傳感器及其形成方法、檢測(cè)氣體的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及氣體檢測(cè)領(lǐng)域，特別涉及一種基于納米材料的傳感器及其形成方法、檢測(cè)氣體的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]環(huán)境安全和工業(yè)安全監(jiān)控是社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的先決條件和基礎(chǔ)保障。在全球經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展及各種高強(qiáng)度人類活動(dòng)的影響下，環(huán)境安全和工業(yè)安全面臨著巨大的挑戰(zhàn)，主要環(huán)境安全問題和工業(yè)安全問題包括:大氣污染、水污染、土壤污染、煤礦安全生產(chǎn)等等。
[0003]而解決主要環(huán)境安全問題和工業(yè)安全問題的關(guān)鍵因素之一，就是先進(jìn)傳感器件的研發(fā)，先進(jìn)的傳感器能夠用于監(jiān)測(cè)各類有毒有害氣體，以霧霾為例，二氧化硫、氮氧化物和可吸入顆粒物是霧霾的主要組成。
[0004]因此，在當(dāng)前人們?cè)絹碓阶⒅丨h(huán)境保護(hù)和生活安全的情況下，對(duì)一些有害氣體和危險(xiǎn)氣體的檢測(cè)就顯得越來越重要。
[0005]而氣體傳感器是一種用于感測(cè)待檢測(cè)氣體的傳感設(shè)備，氣體傳感器能應(yīng)用于檢測(cè)例如一氧化碳、硫化氫、二氧化硫、氫氣或乙醇等各種氣體，廣泛應(yīng)用于安全檢測(cè)、環(huán)境檢測(cè)等各種環(huán)境。
[0006]通常的氣體傳感器包括熱線性傳感器、固體電解質(zhì)氣體傳感器、電化學(xué)氣體傳感器和光學(xué)氣體傳感器，
[0007]但是上述大部分氣體傳感器靈敏度差、檢測(cè)精度低、兼容性低，且需要額外的電源驅(qū)動(dòng)，以及需要連線傳輸信號(hào)或檢測(cè)數(shù)據(jù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明解決的問題是提供一種無需電源驅(qū)動(dòng)和連線傳輸信號(hào)或檢測(cè)數(shù)據(jù)，且靈敏度高、檢測(cè)精度高、兼容性好的氣體傳感器。
[0009]為解決上述問題，本發(fā)明提供一種傳感器的形成方法，提供半導(dǎo)體襯底，所述半導(dǎo)體襯底具有第一表面和與第一表面相對(duì)的第二表面，所述半導(dǎo)體襯底的第一表面具有第一介質(zhì)層，第二表面具有第二介質(zhì)層；在所述第一介質(zhì)層表面形成若干M0s2m米結(jié)構(gòu)，若干MoS2納米結(jié)構(gòu)呈線性排列；在所述第一介質(zhì)層表面形成傳輸線，所述傳輸線具有間隔，所述間隔適于容納所述MoS2m米結(jié)構(gòu)；在所述半導(dǎo)體襯底的第二介質(zhì)層表面形成接地層，所述接地層形成有互補(bǔ)開口諧振環(huán)，所述互補(bǔ)開口諧振環(huán)的位置與所述MoS2納米結(jié)構(gòu)的位置對(duì)應(yīng)。
[0010]可選的，在所述第一介質(zhì)層表面形成若干MoS2納米結(jié)構(gòu)包括:提供石英管式爐，所述石英管式爐具有連通的第一溫區(qū)和第二溫區(qū)，三氧化鉬粉末、硫粉；將三氧化鉬粉末放置于石英管式爐內(nèi)的第一溫區(qū)，形成有介質(zhì)層的半導(dǎo)體襯底設(shè)置于三氧化鉬粉末的上方，半導(dǎo)體襯底與三氧化鉬粉末的間距為I厘米至5厘米；將硫粉放置于石英管式爐的第二溫區(qū)，其中硫粉與三氧化鉬粉末的間距為17厘米至20厘米；其中，第一溫區(qū)的溫度設(shè)置為650攝氏度至800攝氏度，第二溫區(qū)的溫度設(shè)置為180攝氏度至300攝氏度，石英管式爐在制備過程中始終通入30sCCm的氬氣，且氬氣沿第二溫區(qū)流向第一溫區(qū)；保持第一溫區(qū)650攝氏度至800攝氏度的時(shí)間為5分鐘后，讓管式爐自然冷卻到室溫，取出在所述介質(zhì)層表面形成MoS2m米線層的半導(dǎo)體襯底；在所述半導(dǎo)體襯底100表面形成光刻膠圖形，所述光刻膠圖形覆蓋部分MoS2納米線且所述光刻膠圖形與待形成的線性排列的MoS2納米線對(duì)應(yīng)，采用刻蝕工藝去除未被覆蓋的MoS2納米線，然后去除所述光刻膠圖形，形成若干間隔的MoS 2納米線且若干MoS2納米線呈線性排列。
