[发明专利]一种微型电容式气体传感器及其制备方法

说明书

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；[4]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0.1ppb。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t₉₀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、铂、钛、钨。