專利名稱：一種測試腔結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及氣體傳感器技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種測試腔結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
氣體傳感器在室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測、工業(yè)環(huán)境檢測、食品工業(yè)檢測、戰(zhàn)場環(huán)境預(yù)警、反恐預(yù)警等領(lǐng)域具有較好的應(yīng)用前景，與物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行整合之后，可大幅度提高社會生產(chǎn)生活的質(zhì)量和效率。然而目前傳感器自身的缺陷限制了其大規(guī)模應(yīng)用，其中主要的缺陷有1、 傳感器的響應(yīng)時間過長；2、傳感器檢測誤差較大，尤其在對低濃度氣體檢測時，直接影響了檢測精度；3、傳感器的檢測極限值過高，不能滿足需求。目前造成傳感器響應(yīng)時間過長的主要原因有兩點一是敏感機(jī)理和換能器技術(shù)對外界信息量變化的感知過于緩慢；二是測試腔內(nèi)部充氣容積過大，即測試腔體充氣容積和氣流進(jìn)出口容積之和過大，導(dǎo)致敏感膜附近的被測氣體濃度變化速度過于緩慢。值得注意的是，傳感器敏感機(jī)理和換能器技術(shù)的問題有時并不容易解決；因而，傳感器響應(yīng)時間過長的問題只能通過其他方面改進(jìn)。測試腔內(nèi)部充氣容積大意味著內(nèi)壁面積大，傳感器內(nèi)壁對被測氣體的吸附和凝結(jié)的量也就很大，因此氣氛中只有部分被測氣體能夠?qū)γ舾心て鹱饔?。另外，吸附和凝結(jié)的氣體量受環(huán)境溫度、濕度和被測氣體濃度等多種因素的影響，后端算法很難剔除其影響。這些因素只能視作隨機(jī)誤差，這不僅降低了傳感器的檢測精度，還提高了傳感器的檢測極限值，為避免虛警誤報而不得不提高傳感器的報警閾值，這是以犧牲性能來換取可靠性。上述問題是傳感器實用化的最大的幾個問題。內(nèi)壁或者內(nèi)壁涂覆材料是減少內(nèi)壁吸附的一個主要的方法。要么選擇合適的內(nèi)壁材料，要么在內(nèi)壁上涂覆一層涂層。目前使用的材料中，金屬(主要是金)、玻璃、聚四氟乙烯(特氟龍)對被測氣體的吸附最小。對于常溫為氣體的被測氣體，例如0)2、0)、02、502和H2S等，只要求內(nèi)壁或者涂層化學(xué)性質(zhì)惰性，不與被測氣體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)即可。對于常溫下是蒸汽和遇冷凝結(jié)為液滴的被測氣體，例如揮發(fā)性有機(jī)化合物VOC蒸汽(苯系物、有機(jī)氯化物、氟里昂系列、有機(jī)酮、胺、醇、醚、酯、酸和石油烴化合物等)，則要求更高。金屬的“冷”表面會凝結(jié)一部分進(jìn)入測試腔中的蒸汽，在ppm甚至ppb級的檢測濃度上,金屬的這種凝結(jié)會對結(jié)果產(chǎn)生較大的誤差，因而，玻璃和聚四氟乙烯更為適合。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是現(xiàn)有傳感器測試腔中的氣體傳感器的響應(yīng)時間較長，傳感器氣體檢測精度較低和檢測極限值較大。為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案
一種測試腔結(jié)構(gòu)，包括氣流進(jìn)口、換能器、內(nèi)壁介質(zhì)層、敏感膜、測試腔、氣流出口、氣泵，測試腔和氣泵經(jīng)毛細(xì)管連接，其特征在于，所述測試腔的三維尺寸至少有一維在微米量級，連接外界和測試腔的氣路截面尺寸為微米至毫米量級。
