基于微通道板三维结构的高灵敏度气体传感器的制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了基于微通道板三维结构的高灵敏度气体传感器，由检测模块和加热模块两部分组成；检测模块和加热模块之间通过导电浆料粘合；检测模块和加热模块分别设置有两个引线引出电极，分别为检测电极和加热电极，所述的检测模块和加热模块封装于封装管壳内，所述的封装管壳上共有至少四个电极；所述的检测模块，其结构自上而下依次为上电极、微通道板和下电极；所述的加热模块，其结构自下而上依次为隔热绝缘衬底材料、加热电阻线圈和绝缘薄膜。其有益效果是：大幅度提升气体传感器的灵敏度；微通道板的多孔道结构非常有利于被检测气体的顺利通过，可进一步提高器件的测试灵敏度和反应速度；增强了气敏器件的稳定性和可靠性。
【专利说明】基于微通道板三维结构的高灵敏度气体传感器
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种高敏气体传感器，具体为一种基于微通道板三维结构的高灵敏度气体传感器的结构设计、器件制备与系统搭建，属于半导体器件领域。
【背景技术】
[0002]随着工农业生产的蓬勃发展、人们生活水平的不断提高和对环保的日益重视，对各种有毒、有害气体的探测，对大气污染、工业废气的监测，以及对食品和居住环境质量的检测都对气体传感器提出了更高的要求。微加工技术、纳米、薄膜等新材料研制技术的成功应用为气体传感器的微型化、集成化和智能化提供了很好的前提条件。气体传感器将在充分利用微机械与微电子技术、计算机技术、信号处理技术、传感技术、故障诊断技术、智能技术等多学科综合技术的基础上得到快速地发展。
[0003]在各种气体传感器中，应用最为广泛的是以二氧化锡(SnO2)等半导体气敏材料为代表的半导体气敏传感器。其工作原理是，当半导体气敏材料接触CO、H2, CH4, C2H4, C2H5OH等气体时，其电阻率会随着气体种类以及浓度而发生变化，变化前后的阻值比率Ra/Rg反映着该气敏材料的探测灵敏度。然而，传统的烧结型半导体气敏器件存在着灵敏度较低、难以做到小型化和集成化等问题。随着微机械与微电子技术的发展，基于微加工技术的微型半导体气敏传感器可以有望很好地解决这些问题，它所具备的主要优点有:可制作微型化、低电压工作的器件；容易实现测气部分和加热模块的集成化；器件温度特性好；器件容易组装；易于大批量生产、降低成本；易与集成电路模块和无线发射模块集成，实现智能化传感网络。
[0004]近年来，国内外已有多个单位对基于微加工技术的微型半导体气敏传感器进行了研究，其通常的做法是，在测量电极之间制备平面结构的半导体气敏薄膜材料，其气敏薄膜材料的制备方法通常有:溶胶凝胶法、丝网印刷法、化学气相沉积法、分子束外延法、射频磁控溅射法、喷雾法、电化学沉积等。在这些器件中，气敏薄膜材料的结构通常是简单的平面铺膜，而这种二维平面结构的气敏器件，其气敏薄膜材料与测试气体的接触面仅仅是一个平面，灵敏度较低，很难实现微量低浓度气体的有效检测。由此人们很自然地想到，可以通过制备纳米纤维、纳米线、或者其它表面三维结构的方法，来大幅度提高气敏材料的比表面积，从而达到提高气敏传感器灵敏度的目的。然而，如果仅仅在一个平面结构上实现上述的纳米结构，不但其结构可靠性和稳定性难以保证，而且其杂乱无章的纳米纤维结构在两个测量电极之间有效电阻上的比表面积的提升是非常有限的。另一些研究小组还尝试了通过制备中空型或者多孔型的气敏薄膜的方法来提升器件的比表面积，这是一种很有前景的方法，但目前在其器件中还存在着如何让外部气体迅速顺利地进入薄膜内部空隙的问题，有效比表面积的提升仍然是一个难点。
