一种基于微间隙极化结构构造放电电场的电离式传感器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于微间隙极化结构构造放电电场的电离式气体传感器，包括：外接电路电极对、极化结构和大长径比材料，极化结构设置于外接电路电极对之间的区域，大长径比材料至少设置于极化结构和外接电路电极对中的一个部件上。本发明所述传感器在工作时，仅需要在外接电路电极上加载较低的电压，就能够通过极化结构的极化作用，在极化结构和外接电路电极之间产生足以电离目标气体分子的电场，从而有效降低传感器工作电压。与既有技术中外接电路电极对之间的微小间隙结构相比，可以有效防止灰尘、纤维等污染物掉落在微小间隙中所造成的不稳定和失效问题，同时能够提高信噪比和敏感度。
【专利说明】—种基于微间隙极化结构构造放电电场的电离式传感器
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种电离式传感器，尤其涉及一种基于微间隙极化结构构造放电电场的电离式传感器。
【背景技术】
[0002]电离式气体传感器通过气体分子电离产生的气体电子学信号实现传感，其主要优势是响应快、回复时间短和敏感范围宽，对其它类型的传感器是一种重要的补充，在危险气体报警、有毒有害气体监测等诸多领域有着重要应用前景。
[0003]然而，为了电离气体分子，需要施加高电场，因此，高电压操作成为这一类型的传感器普遍存在的瓶颈问题。
[0004]对现有技术的文献检索发现，在公开的技术文献中，为解决该瓶颈问题，主要是将大长径比材料覆盖在电极表面，并减小电极间隙至数微米到数十微米的水平。
[0005]如Ashish Modi等人在“Nature (自然)”2003年第424卷第171到174页上发表的论文 “Miniaturized gas ionization sensors using carbon nanotubes (使用碳纳米管的微气体电离传感器)”。碳纳米管被放置在三明治电极结构的外接电路阳极，通过玻璃绝缘层厚度控制调节外接电路电极的间距。将电极间隙控制在25微米时获得130V的较低工作电压。该技术的局限性如下:第一，数十微米量级的小间隙电极无法避免灰尘、纤维等污染物掉落所造成的不稳定和失效问题；第二，电离气室的进气口面积与电极间隙成正比，电极间隙越小，进气面积越小，采样信号强度越弱，缩小电极间隙降低工作电压与提高信噪比和提高敏感度是相矛盾的；第三，数十微米间隙的玻璃绝缘层以及与外接电路阳极平行的铝板外接电路阴极的加工难度大，加工成本高。
[0006]再如Seongjeen Kim在“Sensors (传感器)” 2006年第6期第503-513页发表论文“CNT Sensors for Detecting Gases with Low Adsorption Energy by 1nization(通过电离探测低吸附能气体的碳纳米管传感器”。该技术方案与Modi等人的技术方案设计在结构上基本类似，采用毫米量级长度的微孔进气采样，将碳纳米管放置在三明治电极结构的外接电路阴极，同时巧妙利用阳极键合工艺将充当阴阳电极高掺杂硅片和充当电极间隙调节的派勒克斯玻璃进行了晶圆级封装。其技术局限性在于:第一，充当电极间隙调节的派勒克斯玻璃厚达500微米，工作电压过高；第二，微孔进气采样仍是小进气面积采样。
[0007]再如L Liao等人在“Nanotechnology (纳米技术)” 2008年第19期175501页上所发表论文“A novel gas sensor based on field ionization from ZnO nanowires:moderate working voltage and high stability (一种新型的中等工作电压高稳定的基于氧化锌纳米线场电离的气体传感器:中等工作电压及高稳定性)”。将氧化锌大长径比材料放置在外接电路阳极，铜平板充当外接电路阴极，阴阳电极呈平板电容配置。该技术主要存在较高工作电压和两电极间距控制困难的问题。
[0008]再如Zhongyu Hou 等人在 “Applied Physics Letters (应用物理快报)” 2008 年第 92 期 2235051 页上所发表论文“1nization gas sensing of the ion flow currentin a microtripolar electrode system with carbon nanotubes (附有碳纳米管的微三电极系统上的离子流电流电离气体传感)”。该技术采用微电极结构系统，利用硅湿法各向异性刻蚀刻蚀出传感器气室的各个组件，根据刻蚀出的硅气室组件厚度控制电极间隙，放置碳纳米管的电离电极与中层的过滤电极高度控制为15微米，该技术较好地解决了电极间隙的控制问题，但仍无法克服小采样空间以及空气中的灰尘和纤维之类的悬浮物的沾污失效的问题。
[0009]再如Hai Liu 等人在 “20094th IEEE International ConferenceonNano/MicroEngi neered and Molecular Systems (2009 年第 4 届 IEEE 纳 / 微工程和分子系统国际会议)”上所发表的论文“Microfabricated Breath Sensor based onCarbonNanotubesfor Respir ation Monitoring (用于康复监测的基于碳纳米管的微呼吸传感器)”。该技术通过MEMS工艺制备出电极系统后，再通过电泳电镀将碳纳米管镀在铜梁电极上制成微呼吸传感器。该技术实现工艺简单，工作电压小于5V，采样灵敏。但最主要的问题是电极间隙只有10微米，在制作过程中难以将碳纳米管无短路地设置在微小间隙的电极对上，同时也无法克服空气中的灰尘和纤维之类的悬浮物的沾污失效的问题。
[0010]再如侯中宇、房茂波所申请的专利《一维纳米结构极化增强放电电极》(专利申请号:201210468934.9)。在该专利文献中，发明人申请保护的技术特征为:在外接电路电极之间设置大长径比材料作为极化增强结构，使之与外接电路电极同时处于基片表面。
