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专利名称：基于导电聚合物-碳黑颗粒的气敏微传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种微电子技术领域的微传感器，特别涉及一种基于导电聚合物 -碳黑颗粒的气敏微传感器。
背景技术：
自1977年导电聚合物被发现以来，世界各国掀起了研究导电聚合物的热潮。 大量研究表明，各种共轭聚合物经掺杂后都能变为具有不同导电性能的导电聚合 物。在导电聚合物中掺入碳黑并制成敏感膜，当敏感膜吸收了某些气体后，体 积膨胀，使得碳黑颗粒间距增大，敏感膜电阻随之增加，基于此原理的传感器 对大多数有机类气体都有广泛的响应。
经对现有技术的文献检索发现，杨秋冬等在《传感技术学报》2005年9月 第18巻第3期504-513页上发表的"基于聚合物碳黑混合物气敏微传感器的 研究"，该文中提出了一种采用聚合物-碳黑敏感材料的气敏微传感器。具体结 构如下传感器为层状结构，从底层到顶层分别为硅衬底、二氧化硅层、氮化硅 膜、肽层、铂金梳状叉指电极和聚合物-碳黑混合物敏感膜。具体工作原理如下 通入待检测气体，由于聚合物在吸附了待检测气体之后，体积发生膨胀，搀杂 在其中起导电作用的碳黑之间的平均距离也随之增加，那么聚合物-碳黑敏感膜 的电阻率就会增加。通过多次通入待测气体得到敏感膜的电阻率的平均增加值， 从而可以计算出待测气体的浓度。这种装置的缺点是在每一次检测气体前必须通 入5分钟的氮气使得敏感膜中的吸附气体解吸附，电阻恢复到初始状态。这使得 检测一次气体周期较长，多次检测很耗费时间，微气敏传感器的工作效率较低。

发明内容
本发明针对现有的技术的不足，提供一种基于导电聚合物-碳黑颗粒的气敏 微传感器，通过辅以加热电阻丝，大大加快吸附在聚合物-碳黑混合物敏感膜上 的气体和可能存在的水汽解吸附，将原来通入氮气5分钟的时间减少到2分钟。
这可以有效地克服检测一次气体周期长的缺点，显著提高气敏微传感器的工作效 率。
本发明是通过以下技术方案实现的-
本发明所述的基于导电聚合物-碳黑颗粒的气敏微传感器为层状结构，从底 层到顶层包括硅衬底、二氧化硅层、氮化硅膜、钛层、加热电阻丝与梳状叉指电 极、聚合物-碳黑混合物敏感膜，其中每一层直接覆盖在下一层的上面。
所述硅衬底、二氧化硅层、氮化硅膜、钛层自下而上构成传感器的支撑结构。 所述聚合物-碳黑混合物敏感膜，其中导电聚合物与碳黑颗粒混合质量比为 4: 1。
所述加热电阻丝与梳状叉指电极，其材料为铂金材料。 所述硅衬底，其厚度为450ym。 所述二氧化硅层，其厚度为50ym。 所述氮化硅，其厚度为20ym。 所述钛层，其厚度为2ym。
所述加热电阻丝与梳状叉指电极，其厚度分别为lym。 所述聚合物-碳黑混合物敏感膜，其厚度为30"m。
所述导电聚合物，可以是PEDT(聚3， 4一乙烯二氧噻吩)等常用导电聚合物。 本发明工作时，每次检测气体之前，通入氮气的过程中，给加热电阻丝通电， 加速吸附在聚合物-碳黑混合物敏感膜及梳状叉指电极的水汽和气体的解吸附。 每次检测气体之后，通入氮气的过程中，给加热电阻丝通电，加速待检测气体的 解吸附。通过分别测量气体通入后的稳定值和排空后的稳定值，可以计算出待检 测气体的浓度。
本发明和现有的基于导电聚合物-碳黑混合物的气敏微传感器相比，提供了 一种检测时间大大縮短的基于导电聚合物-碳黑颗粒的气敏微传感器，它能有效 地克服检测一次气体周期长的缺点，显著提高气敏微传感器的工作效率。


图1为本发明结构示意图
图2为本发明加热电阻丝与梳状叉指电极示意图
具体实施例方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明本实施例在以本发明技术方案
为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护 范围不限于下述的实施例。
本实施例包括硅衬底、二氧化硅层、氮化硅膜、钛层、加热电阻丝与梳状叉 指电极、聚合物-碳黑混合物敏感膜，这些部分从底层到顶层依次排列，采用微 细加工技术，每一层直接制造覆盖在下一层的上面。
如图1所示，其中1为聚合物-碳黑混合物敏感膜，其中导电聚合物与碳 黑颗粒混合质量比为4: 1。
