專利名稱:一種氣體傳感器及其陣列的制作方法
所屬領(lǐng)域本發(fā)明屬于氣體傳感器技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù):
氣體傳感器在大氣環(huán)境污染檢測(cè),易燃易爆有毒有害氣體檢測(cè)、機(jī)器人、疾病診斷及軍事等領(lǐng)域都有廣闊的應(yīng)用前景。目前應(yīng)用的氣體傳感器主要是電導(dǎo)控制型傳感器(有體電導(dǎo)控制型和表面電導(dǎo)控制型兩種),如公開號(hào)為CN1146554A的氣體傳感器,其結(jié)構(gòu)主要包括一層金屬氧化物氣敏半導(dǎo)體(如ZnO、SnO2等)和一個(gè)加熱器,其原理是依據(jù)氣體的氧化還原性在氣敏半導(dǎo)體表面得失電子的性質(zhì),來實(shí)現(xiàn)氣體含量的檢測(cè)。這類氣體傳感器需要加熱到大約300℃才能保證氧化還原反應(yīng)的順利進(jìn)行。因此,這類氣體傳感器存在以下弊端一、需要加熱控溫裝置,增加了傳感器的體積、功耗和復(fù)雜度;二、不便用現(xiàn)行的微電子工藝制作,集成度不高,因?yàn)檩^高的加熱溫度使得把信號(hào)處理電路和傳感器集成于同一基片的難度加大;三、對(duì)氧化還原性較弱的大部分有機(jī)氣體,靈敏度不高。因此,研制易于集成和批量生產(chǎn)、體積小,無需加熱,功耗低、可檢測(cè)多種有機(jī)氣體的新型氣體傳感器,具有現(xiàn)實(shí)的意義。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種氣體傳感器,該種氣體傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、易于集成和批量生產(chǎn);工作時(shí)無需加熱、功耗低、且可檢測(cè)多種有機(jī)氣體。
本發(fā)明解決的技術(shù)問題,所采用的技術(shù)方案為一種氣體傳感器,其組成為硅基片的背面制作有一杯狀空腔,杯狀空腔的頂部為硅應(yīng)變膜片;硅應(yīng)變膜片中分布有四個(gè)應(yīng)變電阻并相連構(gòu)成惠斯通電橋;惠斯通電橋中的四個(gè)應(yīng)變電阻的位置分布應(yīng)使硅應(yīng)變膜片沒有應(yīng)變時(shí),惠斯通電橋平衡,硅應(yīng)變膜片有應(yīng)變時(shí),惠斯通電橋失衡硅應(yīng)變膜片的上表面附著有對(duì)被測(cè)氣體敏感的聚合物薄膜。
其工作原理是當(dāng)本發(fā)明氣體傳感器處于被測(cè)氣體的環(huán)境之中時(shí),對(duì)被測(cè)氣體敏感的聚合物薄膜因吸收該被測(cè)氣體而發(fā)生膨脹形變。膨脹形變產(chǎn)生的應(yīng)力作用于其下的硅應(yīng)變膜片使其發(fā)生應(yīng)變,從而改變位于硅應(yīng)變膜片上的四個(gè)應(yīng)變電阻的電阻值,由于制作時(shí),惠斯通電橋中四個(gè)應(yīng)變電阻分布的位置已使硅應(yīng)變膜片發(fā)生應(yīng)變時(shí),惠斯通電橋失衡。從而原來平衡的電橋失衡,在電橋輸出端產(chǎn)生一定大小的電位差,被測(cè)氣體濃度越大,該電位差越大,由此可實(shí)現(xiàn)氣體濃度的檢測(cè)。選用不同的聚合物薄膜可以檢測(cè)不同類型的氣體。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明的有益效果是一、由于整個(gè)傳感器采用微電子機(jī)械技術(shù)加工制作,工藝可靠成熟,易于集成和批量生產(chǎn),器件體積小。
二、工作時(shí)無需加熱,可室溫工作,功耗低。
三、大多數(shù)聚合物薄膜吸收了相應(yīng)的有機(jī)氣體后都會(huì)有或多或少的膨脹變形,因此,本發(fā)明氣體傳感器可檢測(cè)多種有機(jī)氣體。
四、選用對(duì)不同氣體敏感的聚合物薄膜可以方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)不同氣體的檢測(cè),適用性強(qiáng)、選擇性好。