[0011]再如Hai Liu 等人在 “Nanotechnology (纳米技术)” 2013 年第 24 期 175301 页上所发表论文 “A hybrid nanostructure array for gas sensing with ultralow fieldionization voltage (一种用于超低场电离电压气体传感的复合纳米结构)”。根据文献中的叙述，该技术文献是按照专利《一维纳米结构极化增强放电电极》在arXive网站上公开的资料“An ionization sensor scheme for ultra-low voltage operation usingone-dimensional nanostructures (一种利用一维纳米材料用于超低电压工作的电离传感器结构)”进行的技术尝试，因此，该技术文献所述的技术特征与专利《一维纳米结构极化增强放电电极》相同。
[0012]因此，微米量级小尺度放电间隙技术方案带来采样空间狭小，信号随机成分过高和信噪比下降的问题。同时，还造成大长径比材料难以在避免短路的情况下，设置在微小间隙的电极对之上。更重要的是，这种电极结构极易被空气中的灰尘或纤维之类的悬浮物沾污，造成器件失效，从而大大限制了其应用领域。
【发明内容】
[0013]鉴于现有技术中的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种基于微间隙极化结构构造放电电场的电离式传感器。采用这种结构的传感器能够通过极化结构构造微小间隙，从而在电极对之间总体间隙较大、加载电压较低的情况下，在放电空间的局部实现微小间隙强电场。既能够满足低电压条件下电离气体分子的要求，又可以大大降低大长径比材料造成短路的风险，并且使得空气中杂质沾污失效的概率大大降低。
[0014]电离式气体传感器的工作原理是在目标气体环境中制造能够导致气体电离的电场，通过引入大长径比材料作为电极，可以在相对低很多的电压之下产生这样的电场。根据大长径比材料的极化带理论模型，气体分子被大长径比材料周围的不均匀电场极化，产生感应偶极矩和介电泳效应。一方面，被极化的气体分子在自身感应偶极矩产生的相互作用力场作用下发生库伦碰撞，形成无法发生自发电偶极辐射的亚稳态；另一方面，在介电泳效应的作用下，被极化的分子被大长径比材料捕获，并与之发生非弹性碰撞，被激发至亚稳态。这些亚稳态粒子仅在靠近电极的区域产生，因此在整个放电空间中存在着极大的浓度梯度，从而在扩散过程的驱动下在整个放电空间中分布开来。经过微秒量级时间的积累，亚稳态粒子可以达到较高的浓度，使得低电场强度下的电子动能也能够产生碰撞电离，发生均匀稳定的自持放电过程。为了在40V以下的安全电压实现上述过程，还需要降低放电间隙的尺度至几微米到十几微米的水平。然而，这样的微小间隙加工难度大，极易造成大长径比材料的短路，此外，在这种条件下，空气中常见的悬浮物的尺度都显著高于间隙尺度，易于粘附、搭接在电极上，造成不稳定和失效。本发明提供一种新的电极结构:其主要技术特征在于，在两个与外部电路连接的电极之间放置与外部电路未连接的导电的极化结构，可以在电极加载电压的情况下，通过电场的极化作用，在极化结构表面产生感应电荷，从而在极化结构和电极之间产生电场，这就增加了放电空间的范围，并降低了空气中悬浮物粘附造成的短路的概率。而且，如果把极化结构设计成多个导电单元组成的阵列，就可以进一步增加放电空间，降低沾污短路的概率。所述的大长径比材料可以设置于外接电路电极和极化结构中任意一个部件的局部或全部表面，或者设置于全部部件的表面。
[0015]在自持放电条件下，所述的传感器的工作原理是气体电导与气体化学成分存在的关系，这种关系可以表现为各种形式的伏安测试中，例如，在相同电压条件下，电流与气体成分之间的关系可以由下式表示:
[0016]
【权利要求】
1.一种基于微间隙极化结构构造放电电场的电离式传感器，其特征在于，包括:第一外接电路电极、第二外接电路电极、极化结构、大长径比材料和基底，其中，所述极化结构由导体构成；所述极化结构设置于所述第一外接电路电极和所述第二外接电路电极之间；所述第一外接电路电极与所述极化结构之间存在气体间隙，所述第二外接电路电极与所述极化结构之间存在气体间隙；所述大长径比材料至少设置于所述第一外接电路电极、所述第二外接电路电极和所述极化结构三个部件中的一个部件的部分表面或者全部表面，所述第一外接电路电极、所述第二外接电路电极和所述极化结构设置于所述基底上。
2.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述第一外接电路电极由单个结构单元组成，或者所述第一外接电路电极由多个结构单元组成，所述多个结构单元之间通过导电薄膜连接。
3.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述第二外接电路电极由单个结构单元组成，或者所述第二外接电路电极由多个结构单元组成，所述多个结构单元之间通过导电薄膜连接。
4.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述极化结构由单个结构单元组成，或者所述极化结构由多个结构单元组成。
5.如权利要求2、3或4所述的传感器，其特征在于，所述结构单元是截面为一端具有一个或多个尖端的柱状体。
6.如权利要求4所述的传感器，其特征在于，所述结构单元是截面为两端具有一个或多个尖端的柱状体。
7.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述第一外接电路电极、所述极化结构与所述第二外接电路电极平行设置。
8.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述第一外接电路电极、所述极化结构与所述第二外接电路电极同轴设置。
9.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述的基底为绝缘体，或者表面设置有绝缘体的导体或半导体。
【文档编号】G01N27/70GK103645242SQ201310646172
【公开日】2014年3月19日 申请日期:2013年12月4日 优先权日:2013年12月4日
【发明者】侯中宇, 房茂波, 王孜, 王艳芳, 赵小林 申请人:上海交通大学