2为加热电阻丝与梳状叉指电极。
3为支撑结构，由硅衬底，二氧化硅层，氮化硅膜，钛层自下而上构成。
所述硅衬底，其厚度为450um。 所述二氧化硅层，其厚度为50um。 所述氮化硅，其厚度为20iim。 所述钛层，其厚度为2ym。
所述加热电阻丝与梳状叉指电极，其厚度分别为lum。 所述聚合物-碳黑混合物敏感膜，其厚度为30um。 本实施例中，整个传感器的尺寸为1000iimX700ymX550um。 上述结构的传感器制造过程如下
1. 首先在衬底硅上，热生长一层氧化层，然后淀积一层氮化硅膜，再在Si^ / Si02 / Si衬底上溅射一层钛，再溅射铂金，然后在形成的铂金层上光刻出加 热电阻丝与梳状叉指电极，最后再钝化，把加热电阻丝和梳状叉指电极以外的部 分，包括引线保护起来。最后完成封装。
2. 将聚合物与溶剂按照40mg/ 20 mL的配比溶解完全，再把质量为聚合物 质量的25%碳黑加入，进行超声混合5min 。
3. 在室温下，使用喷雾器，将聚合物-碳黑混合物喷涂到封装好的加热电 阻丝与梳状叉指电极。
如图2所示，加热电阻丝6的宽度为IO微米，梳状叉指电极4， 5共同组成 一组梳状叉指电极对，其中每个叉指电极的宽度为20微米，长度为600微米， 每个梳状叉指电极由12个叉指组成。加热电阻丝6均匀地分布于整个区域，保
证了加热的均匀一致。 工作过程
1. 通入氮气，并给加热电阻丝通电2分钟，加速吸附在敏感膜及梳状叉指 电极的气体解吸附。
2. 停止给加热电阻丝通电，测出无待测气体时电阻值。
3. 通入待测气体，待电阻值稳定后，测出有待测气体时电阻值。
4. 重复步骤l-3若干次。
5. 计算出无待测气体时电阻平均值和有待测气体时电阻平均值，得到电阻 率的平均变化值，从而得到待测气体的浓度。
权利要求
1、一种基于导电聚合物-碳黑颗粒的气敏微传感器，其特征在于，从底层到顶层依次包括硅衬底、二氧化硅层、氮化硅膜、钛层、加热电阻丝与梳状叉指电极、聚合物-碳黑混合物敏感膜，其中每一层直接覆盖在下一层的上面，所述硅衬底、二氧化硅层、氮化硅膜、钛层自下而上构成传感器的支撑结构。
2、 根据权利要求l所述的基于导电聚合物-碳黑颗粒的气敏微传感器，其特 征是，所述聚合物-碳黑混合物敏感膜，其中导电聚合物与碳黑颗粒混合质量比为4: 1。
3、 根据权利要求1或2所述的基于导电聚合物-碳黑颗粒的气敏微传感器， 其特征是，所述聚合物-碳黑混合物敏感膜，其厚度为30ym。
4、 根据权利要求l所述的基于导电聚合物-碳黑颗粒的气敏微传感器，其特 征是，所述加热电阻丝与梳状叉指电极，其材料为钼金材料。
5、 根据权利要求1或4所述的基于导电聚合物-碳黑颗粒的气敏微传感器， 其特征是，所述加热电阻丝与梳状叉指电极，其厚度分别为lpm。
6、 根据权利要求l所述的基于导电聚合物-碳黑颗粒的气敏微传感器，其特 征是，所述硅衬底，其厚度为450um。
7、 根据权利要求1所述的基于导电聚合物-碳黑颗粒的气敏微传感器，其特 征是，所述二氧化硅层，其厚度为50um。
8、 根据权利要求l所述的基于导电聚合物-碳黑颗粒的气敏微传感器，其特 征是，所述氮化硅，其厚度为20ixm。
9、 根据权利要求l所述的基于导电聚合物-碳黑颗粒的气敏微传感器，其特 征是，所述钛层，其厚度为2um。
10、 根据权利要求1所述的基于导电聚合物-碳黑颗粒的气敏微传感器，其 特征是，所述传感器的尺寸为1000 u mX 700 u mX 550 u m。
全文摘要
本发明涉及一种微电子技术领域的基于导电聚合物-碳黑颗粒的气敏微传感器，从底层到顶层分别为硅衬底、二氧化硅层、氮化硅膜、钛层、加热电阻丝与梳状叉指电极、聚合物-碳黑混合物敏感膜，其中每一层直接覆盖在下一层的上面，所述硅衬底、二氧化硅层、氮化硅膜、钛层自下而上构成传感器的支撑结构。加热电阻丝可以大大提高气体解吸附的速度，从而有效地克服检测一次气体周期长的缺点，可以显著提高气敏微传感器的工作效率。
文档编号G01N27/12GK101387614SQ20081020124
公开日2009年3月18日 申请日期2008年10月16日 优先权日2008年10月16日
发明者张俊峰, 李以贵, 阳 高 申请人:上海交通大学