专利名称：基于微电子加工技术的电离气体传感器微阵列结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种微电子技术领域的器件，具体是一种基于微电子加工技术的电离气体传感器微阵列结构。
背景技术：
基于气体分子在电场中的电离与由此而产生的带电粒子输运为机理的传感器，可以用于传感不同气体成分与含量信息，相对于其他类型的传感器，这种传感器的主要优点在于它有很高的选择性。但使用传统加工工艺和电极材料，并且基于电容结构的此类传感器却有非常多的缺陷，主要是由于工作电压过高，通常达到千伏左右，造成使用安全性低、需要一个相对复杂昂贵的高压电路、无法加工实现便于携带的微器件、成本高、难于实现传感器阵列化，因此，基于这一原理的传感器很难被用于作为基于大规模微传感器阵列的智能传感器系统的基础敏感元器件。因此，基于分子电离原理的气体传感器是有其传感原理上的相对优势的，但必须设法降低工作电压。
经对现有技术的文献检索发现，Zhang Yong等人在“Sensors and Actuators A(传感器与执行器A)”2005年第125期报道的题为“Study of improvingidentification accuracy of carbon nanotube film cathode gas sensor(对碳纳米管薄膜阴极气体传感器提高检测精度的研究)”的文献。文中通过使用碳纳米管作为电极可以显著降低器件的工作电压，另一方面通过间距不同的两个传感器组成阵列，再利用的气体放电电学性能进行模式识别提高对混合气体的识别精度。但是文中并没有提出适于批量、高精度加工的器件的阵列结构。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，本发明提出一种基于微电子加工技术的电离气体传感器微阵列结构。使其充分利用微电子加工技术强大的平面加工能力，能够高精度地加工形成不同的敏感单元电极间距和电极平面形状。本发明所提出的传感器微阵列能够批量、高精度的加工成型，适于作为微智能传感器系统的敏感单元的阵列结构。同时，由于使用这种加工手段，使阵列中每个敏感单元都可以有很大的设计与优化空间，并且可以加工出几微米的电极间隙、电极尺寸，从而可以大大降低整个器件的工作电压。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括衬底、微电极阵列、微电极条单元、传感器单元，所述的微电极阵列设置在衬底上，所述的微电极阵列，包括多个微电极条单元，每对相邻阴阳电极条构成侧壁电极对，作为产生可控电场的结构，从而构成一个传感器单元，多个传感器单元组成微电极阵列，依据各个传感器单元内的相邻阴阳电极条的平面几何形状与间距是否相同，传感器单元分为等同单元和相异单元，等同单元是指两个单元内的相邻阴阳电极条的平面几何形状与间距完全相同，相异单元是指两个单元内的相邻阴阳电极条的平面几何形状或者间距不同。
所述的衬底，其表面具有高绝缘性能，它可以是玻璃，也可以是上层带有绝缘层的硅片，绝缘层材料可以是二氧化硅、氮化硅，也可以是其它绝缘衬底。
所述的微电极阵列，可以是单层或者多层薄膜，包括金属层或者包括金属层和一维纳米材料层。所说的金属，例如铬、铜、金、铂金、铝、镍、铁-镍、镍-铜。所说的一维纳米材料，例如碳纳米管、纳米碳纤维、纳米碳化硅纤维、纳米氧化锌纤维。
所述的微电极阵列，包括阳极阵列和阴极阵列，每对相邻电极条之间均有一定的间隔，间隔中存在待测气体。
本发明所提出的传感器微阵列适于采用高精度的微电子加工技术对每个敏感单元加工成型，从而可以将电极间距缩小至微米以下量级的水平，因此可以极大地降低工作电压。同时，本发明所述的传感器阵列，可以将电极形状、阴阳电极间距这两种参数的多种组合集成在一个微阵列中，而这两个参数是最主要的使相同气体产生不同放电电压-电流特征差别的参数，因此，本发明所述微器件可以增强信号强度、平衡单一器件的误差影响；同时可以利用多种不同特征结构的放电器件对目标气体放电现象的不同电学特征进行系统检测，可以增加检测精度和准确度。因此易于形成具有高敏感性、选择性、稳定性、工作安全性和低能耗的微型传感器阵列系统。
图1是本发明所涉及的一种阵列结构的示意图。
图2是本发明所述结构传感器微阵列对三种目标气体进行检测所得到的单元间距-放电起始电压曲线。
具体实施例方式
如图1所示，本发明包括，衬底1、微电极阵列2、微电极条单元3、传感器单元4，所述的微电极阵列2设置在衬底1上，所述的微电极阵列2，包括多个微电极条单元3，每对相邻阴阳电极条构成侧壁电极对，作为产生可控电场的结构，从而构成一个传感器单元4，多个传感器单元组成微电极阵列，依据各个传感器单元内的相邻阴阳电极条的平面几何形状与间距是否相同，传感器单元分为等同单元和相异单元，等同单元是指两个单元内的相邻阴阳电极条的平面几何形状与间距完全相同，相异单元是指两个单元内的相邻阴阳电极条的平面几何形状或者间距不同。
