CN1936564A - 一种气体传感器及其阵列 - Google Patents

Abstract

一种气体传感器及其阵列，气体传感器的组成为：硅基片(1)的背面制作有一杯状空腔(2)，杯状空腔(2)的顶部为硅应变膜片(3)；硅应变膜片(3)中分布有四个应变电阻(5、6、7、8)并相连构成惠斯通电桥；硅应变膜片(3)的上表面附着有对被测气体敏感的聚合物薄膜(4)。该种气体传感器体积小、易于集成和批量生产，工作时无需加热，功耗低、可检测多种有机气体。以该种传感器为单元，多个传感器单元集成于一块芯片上构成气体传感器阵列，有利于改善气体传感器的选择性。

Description

一种气体传感器及其阵列

所属领域

本发明属于气体传感器技术领域。

背景技术

气体传感器在大气环境污染检测，易燃易爆有毒有害气体检测、机器人、疾病诊断及军事等领域都有广阔的应用前景。目前应用的气体传感器主要是电导控制型传感器(有体电导控制型和表面电导控制型两种)，如公开号为CN1146554A的气体传感器，其结构主要包括一层金属氧化物气敏半导体(如ZnO、SnO₂等)和一个加热器，其原理是依据气体的氧化还原性在气敏半导体表面得失电子的性质，来实现气体含量的检测。这类气体传感器需要加热到大约300℃才能保证氧化还原反应的顺利进行。因此，这类气体传感器存在以下弊端：一、需要加热控温装置，增加了传感器的体积、功耗和复杂度；二、不便用现行的微电子工艺制作，集成度不高，因为较高的加热温度使得把信号处理电路和传感器集成于同一基片的难度加大；三、对氧化还原性较弱的大部分有机气体，灵敏度不高。因此，研制易于集成和批量生产、体积小，无需加热，功耗低、可检测多种有机气体的新型气体传感器，具有现实的意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种气体传感器，该种气体传感器结构简单、体积小、易于集成和批量生产；工作时无需加热、功耗低、且可检测多种有机气体。

本发明解决的技术问题，所采用的技术方案为：一种气体传感器，其组成为：硅基片的背面制作有一杯状空腔，杯状空腔的顶部为硅应变膜片；硅应变膜片中分布有四个应变电阻并相连构成惠斯通电桥；惠斯通电桥中的四个应变电阻的位置分布应使：硅应变膜片没有应变时，惠斯通电桥平衡，硅应变膜片有应变时，惠斯通电桥失衡硅应变膜片的上表面附着有对被测气体敏感的聚合物薄膜。

其工作原理是：当本发明气体传感器处于被测气体的环境之中时，对被测气体敏感的聚合物薄膜因吸收该被测气体而发生膨胀形变。膨胀形变产生的应力作用于其下的硅应变膜片使其发生应变，从而改变位于硅应变膜片上的四个应变电阻的电阻值，由于制作时，惠斯通电桥中四个应变电阻分布的位置已使：硅应变膜片发生应变时，惠斯通电桥失衡。从而原来平衡的电桥失衡，在电桥输出端产生一定大小的电位差，被测气体浓度越大，该电位差越大，由此可实现气体浓度的检测。选用不同的聚合物薄膜可以检测不同类型的气体。

本发明与现有技术相比，本发明的有益效果是：

一、由于整个传感器采用微电子机械技术加工制作，工艺可靠成熟，易于集成和批量生产，器件体积小。

二、工作时无需加热，可室温工作，功耗低。

三、大多数聚合物薄膜吸收了相应的有机气体后都会有或多或少的膨胀变形，因此，本发明气体传感器可检测多种有机气体。

四、选用对不同气体敏感的聚合物薄膜可以方便地实现对不同气体的检测，适用性强、选择性好。

本发明的另一发明目的是：提供一种气体传感器阵列。该种气体传感器阵列结构简单、体积小、易于集成和批量生产；工作时无需加热、功耗低、可检测多种有机气体，气体传感的选择性更好。

本发明实现上述另一发明目的，所采用的技术方案为：一种气体传感器阵列，其组成为：一块芯片上同时集成两个或两个以上的气体传感器单元，每个气体传感器单元的构成为：硅基片的背面制作有一杯状空腔，杯状空腔的顶部为硅应变膜片；硅应变膜片中分布有四个应变电阻并相连构成惠斯通电桥；惠斯通电桥中的四个应变电阻的位置分布应使：硅应变膜片没有应变时，惠斯通电桥平衡，硅应变膜片有应变时，惠斯通电桥失衡。硅应变膜片的上表面附着有对被测气体敏感的聚合物薄膜。不同的气体传感器单元上附着不同的聚合物薄膜即组成气体传感器阵列。