[0011]可選的，所述傳輸線的形成工藝包括:采用光刻膠圖形覆蓋所述MoS2m米結(jié)構(gòu)，所述光刻膠圖形暴露出若干所述介質(zhì)層表面，所述光刻膠圖形與待形成的傳輸線對(duì)應(yīng)，采用物理氣相沉積工藝在所述介質(zhì)層表面形成金屬薄膜；去除光刻膠圖形，形成具有間隔的傳輸線。
[0012]可選的，所述互補(bǔ)開口諧振環(huán)的結(jié)構(gòu)為兩個(gè)互相反向放置的同心開口諧振環(huán)，所述互補(bǔ)開口諧振環(huán)的形成工藝包括:在所述接地層表面形成光刻膠圖形，所述光刻膠圖形具有與互補(bǔ)開口諧振環(huán)對(duì)應(yīng)的圖形；以所述光刻膠圖形為掩膜，刻蝕所述接地層，直至暴露出第二介質(zhì)層；去除所述光刻膠圖形，形成互補(bǔ)開口諧振環(huán)。
[0013]本發(fā)明還提供一種傳感器，包括:具有第一表面和與第一表面相對(duì)的第二表面的半導(dǎo)體襯底；位于第一表面的第一介質(zhì)層；位于第二表面的第二介質(zhì)層；位于第一介質(zhì)層表面的傳輸線，且傳輸線具有間隔；填充所述間隔的MoS2m米結(jié)構(gòu)；位于第二介質(zhì)層的接地層，所述接地層內(nèi)具有互補(bǔ)開口諧振環(huán)，互補(bǔ)開口諧振環(huán)的位置與傳輸線的間隔對(duì)應(yīng)。
[0014]可選的，半導(dǎo)體襯底厚度為400微米至600微米，介電常數(shù)約為11.9 ;所述第一介質(zhì)層的材料為氧化硅，所述第一介質(zhì)層I1的厚度為10到30微米，所述第一介質(zhì)層的介電常數(shù)為4 ;所述第二介質(zhì)層的材料為氧化硅，所述第二介質(zhì)層的厚度為10到30微米，所述第二介質(zhì)層的介電常數(shù)為4 ;所述傳輸線長度為11毫米至13毫米，寬度為0.6毫米；所述接地層的厚度為5微米至20微米。
[0015]可選的，所述互補(bǔ)開口諧振環(huán)的結(jié)構(gòu)為兩個(gè)互相反向放置的同心開口諧振環(huán)，其中，較大的開口諧振環(huán)的尺寸為:開口為0.3毫米，環(huán)的內(nèi)徑為5.52毫米，環(huán)的外徑為5.92毫米。較小的開口諧振環(huán)的尺寸為:開口為0.3毫米，環(huán)的內(nèi)徑為4.72毫米，環(huán)的外徑為5.12毫米。較大的開口諧振環(huán)與較小的開口諧振環(huán)的間距為0.2毫米。
[0016]可選的，當(dāng)所述傳感器的MoS^米結(jié)構(gòu)數(shù)量為I時(shí)，所述傳感器的等效電路為:輸入端，所述輸入端連接傳輸線第一等效電感的第一端，傳輸線第一等效電感的第二端連接MoS2m米結(jié)構(gòu)的等效電阻的第一端，MoS 2納米結(jié)構(gòu)的等效電阻的第二端連接MoS 2納米結(jié)構(gòu)的等效電感的第一端，MoS2m米結(jié)構(gòu)的等效電感的第二端連接MoS 2納米結(jié)構(gòu)的等效電容的第一端，MoS2m米結(jié)構(gòu)的等效電容的第二端連接傳輸線第二等效電感的第一端，傳輸線第二等效電感的第二端連接輸出端，傳輸線第一等效電容的第一端連接傳輸線第一等效電感的第二端，傳輸線第一等效電容的第二端連接傳輸線第二等效電容的第一端，傳輸線第二等效電容的第二端連接傳輸線第二等效電感的第一端；互補(bǔ)開口諧振環(huán)的等效電感的第一端連接傳輸線第一等效電容的第二端，互補(bǔ)開口諧振環(huán)的等效電容的第一端連接傳輸線第一等效電容的第二端，互補(bǔ)開口諧振環(huán)的等效電感的第二端連接互補(bǔ)開口諧振環(huán)的等效電容的第二端并接地。