所述測試腔的三維尺寸為2_X2_X300um 4mmX4mmX300um,連接外界和測試腔的氣路尺寸為進(jìn)氣口 0. 3mmX0. 03mmX200um 0. 5mmX0. 05mmX300um,出氣口3mm X 0. 2mm X 200um 5mm X 0. 3mmX 300um。本發(fā)明所述換能器為測試腔內(nèi)壁的一部分并設(shè)置于測試腔內(nèi)。本發(fā)明所述毛細(xì)管的材質(zhì)為硅、二氧化硅、砷化鎵、氮化硅等半導(dǎo)體材料中的一種。本發(fā)明所述測試腔的內(nèi)壁介質(zhì)層為表面張力小、化學(xué)惰性的材料或者在內(nèi)壁介質(zhì)層表面涂覆一層具表面張力小、化學(xué)惰性的介質(zhì)材料。本發(fā)明內(nèi)壁介質(zhì)層為金、鉬、鈀、鈦、銠 、銥、鋨、釕、聚四氟乙烯、聚對二甲苯、聚丁烯、聚苯乙烯、玻璃、非晶二氧化硅、單晶二氧化硅、硅、氮化硅、氧化鋁、砷化鎵和金屬氧化物中的一種。本發(fā)明內(nèi)壁介質(zhì)層表面上涂覆的介質(zhì)材料為金、鉬、鈀、鈦、銠、銥、鋨、釕、聚四氟乙烯、聚對二甲苯、聚丁烯、聚苯乙烯、玻璃、非晶二氧化硅、單晶二氧化硅、硅、氧化鋁、氮化硅、砷化鎵、金屬氧化物和熔融石英等中的一種。本發(fā)明所述敏感膜為有機(jī)聚合物、有機(jī)小分子、金屬、金屬氧化物、非金屬氧化物和生物材料中的一種。本發(fā)明所述換能器附帶加熱和溫控功能，為質(zhì)量型、熱感應(yīng)型、光學(xué)、電導(dǎo)型、電容型、電化學(xué)型中的一種。本發(fā)明換能器使用氣泵對外界環(huán)境氣體進(jìn)行采樣。本發(fā)明測試腔的密封方式為是鍵合或為一層介質(zhì)材料覆蓋整個換能器外圍。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有的有益效果表現(xiàn)在
一、測試腔體、氣流進(jìn)口尺寸已縮小至微米量級，減小了測試腔內(nèi)部充氣容積即減小內(nèi)壁面積，進(jìn)一步減小了內(nèi)壁對被測氣體的吸附面積，因此減小內(nèi)壁吸附氣體對檢測結(jié)果的干擾，減少檢測誤差，提聞檢測精度。二、測試腔內(nèi)壁采用表面張力小、化學(xué)惰性的材料或者在其表面涂覆一層具有此類性質(zhì)的介質(zhì)材料，以減小內(nèi)壁對被測氣體的單位面積吸附量，從而減小內(nèi)壁吸附對檢測結(jié)果的干擾，減少檢測誤差，提高檢測精度。三、縮小測試腔內(nèi)部充氣容積即測試腔體充氣容積和氣流進(jìn)出口容積之和，輔以適當(dāng)?shù)膬?nèi)壁材料或內(nèi)壁涂層可有效改善傳感器的各項性能，促進(jìn)傳感器實用化和普及。


圖I為本發(fā)明的剖視 圖2為本發(fā)明的立體效果 附圖標(biāo)記為1為氣流進(jìn)口、2為換能器、3為內(nèi)壁介質(zhì)層、4為敏感膜、5為測試腔體，6為氣流出口、7為氣泵。
具體實施例方式下面將結(jié)合附圖及具體實施方式
對本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。一種測試腔結(jié)構(gòu)，包括氣流進(jìn)口、換能器、內(nèi)壁介質(zhì)層、敏感膜、測試腔、氣流出口、氣泵，測試腔和氣泵經(jīng)毛細(xì)管連接，縮小測試腔內(nèi)部充氣容積，所述測試腔的三維尺寸至少有一維在微米量級，連接外界和測試腔的氣路截面尺寸為微米至毫米量級。所述換能器為測試腔內(nèi)壁的一部分或設(shè)置于測試腔內(nèi)。所述毛細(xì)管的材質(zhì)為硅、二氧化硅、砷化鎵、氮化硅等半導(dǎo)體材料中的一種。所述測試腔的內(nèi)壁介質(zhì)層為表面張力小、化學(xué)惰性的材料或者在內(nèi)壁介質(zhì)層表面涂覆一層具表面張力小、化學(xué)惰性的介質(zhì)材料。所述敏感膜為有機(jī)聚合物、有機(jī)小分子、金屬、金屬氧化物、非金屬氧化物和生物材料中的一種。其中所述內(nèi)壁介質(zhì)層為金、鉬、鈀、鈦、銠、銥、鋨、釕、聚四氟乙烯、聚對二甲苯、聚丁烯、聚苯乙烯、玻璃、非晶二氧化硅、單晶二氧化硅、硅、氮化硅、氧化鋁、砷化鎵和金屬氧化物中的一種或者內(nèi)壁介質(zhì)層表面上涂覆的介質(zhì)材料為金、鉬、鈀、鈦、銠、銥、鋨、釕、聚四氟乙烯、聚對二甲苯、聚丁烯、聚苯乙烯、玻璃、非晶二氧化硅、單晶二氧化硅、硅、氧化鋁、氮化硅、砷化鎵、金屬氧化物和熔融石英等中的一種。 所述換能器附帶加熱和溫控功能，為質(zhì)量型(壓電聲波器件、懸臂梁)、熱感應(yīng)型、光學(xué)、電導(dǎo)型、電容型、電化學(xué)型中的一種，并使用氣泵對外界環(huán)境氣體進(jìn)行采樣。本發(fā)明所提供的測試腔結(jié)構(gòu)的制備方法如下
