本發(fā)明涉及氣體傳感器，尤其涉及一種陣列式氣體傳感器及制備方法。

背景技術(shù)：

1、在氣體傳感領(lǐng)域，傳統(tǒng)半導(dǎo)體傳感器、電化學(xué)傳感器和光學(xué)氣敏分析儀等得到廣泛應(yīng)用。盡管單一獨(dú)立探測(cè)器在特定場(chǎng)合能夠有效工作，但在復(fù)雜環(huán)境或檢測(cè)成分復(fù)雜的混合氣體時(shí)，其檢測(cè)范圍、交叉敏感性及環(huán)境適應(yīng)性往往無(wú)法滿足實(shí)際需求。

2、微電子機(jī)械系統(tǒng)（mems）氣體傳感器通過(guò)將氣體的種類和濃度轉(zhuǎn)換為可測(cè)量的電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體的低濃度響應(yīng)。在mems氣體傳感器上設(shè)置傳感陣列能夠通過(guò)多個(gè)感知單元對(duì)單一或多種目標(biāo)氣體進(jìn)行檢測(cè)，從而提高檢測(cè)的準(zhǔn)確性和識(shí)別的氣體種類。但是，相關(guān)技術(shù)在嘗試將傳感器集成在襯底芯片上時(shí)，較難實(shí)現(xiàn)多個(gè)傳感器的集成化，并且對(duì)于加熱電極的工作溫度較難實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制和測(cè)量。

3、另外，相關(guān)技術(shù)制備的陣列式微熱板氣體傳感器在進(jìn)行氣敏檢測(cè)時(shí)，在反復(fù)加熱的過(guò)程中電極膜容易脫落，造成陣列式微熱板氣體傳感器損壞，難以進(jìn)行持續(xù)性工作。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、有鑒于此，為了至少部分地解決上述提及的技術(shù)問(wèn)題中的至少之一，本發(fā)明提供了陣列式氣體傳感器及制備方法。

2、根據(jù)本發(fā)明一個(gè)方面的實(shí)施例，提供了一種陣列式氣體傳感器，包括多個(gè)氣敏單元，多個(gè)氣敏單元呈陣列式分布，每個(gè)氣敏單元包括：氧化鋯基底；加熱電極，設(shè)置于氧化鋯基底表面，加熱電極具有未封閉的環(huán)形結(jié)構(gòu)，并且在環(huán)形結(jié)構(gòu)內(nèi)形成第一區(qū)域，在環(huán)形結(jié)構(gòu)外形成第二區(qū)域；測(cè)溫電極，測(cè)溫電極設(shè)置于氧化鋯基底的位于第二區(qū)域的表面；絕緣層，包覆于加熱電極和測(cè)溫電極的遠(yuǎn)離氧化鋯基底的表面；多個(gè)測(cè)量電極，呈插齒狀分布地設(shè)置于絕緣層的位于第一區(qū)域的表面；氣敏膜，覆蓋于位于多個(gè)測(cè)量電極之間的絕緣層表面，并與測(cè)量電極電性連接。

3、根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，在沿平行于氧化鋯基底的方向上，位于測(cè)溫電極與加熱電極之間的第一間隔距離、和位于加熱電極與測(cè)量電極之間的第二間隔距離相等；第一間隔距離和第二間隔距離為5~15μm。

4、根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，加熱電極和測(cè)溫電極的材料包括鉑，加熱電極和測(cè)溫電極的厚度為80~120nm；氧化鋯基底的厚度為80~120μm；絕緣層的材料包括氧化物，絕緣層的厚度為30~50nm；測(cè)量電極的材料包括金，測(cè)量電極的厚度為80~120nm；氣敏膜的材料包括摻雜有增敏元素的金屬氧化物，其中，增敏元素包括鉑、金、銦、銀中的至少一種；加熱電極、測(cè)溫電極、測(cè)量電極的線寬范圍各自獨(dú)立地為10~40μm，優(yōu)選為15~30μm。

5、根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，氣敏單元為16個(gè)。

6、根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，氧化鋯基底具有多個(gè)貫通的鏤空，以形成橋式結(jié)構(gòu)，橋式結(jié)構(gòu)包括多個(gè)懸臂梁和位于多個(gè)懸臂梁之間的懸膜部，懸臂梁對(duì)懸膜部提供支撐；加熱電極、測(cè)溫電極、絕緣層、測(cè)量電極和氣敏膜分別位于懸膜部上。

7、根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，加熱電極和測(cè)溫電極與測(cè)量電極為共面設(shè)置，且加熱電極和測(cè)溫電極分別與測(cè)量電極互不接觸。

8、根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)方面的實(shí)施例，提供了一種如上述的陣列式氣體傳感器的制備方法，包括：在氧化鋯基底表面形成圖案化的光刻膠掩膜；在光刻膠掩膜的保護(hù)下，利用磁控濺射在氧化鋯基底表面形成加熱電極和測(cè)溫電極；通過(guò)套刻的方式，在加熱電極和測(cè)溫電極的遠(yuǎn)離氧化鋯基底的表面依次形成絕緣層和測(cè)量電極；將氣敏漿料置入靜電微噴裝置中，在電場(chǎng)的作用下，以拉伸的方式驅(qū)動(dòng)氣敏漿料沉積至位于多個(gè)測(cè)量電極之間的絕緣層表面；通過(guò)激光直寫的方式對(duì)絕緣層表面的氣敏漿料進(jìn)行圖案化處理，以形成氣敏膜，得到陣列式氣體傳感器。