与现有技术相比，本发明该种技术方案的有益效果是：

这种气体传感器阵列中的气体传感器单元的组成及工作原理与本发明前述的气体传感器相同，因此，它具有前述的气体传感器的全部优点。并且由于该气体传感器阵列是将数个气体传感器单元集成在一起，不同的传感器单元上附着的聚合物薄膜不同，每个传感器单元对气体的响应各不相同，利用这种气体传感器阵列结合神经网络等模式识别方法，可提高气体传感的选择性。

上述的硅应变薄膜片的形状是圆形、正方形或矩形中的任一种。

上述的应变电阻用扩散法或离子注入法制作。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的描述。

附图说明

图1为本发明实施例一的一种气体传感器的剖面结构示意图。

图2为本发明实施例一的一种气体传感器的立体结构示意图。

图3为本发明实施例一的一种气体传感器的俯视结构示意图。

图4为本发明实施例二的一种气体传感器阵列的立体结构示意图。

具体实施方式

实施例一

图1、2、3示出，本发明的一种气体传感器的具体实施方式为：硅基片1的背面用MEMS(微电子机械)技术加工一个杯状空腔2，杯状空腔2的顶部为硅应变膜片3；该杯状空腔2的横截面为正方形，也即硅应变膜片3的形状是正方形。在硅应变膜片3上通过扩散法形成四个条形的等值应变电阻5、6、7、8，再用蒸发、光刻法形成金属互连线10，将四个应变电阻5、6、7、8连成惠斯通电桥。在该惠斯通电桥的四角上制作出电源接线端和检测信号输出端，然后，在硅应变膜片3的上表面用旋涂法附着、积淀一层对被测气体敏感的聚合物薄膜4。

本例中，惠斯通电桥中四个应变电阻5、6、7、8的具体位置分布是：四个条形的等值应变电阻5、6、7、8，分别位于正方形硅应变膜片3四条边缘9的中部且相互平行。在聚合物薄膜4因吸收被测气体而发生膨胀形变导致硅应变膜片3发生应变时，电阻6、8与邻近的正方形硅应变膜片3边缘9平行，受到的应力主要是其宽度方向的应力，该电阻6、8将产生相应的阻值变化；另两个电阻5、7与邻近的正方形硅应变膜片3边缘9垂直，受到的应力主要是其长度方向的应力，该两电阻5、7将产生与以上电阻6、8相反趋势的阻值变化；从而使惠斯通电桥失去平衡而产生一输出电位差，被测气体浓度越大，该电位差越大，由此可实现气体浓度的检测。

本发明在实施时根据需要，惠斯通电桥中四个应变电阻5、6、7、8的分布也可以是：相对(也即电连接关系中不相邻)的两个电阻分别构成两电阻对，两电阻对分别位于硅应变膜片3上应力方向不同的应力区，即一个电阻对位于硅应变膜片3上靠近中心的区域，另一个电阻对位于硅应变膜片3上靠近边缘9的区域，在聚合物薄膜4因吸收被测气体而发生膨胀形变导致硅应变膜片3发生应变时，这两电阻对受到的应力方向相反，两电阻对的阻值发生相反的变化，从而使惠斯通电桥由平衡转为失衡而产生一输出电位差，由此可实现气体浓度的检测。为使制作更方便，通常两电阻对位于同一条直线上。

本发明在实施时根据需要，惠斯通电桥中两个电阻对还可以分别位于硅应变膜片3上距硅应变膜片3中心距离不同，但应力方向相同(如同为靠近中心区域或同为靠近边缘9的区域)的位置，在硅应变膜片3发生应变时，两个电阻对受的应力大小不同，所引起的阻值变化量也不同，从而也可使惠斯通电桥由平衡转为失衡并产生一输出电位差。

惠斯通电桥中四个应变电阻5、6、7、8的位置还可以有其他的多种分布方式，只要能满足以下条件即可：硅应变膜片3没有应变时，惠斯通电桥平衡，硅应变膜片3有应变时，惠斯通电桥失衡。但由于在硅应变膜片3发生形变时，最大应力通常集中在硅应变膜片3各边缘9的中部；因此，实施例一中四个应变电阻5、6、7、8分别位于正方形硅应变膜片3四条边缘9的中部，感受到的应力最为强大，感测效果最好。

