專利名稱：以氧化亞銅微晶薄膜為傳感材料的氣體傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明專利申請(qǐng)涉及用于探測(cè)易燃、易爆、有毒、有害氣體的探測(cè)傳感器，尤其涉 及的是探測(cè)甲烷、一氧化碳、二氧化碳及氫氣等氣體的探測(cè)設(shè)施。
背景技術(shù)：
科技人員們已經(jīng)開(kāi)展了應(yīng)用氧化銅、氧化鋅等金屬氧化物作為氣體監(jiān)測(cè)傳感器材 料的技術(shù)研究。研究發(fā)現(xiàn)這些金屬氧化物材料表面吸附氣體后，其表面和基體的電阻值都 會(huì)產(chǎn)生變化；其中細(xì)小的晶粒有利于促進(jìn)材料表面的敏感性；粗大的晶粒對(duì)基體的敏感性 有幫助。所以納米晶粒的金屬氧化物薄膜是氣體傳感器的首選。現(xiàn)有的氣體傳感器，包括 氧化鈀氣體傳感器、氧化銅氣體傳感器，以及涂有鉬的氧化鋯制成的氣體傳感器都存在成 本高、工作溫度高、氣體選擇性差的技術(shù)問(wèn)題，而且它們的正常工作溫度通常在300-400°C， 且選擇性差、難以區(qū)分不同的氣體。另外，低成本制造工藝對(duì)于小型而緊湊的氣體傳感器也 尤為重要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明專利申請(qǐng)的發(fā)明目的在于提供一種在降低傳感器工作溫度的同時(shí)能夠快 速探測(cè)甲烷、一氧化碳、二氧化碳和氫氣的以氧化亞銅微晶薄膜為傳感材料的氣體傳感器。 本發(fā)明專利申請(qǐng)?zhí)峁┑囊匝趸瘉嗐~微晶薄膜為傳感材料的氣體傳感器，其技術(shù)方案的內(nèi)容 是一種以氧化亞銅微晶薄膜為傳感材料的氣體傳感器，以沉積法在絕緣材料基體表面上 形成金、鉬或鉻之一的電極薄膜，按設(shè)計(jì)圖形結(jié)構(gòu)以化學(xué)侵蝕法在所述的電極薄膜層上制 出傳感體于基體的占用面，于傳感體的基體占用面上制有氧化亞銅層，于氧氣和氮?dú)饣旌?氣體中退火晶化形成氧化亞銅微晶薄膜。本發(fā)明專利申請(qǐng)?zhí)峁┑囊匝趸瘉嗐~微晶薄膜為傳感材料的氣體傳感器，有著比 現(xiàn)有的其它氣體傳感器低得多的反應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間。試驗(yàn)表明，在一玻璃測(cè)量器皿內(nèi)，由一 加熱線圈將上述的氣體傳感器加熱至理想工作溫度，用不同濃度的被測(cè)氣體的多次試驗(yàn)表 明本技術(shù)方案的氣體傳感器具有良好的選擇性，重復(fù)性和穩(wěn)定性也大大提高對(duì)于空氣中 0. 83%微量的被測(cè)氫氣，溫度為185°C時(shí)靈敏度最高，為38%，在200至250°C其反應(yīng)速度最 快，于250°C溫度時(shí)為270秒，恢復(fù)時(shí)間最短，于200°C溫度時(shí)為364秒；對(duì)于被測(cè)一氧化碳， 在沒(méi)有空氣的情況下，其敏感度在200°C溫度時(shí)可達(dá)到117 %，此時(shí)的響應(yīng)時(shí)間為231秒，恢 復(fù)時(shí)間為117秒。本技術(shù)方案還具有成本低、體積小的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)。


圖1為本發(fā)明的以氧化亞銅微晶薄膜為傳感材料的氣體傳感器結(jié)構(gòu)示意2為本發(fā)明的氣體傳感器于250°C溫度中探測(cè)氫氣的反應(yīng)曲線3為本發(fā)明的氣體傳感器于200溫度中探測(cè)氫氣的反應(yīng)曲線4為本發(fā)明的氣體傳感器于170溫度中探測(cè)一氧化碳?xì)怏w的反應(yīng)曲線圖
圖5為本發(fā)明的氣體傳感器于200溫度中探測(cè)一氧化碳?xì)怏w反應(yīng)曲線6為本發(fā)明的氣體傳感器于300°C溫度中針對(duì)濃度改變的氫氣的反應(yīng)曲線7為本發(fā)明的氣體傳感器于160溫度中針對(duì)濃度改變的一氧化碳?xì)怏w的反應(yīng)曲 線圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體實(shí)施例詳細(xì)說(shuō)明本專利申請(qǐng)的以氧化亞銅微晶薄膜為傳感材料的 氣體傳感器技術(shù)內(nèi)容。以氧化亞銅微晶薄膜為傳感材料的氣體傳感器，包括有絕緣材料基體4，附著于絕 緣材料基體4表面的氧化亞銅微晶薄膜傳感材料層的傳感體2和與該傳感體電連接的電極 1、3構(gòu)成。