9、根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，電場(chǎng)的強(qiáng)度為0.5~2.5kv，優(yōu)選為1~2kv，激光直寫的功率為0.1~1w；在氧化鋯基底表面形成圖案化的光刻膠掩膜包括：在氧化鋯基底表面旋涂光刻膠，依次進(jìn)行軟烘、固化、曝光、后烘、泛曝、顯影處理；軟烘的溫度為90~100℃，軟烘的時(shí)間為180s；曝光的時(shí)間為90~200s。

10、根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，在依次形成加熱電極和測(cè)溫電極、絕緣層和測(cè)量電極后，還包括：通過(guò)激光對(duì)氧化鋯基底進(jìn)行鏤空刻蝕，鏤空刻蝕中，振鏡出光距離為12.1~14.4mm。

11、根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，氣敏漿料包括光固化劑、交聯(lián)劑、流平劑、摻雜有增敏元素的金屬氧化物粉末和有機(jī)溶液；光固化劑包括聚氨酯丙烯酸酯，交聯(lián)劑包括1,6己二醇二丙烯酸酯、三羥甲基丙烷三丙烯酸酯中的至少一種；流平劑包括磷酸鹽改性丙烯酸酯。

12、根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，本發(fā)明通過(guò)使用氧化鋯基底作為基底材料，利用其熱膨脹系數(shù)與氣敏膜材料和金屬電極材料的熱膨脹系數(shù)接近，有效改善了電極與氣敏膜易脫落的情況，延長(zhǎng)陣列式氣體傳感器的使用壽命。在實(shí)現(xiàn)電極和基底良好接觸的基礎(chǔ)上，本發(fā)明通過(guò)將加熱電極、測(cè)溫電極進(jìn)行分區(qū)設(shè)置，使得加熱電極為第一區(qū)域提供較為均勻的加熱區(qū)，有助于較為精準(zhǔn)地調(diào)控陣列式氣體傳感器的工作溫度，并通過(guò)測(cè)溫電極用來(lái)監(jiān)測(cè)加熱區(qū)的實(shí)際溫度，有助于提高測(cè)量溫度的準(zhǔn)確性、提高加熱功率的集中性。本發(fā)明通過(guò)在芯片上集成多個(gè)氣敏單元，實(shí)現(xiàn)了陣列式氣體傳感器的小型化、集成化和實(shí)用化，具有廣闊的應(yīng)用前景。

技術(shù)特征：

1.一種陣列式氣體傳感器，其特征在于，包括多個(gè)氣敏單元，多個(gè)氣敏單元呈陣列式分布，每個(gè)所述氣敏單元包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陣列式氣體傳感器，其特征在于，所述加熱電極和測(cè)溫電極的材料包括鉑，所述加熱電極和測(cè)溫電極的厚度為80~120nm；

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陣列式氣體傳感器，其特征在于，所述氣敏單元為16個(gè)。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陣列式氣體傳感器，其特征在于，所述氧化鋯基底具有多個(gè)貫通的鏤空，以形成橋式結(jié)構(gòu)，所述橋式結(jié)構(gòu)包括多個(gè)懸臂梁和位于所述多個(gè)懸臂梁之間的懸膜部，所述懸臂梁對(duì)所述懸膜部提供支撐；

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陣列式氣體傳感器，其特征在于，所述加熱電極和測(cè)溫電極與所述測(cè)量電極為共面設(shè)置，且所述加熱電極和測(cè)溫電極分別與所述測(cè)量電極互不接觸。

6.一種如權(quán)利要求1~5中任一項(xiàng)所述的陣列式氣體傳感器的制備方法，其特征在于，所述制備方法包括：

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備方法，其特征在于，所述電場(chǎng)的強(qiáng)度為0.5~2.5kv，所述激光直寫的功率為0.1~1w；

8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備方法，其特征在于，在所述加熱電極和測(cè)溫電極的遠(yuǎn)離氧化鋯基底的表面依次形成絕緣層和測(cè)量電極后，還包括：

9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備方法，其特征在于，所述氣敏漿料包括光固化劑、交聯(lián)劑、流平劑、摻雜有增敏元素的金屬氧化物粉末和有機(jī)溶液；

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供了一種陣列式氣體傳感器及制備方法，該陣列式氣體傳感器包括多個(gè)氣敏單元，多個(gè)氣敏單元呈陣列式分布，每個(gè)氣敏單元包括：氧化鋯基底；加熱電極，設(shè)置于氧化鋯基底表面，加熱電極具有未封閉的環(huán)形結(jié)構(gòu)，并且在環(huán)形結(jié)構(gòu)內(nèi)形成第一區(qū)域，在環(huán)形結(jié)構(gòu)外形成第二區(qū)域；測(cè)溫電極，測(cè)溫電極設(shè)置于氧化鋯基底的位于第二區(qū)域的表面；絕緣層，包覆于加熱電極和測(cè)溫電極的遠(yuǎn)離氧化鋯基底的表面；多個(gè)測(cè)量電極，呈插齒狀分布地設(shè)置于絕緣層的位于第一區(qū)域的表面；氣敏膜，覆蓋于位于多個(gè)測(cè)量電極之間的絕緣層表面，并與測(cè)量電極電性連接。本發(fā)明將三種電極集成在氧化鋯基底上，實(shí)現(xiàn)了陣列式氣體傳感器的小型化、集成化和實(shí)用化。

技術(shù)研發(fā)人員：趙宇鑫,廖小昊,張順平
受保護(hù)的技術(shù)使用者：北京云摩科技股份有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/23