[实用新型]基于微通道板三维结构的高灵敏度气体传感器

说明书

技术领域

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

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。

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R_a/R_g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。

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

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。

本实用新型的目的是通过如下技术方案实现：

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。

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。

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R_a/R_g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。