实用新型内容
[0005]本实用新型的目的是提供一种基于微通道板(MicroChannel Plate, MCP)三维结构的高灵敏度气体传感器；已解决现有技术的上述问题。
[0006]本实用新型的目的是通过如下技术方案实现:
[0007]基于微通道板三维结构的高灵敏度气体传感器，由检测模块和加热模块两部分组成；检测模块和加热模块之间通过导电浆料粘合，使其集成为一体器件。检测模块和加热模块分别设置有两个引线引出电极，分别为检测电极和加热电极，所述的检测模块和加热模块封装于封装管壳内，所述的封装管壳上共有至少四个电极；所述的检测模块，其结构自上而下依次为上电极、微通道板和下电极；所述的加热模块，其结构自下而上依次为隔热绝缘衬底材料、加热电阻线圈和绝缘薄膜。
[0008]所述的微通道板的横向结构由内而外依次为微通道板骨架结构、侧壁绝缘层和气敏薄膜材料。
[0009]半导体气体传感器工作所依据的原理是:当半导体气敏材料接触C0、H2、CH4、C2H4、C2H5OH等气体时，其电阻率会随着气体种类以及浓度而发生变化，变化前后的阻值比率Ra/Rg反映着该气敏材料的探测灵敏度。本实用新型提出利用微通道板多孔侧壁的三维立体结构，制作具有三维结构的气体传感器，利用该结构的几何特征，大幅度提高气敏材料薄膜的有效比表面积，实现其薄膜电阻值在测试时的高变化率，从而大大提升了气体传感器的灵敏度。
[0010]与现有的微型气体传感器相比，本实用新型的有益效果是:利用微通道板多孔侧壁的三维立体结构，可使其侧壁上沉积的气敏薄膜材料形成三维薄膜结构，大大提高气敏材料薄膜的有效比表面积，实现其薄膜电阻值在测试时的高变化率，从而大幅度提升气体传感器的灵敏度。微通道板的多孔道结构非常有利于被检测气体的顺利通过，可进一步提高器件的测试灵敏度和反应速度。与此同时，微通道板的框架结构，非常有利于保护内部生长的气敏薄膜材料的纳米结构，从而增强了气敏器件的稳定性和可靠性。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1为本实用新型气体传感器的结构示意图；
[0012]图2为本实用新型的封装结构俯视示意图；
[0013]图3本实用新型的封装结构的立体结构示意图。
[0014]图4为本实用新型检测模块和加热模块的俯视结构示意图。
[0015]图5为本实用新型检测模块和加热模块的的剖面结构示意图。
[0016]图6为检测模块的剖面结构示意图。
[0017]以上所有示意图均不是等比例的。
[0018]图中:1、检测模块2、加热模块3、导电浆料4、检测电极5、加热电极6、封装套壳7、上电极8、硅微道板9、下电极10、微通道板骨架结构11、侧壁绝缘层12、气敏薄膜材料13、隔热绝缘衬底材料14、加热电阻线圈15、绝缘薄膜。
【具体实施方式】
[0019]下面结合具体实施例进一步阐述本实用新型的技术特点:
[0020]如图1所示，基于微通道板三维结构的高灵敏度气体传感器，由检测模块I和加热模块2两部分组成；检测模块I和加热模块2之间通过导电浆料3粘合，使其集成为一体器件。如图2和图3所示，检测模块I和加热模块2分别设置有两个引线引出电极，分别为检测电极4和加热电极5,所述的检测模块和加热模块封装于封装管壳内，所述的封装管壳6上共有至少四个电极；如图4和图5所示，所述的检测模块1，其结构自上而下依次为上电极7、微通道板8和下电极9 ;所述的加热模块2，其结构自下而上依次为隔热绝缘衬底材料13、加热电阻线圈14和绝缘薄膜15。
[0021]如图6所示，所述的微通道板8的横向结构由内而外依次为微通道板骨架结构10、侧壁绝缘层11和气敏薄膜材料12 ；
