CN201096739Y - 一种气体敏感阵列传感器 - Google Patents

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柏自奎
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Abstract

本实用新型公开了一种气体敏感阵列传感器，其结构为：四个测试电极分别位于基片的对边上，阵列加热器正电极及其回路电极分别位于基片的另一条对边上；测试电极的回路电极分别位于二对测试电极之间，并相互平行。测试电极的回路电极和阵列加热器正电极的回路电极连接而成‘ㄈ’形，作为公共电极；在阵列加热器正电极与阵列加热器正电极的回路电极之间的基片上印刷有加热膜，在各测试电极与其公共电极之间的基片上分别印刷有金属氧化物敏感层，在基片的中心安装有轴，轴穿过加热膜，并固定在基座的中心，基片与基座留有间隙；基座上还设有至少六个接线柱。该气体敏感阵列传感器生产成本低、功耗低、机械稳定性好、各单元具有不同的气体敏感特性，制备工艺有助于大批量生产。

Description

一种气体敏感阵列传感器
技术领域
本实用新型具体涉及一种气体敏感阵列传感器。
背景技术
气体传感器已广泛应用于环境监测、防火报警、化工、食品加工工业领域，在各种气体传感器中，金属氧化物传感器以其结构简单、价格低廉的特点而得到关注，由于大多数金属氧化物气敏材料(SnO2、ZnO、Fe2O3等)需要在300-400℃的温度工作，用传统技术制造的器件功耗很大，体积也大，单个传感器只能对气体实现简单的报警。应用微电机械系统(MEMS)加工技术(Kraig D.Mitzner，Jason Sternhagen，David W.Galipeau，Development of a micromachined hazardous gas sensor array，Sensors andActuators B 93(2003)92-99)，以单晶硅片为基片，采用标准的微电子制造和后处理技术制备的气体敏感阵列传感器，虽然能制备低功耗的气体传感器及其阵列，但传感器及其阵列的稳定性及其一致性仍然是这一工艺的致命弱点。并且，该技术也难以满足传感器阵列中各元件具备不同化学组成的要求。同时，微电机械系统(MEMS)加工的生产设备非常昂贵，生产条件苛刻。而厚膜技术制备的阵列基片的封装或采用贴装在基座上，或采用电极引线支撑的悬空式(I.Czech，J.Manca，J.Roggen et al.ElectricalCharacterisation and Reliability Studies of Thick Film Gas Sensor Structures.Proceedings of the 1996 IEEE International Conference on Microelectronic TestStructures，Vol.9，March 1996)，前者阵列基片与基座一起升温，能耗很大，后者电极引线悬空支撑强度弱，器件机械稳定性很差。这些因素严重阻碍了传感器阵列的推广使用。尤其是目前在航空航天、环境监测、楼宇安全、食品防伪及其生产过程自动化控制方面对低功耗、稳定的微结构气体敏感阵列传感器有很急切的需要。
发明内容
本实用新型的目的是提供一种气体敏感阵列传感器，该气体敏感阵列传感器生产成本低，功耗低，机械稳定性好。
本实用新型提供的气体敏感阵列传感器，其特征在于：第一、第二测试电极和第三、第四测试电极分别位于基片的对边上，阵列加热器正电极及其回路电极分别位于基片的另一条对边上；第一、第二测试电极的回路电极和第三、第四测试电极的回路电极位于第一、第二测试电极和第三、第四测试电极之间，并分别与第一、第二测试电极和测试电极平行，第一、第二测试电极的回路电极、阵列加热器正电极的回路电极和第三、第四测试电极的回路电极连接而成‘ㄈ’形，作为公共电极；在阵列加热器正电极与阵列加热器正电极的回路电极之间的基片上印刷有加热膜，在各测试电极与其对应的公共电极之间的基片上分别印刷有金属氧化物敏感层，在基片的中心安装有轴，轴穿过加热膜，并固定在基座的中心，基片与基座之间留有间隙；基座上还设有至少六个接线柱，分别通过电极引线与各测试电极、阵列加热器正电极以及公共电极连接。
本实用新型以多种不同气体敏感特性的材料，采用丝网印刷技术制备敏感层构成气体敏感阵列，气体敏感阵列通过单轴固定在基座上，经超声热压焊接电极引线构成气体敏感阵列传感器，有效地克服现有气体敏感阵列传感器的不足，实现了低功耗、低成本、有助于大批量生产。与微电机械系统(MEMS)加工技术相比，本实用新型的气体敏感阵列传感器的制备工艺对生产设备、生产环境要求较低，各阵列传感器具有更好的一致性、阵列各单元敏感层具有更好的气敏稳定性。气体敏感阵列传感器结合模式识别技术组成电子鼻系统能实时、快速的对被测气体实现定性识别和定量分析，克服单个传感器气敏选择性的局限及多个传感器组合的大体积、高能耗的缺点及微电机械系统(MEMS)加工气体敏感阵列传感器的稳定性和一致性差、生产设备非常昂贵，生产条件苛刻的缺点。采用丝网印刷技术，结合全新的纳米材料体系，设计独特的气体敏感阵列传感器结构，为实现低功耗、低成本、气敏稳定的气体敏感阵列传感器提供了保证。
附图说明
图1为含四个气敏单元的气体敏感阵列传感器的结构示意图，其中图1(a)为俯视图；图1(b)为图1(a)的AB剖面主视图；
图2为本实用新型气体敏感阵列传感器的加热电极、测试电极及公共电极布局结构示意图，其中图2(a)为批量制备示意图；图2(b)为一个阵列基片上的示意图；
图3为本实用新型气体敏感阵列基片印刷了加热膜后布局结构示意图，其中图3(a)俯视图；图3(b)印刷加热膜的网版图案。
图4为本实用新型气体敏感阵列传感器基片印刷了一个单元敏感层后布局结构示意图，其中图4(a)俯视图；图4(b)印刷敏感膜的网版图案(b)；
