专利名称：一种微型电容式气体传感器及其制备方法
技术领域：
本发明涉及气体传感器技术领域，具体涉及一种电容式气体传感器及其制备方 法。
背景技术：
气体传感器有多种类型，电容式气体传感器是其中的一种。它是在正负电极之间 设置介质层，通过测量由于介质层吸附待测气体而产生的电容值变化来测量气体浓度，具 有灵敏度高，体积小，噪声低，探测的气体种类多等特点。美国Seacoast公司对微型电容式气体传感器做了很多研究。图1为该公司研制 的一种平板电容器结构的微型气体传感器，通过MEMS工艺在上、下电极板层间形成空腔， 再在空腔中填充聚合物介质，其特点是在上极板上设有通气孔以进行气体的扩散和吸附。 在该传感器中，上电极板相当于一个悬空膜片，膜片除了进行四周支撑外，还在膜片的中心 部位设置了许多支柱以加固上极板，四周的支撑形成闭合的传感器侧壁。在上极板或侧壁 上设有开孔以注入聚合物介质。文献[1] Sensors and Actuators B, 2003,96 541-553 ； [2]Sensors and ActuatorsB, 2005,107 892-903 ； [3]Proc. of SPIE,2005,5986,59860M ；Sensors andActuators B，2006，116 :192_201 ； [5]美国专利 US 7115969 ； [6]美国专利 US7393740 ； [7] Talanta, 2008, 76 :872_877中详细介绍了这种电容式气体传感器的结构， 并将它们应用于探测有机挥发性化合物(VOCs)、炸药、化学战剂(CWAs)和有毒工业化学品 (TICs)等气体。该种平板电容器型的气体传感器具有很高的灵敏度，如对DMMP和硝基苯炸药的 检测下限分别达到了 2ppb和0. Ippb0但它们都有一个共同点，就是待测气体都是通过多孔 的上电极板或者开放的上电极，进入气体传感器中，经过介质敏感材料的吸附，从而改变介 电常数和传感器的电容。这种结构的缺点是待测气体通过上电极板上的气孔进入传感器，并被介质敏感材料所充分吸附，需 要较长的时间，因而整个电容式气体传感器的响应时间较长，如对DMMP的响应时间t9(1高 达138s，这对于需要快速检测和响应的应用有很大影响，如在爆炸气体和毒气的检测方面。 并且，由于气孔的面积有限，介质薄膜暴露出来的吸附面积很小，不利于和气体进行充分接 触。
发明内容
本发明所要解决的问题是如何提供一种微型电容式气体传感器及其制备方法，该传感器能大幅缩短待测气体的扩散时间，提高了电容式气体传感器的响应速度。本发明所提出的技术问题是这样解决的提供一种微型电容式气体传感器，包括上电极平板、下电极平板、若干支柱和介质薄膜，支柱设置在上电极平板和下电极平板之 间，使两者之间形成空腔，所述介质薄膜涂覆在支柱上以及上下电极的内表面上，其特征在 于
①相邻支柱上的介质薄膜彼此不接触，保留的空腔结构形成气体扩散通道；②上电极平板上不设置气孔，上电极平板和下电极平板之间的侧壁开放，使气体从侧壁进入。按照本发明所提供的微型电容式气体传感器，其特征在于，所述介质薄膜是有机 介质薄膜或无机氧化物介质薄膜。一种微型电容式气体传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤①在硅衬底上制备下电极薄膜，并图形化形成下电极平板；②采用化学气相沉积法在下电极平板上制备氮化硅或氮氧硅薄膜，并刻蚀薄膜形 成支柱，四周边缘部位支柱的形状可与中心部位的支柱不一致，尺寸也可比中心部位的大
一些；③旋涂玻璃，其厚度与支柱的高度一致；④采用化学气相沉积法在玻璃牺牲层上制备掺杂的多晶硅作为上电极平板，形成 平板电容器；⑤采用HF酸去除玻璃牺牲层，释放空腔结构，形成具有空腔结构的平板电容器；⑥采用浸渍法在具有空腔结构的平板电容器的支柱上以及上、下电极平板的内表 面上涂覆介质薄膜，形成微型平板电容式气体传感器。按照本发明所提供的微型电容式气体传感器的制备方法，其特征在于，所述介质 薄膜是有机介质薄膜或无机氧化物介质薄膜，无机氧化物介质薄膜采用金属有机物作为前 驱溶液，浸渍涂覆后经热处理形成无机氧化物薄膜。按照本发明所提供的微型电容式气体传感器的制备方法，其特征在于，下电极平 板是化学气相沉积法制备的掺杂多晶硅薄膜或者蒸发或溅射法制备的金属薄膜，金属薄膜 包括金、铜、铝、镍铬、钼、钛、钨。