基于微懸臂投影的光電式氣敏傳感器的制造方法
【專利摘要】一種基于微懸臂投影的光電式氣敏傳感器，包括不透明的矩形殼體(9)、封裝在矩形殼體(9)底部的芯片和矩形殼體(9)側(cè)壁上部固定的光源(8)；其中，所述的芯片依次由基底(1)、下絕緣材料層(2)、光敏材料層(3)、微懸臂結(jié)構(gòu)層(5)組成；其特征在于：所述的微懸臂結(jié)構(gòu)層(5)的中部和上絕緣材料層(4)的中部為貫通的矩形空腔；矩形空腔內(nèi)的矩形質(zhì)量塊(7a)通過條狀的微懸梁(7b)連接在微懸臂結(jié)構(gòu)層(5)靠近光源(8)一側(cè)的空腔壁上，構(gòu)成異形微懸臂；且矩形質(zhì)量塊(7a)的表面沉積了一層氣敏材料層(7c)。該種光電式氣敏傳感器靈敏度高、分辨率好、響應(yīng)快、成本低、且使用壽命長。
【專利說明】
基于微懸臂投影的光電式氣敏傳感器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及氣敏傳感器技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種光電式氣敏傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]氣敏傳感器是一種特定氣體濃度的電子器件，廣泛應(yīng)用于易燃/易爆/有毒氣體泄漏監(jiān)測、大氣污染監(jiān)測、室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測、工藝過程控制、預(yù)報和自動控制、石油化工和醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域。目前半導(dǎo)體氣敏傳感器、石英諧振式氣敏傳感器、接觸燃燒式氣敏傳感器、電化學(xué)反應(yīng)式氣敏傳感器、光學(xué)式氣敏傳感器、熱傳導(dǎo)型氣敏傳感器、表面聲波氣敏傳感器等七種類型。其中，光光學(xué)式氣敏傳感器包括光干涉式、紅外吸收式、光纖化學(xué)材料式三種。
[0003]光干涉式氣敏傳感器的原理是利用待測氣體與空氣折射率的不同而產(chǎn)生干涉現(xiàn)象來實現(xiàn)氣體濃度的檢測，該類型的氣敏傳感器使用壽命長，但選擇性差。紅外吸收式氣敏傳感器則是利用不同氣體的紅外吸收峰不同來進行濃度檢測，該類型的氣敏傳感器靈敏度高、可靠性好，但是體積大、成本高。光纖化學(xué)材料式氣敏傳感器是利用待測氣體與敏感材料反映之后光學(xué)性質(zhì)(吸光度、反射率和熒光強度等)的改變而實現(xiàn)氣體濃度的檢測，結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)快，但是重復(fù)性差、靈敏度低、成本高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種基于微懸臂投影的光電式氣敏傳感器，該種光電式氣敏傳感器靈敏度高、分辨率好、響應(yīng)快、成本低、且使用壽命長。
[0005]本發(fā)明解決其發(fā)明目的，所采用的技術(shù)方案是:一種基于微懸臂投影的光電式氣敏傳感器，包括不透明的矩形殼體、封裝在矩形殼體底部的芯片、矩形殼體側(cè)壁上部固定的光源、矩形殼體側(cè)壁上開有進氣口；其中，所述的芯片的組成是:基底、基底上表面沉積的下絕緣材料層、下絕緣材料層的上表面生長有光敏材料層、光敏材料層的上表面沉積有兩個金電極和上絕緣材料層;上絕緣材料層的上表面生長有一層微懸臂結(jié)構(gòu)層;其特征在于:
[0006]所述的微懸臂結(jié)構(gòu)層的中部和上絕緣材料層的中部為貫通的矩形空腔;矩形空腔內(nèi)的矩形質(zhì)量塊通過條狀的微懸梁連接在微懸臂結(jié)構(gòu)層靠近光源一側(cè)的空腔壁上構(gòu)成異形微懸臂;且矩形質(zhì)量塊的表面沉積了一層氣敏材料層。
[0007]本發(fā)明的工作過程和原理是:
[0008]將本發(fā)明的光電式氣敏傳感器放置于待測氣氛中，待測氣體分子會與矩形質(zhì)量塊表面沉積的氣敏材料發(fā)生特異性結(jié)合，使矩形質(zhì)量塊的重力增加并傳遞給細(xì)窄的微懸梁，使微懸梁向下彎曲；進而矩形質(zhì)量塊向下傾斜，其傾斜程度與待測氣體的濃度正相關(guān)。在光源的照射下，異形微懸臂的矩形質(zhì)量塊在光敏材料層表面的陰影面積的大小會也隨之而產(chǎn)生相應(yīng)的變化，導(dǎo)致光敏材料層產(chǎn)生的光電流發(fā)生改變，光敏材料層通過金電極向外輸出的電流發(fā)生改變。從而通過光電流的變化實現(xiàn)對待測氣體濃度值的監(jiān)測。
