微传感芯片及其制备方法、气体检测方法和应用技术

本发明专利技术涉及气体传感器技术领域，具体涉及一种微传感芯片及其制备方法、气体检测方法和应用。该微传感芯片上设置有一个以上传感单元，所述传感单元包括依次层叠的传感层、电极层、绝缘层、加热层、支撑层、悬空层和衬底层，其中，所述传感层由响应一种以上气体信号的气敏传感材料构成；所述加热层用于加热所述电极层和所述传感层；在所述悬空层和所述衬底层上的与所述加热层对应的区域具有通孔。本发明专利技术提供的低功耗微悬加热板和过渡金属氧化物气敏材料阵列的微传感芯片具有低功耗、高可靠性、高响应灵敏性、响应时间短等优点，可用于测试苯类、NOX、CO、H2S等多种气体浓度，有利于改善气体传感器的选择性。

Microsensor chips and their preparation methods, gas detection methods and Applications

【技术实现步骤摘要】
微传感芯片及其制备方法、气体检测方法和应用
本专利技术涉及气体传感器
，具体涉及一种微传感芯片及其制备方法、气体检测方法和应用。
技术介绍
近年来，国内外石化行业发生了多起重大火灾爆炸事故，如邦斯菲尔德油库火灾爆炸、腾龙芳烃储罐区火灾事故等，这些事故的发生，都是第一时间没有监测到可燃物料的泄漏导致事故的进一步扩大。随着国家和企业对各种有毒、有害气体的探测重视，对气体传感器的探测广度和精度都提出了更高的要求。目前，在石油、化工等领域普遍使用的传统气体检测仪的核心传感元件，主要存在便携性差、集成扩展能力弱、灵敏度不佳、稳定性差、检测气体种类单一以及响应迟滞等问题，由此造成复杂工况环境中气体泄漏事件不能及时发现，容易导致重大事故，如腾龙芳烃“4·6”爆炸着火事故，就是因为输送物料管线焊口开裂造成物料泄漏，但现场气体报警器却没有及时报警，泄漏出的物料扩散后被引风机吸入加热炉炉膛，遇明火引爆，爆炸冲击波撕裂储罐并引燃罐内物料，造成群罐火灾事故。针对上述问题，中国技术专利CN104931540A公开了一种气体传感器阵列及其制备方法，它采用了单种半导体金属氧化物纳米材料构建的气体传感器阵列，来提高气体传感器的选择性。但其采用的仍为传统的陶瓷管为主体的旁热式气敏元件，体积较大，功耗较大。此外，中国技术专利CN105223237A公开了一种气敏传感器制备方法，它提供了一种电子聚合物气体传感器阵列及其制备方法，它是将电子聚合物气体传感器阵列单元组成阵列，并设计制作在同一个芯片上，利用电子聚合物气体传感器阵列单元对含氮氧化物进行气敏检测。但其只可检测氮氧化物气体，适用范围较窄。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了克服现有技术存在的传统危险/可燃气体传感设备功能单一、信息分散、便携性不佳等问题，提供一种微传感芯片及其制备方法、气体检测方法和应用，该微传感芯片具有功率小、体积小、响应快、制备方法简便、准确性与可靠性高等优点，弥补了传统气体检测仪器在即时探测、交叉校准等功能方面的缺失，同时可以实现罐区、危化品仓库等密闭空间场所有毒有害气体浓度、环境温湿度多维参数的稳定灵敏响应。为了实现上述目的，本专利技术一方面提供一种气体基于低功耗微悬加热板和过渡金属氧化物气敏材料阵列的微传感芯片，该种气体传感芯片不仅能克服传统气敏传感器检测气体单一的缺点，还具有低功耗、高可靠性、高响应灵敏性、响应时间短等优点。本专利技术一方面提供一种微传感芯片，该微传感芯片上设置有一个以上传感单元，所述传感单元包括依次层叠的传感层、电极层、绝缘层、加热层、支撑层、悬空层和衬底层，其中，所述传感层由响应一种以上气体信号的气敏传感材料构成；所述加热层用于加热所述电极层和所述传感层；在所述悬空层和所述衬底层上的与所述加热层对应的区域具有通孔。优选地，所述支撑层为二氧化硅层，所述悬空层为硅层，所述衬底层为二氧化硅层；优选地，所述支撑层的厚度为300-700nm，所述悬空层的厚度为300-700μm，所述衬底层的厚度为300-700nm；优选地，所述支撑层、所述悬空层和所述衬底层由两面均为二氧化硅的硅片形成；优选地，所述硅片为P型单晶硅片。优选地，所述加热层包括加热电极和加热丝；优选地，所述加热电极和加热丝的材料为Cr/Au或者Ti/Pt；优选地，所述电极层的传感电极的尺寸不超过对应的所述加热丝。优选地，所述绝缘层为二氧化硅层；优选地，所述绝缘层的厚度为500-700nm。优选地，所述电极层包括传感电极；优选地，所述电极层的材料为Cr/Au；优选地，所述电极层的厚度为5-300nm。