本发明是基于美国Seacoast公司的平板电容式气体传感器的改进，主要的改进 措施在于(1)美国Seacoast公司的平板电容式气体传感器的介质层将上下电极之间的空 腔全部填满；而在本发明中，涂覆在支柱上的介质层较薄，支柱之间仍然保留有间隙，气体 可以自由流动；(2)美国Seacoast公司的平板电容式气体传感器的侧壁是封闭的，气体由上电极 平板上的气孔进入；而在本发明中上电极平板上不设置气孔，气体是由传感器的侧壁进入 的，因为传感器的侧壁是由支柱围成的，支柱和支柱之间有间隙，这些间隙构成了气孔；(3)美国Seacoast公司的平板电容式气体传感器的介质层是处于一个封闭空腔 中，因此采用灌注法填充介质层；而在本发明中由于空腔结构是开放的，灌注法不再适用， 而采用浸渍法涂覆介质层。浸渍法也保证了只会在空腔的内壁涂覆上一层介质薄膜，而不 会将整个空腔填满；(4)美国Seacoast公司的平板电容式气体传感器虽然在上、下电极板之间也有支 柱，但这些支柱的作用仅仅是为了增强对上电极平板的支撑。而在本发明中，还利用了支柱 形成后增大了内表面积这一特点。而Seacoast公司的传感器将介质薄膜填满整个空间后， 支柱所提供的内表面积就消失了。本发明的实质是将美国Seacoast公司的平板电容式气体传感器的实心介质层改为多孔介质层，使得吸附面积更大，吸附的路径更长，吸附得更加充分，有利于提高传感器的灵敏度；并且介质层的多孔结构是连为一体的，并与外壁的气孔相通，有利于气体的扩散 从而缩短传感器的响应时间。本发明是基于现有微型平板电容式气体传感器结构的改进，该改进简单易行，可以完全沿用原来的工艺步骤，只需改变支柱层和上电极层的光刻版即可实现。
图1为美国Seacoast公司的平板电容式气体传感器结构示意图，(a)剖面图(参 见 Talanta，2008，76 :872-877) ； (b)顶视图(参见 Sensors and ActuatorsB, 2006,116 192-201)；图2为本发明的微型平板电容式气体传感器的截面图；图3为本发明第一种结构传感器的俯视图；图4为本发明第二种结构传感器的俯视图；图5为本发明第三种结构传感器的俯视图；图6为本发明第四种结构传感器的俯视图；图7为本发明第五种结构传感器的俯视图；图8为本发明第六种结构传感器的俯视图。其中，1为硅基片；2为下电极板；3为上电极板；4为介质敏感薄膜；5为顶电极气 孔/注入孔；6为侧壁；7为支柱；8为侧面气孔/注入孔；9为气流通道。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步描述该微型电容式气体传感器，如图2所示，包括上电极平板、下电极平板、若干支柱 和介质薄膜，支柱设置在上电极平板和下电极平板之间，使两者之间形成空腔，所述介质薄 膜涂覆在支柱上以及上下电极的内表面上，相邻支柱上的介质薄膜彼此不接触，保留的空 腔结构形成气体扩散通道，上电极平板上不设置气孔，上电极平板和下电极平板之间的侧 壁开放，使气体从侧壁进入。介质薄膜是有机介质薄膜或无机氧化物介质薄膜。制备方法包括以下步骤①在硅衬底上制备下电极薄膜，并图形化形成下电极平板；②采用化学气相沉积法在下电极平板上制备氮化硅或氮氧硅薄膜，并刻蚀薄膜形 成支柱，四周边缘部位支柱的形状可与中心部位的支柱不一致，尺寸也可比中心部位的大
一些；③旋涂玻璃，其厚度与支柱的高度一致；④采用化学气相沉积法在玻璃牺牲层上制备掺杂的多晶硅作为上电极平板，形成 平板电容器；⑤采用HF酸去除玻璃牺牲层，释放空腔结构，形成具有空腔结构的平板电容器；⑥采用浸渍法在具有空腔结构的平板电容器的支柱上以及上、下电极平板的内表 面上涂覆介质薄膜，形成微型平板电容式气体传感器。介质薄膜是有机介质薄膜或无机氧化物介质薄膜，无机氧化物介质薄膜采用金属有机物作为前驱溶液，浸渍涂覆后经热处理形成无机氧化物薄膜。下电极平板是化学气相沉积法制备的掺杂多晶硅薄膜或者蒸发或溅射法制备的 金属薄膜，金属薄膜包括金、铜、铝、镍铬、钼、钛、钨。以下是本发明的具体实施例实施例1如图3所示，传感器的外形为圆形，支柱为正方形。该结构的气体传感器包括下电极板2、上电极板3、支柱7、介质敏感薄膜4、设置在侧壁的气孔5、具有开孔的侧壁6。在 硅基片1上通过蒸发工艺淀积一层厚度为500nm的金属铝薄膜，将薄膜光刻图形化后形成 直径为Imm的圆，作为平板电容的下电极板2。侧壁6和支柱7采用氮化硅，薄膜厚度为 2um，采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)工艺制备并采用干法刻蚀形成图3所示图 案。