CN1793893A - 使用一维纳米材料的微型气体传感器 - Google Patents

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Abstract

一种传感器技术领域的使用一维纳米材料的微型气体传感器。本发明包括：衬底、金属底电极层、一维纳米材料层、金属支柱层、金属顶电极层。其中，金属底电极层设置在衬底上，一维纳米材料层设置在金属底电极层之上，金属支柱层设置在衬底之上，顶电极设置在衬底上。金属底电极层、一维纳米材料层与金属支柱层之间相互隔离，顶电极层和底电极层、一维纳米材料层之间有气体间隙相互隔离。本发明具有选择性高、灵敏度高、低能耗、成本低、易于实现阵列化、小型化的优点，并有利于提高安全性、稳定性。

Description

使用一维纳米材料的微型气体传感器
技术领域
本发明涉及的是一种微电子技术领域的传感器。具体是一种使用一维纳米材料的微型气体传感器。
技术背景
基于气体分子在电场中的电离与由此而产生的带电粒子输运为机理的传感器，可以用于传感不同气体成分与含量信息，相对于其他类型的传感器，这种传感器的主要优点在于它有很高的选择性。
经对现有技术的文献检索发现，Modi.Ashish等人在“Nature(自然)”，2003年第424卷发表的“Miniaturized gas ionization sensors using carbonnanotubes(使用碳纳米管的微型气体电离传感器)”。该文章提出了一种一维纳米材料——碳纳米管作为电极使用时，由于其强电场增强因子的作用，在相同的电压之下，相比于常规金属平板电极可以产生更强的电场，因此相当于可以在更低的电压之下击穿气体，并以各种气体不同的击穿电压为依据判断气体的成分和浓度信息。由于这种原理的气体传感器对某范围的气体具有选择性高的特征，因此该文献所述技术一定程度上解决了降低此类原理的传感器工作电压的问题，但该文献并没有提出一种可加工实现的器件结构，而是实验性的将各部件简单拼凑，事实上，改种器件的核心结构要素之一是电极间距，只有使电极间距小至几微米到十几微米的水平，才可以避免对这种传感器进行高压操作，但这样小的间距需要高精度的加工手段来控制，而为了引入这样的加工手段，必须有适合这种加工手段的器件结构，该文献中所提出的器件结构只是试验性的，很难依照这种结构方案实现高精度的批量加工。目前也并没有将该文献的技术原理应用于微型传感器制造，而提出适于利用先进微细加工工艺的器件结构出现。
发明内容
本发明针对现有技术的不足和缺陷，提出一种使用一维纳米材料的微型气体传感器，使其适于利用微电子技术进行加工制造，能够利用微电子加工工艺对器件的关键参数进行高精度控制，因此该种结构的传感器具有选择性高、灵敏度高、低能耗、成本低、易于实现阵列化、小型化的优点。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：衬底、金属底电极层、一维纳米材料层、金属支柱层、金属顶电极层。其中，金属底电极层设置在衬底上。一维纳米材料层设置在金属底电极层之上。金属支柱层设置在衬底之上。顶电极设置在衬底上。金属底电极层、一维纳米材料层与金属支柱层之间相互隔离。顶电极层和底电极层、一维纳米材料层之间有气体间隙相互隔离。
所述的衬底，其表面具有高绝缘性能，它可以是玻璃，也可以是上层带有绝缘层的硅片，绝缘层材料可以是二氧化硅、氮化硅，也可以是其它绝缘衬底。
所述的金属底电极层，可以是单层或者多层金属薄膜。
所述的一维纳米材料层，可以是一维纳米材料与其他物质形成的混合物。
所述的金属支柱层，可以是单层或者多层金属薄膜。
所述的金属顶电极层，位于金属支柱层之上，并与金属支柱层相连，金属顶电极层和金属底电极层、一维纳米材料层之间有间隙相互隔离，间隙中有气体。
在本发明的器件结构中，由于顶电极、底电极和电极支柱都由金属制成，因此利于使用微电子加工技术的感光材料光刻显影技术、金属选择性电镀技术和多层膜技术实现，并有利于高精度地控制顶电极与一维纳米材料层之间的距离，从而可以更大幅度地降低工作电压、降低能耗、提高安全性、稳定性。
附图说明
图1是本发明的一种结构的二维结构简图。
图2是本发明当一维纳米材料层表面距离顶电极间距为约3微米时气体电离输出电压-电流信号曲线。
图3是本发明当一维纳米材料薄膜表面距离顶电极间距为约10微米时气体电离输出电压-电流信号曲线。
具体实施方式
如图1所示，本发明包括：衬底1、金属底电极层2、一维纳米材料层3、金属支柱层4、金属顶电极层5。其中，金属底电极层2设置在衬底1上。一维纳米材料层3设置在金属底电极2之上。金属支柱层4设置在衬底1之上。顶电极5设置在衬底1之上。金属底电极层2以及一维纳米材料层3与金属支柱层4之间相互隔离。顶电极层5和底电极层2以及一维纳米材料层3之间有气体间隙相互隔离。
所述的衬底1，其表面具有高绝缘性能，它可以是玻璃，也可以是上层带有绝缘层的硅片，绝缘层材料可以是二氧化硅、氮化硅，也可以是其它绝缘衬底。
所述的金属底电极层2，可以是单层或者多层金属薄膜。所述的金属，例如铬、铜、金、铂金、铝、镍、铁-镍、镍-铜。
所述的一维纳米材料层3，是包含一维纳米材料的混合物薄膜。其一维纳米材料可以是碳纳米管、纳米碳纤维、纳米碳化硅纤维、纳米氧化锌纤维。
所述的金属支柱层4，可以是单层或者多层金属薄膜。其金属可以为铬、铜、金、铂金、铝、镍、铁-镍、镍-铜。
所述的金属顶电极层5，位于金属支柱层4之上，并与金属支柱层4相连，金属顶电极层5和金属底电极层2、一维纳米材料层3之间有间隙相互隔离，间隙中有气体。
当本发明工作时，在金属顶电极层5和金属底电极层2之间施加一定的电压时，就会在一维纳米材料层3与金属顶电极层5之间的间隙中产生电场，当电场足以击穿间隙中的气体时，外电路就会由气体未击穿的短路状态快速转换为气体击穿后的导通状态，也就是检测到电流，依据不同成分和浓度气体的放电起始电压、放电起始电流不同的事实，可以作为判断某种成分与含量气体存在与否的依据，也可以作为某种气体成分与含量发生变化与否的依据。在本发明的器件结构中，由于金属顶电极层5、金属底电极层2和电极支柱层4都由金属制成，因此利于使用微电子加工技术的感光材料光刻显影技术、金属选择性电镀技术和多层膜技术实现，并有利于高精度地控制顶电极与一维纳米材料层之间的距离，从而可以更大幅度地降低工作电压、降低能耗、提高安全性、稳定性。
如图2、图3所示，是本发明气体电离输出电压-电流信号曲线。被测气体有三种，分别为空气、体积比为1％的氦气和体积比为10％的二氧化碳混合于空气中。这三种气体的气压均为1大气压。测试环境温度为18摄氏度。器件用微电子加工技术制造，使用感光材料作为微铸模的金属微电铸技术，金属顶电极层5距离碳纳米管的间距分别为约1-3微米(图2)和约8-10微米(图3)。由图中可见，器件的工作电压可以降至几伏特到十几伏特的水平，器件的平面尺寸约为3×3毫米，选择性高，稳定性、安全性好，能耗低，易于实现量产，易于阵列化，成本低。

