻所述平行传感电极之间、以及一个所述平行传感电极对和一个所述平行传感电极之间均有空隙；所述平行传感电极对是由一个所述平行传感电极的第二电极与另一个所述平行传感电极的第二电极连接后形成的电极对；
所述微型加热器阵列包括多个微型加热器，所述微型加热器阵列按照第四组合形式、第五组合形式或者第六组合形式布置在所述电绝缘层上；所述第四组合形式为多个微型加热器对以所述电绝缘层的中心为布置中心，在四周均匀分布的形式；所述第五组合形式为多个所述微型加热器对和多个所述微型加热器以所述电绝缘层的中心为布置中心，在四周均匀分布的形式；所述第六组合形式为多个所述微型加热器以所述电绝缘层的中心为布置中心，在四周均匀分布的形式；其中，相邻所述微型加热器对之间、相邻所述微型加热器之间、以及一个所述微型加热器对和一个所述微型加热器之间均有空隙；所述微型加热器对是由一个所述微型加热器的第二加热电极与另一个所述微型加热器的第二加热电极连接后形成的加热器对；
当所述平行传感电极阵列按照第一组合形式布置时所述微型加热器阵列按照第四组合形式布置；当所述平行传感电极阵列按照第二组合形式布置时所述微型加热器阵列按照第五组合形式布置；当所述平行传感电极阵列按照第三组合形式布置时所述微型加热器阵列按照第六组合形式布置；
所述微型加热器阵列的加热区域与所述平面传感电极阵列的传感区域在竖直方向上重叠。
10.一种平面型纳米气体传感器阵列，其特征在于，从顶部到底部依次包括平面传感电极阵列、传感层以及微型加热器阵列；
所述传感层是在单通孔型基底内沉积纳米级传感材料后形成的；所述单通孔型基底是由多个单通孔型纳米管组成的；所述单通孔型纳米管为一端开口，另一端均封口，且一端与另一端连通的纳米管；其中，所述纳米级传感材料沉积在所述单通孔型纳米管的管壁上；
所述平面传感电极阵列包括多个平面传感电极，所述平面传感电极阵列按照第一组合形式、第二组合形式或者第三组合形式布置在所述传感层的上表面；所述第一组合形式为多个平行传感电极对以所述传感层的中心为布置中心，在四周均匀分布的形式；所述第二组合形式为多个所述平行传感电极对和多个所述平行传感电极以所述传感层的中心为布置中心，在四周均匀分布的形式；所述第三组合形式为多个所述平行传感电极以所述传感层的中心为布置中心，在四周均匀分布的形式；其中，相邻所述平行传感电极对之间、相邻所述平行传感电极之间、以及一个所述平行传感电极对和一个所述平行传感电极之间均有空隙；所述平行传感电极对是由一个所述平行传感电极的第二电极与另一个所述平行传感电极的第二电极连接后形成的电极对；
所述微型加热器阵列包括多个微型加热器，所述微型加热器阵列按照第四组合形式、第五组合形式或者第六组合形式布置在所述传感层的下表面；所述第四组合形式为多个微型加热器对以所述传感层的中心为布置中心，在四周均匀分布的形式；所述第五组合形式为多个所述微型加热器对和多个所述微型加热器以所述传感层的中心为布置中心，在四周均匀分布的形式；所述第六组合形式为多个所述微型加热器以所述传感层的中心为布置中心，在四周均匀分布的形式；其中，相邻所述微型加热器对之间、相邻所述微型加热器之间、以及一个所述微型加热器对和一个所述微型加热器之间均有空隙；所述微型加热器对是由一个所述微型加热器的第二加热电极与另一个所述微型加热器的第二加热电极连接后形成的加热器对；
当所述平行传感电极阵列按照第一组合形式布置时所述微型加热器阵列按照第四组合形式布置；当所述平行传感电极阵列按照第二组合形式布置时所述微型加热器阵列按照第五组合形式布置；当所述平行传感电极阵列按照第三组合形式布置时所述微型加热器阵列按照第六组合形式布置；
所述微型加热器阵列的加热区域与所述平面传感电极阵列的传感区域在竖直方向上重叠。
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2021
- 2021-04-08 CN CN202110378608.8A patent/CN113092542A/zh active Pending
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