專利名稱：使用一維納米材料的微型氣體傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種微電子技術(shù)領(lǐng)域的傳感器。具體是一種使用一維納米材料的微型氣體傳感器。
背景技術(shù)：
基于氣體分子在電場中的電離與由此而產(chǎn)生的帶電粒子輸運(yùn)為機(jī)理的傳感器，可以用于傳感不同氣體成分與含量信息，相對于其他類型的傳感器，這種傳感器的主要優(yōu)點(diǎn)在于它有很高的選擇性。
經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，Modi.Ashish等人在“Nature(自然)”，2003年第424卷發(fā)表的“Miniaturized gas ionization sensors using carbonnanotubes(使用碳納米管的微型氣體電離傳感器)”。該文章提出了一種一維納米材料——碳納米管作為電極使用時，由于其強(qiáng)電場增強(qiáng)因子的作用，在相同的電壓之下，相比于常規(guī)金屬平板電極可以產(chǎn)生更強(qiáng)的電場，因此相當(dāng)于可以在更低的電壓之下?lián)舸怏w，并以各種氣體不同的擊穿電壓為依據(jù)判斷氣體的成分和濃度信息。由于這種原理的氣體傳感器對某范圍的氣體具有選擇性高的特征，因此該文獻(xiàn)所述技術(shù)一定程度上解決了降低此類原理的傳感器工作電壓的問題，但該文獻(xiàn)并沒有提出一種可加工實(shí)現(xiàn)的器件結(jié)構(gòu)，而是實(shí)驗(yàn)性的將各部件簡單拼湊，事實(shí)上，改種器件的核心結(jié)構(gòu)要素之一是電極間距，只有使電極間距小至幾微米到十幾微米的水平，才可以避免對這種傳感器進(jìn)行高壓操作，但這樣小的間距需要高精度的加工手段來控制，而為了引入這樣的加工手段，必須有適合這種加工手段的器件結(jié)構(gòu)，該文獻(xiàn)中所提出的器件結(jié)構(gòu)只是試驗(yàn)性的，很難依照這種結(jié)構(gòu)方案實(shí)現(xiàn)高精度的批量加工。目前也并沒有將該文獻(xiàn)的技術(shù)原理應(yīng)用于微型傳感器制造，而提出適于利用先進(jìn)微細(xì)加工工藝的器件結(jié)構(gòu)出現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的不足和缺陷，提出一種使用一維納米材料的微型氣體傳感器，使其適于利用微電子技術(shù)進(jìn)行加工制造，能夠利用微電子加工工藝對器件的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行高精度控制，因此該種結(jié)構(gòu)的傳感器具有選擇性高、靈敏度高、低能耗、成本低、易于實(shí)現(xiàn)陣列化、小型化的優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明包括襯底、金屬底電極層、一維納米材料層、金屬支柱層、金屬頂電極層。其中，金屬底電極層設(shè)置在襯底上。一維納米材料層設(shè)置在金屬底電極層之上。金屬支柱層設(shè)置在襯底之上。頂電極設(shè)置在襯底上。金屬底電極層、一維納米材料層與金屬支柱層之間相互隔離。頂電極層和底電極層、一維納米材料層之間有氣體間隙相互隔離。
所述的襯底，其表面具有高絕緣性能，它可以是玻璃，也可以是上層帶有絕緣層的硅片，絕緣層材料可以是二氧化硅、氮化硅，也可以是其它絕緣襯底。
所述的金屬底電極層，可以是單層或者多層金屬薄膜。
所述的一維納米材料層，可以是一維納米材料與其他物質(zhì)形成的混合物。
所述的金屬支柱層，可以是單層或者多層金屬薄膜。
所述的金屬頂電極層，位于金屬支柱層之上，并與金屬支柱層相連，金屬頂電極層和金屬底電極層、一維納米材料層之間有間隙相互隔離，間隙中有氣體。
在本發(fā)明的器件結(jié)構(gòu)中，由于頂電極、底電極和電極支柱都由金屬制成，因此利于使用微電子加工技術(shù)的感光材料光刻顯影技術(shù)、金屬選擇性電鍍技術(shù)和多層膜技術(shù)實(shí)現(xiàn)，并有利于高精度地控制頂電極與一維納米材料層之間的距離，從而可以更大幅度地降低工作電壓、降低能耗、提高安全性、穩(wěn)定性。


圖1是本發(fā)明的一種結(jié)構(gòu)的二維結(jié)構(gòu)簡圖。
圖2是本發(fā)明當(dāng)一維納米材料層表面距離頂電極間距為約3微米時氣體電離輸出電壓-電流信號曲線。
圖3是本發(fā)明當(dāng)一維納米材料薄膜表面距離頂電極間距為約10微米時氣體電離輸出電壓-電流信號曲線。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示，本發(fā)明包括襯底1、金屬底電極層2、一維納米材料層3、金屬支柱層4、金屬頂電極層5。其中，金屬底電極層2設(shè)置在襯底1上。一維納米材料層3設(shè)置在金屬底電極2之上。金屬支柱層4設(shè)置在襯底1之上。頂電極5設(shè)置在襯底1之上。金屬底電極層2以及一維納米材料層3與金屬支柱層4之間相互隔離。頂電極層5和底電極層2以及一維納米材料層3之間有氣體間隙相互隔離。