[0017]本發(fā)明還提供一種傳感器檢測(cè)氣體的方法，包括:獲取第一曲線，所述第一曲線為:在沒有待檢測(cè)氣體的環(huán)境下，所述傳感器的頻率與S11的曲線；將傳感器放置于待檢測(cè)環(huán)境，獲取第二曲線，所述第二曲線為:在待檢測(cè)環(huán)境下，所述傳感器的頻率與S11的曲線；通過比較第一曲線和第二曲線的頻移的諧振頻率變化與否，檢測(cè)待檢測(cè)環(huán)境下是否存在待檢測(cè)氣體。
[0018]可選的，還包括:通過獲取待檢測(cè)環(huán)境的多條第二曲線，根據(jù)多條第二曲線頻移的諧振頻率變化幅度，來獲取待檢測(cè)環(huán)境的待檢測(cè)氣體濃度。
[0019]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)方案具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0020]本發(fā)明的傳感器的實(shí)施例采用納米材料MoS2g合互補(bǔ)開口諧振環(huán)應(yīng)用于傳感器，通過納米材料MoS2吸收氣體后，其材料的介電常數(shù)和導(dǎo)電性都發(fā)生變化，從而最終引起傳感器諧振頻率的變化，通過測(cè)量諧振頻率的偏移，從而獲得氣體的濃度變化，起到檢測(cè)報(bào)警作用，而采用互補(bǔ)開口諧振環(huán)應(yīng)用于傳感器，互補(bǔ)開口諧振環(huán)的同心圓之間的邊緣電容效應(yīng)發(fā)生諧振，互補(bǔ)開口諧振環(huán)應(yīng)用于傳感器使得器件在特定頻段具有負(fù)介電常數(shù)和負(fù)磁導(dǎo)率，使得傳感器的尺寸和工作頻率相比很小，可小型化，并且傳感器具有好的品質(zhì)因數(shù)，可提高傳感器靈敏性，拓展了左手材料及納米材料在現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)中的應(yīng)用。
[0021]本發(fā)明的傳感器的形成方法采用大規(guī)模集成電路工藝形成微波器件單元，優(yōu)化基于納米材料的傳感器的工藝步驟。
[0022]本發(fā)明的傳感器檢測(cè)氣體的方法能夠檢測(cè)不同濃度的氣體，通過諧振頻率變化獲知檢測(cè)氣體的濃度變化，檢測(cè)精度高。
【附圖說明】
[0023]圖1是本發(fā)明傳感器的形成方法的一實(shí)施例的流程示意圖；
[0024]圖2至圖8是本發(fā)明的傳感器的形成方法一實(shí)施例的過程示意圖；
[0025]圖9是本發(fā)明的傳感器一實(shí)施例的等效電路示意圖；
[0026]圖10是本發(fā)明傳感器一實(shí)施例的測(cè)試氣體示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027]現(xiàn)有的大部分氣體傳感器靈敏度差、檢測(cè)精度低、兼容性低，且需要額外的電源驅(qū)動(dòng)，以及需要連線傳輸信號(hào)或檢測(cè)數(shù)據(jù)。以熱線性傳感器為例，熱線性傳感器是利用熱導(dǎo)率變化的半導(dǎo)體傳感器，是在Pt絲線圈上涂敷SnOji，Pt絲除起加熱作用外，還有檢測(cè)溫度變化的功能。施加電壓半導(dǎo)體變熱，表面吸氧，使自由電子濃度下降，可燃性氣體存在時(shí)，由于燃燒耗掉氧自由電子濃度增大，導(dǎo)熱率隨自由電子濃度增加而增大，散熱率相應(yīng)增高，使Pt絲溫度下降，阻值減小，Pt絲阻值變化與氣體濃度為線性關(guān)系。
[0028]但是，Pt絲線圈上涂敷SnO2層無法采用集成電路工藝進(jìn)行制造，兼容性低，另外需要采用額外的電源驅(qū)動(dòng)以及連線連接熱線性傳感器。并且隨著物聯(lián)網(wǎng)的興起，現(xiàn)有的傳感器無法與射頻器件兼容，因而無法兼容于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。
[0029]為此，本發(fā)明的發(fā)明人提出一種基于納米材料的傳感器及其形成方法，將能采用集成電路工藝制造基于納米材料的傳感器，所述傳感器基于納米材料和互補(bǔ)開口諧振環(huán)來探測(cè)氣體，是一種無線無源氣體傳感器；可以用于易燃、易爆、高溫、