本發(fā)明的另一發(fā)明目的是提供一種氣體傳感器陣列。該種氣體傳感器陣列結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、易于集成和批量生產(chǎn);工作時(shí)無需加熱、功耗低、可檢測(cè)多種有機(jī)氣體,氣體傳感的選擇性更好。
本發(fā)明實(shí)現(xiàn)上述另一發(fā)明目的,所采用的技術(shù)方案為一種氣體傳感器陣列,其組成為一塊芯片上同時(shí)集成兩個(gè)或兩個(gè)以上的氣體傳感器單元,每個(gè)氣體傳感器單元的構(gòu)成為硅基片的背面制作有一杯狀空腔,杯狀空腔的頂部為硅應(yīng)變膜片;硅應(yīng)變膜片中分布有四個(gè)應(yīng)變電阻并相連構(gòu)成惠斯通電橋;惠斯通電橋中的四個(gè)應(yīng)變電阻的位置分布應(yīng)使硅應(yīng)變膜片沒有應(yīng)變時(shí),惠斯通電橋平衡,硅應(yīng)變膜片有應(yīng)變時(shí),惠斯通電橋失衡。硅應(yīng)變膜片的上表面附著有對(duì)被測(cè)氣體敏感的聚合物薄膜。不同的氣體傳感器單元上附著不同的聚合物薄膜即組成氣體傳感器陣列。
與現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明該種技術(shù)方案的有益效果是這種氣體傳感器陣列中的氣體傳感器單元的組成及工作原理與本發(fā)明前述的氣體傳感器相同,因此,它具有前述的氣體傳感器的全部?jī)?yōu)點(diǎn)。并且由于該氣體傳感器陣列是將數(shù)個(gè)氣體傳感器單元集成在一起,不同的傳感器單元上附著的聚合物薄膜不同,每個(gè)傳感器單元對(duì)氣體的響應(yīng)各不相同,利用這種氣體傳感器陣列結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等模式識(shí)別方法,可提高氣體傳感的選擇性。
上述的硅應(yīng)變薄膜片的形狀是圓形、正方形或矩形中的任一種。
上述的應(yīng)變電阻用擴(kuò)散法或離子注入法制作。
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。
圖1為本發(fā)明實(shí)施例一的一種氣體傳感器的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明實(shí)施例一的一種氣體傳感器的立體結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為本發(fā)明實(shí)施例一的一種氣體傳感器的俯視結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4為本發(fā)明實(shí)施例二的一種氣體傳感器陣列的立體結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例一圖1、2、3示出,本發(fā)明的一種氣體傳感器的具體實(shí)施方式
為硅基片1的背面用MEMS(微電子機(jī)械)技術(shù)加工一個(gè)杯狀空腔2,杯狀空腔2的頂部為硅應(yīng)變膜片3;該杯狀空腔2的橫截面為正方形,也即硅應(yīng)變膜片3的形狀是正方形。在硅應(yīng)變膜片3上通過擴(kuò)散法形成四個(gè)條形的等值應(yīng)變電阻5、6、7、8,再用蒸發(fā)、光刻法形成金屬互連線10,將四個(gè)應(yīng)變電阻5、6、7、8連成惠斯通電橋。在該惠斯通電橋的四角上制作出電源接線端和檢測(cè)信號(hào)輸出端,然后,在硅應(yīng)變膜片3的上表面用旋涂法附著、積淀一層對(duì)被測(cè)氣體敏感的聚合物薄膜4。
本例中,惠斯通電橋中四個(gè)應(yīng)變電阻5、6、7、8的具體位置分布是四個(gè)條形的等值應(yīng)變電阻5、6、7、8,分別位于正方形硅應(yīng)變膜片3四條邊緣9的中部且相互平行。在聚合物薄膜4因吸收被測(cè)氣體而發(fā)生膨脹形變導(dǎo)致硅應(yīng)變膜片3發(fā)生應(yīng)變時(shí),電阻6、8與鄰近的正方形硅應(yīng)變膜片3邊緣9平行,受到的應(yīng)力主要是其寬度方向的應(yīng)力,該電阻6、8將產(chǎn)生相應(yīng)的阻值變化;另兩個(gè)電阻5、7與鄰近的正方形硅應(yīng)變膜片3邊緣9垂直,受到的應(yīng)力主要是其長(zhǎng)度方向的應(yīng)力,該兩電阻5、7將產(chǎn)生與以上電阻6、8相反趨勢(shì)的阻值變化;從而使惠斯通電橋失去平衡而產(chǎn)生一輸出電位差,被測(cè)氣體濃度越大,該電位差越大,由此可實(shí)現(xiàn)氣體濃度的檢測(cè)。
