传感器及其形成方法、检测气体的方法_3

文档序号:8297857阅读:来源:国知局
所述光刻胶图形,形成若干间隔的MoS 2纳米线且若干MoS2纳米线呈线性排列。
[0061]还需要说明的是,控制MoS2纳米结构的生长温度、间距、气体流量还可以制备出MoSj^纳米棒、纳米带、纳米晶须等纳米结构,在此特意说明,不应过分限制本发明的保护范围。
[0062]请参考图6,在所述第一介质层110表面形成传输线120,所述传输线120具有间隔121,所述间隔121适于容纳所述MoS2m米结构122 ;
[0063]所述传输线120用于传输微波信号,所述传输线的材料为金属,例如铜、金、银等。
[0064]所述传输线120为长条状,传输线120沿长度方向排列,其中,所述传输线长度为11毫米至13毫米,宽度为0.6毫米,间隔121为0.3毫米。
[0065]作为一实施例,所述传输线120的形成工艺包括:采用光刻胶图形覆盖所述MoS2纳米结构122,所述光刻胶图形暴露出若干所述第一介质层110表面,所述光刻胶图形与待形成的传输线120对应,采用物理气相沉积工艺在所述第一介质层110表面形成金属薄膜(未标示);去除光刻胶图形,形成具有间隔121的传输线120。
[0066]请一并参考图7和图8,其中图8为沿垂直第二表面II方向的图7的俯视图,在第二介质层150表面形成接地层130,所述接地层形成有互补开口谐振环131。
[0067]其中,互补开口谐振环131作用为:当电磁波入射时,如果磁场方向垂直于开口谐振环平面,则开口谐振环上金属结构表面金属带部分产生电流回路,等效为电感;位移电流位于开口谐振环内外金属环间缝隙和各环开口处,等效为电容。因此,在入射电磁波磁场激励下,开口谐振环产生谐振,并且等效磁导率为负。互补开口谐振环是开口谐振环的互补结构。由传输线理论,准TEM模式使金属带条和地板间有强烈的电场分布,当电场强度足够大且正好平行于互补开口谐振环中心轴线,就能够较好地对互补开口谐振环进行激励,并产生负的介电常数,互补开口谐振环应用于传感器使得器件在特定频段具有负介电常数和负磁导率,使得传感器的尺寸和工作频率相比很小,可小型化,并且传感器具有好的品质因数,可提高传感器灵敏性。
[0068]因此,所述互补开口谐振环131能够放大消逝波,使得谐振环区域电场强,增强传感器灵敏性,并且所述互补开口谐振环131结构的超材料特性具有双负性,能够可以减小器件尺寸,例如所述互补开口谐振环131结构的超材料可在λ/8至λ//12谐振(需要说明的是:λ是传感器工作频率对应的波长),从而减小器件尺寸。
[0069]进一步的,选用所述互补开口谐振环131的气体传感器具有低功耗。
[0070]作为一实施例,互补开口谐振环131的结构为两个互相反向放置的同心开口谐振环,其中,较大的开口谐振环的尺寸为:开口为0.3毫米,环的内径为5.52毫米,环的外径为5.92毫米。较小的开口谐振环的尺寸为:开口为0.3毫米,环的内径为4.72毫米,环的外径为5.12毫米。较大的开口谐振环与较小的开口谐振环的间距为0.2毫米。
[0071]互补开口谐振环131的位置与传输线120的间隔121对应,作为一实施例,间隔121投影的位置位于互补开口谐振环131的中心位置。为了示意,所述传输线120在图8中的投影以虚线示出。
[0072]具体地,在第二介质层150的表面形成接地层130的工艺包括:采用物理气相沉积工艺在所述第二介质层150的表面形成接地层130。
[0073]接地层130的厚度为5微米至20微米,接地层的材料为金属,例如铜、金、银等。
[0074]在所述接地层130内形成互补开口谐振环131的步骤包括:在所述接地层130表面形成光刻胶图形(未示出),所述光刻胶图形具有与互补开口谐振环131对应的图形;以所述光刻胶图形为掩膜,刻蚀所述接地层130,直至暴露出所述第二介质层150的表面;去除所述光刻胶图形,形成互补开口谐振环131。
[0075]本发明还提供一种传感器的实施例,包括:具有第一表面I和与第一表面I相对的第二表面II的半导体衬底100 ;位于第一表面I的第一介质层110 ;位于第二表面II的第二介质层150 ;位于第一介质层110表面的传输线120,且传输线120具有间隔121 ;填充所述间隔121的MoS2m米结构;位于第二介质层150的接地层130,所述接地层130内具有互补开口谐振环131,互补开口谐振环131的位置与传输线的间隔121对应。
[0076]具体地,半导体衬底100厚度为400微米至600微米,介电常数约为11.9 ;