图5为本实用新型气体敏感阵列传感器基片印刷了两个单元敏感层后俯视图；
图6为本实用新型气体敏感阵列传感器基片印刷了三个单元敏感层后俯视图；
图7为本实用新型气体敏感阵列传感器基片印刷了四个单元敏感层后俯视图；
图8为本实用新型气体敏感阵列传感器基片中心穿孔后俯视图；
图9为本实用新型气体敏感阵列传感器的稳定温度与能耗关系图；
图10为本实用新型优选实施例四单元气体敏感阵列传感器的酒精气敏响应曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本实用新型作进一步详细的说明。
如图1所示，本实用新型气体敏感阵列传感器的结构为：第一、第二测试电极9、11和第三、第四测试电极12、13分别位于基片3的对边上，阵列加热器正电极7及其回路电极10分别位于基片3的另一条对边上。第一、第二测试电极9、11的回路电极14和第三、第四测试电极12、13的回路电极15位于第一、第二测试电极9、11和第三、第四测试电极12、13之间，并与第一、第二测试电极9、11和测试电极12、13平行，第一、第二测试电极9、11的回路电极14、阵列加热器正电极7的回路电极10和第三、第四测试电极12、13的回路电极15连接而成‘ㄈ’形作为公共电极，如图2(b)。在阵列加热器正电极7与阵列加热器正电极7的回路电极10之间的基片3平面上印刷有加热膜4，如图3(a)，图3(b)为印刷网版图。在测试电极9、11、12、13与其对应的公共电极之间的基片3平面上分别印刷金属氧化物敏感层8，构成一个或多个气敏单元，如图4、5、6、7。在基片3的中心安装有轴5，轴5穿过加热膜4，并固定在基座2的中心，如图8，并使基片3与基座2留有间隙(通常为1-3mm)，如图1(b)。基座2上设有至少6个接线柱1，分别通过电极引线6与测试电极9、11、12、13及阵列加热器正电极7与公共电极连接。
加热膜可以是RuO2、MoSi2、W或Pt的浆料丝网印刷制备而成，如图3。
金属氧化物敏感层8的材料可以是ZnO、SnO2或Fe2O3，或者ZnO、SnO2或Fe2O3与下述各组分中任一或几种的掺杂：
Pt(0.1wt％-3wt％)、Pd(0.1wt％-3wt％)、Ni(1wt％-30wt％)、TiO2(1wt％-30wt％)、WO3(1wt％-40wt％)、Co2O3(1wt％-15wt％)、V2O5(1wt％-30wt％)、Al2O3(1wt％-20wt％)、MnO2(1wt％-30wt％)等形成的掺杂复合物材料。
实例：
下面将参照各附图实例详细说明本实用新型的优选实施例：
实施例一：
(1)带电极和加热器的基片的制备。以0.4mm厚的Al2O3陶瓷为基片3，通过丝网印刷金浆料，一次性制备阵列加热器正电极7、第一、第二、第三、第四测试电极9、11、12、13及其回路电极10、14、15组成的公共电极的浆料膜。干燥后，空气中900℃烧结10分钟，随炉缓冷至室温，得到如图2所示的带电极的基片。在采用图3(b)所示的网版丝网印刷RuO2浆料膜，干燥后空气中850℃烧结15分钟，随炉缓冷至室温，得到如图3(a)所示的带电极和加热器的基片。
(2)气体阵列的敏感层8的制备。以四针状纳米ZnO、10wt％TiO2掺杂四针状纳米ZnO、5wt％Co2O3掺杂四针状纳米ZnO、15wt％MnO2掺杂四针状纳米ZnO为敏感材料，分别加入30wt％有机粘合剂混合，用球磨机球磨6小时制成稳定的可印刷的浆料。以图4(b)所示网版分别印刷四单元的敏感层，每印刷一单元待干燥后，在印刷下一单元。最后于烧结炉700℃烧结3小时，得到如图7所示的四单元气体敏感阵列片。
(3)气体阵列封装。对如图7所示的具有四单元气体敏感层8的阵列基片3中心激光穿孔，通过轴5将四单元气体敏感层阵列片固定在基座2上，并与基座2之间留2mm间隙。超声波金丝球热压焊机在阵列片上的阵列加热器正电极7、测试电极9、11、12、13及其公共电极与基座2上的6个接线柱之间邦定电极引线6。制得到如图1所示结构的气体敏感阵列传感器。
(4)测试。气体敏感阵列传感器经400℃老化3天后作能耗和气体敏感性测试。图9为本实用新型气体敏感阵列传感器实例的稳定温度与能耗关系图，能耗为整个阵列的能耗，温度是敏感层8区域的温度；图10为本实用新型优选实施例的四单元气体敏感阵列传感器的酒精气敏响应曲线图。
实施例二：
在实施例一中四单元阵列的第9，11测试电极之间、第12，13测试电极之间分别增加一测试电极就可得六单元的气体传感器阵列。制备步骤同实施例一，气体传感器阵列基片、加热膜、电极及敏感层材料，烧结工艺如表1。可得到具有不同气体敏感特性的六单元的气体传感器阵列。
表1：六单元气体传感器阵列基片、加热膜、电极及敏感层材料，烧结工艺
  阵列基片：氮化铝 加热膜：MoSi2     电极：Pt
  气敏单元   敏感层材料   烧结温度   烧结时间(小时)
    1   SnO2掺杂0.1wt％Pt     550℃     2.5
    2   ZnO掺杂10wt％WO3     650℃     2
    3   SnO2掺杂7wt％Co2O3     700℃     2.5
    4   ZnO掺杂0.2wt％Pd     600℃     2
    5   ZnO掺杂5wt％Al2O3和5wt％TiO2     650℃     3
    6   ZnO掺杂10wt％Ni     700℃     2.5
本实用新型不仅局限于上述实施例，通过在第一、第二测试电极之间、以及第三、第四测试电极增设不同个数的测试电极，并印刷加热膜和金属氧化物敏感层，可以得到含4个以上的任意个数的气敏单元的气体传感器阵列。各气敏单元的材料可以相同或不同，本领域一般技术人员根据本实用新型公开的内容，可以采用其它多种具体实现方式实施本实用新型。