所述的襯底1，其表面具有高絕緣性能，它可以是玻璃，也可以是上層帶有絕緣層的硅片，絕緣層材料可以是二氧化硅、氮化硅，也可以是其它絕緣襯底。
所述的金屬底電極層2，可以是單層或者多層金屬薄膜。所述的金屬，例如鉻、銅、金、鉑金、鋁、鎳、鐵-鎳、鎳-銅。
所述的一維納米材料層3，是包含一維納米材料的混合物薄膜。其一維納米材料可以是碳納米管、納米碳纖維、納米碳化硅纖維、納米氧化鋅纖維。
所述的金屬支柱層4，可以是單層或者多層金屬薄膜。其金屬可以為鉻、銅、金、鉑金、鋁、鎳、鐵-鎳、鎳-銅。
所述的金屬頂電極層5，位于金屬支柱層4之上，并與金屬支柱層4相連，金屬頂電極層5和金屬底電極層2、一維納米材料層3之間有間隙相互隔離，間隙中有氣體。
當(dāng)本發(fā)明工作時，在金屬頂電極層5和金屬底電極層2之間施加一定的電壓時，就會在一維納米材料層3與金屬頂電極層5之間的間隙中產(chǎn)生電場，當(dāng)電場足以擊穿間隙中的氣體時，外電路就會由氣體未擊穿的短路狀態(tài)快速轉(zhuǎn)換為氣體擊穿后的導(dǎo)通狀態(tài)，也就是檢測到電流，依據(jù)不同成分和濃度氣體的放電起始電壓、放電起始電流不同的事實(shí)，可以作為判斷某種成分與含量氣體存在與否的依據(jù)，也可以作為某種氣體成分與含量發(fā)生變化與否的依據(jù)。在本發(fā)明的器件結(jié)構(gòu)中，由于金屬頂電極層5、金屬底電極層2和電極支柱層4都由金屬制成，因此利于使用微電子加工技術(shù)的感光材料光刻顯影技術(shù)、金屬選擇性電鍍技術(shù)和多層膜技術(shù)實(shí)現(xiàn)，并有利于高精度地控制頂電極與一維納米材料層之間的距離，從而可以更大幅度地降低工作電壓、降低能耗、提高安全性、穩(wěn)定性。
如圖2、圖3所示，是本發(fā)明氣體電離輸出電壓-電流信號曲線。被測氣體有三種，分別為空氣、體積比為1％的氦氣和體積比為10％的二氧化碳混合于空氣中。這三種氣體的氣壓均為1大氣壓。測試環(huán)境溫度為18攝氏度。器件用微電子加工技術(shù)制造，使用感光材料作為微鑄模的金屬微電鑄技術(shù)，金屬頂電極層5距離碳納米管的間距分別為約1-3微米(圖2)和約8-10微米(圖3)。由圖中可見，器件的工作電壓可以降至幾伏特到十幾伏特的水平，器件的平面尺寸約為3×3毫米，選擇性高，穩(wěn)定性、安全性好，能耗低，易于實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，易于陣列化，成本低。
權(quán)利要求
1.一種使用一維納米材料的微型氣體傳感器，包括襯底(1)、金屬底電極層(2)、一維納米材料層(3)、金屬支柱層(4)、金屬頂電極層(5)，其特征在于，金屬底電極層(2)設(shè)置在襯底(1)上，一維納米材料層(3)設(shè)置在金屬底電極(2)之上，金屬支柱層(4)設(shè)置在襯底(1)之上，頂電極(5)設(shè)置在襯底(1)之上，金屬底電極層(2)以及一維納米材料層(3)與金屬支柱層(4)之間相互隔離，頂電極層(5)和底電極層(2)以及一維納米材料層(3)之間有氣體間隙相互隔離。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的使用一維納米材料的微型氣體傳感器，其特征是，襯底(1)，為絕緣襯底。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的使用一維納米材料的微型氣體傳感器，其特征是，所述的金屬底電極層(2)，是單層或者多層金屬薄膜。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的使用一維納米材料的微型氣體傳感器，其特征是，所說的一維納米材料層(3)，是包含一維納米材料的混合物薄膜。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的使用一維納米材料的微型氣體傳感器，其特征是，所述的金屬支柱層(4)，是單層或者多層金屬薄膜。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的使用一維納米材料的微型氣體傳感器，其特征是，所述金屬頂電極層(5)，位于金屬支柱層(4)之上，并與金屬支柱層(4)相連，金屬頂電極層(5)和金屬底電極層(2)、一維納米材料層(3)之間有間隙相互隔離，間隙中有氣體。
全文摘要
一種傳感器技術(shù)領(lǐng)域的使用一維納米材料的微型氣體傳感器。本發(fā)明包括襯底、金屬底電極層、一維納米材料層、金屬支柱層、金屬頂電極層。其中，金屬底電極層設(shè)置在襯底上，一維納米材料層設(shè)置在金屬底電極層之上，金屬支柱層設(shè)置在襯底之上，頂電極設(shè)置在襯底上。金屬底電極層、一維納米材料層與金屬支柱層之間相互隔離，頂電極層和底電極層、一維納米材料層之間有氣體間隙相互隔離。本發(fā)明具有選擇性高、靈敏度高、低能耗、成本低、易于實(shí)現(xiàn)陣列化、小型化的優(yōu)點(diǎn)，并有利于提高安全性、穩(wěn)定性。
文檔編號H01L49/00GK1793893SQ20051011221
公開日2006年6月28日 申請日期2005年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月29日
發(fā)明者侯中宇, 蔡炳初, 張亞非, 徐東, 魏星 申請人:上海交通大學(xué)