本發(fā)明在實(shí)施時(shí)根據(jù)需要,惠斯通電橋中四個(gè)應(yīng)變電阻5、6、7、8的分布也可以是相對(duì)(也即電連接關(guān)系中不相鄰)的兩個(gè)電阻分別構(gòu)成兩電阻對(duì),兩電阻對(duì)分別位于硅應(yīng)變膜片3上應(yīng)力方向不同的應(yīng)力區(qū),即一個(gè)電阻對(duì)位于硅應(yīng)變膜片3上靠近中心的區(qū)域,另一個(gè)電阻對(duì)位于硅應(yīng)變膜片3上靠近邊緣9的區(qū)域,在聚合物薄膜4因吸收被測(cè)氣體而發(fā)生膨脹形變導(dǎo)致硅應(yīng)變膜片3發(fā)生應(yīng)變時(shí),這兩電阻對(duì)受到的應(yīng)力方向相反,兩電阻對(duì)的阻值發(fā)生相反的變化,從而使惠斯通電橋由平衡轉(zhuǎn)為失衡而產(chǎn)生一輸出電位差,由此可實(shí)現(xiàn)氣體濃度的檢測(cè)。為使制作更方便,通常兩電阻對(duì)位于同一條直線上。
本發(fā)明在實(shí)施時(shí)根據(jù)需要,惠斯通電橋中兩個(gè)電阻對(duì)還可以分別位于硅應(yīng)變膜片3上距硅應(yīng)變膜片3中心距離不同,但應(yīng)力方向相同(如同為靠近中心區(qū)域或同為靠近邊緣9的區(qū)域)的位置,在硅應(yīng)變膜片3發(fā)生應(yīng)變時(shí),兩個(gè)電阻對(duì)受的應(yīng)力大小不同,所引起的阻值變化量也不同,從而也可使惠斯通電橋由平衡轉(zhuǎn)為失衡并產(chǎn)生一輸出電位差。
惠斯通電橋中四個(gè)應(yīng)變電阻5、6、7、8的位置還可以有其他的多種分布方式,只要能滿足以下條件即可硅應(yīng)變膜片3沒有應(yīng)變時(shí),惠斯通電橋平衡,硅應(yīng)變膜片3有應(yīng)變時(shí),惠斯通電橋失衡。但由于在硅應(yīng)變膜片3發(fā)生形變時(shí),最大應(yīng)力通常集中在硅應(yīng)變膜片3各邊緣9的中部;因此,實(shí)施例一中四個(gè)應(yīng)變電阻5、6、7、8分別位于正方形硅應(yīng)變膜片3四條邊緣9的中部,感受到的應(yīng)力最為強(qiáng)大,感測(cè)效果最好。
實(shí)施例二圖4示出,本發(fā)明的氣體傳感器陣列的一種具體實(shí)施方式
為利用常規(guī)的MEMS技術(shù)在一塊硅基片1上加工集成三個(gè)相同的氣體傳感器單元,其具體制備工藝與實(shí)施例一相同,即每個(gè)氣體傳感器單元的構(gòu)成為硅基片1的背面制作有一杯狀空腔2,杯狀空腔2的頂部為硅應(yīng)變膜片3;在硅應(yīng)變膜片3中分布有四個(gè)應(yīng)變電阻5、6、7、8并相連構(gòu)成惠斯通電橋;硅應(yīng)變膜片3的上表面附著有對(duì)被測(cè)氣體敏感的聚合物薄膜4。不同的氣體傳感器單元上附著不同的聚合物薄膜4即組成氣體傳感器陣列。
本發(fā)明的氣體傳感器陣列中的氣體傳感器單元中的惠斯通電橋的電阻分布方式,可以采用前述的單個(gè)氣體傳感器中的惠斯通電橋的各種電阻分布方式。
本發(fā)明氣體傳感器及其陣列中使用的聚合物薄膜4可以選用各種對(duì)特定氣體敏感的聚合物薄膜。如對(duì)乙醇等揮發(fā)性氣體敏感的聚乙烯醇薄膜,對(duì)甲醇等揮發(fā)性氣體敏感的醋酸纖維薄膜,對(duì)甲苯等揮發(fā)性氣體敏感的聚苯乙烯薄膜,對(duì)一氧化碳等氣體敏感的聚環(huán)氧乙烷/乙酸鎳復(fù)合物薄膜,對(duì)氯仿、四氯化碳等揮發(fā)性氣體敏感的聚氯乙烯薄膜,對(duì)戊烷、乙醚、環(huán)己烷、四氯化碳等揮發(fā)性氣體敏感的聚乙烯薄膜,薄膜,對(duì)乙醚、四氯化碳、丙酮、乙酸等揮發(fā)性氣體敏感的聚氨酯薄膜,對(duì)汽油、苯、二甲苯、四氫呋喃、己烷、乙醚等揮發(fā)性氣體敏感的橡膠薄膜等。因此本發(fā)明僅需在積淀聚合物薄膜4的工藝中,積淀不同的聚合物薄膜即可制成出對(duì)不同氣體敏感的氣體傳感器及其陣列,而其它的所有工藝則對(duì)本發(fā)明的所有氣體傳感器及其陣列通用。