Claims (6)

1、一种使用一维纳米材料的微型气体传感器，包括：衬底(1)、金属底电极层(2)、一维纳米材料层(3)、金属支柱层(4)、金属顶电极层(5)，其特征在于，金属底电极层(2)设置在衬底(1)上，一维纳米材料层(3)设置在金属底电极(2)之上，金属支柱层(4)设置在衬底(1)之上，顶电极(5)设置在衬底(1)之上，金属底电极层(2)以及一维纳米材料层(3)与金属支柱层(4)之间相互隔离，顶电极层(5)和底电极层(2)以及一维纳米材料层(3)之间有气体间隙相互隔离。
2、根据权利要求1所述的使用一维纳米材料的微型气体传感器，其特征是，衬底(1)，为绝缘衬底。
3、根据权利要求1所述的使用一维纳米材料的微型气体传感器，其特征是，所述的金属底电极层(2)，是单层或者多层金属薄膜。
4、根据权利要求1所述的使用一维纳米材料的微型气体传感器，其特征是，所说的一维纳米材料层(3)，是包含一维纳米材料的混合物薄膜。
5、根据权利要求1所述的使用一维纳米材料的微型气体传感器，其特征是，所述的金属支柱层(4)，是单层或者多层金属薄膜。
6、根据权利要求1所述的使用一维纳米材料的微型气体传感器，其特征是，所述金属顶电极层(5)，位于金属支柱层(4)之上，并与金属支柱层(4)相连，金属顶电极层(5)和金属底电极层(2)、一维纳米材料层(3)之间有间隙相互隔离，间隙中有气体。
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