所述的絕緣材料基體4最好在以下各材料中選擇①涂有氮化硅SiNx薄膜的硅 片，其氮化硅薄膜厚度為300-1000nm;②覆蓋有熱氧生成的氧化硅薄膜的硅片，其氧化硅 薄膜的厚度為IOO-IOOOnm ；③玻璃、石英等能耐受于300-400的絕緣體。經(jīng)真空蒸發(fā)濺射法 或者是電子束蒸發(fā)方法將電極金屬沉積到絕緣材料基體表面，其電極金屬可選用金、鉬或 鉻中任一作為電極薄膜，該電極薄膜的厚度為100-200nm;按設(shè)計(jì)的圖形結(jié)構(gòu)以化學(xué)侵蝕 法或者是照相平片印刷技術(shù)在電極薄膜層刻蝕制出用于附著傳感體2的基體占用圖形面， 經(jīng)丙酮清洗并真空干燥后，在刻蝕出的圖形面上采用真空蒸發(fā)濺射法、電子束真空蒸發(fā)、物 理氣相沉積、溶膠-凝膠法或者電鍍法產(chǎn)生與電極相連接的氧化亞銅薄膜，在氧氣與氮?dú)?或者是惰性氣體之一的混合氣體中退火3-12分鐘，促使氧化亞銅晶體化，形成氧化亞銅微 晶薄膜。由于退火工藝是公知常識(shí)，在此就不再贅述。如圖1所示，其傳感器的有效面積， 即不包括基體的面積約為IX2mm。X光衍射方法證實(shí)氧化亞銅已經(jīng)被晶體化；其中的氧化亞銅薄膜厚度通過(guò)原子力 顯微鏡測(cè)得；氧化亞銅薄膜的氣體敏感性通過(guò)測(cè)量薄膜表面電阻而得到。其檢測(cè)方法是將 不同成分、濃度的被測(cè)氣體，如甲烷、一氧化碳等氣體通入封閉的置有氣體傳感器的玻璃皿 中，其氣體的流量和濃度通過(guò)閥門來(lái)控制，該試驗(yàn)裝置還包括一個(gè)具有調(diào)節(jié)溫度功能的直 流加熱線圈，其溫度測(cè)量是通過(guò)一個(gè)連接于薄膜上的數(shù)字顯示熱電偶來(lái)完成的。當(dāng)被測(cè)氣 體送入玻璃皿后，開(kāi)始時(shí)氣體傳感器的電阻值隨時(shí)間的延長(zhǎng)而增加，隨即趨于飽和，關(guān)閉氣 體后本氣體傳感器的電阻值隨時(shí)間的延長(zhǎng)而降低，直至其初始值。本氣體傳感器的靈敏度 定義為測(cè)量中最大電阻與最小電阻的差值與最小電阻的比值。試驗(yàn)結(jié)果以下為使用本氣體傳感器測(cè)量幾種典型氣體得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。由測(cè)得的電阻的量 值可以看出，本傳感器對(duì)不同種的氣體的反應(yīng)在數(shù)值上有相當(dāng)大的區(qū)別，因此足以區(qū)別不 同的氣體，有良好的選擇性。圖2是一個(gè)氫氣靈敏度試驗(yàn)的曲線。其試驗(yàn)條件為測(cè)量溫度為250°C，被測(cè)氣體 空氣中含有0. 83%的氫氣，由圖可知，其最大靈敏度為30%，反應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間分別為270秒 禾口 519秒。與圖2實(shí)驗(yàn)的氣體條件一致，同一氣體傳感器在200°C測(cè)量溫度下的反應(yīng)曲線如 圖3所示，其最大靈敏度為2%，其反應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間分別為290秒和364秒。同一氣體傳感器應(yīng)用于在空氣中一氧化碳?xì)怏w為63ppm的探測(cè)，其反應(yīng)曲線如圖4所示。在170°C的工作溫度下，其最大靈敏度可以達(dá)到74%，反應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間分別為880和803秒。圖5顯示的是在沒(méi)有空氣的情況下，同一氣體傳感器用來(lái)測(cè)量IOOppm的一氧化碳 時(shí)，具有較好的重復(fù)性探測(cè)性能。在200°C溫度下，最大靈敏度達(dá)到117%，反應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間 分別為231和117秒。其反應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間都遠(yuǎn)遠(yuǎn)短于圖5的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，而且其最大靈敏度 也高于其它溫度狀態(tài)下的一氧化碳和氫氣的實(shí)驗(yàn)。圖2、3、4和5展示了表面電阻隨時(shí)間變化的重復(fù)性規(guī)律。