实施例二

图4示出，本发明的气体传感器阵列的一种具体实施方式为：利用常规的MEMS技术在一块硅基片1上加工集成三个相同的气体传感器单元，其具体制备工艺与实施例一相同，即每个气体传感器单元的构成为：硅基片1的背面制作有一杯状空腔2，杯状空腔2的顶部为硅应变膜片3；在硅应变膜片3中分布有四个应变电阻5、6、7、8并相连构成惠斯通电桥；硅应变膜片3的上表面附着有对被测气体敏感的聚合物薄膜4。不同的气体传感器单元上附着不同的聚合物薄膜4即组成气体传感器阵列。

本发明的气体传感器阵列中的气体传感器单元中的惠斯通电桥的电阻分布方式，可以采用前述的单个气体传感器中的惠斯通电桥的各种电阻分布方式。

本发明气体传感器及其阵列中使用的聚合物薄膜4可以选用各种对特定气体敏感的聚合物薄膜。如对乙醇等挥发性气体敏感的聚乙烯醇薄膜，对甲醇等挥发性气体敏感的醋酸纤维薄膜，对甲苯等挥发性气体敏感的聚苯乙烯薄膜，对一氧化碳等气体敏感的聚环氧乙烷/乙酸镍复合物薄膜，对氯仿、四氯化碳等挥发性气体敏感的聚氯乙烯薄膜，对戊烷、乙醚、环己烷、四氯化碳等挥发性气体敏感的聚乙烯薄膜，薄膜，对乙醚、四氯化碳、丙酮、乙酸等挥发性气体敏感的聚氨酯薄膜，对汽油、苯、二甲苯、四氢呋喃、己烷、乙醚等挥发性气体敏感的橡胶薄膜等。因此本发明仅需在积淀聚合物薄膜4的工艺中，积淀不同的聚合物薄膜即可制成出对不同气体敏感的气体传感器及其阵列，而其它的所有工艺则对本发明的所有气体传感器及其阵列通用。

显然，本发明的气体传感器及其阵列在实施时，聚合物薄膜4还可用流延、喷射等方法积淀，但旋涂法更容易控制；杯状空腔2还可以用化学腐蚀法制作；应变电阻5、6、7、8还可用离子注入法制作；应变膜片3的形状也可以为圆形和矩形。

Claims (8)

1、一种气体传感器，其组成为：硅基片(1)的背面制作有一杯状空腔(2)，杯状空腔(2)的顶部为硅应变膜片(3)；硅应变膜片(3)中分布有四个应变电阻(5、6、7、8)并相连构成惠斯通电桥；惠斯通电桥的四个应变电阻(5、6、7、8)的位置分布应使：硅应变膜片(3)没有应变时，惠斯通电桥平衡，硅应变膜片(3)有应变时，惠斯通电桥失衡；硅应变膜片(3)的上表面附着有对被测气体敏感的聚合物薄膜(4)。

2、根据权利要求1所述的一种气体传感器，其特征在于：所述的杯状空腔用MEMS技术制造。

3、根据权利要求1所述的一种气体传感器，其特征在于：所述的硅应变膜片(3)的形状是圆形、正方形或矩形中的任一种。

4、根据权利要求1所述的一种气体传感器，其特征在于：所述的应变电阻(5、6、7、8)用扩散法或离子注入法制作。

5、一种气体传感器阵列，其组成为：

一块芯片上同时集成两个或两个以上的气体传感器单元，每个气体传感器单元的构成为：硅基片(1)的背面制作有一杯状空腔(2)，杯状空腔(2)的顶部为硅应变膜片(3)；硅应变膜片(3)中分布有四个应变电阻(5、6、7、8)并相连构成惠斯通电桥；惠斯通电桥中的四个应变电阻(5、6、7、8)的位置分布应使：硅应变薄膜(3)没有应变时，惠斯通电桥平衡，硅应变薄膜(3)有应变时，惠斯通电桥失衡；硅应变膜片(3)的上表面附着有对被测气体敏感的聚合物薄膜(4)；不同的气体传感器单元上附着不同的聚合物薄膜(4)。

6、根据权利要求4所述的一种气体传感器阵列，其特征在于：所述的杯状空腔用MEMS技术制造。

7、根据权利要求4所述的一种气体传感器阵列，其特征在于：所述的硅应变膜片(3)的形状是圆形、正方形或矩形中的任一种。

8、根据权利要求4所述的一种气体传感器，其特征在于：所述的应变电阻(5、6、7、8)用扩散法或离子注入法制成。

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