Claims (2)

1、一种气体敏感阵列传感器，其特征在于：第一、第二测试电极(9、11)和第三、第四测试电极(12、13)分别位于基片(3)的对边上，阵列加热器正电极(7)及其回路电极(10)分别位于基片(3)的另一条对边上；第一、第二测试电极(9、11)的回路电极(14)和第三、第四测试电极(12、13)的回路电极(15)位于第一、第二测试电极(9、11)和第三、第四测试电极(12、13)之间，并与分别第一、第二测试电极(9、11)和测试电极(12、13)平行，第一、第二测试电极(9、11)的回路电极(14)、阵列加热器正电极(7)的回路电极(10)和第三、第四测试电极(12、13)的回路电极(15)连接而成‘ㄈ’形作为公共电极；在阵列加热器正电极(7)与阵列加热器正电极(7)的回路电极(10)之间的基片(3)上印刷有加热膜(4)，在各测试电极与其对应的公共电极之间的基片(3)上分别印刷有金属氧化物敏感层(8)，在基片(3)的中心安装有轴(5)，轴(5)穿过加热膜(4)，并固定在基座(2)的中心，基片(3)与基座(2)之间留有间隙；基座(2)上还设有至少6个接线柱(1)，分别通过电极引线(6)与各测试电极、阵列加热器正电极(7)以及公共电极连接。
2、根据权利要求1所述的气体敏感阵列传感器，其特征在于：第一、第二测试电极(9、11)之间、以及第三、第四测试电极(12、13)之间分别设置有至少一个测试电极。
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