[0009]與現(xiàn)有光電式氣敏傳感器相比，本發(fā)明的有益效果:
[0010]—、本發(fā)明采用異形微懸臂結(jié)構(gòu)，通過矩形質(zhì)量塊表面沉積的氣敏材料與待測氣體發(fā)生特異性結(jié)合而導(dǎo)致矩形質(zhì)量塊的重力不斷增加，微懸梁彎曲、矩形質(zhì)量塊傾斜，進而使其在光敏材料層表面的陰影面積的大小產(chǎn)生變化，導(dǎo)致光敏材料層(3)產(chǎn)生的光電流發(fā)生改變，從而實現(xiàn)待測氣體濃度的檢測。這種基于微懸梁彎曲的待測氣體微懸臂感應(yīng)結(jié)構(gòu)，其靈敏度高、重復(fù)性好、可靠性強，使用壽命長。
[0011]二、本發(fā)明的異形微懸臂結(jié)構(gòu)由表面沉積靈敏材料的矩形質(zhì)量塊通過條狀的微懸梁連接在微懸臂結(jié)構(gòu)層的空腔壁上構(gòu)成。其結(jié)構(gòu)簡單，體積小，加工容易、成本低，可批量化生產(chǎn)。
[0012]進一步，本發(fā)明的矩形質(zhì)量塊在微懸梁方向的長度小于或等于矩形空腔在微懸梁方向的長度的1/2;矩形質(zhì)量塊的寬度大于等于條形微懸梁寬度的5倍;所述的光源的光斑中心與矩形質(zhì)量塊的幾何中心的連線與水平面成40-50度的夾角。
[0013]矩形質(zhì)量塊在微懸梁方向的長度小于或等于矩形空腔在微懸梁方向的長度的I/2，矩形質(zhì)量塊的寬度大于條形微懸梁寬度的的5倍。這樣，保證了異形微懸臂的靈敏度和響應(yīng)效率;而較大的受光面積，也提高了氣體濃度的檢測范圍；同時還增大了特異性氣體分子與氣敏材料的接觸面積，相同條件下，異形微懸臂所受重力更大，有利于提高檢測的分辨率。
[0014]光源的光斑中心與矩形微懸梁和矩形質(zhì)量塊的連接中心的連線與水平面成40-50度的夾角，這對光敏材料層表面的陰影面積進行了二次放大(第一次放大:在光線在傳播的過程中遇到遮擋物之后，會在投影面上產(chǎn)生一個陰影，陰影面積的放大程度與光源到遮擋物的距離和遮擋物到投影面的距離有關(guān);第二次放大:當(dāng)光線以一定的角度傾斜照射到遮擋物上時，其在水平面上的投影面積比垂直于水平面照射要大，此時投影面積的放大程度與光源與水平面的夾角成反比關(guān)系)，從而在更大程度上提高了氣體濃度檢測的靈敏度和分辨率。40-50度角既使陰影的放大倍數(shù)大，同時其檢測范圍也大。
[0015]進一步，本發(fā)明的氣敏材料層為碳納米管層、金屬氧化物層、多孔硅層或有機聚合物氣敏材料層。
[0016]進一步，本發(fā)明的基底由單晶硅、石英或碳化硅制成，或者由PDMS、PET或PI材料制成。
[0017]進一步，本發(fā)明的上絕緣材料層和下絕緣材料層均由二氧化硅或氮化硅形成，或者由PDMS、PET或PI材料形成。
[0018]進一步，本發(fā)明的光敏材料層為銻化銦紅外光敏材料層、碲鎘汞紅外光敏材料層、氧化鋅紫外光敏材料層。
【附圖說明】
[0019]圖1為本發(fā)明實施例的在微懸梁未彎曲(待測氣體濃度為零)時的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖2為本發(fā)明實施例的在微懸梁彎曲(待測氣體濃度不為零)時的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021 ]圖1、圖2中帶箭頭的線表示光源發(fā)出的光線，黑色的矩形部分表示光源的光線被矩形質(zhì)量塊遮擋后在光敏材料層表面形成的陰影。
【具體實施方式】
[0022]實施例
[0023]圖1-2示出，本發(fā)明的一種【具體實施方式】是:一種基于微懸臂投影的光電式氣敏傳感器，包括不透明的矩形殼體9、封裝在矩形殼體9底部的芯片、矩形殼體9側(cè)壁上部固定的光源8、矩形殼體9側(cè)壁上開有進氣口 10;其中，所述的芯片的組成是:基底1、基底I上表面沉積的下絕緣材料層2、下絕緣材料層2的上表面生長有光敏材料層3、光敏材料層3的上表面沉積有兩個金電極3a和上絕緣材料層4;上絕緣材料層4的上表面生長有一層微懸臂結(jié)構(gòu)層5;其特征在于:
[0024]所述的微懸臂結(jié)構(gòu)層5的中部和上絕緣材料層4的中部為貫通的矩形空腔;矩形空腔內(nèi)的矩形質(zhì)量塊7a通過條狀的微懸梁7b連接在微懸臂結(jié)構(gòu)層5靠近光源8—側(cè)的空腔壁上構(gòu)成異形微懸臂;且矩形質(zhì)量塊7a的表面沉積了一層氣敏材料層7c。
[0025]本例的矩形質(zhì)量塊7a在微懸梁7b方向的長度小于或等于矩形空腔在微懸梁7b方向的長度的1/2;矩形質(zhì)量塊7a的寬度大于等于條形微懸梁7b寬度的5倍;所述的光源8的光斑中心與矩形質(zhì)量塊7a的幾何中心的連線與水平面成40-50度的夾角。
[0026]本例的氣敏材料層7c為碳納米管層、金屬氧化物層、多孔硅層或有機聚合物氣敏材料層。
[0027]本例的基底I由單晶硅、石英或碳化硅制成，或者由PDMS、PET或PI材料制成。
[0028]本例的上絕緣材料層2和下絕緣材料層4均由二氧化硅或氮化硅形成，或者由PDMS、PET或PI材料形成。
[0029]本例的光敏材料層3為銻化銦紅外光敏材料層、碲鎘汞紅外光敏材料層、氧化鋅紫外光敏材料層。
[0030]本發(fā)明的光電式氣敏傳感器可以單個獨立使用，也可多個并聯(lián)形成傳感器陣列使用。多個傳感器構(gòu)成陣列使用時，可成倍提高其檢測靈敏度、分辨率和可靠性。
【主權(quán)項】
1.一種基于微懸臂投影的光電式氣敏傳感器，包括不透明的矩形殼體(9)、封裝在矩形殼體(9)底部的芯片、矩形殼體(9)側(cè)壁上部固定的光源(8)、矩形殼體(9)側(cè)壁上開有進氣口(10);其中，所述的芯片的組成是:基底(1)、基底(I)上表面沉積的下絕緣材料層(2)、下絕緣材料層(2)的上表面生長有光敏材料層(3)、光敏材料層(3)的上表面沉積有兩個金電極(3a)和上絕緣材料層(4);上絕緣材料層(4)的上表面生長有一層微懸臂結(jié)構(gòu)層(5);其特征在于: 所述的微懸臂結(jié)構(gòu)層(5)的中部和上絕緣材料層(4)的中部為貫通的矩形空腔;矩形空腔內(nèi)的矩形質(zhì)量塊(7a)通過條狀的微懸梁(7b)連接在微懸臂結(jié)構(gòu)層(5)靠近光源(8)—側(cè)的空腔壁上，構(gòu)成異形微懸臂;且矩形質(zhì)量塊(7a)的表面沉積了一層氣敏材料層(7c)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于微懸臂投影的光電式氣敏傳感器，其特征在于:所述的矩形質(zhì)量塊(7a)在微懸梁(7b)方向的長度小于或等于矩形空腔在微懸梁(7b)方向的長度的1/2;矩形質(zhì)量塊(7a)的寬度大于等于條形微懸梁(7b)寬度的5倍;所述的光源(8)的光斑中心與矩形質(zhì)量塊(7a)的幾何中心的連線與水平面成40-50度的夾角。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于微懸臂投影的光電式氣敏傳感器，其特征在于:所述的氣敏材料層(7c)為碳納米管層、金屬氧化物層、多孔硅層或有機聚合物氣敏材料層。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于微懸臂投影的光電式氣敏傳感器，其特征在于:所述的基底(I)由單晶硅、石英或碳化硅制成，或者由PDMS、PET或PI材料制成。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于微懸臂投影的光電式氣敏傳感器，其特征在于:所述上絕緣材料層(2)和下絕緣材料層(4)均由二氧化硅或氮化硅形成，或者由PDMS、PET或PI材料形成。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于微懸臂投影的光電式氣敏傳感器，其特征在于:所述的光敏材料層(3)為銻化銦紅外光敏材料層、碲鎘汞紅外光敏材料層、氧化鋅紫外光敏材料層。
【文檔編號】G01N27/26GK105973952SQ201610392191
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年6月1日
【發(fā)明人】錢林茂, 汪紅波, 蔣淑蘭, 李斌, 余丙軍, 陳磊
【申請人】西南交通大學(xué)