所述的衬底1，其表面具有高绝缘性能，它可以是玻璃，也可以是上层带有绝缘层的硅片，绝缘层材料可以是二氧化硅、氮化硅，也可以是其它绝缘衬底。
所述的微电极阵列2，可以是单层或者多层薄膜，包括金属层或者包括金属层和一维纳米材料层。所述的金属，例如铬、铜、金、铂金、铝、镍、铁-镍、镍-铜。所说的一维纳米材料，例如碳纳米管、纳米碳纤维、纳米碳化硅纤维、纳米氧化锌纤维。
所述的微电极阵列2，包括阳极阵列和阴极阵列，每对相邻电极条之间均有一定的间隔，间隔中存在待测气体。
为使每一种成分与含量的气体发生某种形式的场致放电，都必须在含有该气体的空间形成某种特征的电场，而通过适当设计可以让一系列气体的特征离化电场同时在一个器件的空间中并存，方法就是将这个空间划分为若干单元，每个单元都由碳纳米管微间隙电极间隙及其邻近区域的空间组成，但各个单元的结构不同，典型地，如两个单元的阴阳电极间距不同、或者两个单元中阴阳电极形状不同。并通过电路设计使各个单元并联形成某种独立的回路，当针对某一单元的器件特征施以特征电压时，就会在该敏感单元的电极间隙当中及其附近区域产生不同分布特征与强度的局部电场，而该局部电场正好是可以使目标气体发生放电的电场，当某种目标气体存在时，该单元就会形成通路，表现为该成分与含量气体的特征电压和电流，作为判断该种气体存在的一种依据。对于阵列中的其他单元，首先，对于等同单元，可以放大或验证信号的准确度；其次，对于相异单元，在其各自的特征电压之下，形成其特征离化电场，并形成其对应的单元在回路中表现出的电学特征，作为感受该种气体存在的其他依据，于是就得到了对该种气体特征放电电学量的系统化检测。从而提高传感器的选择性、灵敏性和精度。
图2是本发明所述结构传感器微阵列对三种目标气体进行检测所得到的单元间距-放电起始电压曲线。三种目标气体分别为空气、空气中含有体积百分比为1％的He和空气中含有体积百分比为10％的CO2。传感器微阵列使用了四个相异传感器单元，每个传感器单元的相邻阴阳电极条间距不同。并且，传感器阵列的每个单元电极条都包含有碳纳米管薄膜，形成碳纳米管电极。小间距和碳纳米管电极的使用大幅度降低了工作电压。并且得到了一种新的检测气体成分与含量信息的方法，可以极大地提高检测准确度和精度。
权利要求
1.一种基于微电子加工技术的电离气体传感器微阵列结构，包括，衬底(1)、微电极阵列(2)、微电极条单元(3)、传感器单元(4)，其特征在于，所述的微电极阵列(2)设置在衬底(1)上，微电极阵列(2)包括多个微电极条单元(3)，每对相邻阴阳电极条构成侧壁电极对，作为产生可控电场的结构，从而构成一个传感器单元(4)，多个传感器单元组成微电极阵列，依据各个传感器单元内的相邻阴阳电极条的平面几何形状与间距是否相同，传感器单元分为等同单元和相异单元，等同单元是指两个单元内的相邻阴阳电极条的平面几何形状与间距完全相同，相异单元是指两个单元内的相邻阴阳电极条的平面几何形状或者间距不同。
2.根据权利要求1所述的微型人类呼吸传感器，其特征是，所述的衬底(1)是玻璃，或者是上层带有绝缘层的硅片，绝缘层材料是二氧化硅或者氮化硅。
3.根据权利要求1所述的微型人类呼吸传感器，其特征是，所述的微电极阵列(2)，是单层或者多层薄膜，包括金属层或者包括金属层和一维纳米材料层。
4.根据权利要求1所述的微型人类呼吸传感器，其特征是，所述的微电极阵列(2)，包括阳极阵列和阴极阵列，每对相邻电极条之间均有间隔，间隔中存在待测气体。
全文摘要
一种微电子技术领域的电离气体传感器微阵列结构。本发明包括衬底、微电极阵列、微电极条单元、传感器单元，所述的微电极阵列设置在衬底上，包括多个微电极条单元，每对相邻阴阳电极条构成侧壁电极对，可产生可控电场，从而构成一个传感器单元，多个传感器单元组成微电极阵列，依据各个传感器单元内的相邻阴阳电极条的平面几何形状与间距是否相同，传感器单元分为等同单元和相异单元。本发明适于微电子加工技术加工，可将电极形状、间距的多种组合集成在一个微阵列中，因此能对目标气体放电现象的不同电学特征进行系统检测，可以增加检测精度和准确度，易于形成高敏感性、选择性、稳定性、工作安全性和低能耗的微型传感器阵列系统。
文档编号G01N27/62GK1808111SQ200510112218
公开日2006年7月26日 申请日期2005年12月29日 优先权日2005年12月29日
发明者侯中宇, 蔡炳初, 张亚非, 徐东, 魏星 申请人:上海交通大学