[0022]在本实施例中，检测模块部分，由硅材料制作微通道板三维结构，侧壁绝缘层为二氧化硅，气敏薄膜材料为二氧化锡，上下电极为金属钼。加热模块部分，自下而上依次为Al2O3陶瓷片、金属钼加热电阻线圈、氮化硅绝缘薄膜。具体制作过程如下:
[0023](I)采用专利201110196442.4所提供的方法，并采用专利申请201120406111.4所提供的装置，在4英寸硅片上制作获得硅微通道板，每个微通道边长5微米x5微米、深250微米、侧壁厚度I微米。经过激光切割，获得直径为3毫米的圆片；
[0024](2)采用专利201210402277.8所提供的方法，对硅微通道板进行热氧化，获得0.5微米的二氧化硅侧壁绝缘层；
[0025](3)采用溶胶凝胶法，在微通道侧壁上淀积0.5微米的二氧化锡气敏薄膜材料；
[0026](4)采用磁控溅射的方法，在微通道板的上下两侧分别淀积0.3微米的金属钼电极，在此之前先溅射20纳米的金属钛以增强粘附性。到此步可获得器件的检测模块；
[0027](5)在4英寸的Al2O3陶瓷圆片基底上进行光刻，定义加热电阻线圈的图形；
[0028](6)采用磁控溅射的方法，在Al2O3陶瓷圆片基底上淀积0.3微米的金属钼，在此之前先溅射20纳米的金属钛以增强粘附性；
[0029](7)采用剥离(Lift-off)工艺，获得金属钼加热电阻线圈的图形；
[0030](8)采用等离子增强化学气相淀积法(PECVD)，在表面淀积0.5微米的氮化硅；[0031 ] (9)在氮化硅表面进行再一次光刻，定义加热电阻线圈引线电极部分的图形；
[0032](10)采用反应离子刻蚀(RIE)的方法，刻蚀氮化硅，直至露出加热电阻线圈引线电极部分的图形。到此步可获得器件的加热模块；
[0033](11)用丝网印刷的方法，在加热模块上淀积导电浆料；
[0034](12)在导电浆料上安装检测模块，然后在200°C的环境下烘烤2小时以上；
[0035](13)对作为加热模块的Al2O3陶瓷圆片进行激光切割，获得4.5毫米x4.5毫米的方形器件；
[0036](14)将该方形器件安装到如图2所示的圆形管座，并进行引线键合；
[0037](15)盖上网状管帽。气体传感器制作完成。
[0038]通过测算，以250微米的微通道深度、2x2微通道单元、12微米xl2微米的面积为例，气敏材料薄膜与气体的接触面积由原来二维平面形式的144平方微米大幅度增加为20000平方微米，提升幅度将近140倍。
[0039]本实用新型所述的基于微通道板三维结构的气体传感器，为气体传感器的器件结构设计提供新的思路，可大幅度提升气敏器件的测试灵敏度，为工农业生产和人们日常生活中的微量低浓度气体的精确检测提供良好的工具和手段。
【权利要求】
1.基于微通道板三维结构的高灵敏度气体传感器，其特征在于:由检测模块和加热模块两部分组成；检测模块和加热模块之间通过导电浆料粘合；检测模块和加热模块分别设置有两个引线引出电极，分别为检测电极和加热电极，所述的检测模块和加热模块封装于封装管壳内，所述的封装管壳上共有至少四个电极；所述的检测模块，其结构自上而下依次为上电极、微通道板和下电极；所述的加热模块，其结构自下而上依次为隔热绝缘衬底材料、加热电阻线圈和绝缘薄膜。
2.根据权利要求1所述的基于微通道板三维结构的高灵敏度气体传感器，其特征在于:所述的微通道板的横向结构由内而外依次为微通道板骨架结构、侧壁绝缘层和气敏薄膜材料。
【文档编号】G01N27/12GK203551501SQ201320639249
【公开日】2014年4月16日 申请日期:2013年10月16日 优先权日:2013年10月16日
【发明者】朱一平, 王连卫 申请人:华东师范大学, 上海欧普泰科技创业有限公司