被測(cè)氣體濃度固定，從 試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)通入試驗(yàn)皿。表面電阻逐漸增加。達(dá)到峰值所需要的時(shí)間是反應(yīng)時(shí)間。切斷被 測(cè)氣體后，表面電阻逐漸減小。從峰值至初始電阻值所需的時(shí)間是恢復(fù)時(shí)間。在300°C溫度下，表面電阻隨著時(shí)間變化見(jiàn)圖6。靈敏度是通過(guò)改變氫氣的壓力而 得到。氫氣占空氣總量的百分比分別為0. 098%,0. 19%和0. 54%，圖6中箭頭指示位為氫 氣濃度改變點(diǎn)。圖6表明，即使在0. 098的氫氣濃度下也可以看到探測(cè)的靈敏度隨時(shí)間的 延長(zhǎng)在迅速增長(zhǎng)，最后關(guān)閉送氣管以后，電阻值則逐漸減小。圖7顯示了本氣體傳感器在160°C溫度下當(dāng)一氧化碳?xì)怏w濃度改變時(shí)表面電阻的 變化情況。其四個(gè)向下尖頭由左至右分別表示一氧化碳的濃度為53ppm、67ppm、87ppm和 IOOppm0圖6和圖7展示了在分階段改變被測(cè)氣體濃度情況下表面電阻隨時(shí)間變化的規(guī) 律，這種規(guī)律也同樣適用于甲烷和二氧化碳?xì)怏w。被測(cè)氣體以一定的濃度從試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)通 入試驗(yàn)皿，表面電阻逐漸增加，達(dá)到穩(wěn)態(tài)后加大濃度，表面電阻持續(xù)增加。達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)后 再加大濃度，導(dǎo)致表面電阻繼續(xù)增加。由于在實(shí)際條件下，被測(cè)氣體濃度可能隨時(shí)間而變 化，圖6和圖7的曲線狀態(tài)說(shuō)明本氣體傳感器可以在這種情況下用于氣體檢測(cè)。
權(quán)利要求
一種以氧化亞銅微晶薄膜為傳感材料的氣體傳感器，其特征在于以沉積法在絕緣材料基體(4)表面上形成金、鉑或鉻之一的電極(1、3)薄膜，按設(shè)計(jì)圖形結(jié)構(gòu)以化學(xué)侵蝕法在所述的電極薄膜層上制出傳感體(2)于基體的占用面，于傳感體的基體占用面上制有氧化亞銅層，于氧氣和氮?dú)饣旌蠚怏w中退火晶化形成氧化亞銅微晶薄膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體傳感器，其特征在于其絕緣材料基體為涂有氮化硅SiNx 薄膜的硅片，其氮化硅薄膜厚度為300-1000nm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體傳感器，其特征在于其絕緣材料基體為覆蓋有熱氧生成 的氧化硅薄膜的硅片，其氧化硅薄膜的厚度為lOO-lOOOnm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體傳感器，其特征在于其絕緣材料基體為玻璃、石英等能 耐受于300-400°C的絕緣體。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3或4所述的氣體傳感器，其特征在于氧化亞銅層是采用真空蒸 發(fā)濺射法、電子束真空蒸發(fā)、物理氣相沉積、溶膠_凝膠法或者電鍍法形成的。
全文摘要
本發(fā)明申請(qǐng)?zhí)峁┑囊匝趸瘉嗐~微晶薄膜為傳感材料的氣體傳感器是以沉積法在絕緣材料基體表面上形成金、鉑或鉻之一的電極薄膜，按設(shè)計(jì)圖形結(jié)構(gòu)以化學(xué)侵蝕法在所述的電極薄膜層上制出傳感體于基體的占用面，于傳感體的基體占用面上制有氧化亞銅層，于氧氣和氮?dú)饣旌蠚怏w中退火晶化形成氧化亞銅微晶薄膜。本技術(shù)方案有著比現(xiàn)有的其它氣體傳感器低得多的反應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間，而且具有良好的選擇性，重復(fù)性和穩(wěn)定性也大大提高，其成本低、體積小。
文檔編號(hào)G01N27/12GK101819176SQ20091024907
公開(kāi)日2010年9月1日 申請(qǐng)日期2009年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月31日
發(fā)明者張洪延, 阿哈拉普瑅亞·H·杰亞瑅沙 申請(qǐng)人:張洪延;阿哈拉普瑅亞·H·杰亞瑅沙