如圖I所示，該測試腔結(jié)構(gòu)包括，氣流進(jìn)口 1，換能器2，內(nèi)壁介質(zhì)層3，敏感膜4，測試腔5，氣流出口 6，氣泵7。在單晶硅基板表面采用深度反應(yīng)離子刻蝕DRIE工藝制備出面積2mm X 2mm，深度300um的凹槽，凹槽兩端各制備一個窄凹槽，規(guī)格分別為面積
0.5mmX 0. 05mm、深度300um和面積5mmX0. 3mm、深度300um。凹槽、窄凹槽分別為封裝后的測試腔5和氣路(氣流的進(jìn)出口 )。另一只硅基板表面制備叉指換能器2、鉬加熱器和鉬溫度傳感器，后兩者實質(zhì)都是鉬電阻器。除叉指換能器2、鉬加熱器和鉬溫度傳感器之外，測試腔內(nèi)壁均制備一層聚對二甲苯薄膜形成內(nèi)避介質(zhì)層3。在叉指換能器表面用氣噴霧技術(shù)制備一層聚環(huán)氧乙烷敏感薄膜。將兩塊硅片合并在一起，使用擋板擋住氣流進(jìn)出口，在整個測試腔外表面制備一層聚對二甲苯薄膜，堵住所有縫隙，完成封裝，即獲得測試腔5、氣流進(jìn)口 I和氣流出口6。測試腔尺寸范圍為2mmX2mmX300um 4mmX4mmX300um,最佳尺寸為2mmX2mmX300um ;氣流進(jìn)口 I的尺寸范圍為0. 3mmX0. 03mmX200um
0.5mmX0. 05mmX300um,最佳尺寸為0. 5mmX0. 05mmX300um,氣流出口 6的尺寸范圍為3mmX0. 2mmX200um 5mmX0. 3mmX300um,最佳尺寸為 5mmX0. 3mmX300um。通過倒扣的方式將淀積有叉指換能器的傳感器放入測試腔內(nèi)，傳感器的基底也是測試腔結(jié)構(gòu)的一部分。石英毛細(xì)管連接測試腔和氣泵，毛細(xì)管的一端插入測試腔的氣流出口，并用環(huán)氧樹脂膠密封，毛細(xì)管經(jīng)轉(zhuǎn)接頭與氣泵的不銹鋼管進(jìn)行連接。在單晶硅基板表面采用深度反應(yīng)離子刻蝕DRIE工藝制備出的凹槽和凹槽兩端的窄凹槽。密封方法可以用一層介質(zhì)材料覆蓋整個換能器外圍或者鍵合方法。密封方法為鍵合時采用直接鍵合法。直接鍵合法，通常是在鍵合前先對硅片表面進(jìn)行親水性預(yù)處理，接著在室溫下對硅片進(jìn)行鍵合，然后對鍵合硅片經(jīng)1000°c左右高溫退火，以達(dá)到最終的鍵合強度。在本發(fā)明中，測試腔體和氣流進(jìn)出口的充氣容積從傳統(tǒng)的IOOmL降至大約0. 4uL，響應(yīng)時間由3min縮短到0. 5s左右，響應(yīng)的誤差從5%降至0. 01%,檢測極限值從IOOOppm降至大約5ppm。
權(quán)利要求
1.一種測試腔結(jié)構(gòu)，包括氣流進(jìn)ロ、換能器、內(nèi)壁介質(zhì)層3、敏感膜4、測試腔、氣流出ロ、氣泵，測試腔和氣泵經(jīng)毛細(xì)管連接，其特征在干，所述測試腔的三維尺寸至少有ー維在微米量級，連接外界和測試腔的氣路截面尺寸為微米至毫米量級。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的測試腔結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述測試腔的三維尺寸為2mm X 2mm X 300um 4mmX 4mmX 300um,連接外界和測試腔的氣路尺寸為進(jìn)氣ロ O. 3mm X O. 03mm X 200um O. 5mmX O. 05mmX 300um,出氣ロ 3mmX 0. 2mmX 200um 5mm X 0. 3mmX300um。