侧壁6为相互分离的扇形支柱，占空比为1 1，扇形支柱和气孔5对应的圆心角都为 4. 5° ；内部支柱7是边长为50um的正方形，水平间隔150um，垂直间隔50um，交错排列在 下电极板2上。随后通过旋涂玻璃，使其厚度与支柱7高度一致，采用PECVD方法在玻璃牺 牲层上沉积一层厚度为500nm的掺杂多晶硅薄膜，形成上电极板3，再使用BOE缓冲蚀刻液 (HF NH4F H2O = 3ml 6g IOml)，去除玻璃牺牲层，形成具有空腔结构的平板电容 器。介质敏感薄膜4为聚甲基[3-(2-羟基)苯基]丙基硅氧烷(PMPS)，将PMPS溶解于三 氯甲烷溶液中，配成浓度为溶液。将微型平板电容式气体传感器浸渍到PMPS 溶液中半分钟后捞出，放入烘箱，恒温90°C烘烤60min，使溶剂三氯甲烷完全挥发。该气体 传感器可用来探测DMMP气体，传感器的响应时间为20-30s。实施例2该例的传感器外形为圆形，支柱也为圆形，如图4所示。与例1相比，传感器的下 电极板2、侧壁6、介质敏感薄膜4和上电极板3相同，只是介质层支柱7设计成圆形。圆形 支柱7高度为2um，直径为50um，相互之间水平间隔150um，垂直间隔50um，并交错排列在下 电极板2上。实施例3与实施例1和例子2相比，该例的传感器的下电极板2、侧壁6、介质敏感薄膜4和 上电极板3都相同，只是介质层支柱7设计成矩形，如图5所示。矩形支柱7高度为2um，长 为75um，宽为37. 5um，水平间隔和垂直间隔都为37. 5um，相邻支柱之间正交排列。实施例4-实施例6在实施例1-3的基础上，将传感器的外形设计为长方形，其余都不改变，可以分别 得到如图6-8所示的实施例4-6的传感器结构。其中，下电极板2是长为1 IOOum,宽为850um 的矩形。侧壁6由长60um，宽35um的矩形依次排列而成，占空比为1 1，其中四个顶点处 为边长60um的正方形。
权利要求
一种微型电容式气体传感器，包括上电极平板、下电极平板、若干支柱和介质薄膜，支柱设置在上电极平板和下电极平板之间，使两者之间形成空腔，所述介质薄膜涂覆在支柱上以及上下电极的内表面上，其特征在于①相邻支柱上的介质薄膜彼此不接触，保留的空腔结构形成气体扩散通道；②上电极平板上不设置气孔，上电极平板和下电极平板之间的侧壁开放，使气体从侧壁进入。
2.根据权利要求1所述的微型电容式气体传感器，其特征在于，所述介质薄膜是有机 介质薄膜或无机氧化物介质薄膜。
3.—种微型电容式气体传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤①在硅衬底上制备下电极薄膜，并图形化形成下电极平板；②采用化学气相沉积法在下电极平板上制备氮化硅或氮氧硅薄膜，并刻蚀薄膜形成支柱；③旋涂玻璃，其厚度与支柱的高度一致；④采用化学气相沉积法在玻璃牺牲层上制备掺杂的多晶硅作为上电极平板，形成平板 电容器；⑤采用HF酸去除玻璃牺牲层，释放空腔结构，形成具有空腔结构的平板电容器；⑥采用浸渍法在具有空腔结构的平板电容器的支柱上以及上、下电极平板的内表面上 涂覆介质薄膜，形成微型平板电容式气体传感器。
4.根据权利要求3所述的微型电容式气体传感器的制备方法，其特征在于，所述介质 薄膜是有机介质薄膜或无机氧化物介质薄膜，无机氧化物介质薄膜采用金属有机物作为前 驱溶液，浸渍涂覆后经热处理形成无机氧化物薄膜。
5.根据权利要求3所述的微型电容式气体传感器的制备方法，其特征在于，下电极平 板是化学气相沉积法制备的掺杂多晶硅薄膜或者蒸发或溅射法制备的金属薄膜，金属薄膜 包括金、铜、铝、镍铬、钼、钛、钨。
全文摘要
本发明公开了一种微型电容式气体传感器，包括上电极平板、下电极平板、若干支柱和介质薄膜，支柱设置在上电极平板和下电极平板之间，使两者之间形成空腔，所述介质薄膜涂覆在支柱上以及上下电极的内表面上，其特征在于①相邻支柱上的介质薄膜彼此不接触，保留的空腔结构形成气体扩散通道；②上电极平板上不设置气孔，上电极平板和下电极平板之间的侧壁开放，使气体从侧壁进入。本发明的微型平板电容式气体传感器可以对浓度极低的多种待测气体进行检测，具有响应快、灵敏度高、检测对象广泛的特点。
文档编号C23C14/06GK101825511SQ20101016176
公开日2010年9月8日 申请日期2010年5月4日 优先权日2010年5月4日
发明者杜晓松, 蒋亚东, 靖红军 申请人:电子科技大学