顯然,本發(fā)明的氣體傳感器及其陣列在實(shí)施時(shí),聚合物薄膜4還可用流延、噴射等方法積淀,但旋涂法更容易控制;杯狀空腔2還可以用化學(xué)腐蝕法制作;應(yīng)變電阻5、6、7、8還可用離子注入法制作;應(yīng)變膜片3的形狀也可以為圓形和矩形。
權(quán)利要求
1.一種氣體傳感器,其組成為硅基片(1)的背面制作有一杯狀空腔(2),杯狀空腔(2)的頂部為硅應(yīng)變膜片(3);硅應(yīng)變膜片(3)中分布有四個(gè)應(yīng)變電阻(5、6、7、8)并相連構(gòu)成惠斯通電橋;惠斯通電橋的四個(gè)應(yīng)變電阻(5、6、7、8)的位置分布應(yīng)使硅應(yīng)變膜片(3)沒有應(yīng)變時(shí),惠斯通電橋平衡,硅應(yīng)變膜片(3)有應(yīng)變時(shí),惠斯通電橋失衡;硅應(yīng)變膜片(3)的上表面附著有對(duì)被測(cè)氣體敏感的聚合物薄膜(4)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種氣體傳感器,其特征在于所述的杯狀空腔用MEMS技術(shù)制造。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種氣體傳感器,其特征在于所述的硅應(yīng)變膜片(3)的形狀是圓形、正方形或矩形中的任一種。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種氣體傳感器,其特征在于所述的應(yīng)變電阻(5、6、7、8)用擴(kuò)散法或離子注入法制作。
5.一種氣體傳感器陣列,其組成為一塊芯片上同時(shí)集成兩個(gè)或兩個(gè)以上的氣體傳感器單元,每個(gè)氣體傳感器單元的構(gòu)成為硅基片(1)的背面制作有一杯狀空腔(2),杯狀空腔(2)的頂部為硅應(yīng)變膜片(3);硅應(yīng)變膜片(3)中分布有四個(gè)應(yīng)變電阻(5、6、7、8)并相連構(gòu)成惠斯通電橋;惠斯通電橋中的四個(gè)應(yīng)變電阻(5、6、7、8)的位置分布應(yīng)使硅應(yīng)變薄膜(3)沒有應(yīng)變時(shí),惠斯通電橋平衡,硅應(yīng)變薄膜(3)有應(yīng)變時(shí),惠斯通電橋失衡;硅應(yīng)變膜片(3)的上表面附著有對(duì)被測(cè)氣體敏感的聚合物薄膜(4);不同的氣體傳感器單元上附著不同的聚合物薄膜(4)。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種氣體傳感器陣列,其特征在于所述的杯狀空腔用MEMS技術(shù)制造。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種氣體傳感器陣列,其特征在于所述的硅應(yīng)變膜片(3)的形狀是圓形、正方形或矩形中的任一種。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種氣體傳感器,其特征在于所述的應(yīng)變電阻(5、6、7、8)用擴(kuò)散法或離子注入法制成。
全文摘要
一種氣體傳感器及其陣列,氣體傳感器的組成為硅基片(1)的背面制作有一杯狀空腔(2),杯狀空腔(2)的頂部為硅應(yīng)變膜片(3);硅應(yīng)變膜片(3)中分布有四個(gè)應(yīng)變電阻(5、6、7、8)并相連構(gòu)成惠斯通電橋;硅應(yīng)變膜片(3)的上表面附著有對(duì)被測(cè)氣體敏感的聚合物薄膜(4)。該種氣體傳感器體積小、易于集成和批量生產(chǎn),工作時(shí)無需加熱,功耗低、可檢測(cè)多種有機(jī)氣體。以該種傳感器為單元,多個(gè)傳感器單元集成于一塊芯片上構(gòu)成氣體傳感器陣列,有利于改善氣體傳感器的選擇性。
文檔編號(hào)H01L21/00GK1936564SQ20061002201
公開日2007年3月28日 申請(qǐng)日期2006年10月9日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月9日
發(fā)明者陳向東, 嚴(yán)俊 申請(qǐng)人:西南交通大學(xué)