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的測試腔結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述換能器即叉指換能器為測試腔內(nèi)壁的一部分并設(shè)置于測試腔內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的測試腔結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述毛細(xì)管的材質(zhì)為硅、ニ氧化硅、神化鎵、氮化硅等半導(dǎo)體材料中的ー種。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的測試腔結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述測試腔的內(nèi)壁介質(zhì)層為表面張カ小、化學(xué)惰性的材料或者在內(nèi)壁介質(zhì)層表面涂覆ー層具表面張カ小、化學(xué)惰性的介質(zhì)材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的測試腔結(jié)構(gòu)，其特征在于，其中所述內(nèi)壁介質(zhì)層為金、鉬、鈀、鈦、銠、銥、鋨、釕、聚四氟こ烯、聚對ニ甲苯、聚丁烯、聚苯こ烯、玻璃、非晶ニ氧化硅、單晶ニ氧化硅、硅、氮化硅、氧化鋁、砷化鎵和金屬氧化物等中的ー種。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的測試腔結(jié)構(gòu)，其特征在于，其中內(nèi)壁介質(zhì)層表面上涂覆的介質(zhì)材料為金、鉬、鈀、鈦、銠、銥、鋨、釕、聚四氟こ烯、聚對ニ甲苯、聚丁烯、聚苯こ烯、玻璃、非晶ニ氧化硅、單晶ニ氧化硅、硅、氧化鋁、氮化硅、砷化鎵、金屬氧化物和熔融石英等中的一種。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的測試腔結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述敏感膜為有機(jī)聚合物、有機(jī)小分子、金屬、金屬氧化物、非金屬氧化物和生物材料中的ー種。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的測試腔結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述換能器附帯加熱和溫控功能，為質(zhì)量型、熱感應(yīng)型、光學(xué)、電導(dǎo)型、電容型、電化學(xué)型中的ー種。
10.根據(jù)權(quán)利要求2所述的測試腔結(jié)構(gòu)，其特征在干，經(jīng)氣泵對外界環(huán)境氣體進(jìn)行采樣。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種氣體傳感器技術(shù)領(lǐng)域的測試腔結(jié)構(gòu)，包括氣流進(jìn)口1、換能器2、內(nèi)壁介質(zhì)層3、敏感膜4、測試腔5、氣流出口6和氣泵，測試腔和氣泵經(jīng)毛細(xì)管連接。本發(fā)明結(jié)構(gòu)縮小了測試腔體內(nèi)部充氣容積，在相同氣體流量下，敏感膜4附近的氣體濃度改變更為迅速，換能器更快達(dá)到穩(wěn)態(tài)，因此縮短了換能器的響應(yīng)時間；測試腔體內(nèi)壁面積也隨之減小，使得內(nèi)壁對被測氣體的吸附量減小；另外通過選擇不易吸附被測氣體的內(nèi)壁材料或者在內(nèi)壁涂覆此類介質(zhì)材料，減小單位內(nèi)壁面積對被測物質(zhì)的吸附量，從而提高了檢測精度和降低了檢測極限值。
文檔編號G01N33/00GK102662033SQ20121015721
公開日2012年9月12日 申請日期2012年5月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月21日
發(fā)明者周泳, 太惠玲, 廖劍, 朱濤, 李嫻, 杜曉松, 蔣亞東, 謝光忠 申請人:電子科技大學(xué)