[0077]所述第一介质层110的材料为氧化娃、氮化娃、氮氧化娃等介质材料;所述第一介质层110的厚度为10到30微米,所述第一介质层110的介电常数约为4。
[0078]所述第二介质层150的材料为氧化娃、氮化娃、氮氧化娃等介质材料;所述第二介质层150的厚度为10到30微米,所述第二介质层150的介电常数约为4。
[0079]所述传输线120为长条状,传输线120沿长度方向排列,其中,所述传输线长度为11毫米至13毫米,宽度为0.6毫米,间隔121为0.3毫米。所述此32纳米结构122适于吸附待探测气体,从而导致MoS2纳米结构的介电常数和导电性都发生变化,从而最终引起传感器谐振频率的变化,通过测量谐振频率的偏移,从而获得气体的浓度变化。MoS2m米结构122的数量可以为1、2、3、4...;MoS2m米结构可以为MoS 2的纳米棒、纳米带、纳米晶须等纳米结构。
[0080]互补开口谐振环131的结构为两个互相反向放置的同心开口谐振环,其中,较大的开口谐振环的尺寸为:开口为0.3毫米,环的内径为5.52毫米,环的外径为5.92毫米。较小的开口谐振环的尺寸为:开口为0.3毫米,环的内径为4.72毫米,环的外径为5.12毫米。较大的开口谐振环与较小的开口谐振环的间距为0.2毫米。
[0081]需要说明的是,所述传感器可以做以下近似:互补开口谐振环131忽略对谐振频率影响较小的电阻,其性能接近于一个LC网络;传输线120可以等效为电容和电感,MoS^米结构122等效为RLC电路,来调谐谐振的频率。
[0082]其中,以具有一个MoS^米结构122的传感器为例,其中所述传感器的传输线120为长条状,所述传输线120只有I个间隔,图9为所述传感器的等效电路,包括:输入端,所述输入端连接传输线第一等效电感Lftfia的第一端,传输线第一等效电感Lftfia的第二端连接MoS2纳米结构的等效电阻RM()S2的第一端,MoS 2纳米结构的等效电阻Rsfos2的第二端连接MoS2纳米结构的等效电感Lsfos2的第一端,MoS 2纳米结构的等效电感Lsfos2的第二端连接MoS 2纳米结构的等效电容Csfos2的第一端,MoS2纳米结构的等效电容(:_的第二端连接传输线第二等效电感L’ 的第一端,传输线第二等效电感L’ 的第二端连接输出端,传输线第一等效电容Cmms的第一端连接传输线第一等效电感Lmms的第二端,传输线第一等效电容Cftfia的第二端连接传输线第二等效电容C’ 的第一端,传输线第二等效电容C’ 的第二端连接传输线第二等效电感的第一端;互补开口谐振环的等效电感L.的第一端连接传输线第一等效电容Cftisa的第二端,互补开口谐振环的等效电容Ckkk的第一端连接传输线第一等效电容Cftisa的第二端,互补开口谐振环的等效电感Lraili的第二端连接互补开口谐振环的等效电容C。.的第二端并接地。
[0083]由所述传感器的等效电路可知,所述MoS2m米结构122等效为串联的电阻、电感和电容,将所述传感器放置于待检测环境时,当微波信号通过所述传输线120时,所述MoS2纳米结构122吸附待检测气体,等效电容的电容值和电阻值改变,从而引起传感器的频率与S11的曲线的谐振频率变化,使得所述传感器能够检测待检测气体。
[0084]本发明还提供一种采用上述实施例的传感器检测气体的方法,包括如下步骤:
[0085]S201,提供传感器,所述传感器包括:具有第一表面和与第一表面相对的第二表面的半导体衬底;位于第一表面的第一介质层;位于第二表面的第二介质层;位于第一介质层表面的传输线,且传输线具有间隔;填充所述间隔的MoS2m米结构;位于第二介质层的接地层,所述接地层内具有互补开口谐振环,互补开口谐振环的位置与传输线的间隔对应;
[0086]S202,获取第一曲线,所述第一曲线为:在没有待检测气体的环境下,所述传感器的频率与S11的曲线;
[0087]S203,将传感器放置于待检测环境,获取第二曲线,所述第二曲线为:在待检测环境下,所述传感器的频率与S11的曲线;
[0088]S204,通过比较第一曲线和第二曲线的频移的谐振频率变化与否,检测待检测环境下是否存在待检测气体。
[0089]其中,第一曲线和第二曲线的获取方式为采用矢量网络分析仪测试传感器对传感器进行测试。
[0090]在另一实施例中,还可以通过获取待检测环境的多条第二曲线,根据多条第二曲线频移的谐振频率变化幅度,来获取待检测环境的待检测气体浓度。
[0091]具体地,以所述待检测气体为NO2为例做示范性说明,通过设置传感器的参数,使得传感器工作于移动通信或者WIFI等免费开放频段,作为一实施例,半导体
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