优选地，所述气敏传感材料为响应2种以上气体信号的气敏传感材料；优选地，所述气敏传感材料为纳米气敏传感材料；优选地，所述纳米气敏传感材料含有WO3和/或SnO2；优选地，所述传感层的厚度为1-3μm。本专利技术另一方面提供一种微传感芯片的制备方法，该方法包括：1)在支撑层、悬空层和衬底层上形成加热丝和加热电极作为加热层；2)在步骤1)得到的芯片上形成绝缘层；3)在步骤2)得到的绝缘层上形成电极层；4)去除加热电极表面的绝缘层；5)在所述悬空层和所述衬底层上与所述加热层对应的区域形成通孔；6)用响应一种以上气体信号的气敏传感材料在所述电极层上形成传感层。优选地，步骤1)中，将两面均具有二氧化硅层的硅片作为支撑层、悬空层和衬底层；优选地，所述支撑层的厚度为300-700nm，所述悬空层的厚度为300-700μm，所述衬底层的厚度为300-700nm；优选地，所述硅片为P型单晶硅片。优选地，步骤1)中，通过先光刻再蒸镀的方法形成所述加热层，所述加热层包括加热电极和加热丝；优选地，所述加热电极和加热丝的材料为Cr/Au或者Ti/Pt。优选地，步骤2)中，通过气相沉积形成所述绝缘层；优选地，所述气相沉积为等离子体增强化学气相沉积；优选地，所述绝缘层为二氧化硅层；优选地，所述绝缘层的厚度为500-700nm。优选地，步骤3)中，通过先光刻再蒸镀的方法形成所述电极层；优选地，所述电极层包括传感电极；优选地，所述电极层的传感电极的尺寸不超过对应的所述加热丝；优选地，所述电极层的材料为Cr/Au；优选地，所述电极层的厚度为5-300nm。优选地，步骤4)中，使用化学蚀刻法去除加热电极表面的绝缘层。优选地，步骤5)中，用化学蚀刻法在所述悬空层和所述衬底层上与所述加热层对应的区域形成通孔；更优选地，用HF溶液蚀刻所述衬底层，用四甲基氢氧化铵的水溶液蚀刻所述悬空层。优选地，步骤6)中，所述气敏传感材料为响应2种以上气体信号的气敏传感材料；更优选地，所述气敏传感材料为纳米气敏传感材料；更优选地，所述纳米气敏传感材料含有WO3和/或SnO2；优选地，所述传感层的厚度为1-3μm。本专利技术另一方面提供一种气体检测方法，其中，使用上述微传感芯片或者上述微传感芯片的制备方法制备的微传感芯片进行检测。优选地，所述气体为2种以上气体的混合气体。优选地，针对含有n种气体的混合气体进行检测时，用具有不同的气敏传感材料的微传感芯片进行n次检测，所述气敏传感材料可响应n种以上气体信号，n次检测中得到的响应分别为S1、S2…Sn，所述混合气体中的n种气体的浓度C1、C2…Cn可以通过下式求出，其中，所述气敏传感材料对混合气体中的第n种气体的响应常数为Ann；优选地，使用具有n个以上传感层的微传感芯片在一次检测中同时完成n次检测。本专利技术另一方面提供上述微传感芯片、上述微传感芯片的制备方法制备的微传感芯片或者上述气体检测方法在石油化工、食品领域的应用。通过上述技术方案，本专利技术的微传感芯片具有如下优点：1)将微热板设计为悬浮状态以减少散热降低功耗，加热到相同温度所需功率远小于市面上常见的微加热板所需功率；达到所需温度只需0.1-0.5s的响应时间，响应时间迅速；2)体积电导率根据气敏传感材料种类和负载量不同在0.1-500S/m范围内精细可控，其气体响应灵敏度可达1ppmH2S气体电阻变化44倍，响应时间<0.5s，最低检测限<10ppb。3)体积小便于携带；4)通过在气敏单元上负载不同气敏传感材料来变换气敏阵列种类，基于该气体传感器单元阵列排布，使用牛顿迭代法计算可显著提高信号的可靠性；5)检测信号由多个负载不同气敏传感材料的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种微传感芯片，其特征在于，该微传感芯片上设置有一个以上传感单元，所述传感单元包括依次层叠的传感层、电极层、绝缘层、加热层、支撑层、悬空层和衬底层，其中，所述传感层由响应一种以上气体信号的气敏传感材料构成；所述加热层用于加热所述电极层和所述传感层；在所述悬空层和所述衬底层上的与所述加热层对应的区域具有通孔。

【技术特征摘要】
1.一种微传感芯片，其特征在于，该微传感芯片上设置有一个以上传感单元，所述传感单元包括依次层叠的传感层、电极层、绝缘层、加热层、支撑层、悬空层和衬底层，其中，所述传感层由响应一种以上气体信号的气敏传感材料构成；所述加热层用于加热所述电极层和所述传感层；在所述悬空层和所述衬底层上的与所述加热层对应的区域具有通孔。2.根据权利要求1所述的微传感芯片，其中，所述支撑层为二氧化硅层，所述悬空层为硅层，所述衬底层为二氧化硅层；优选地，所述支撑层的厚度为300-700nm，所述悬空层的厚度为300-700μm，所述衬底层的厚度为300-700nm；优选地，所述支撑层、所述悬空层和所述衬底层由两面均为二氧化硅的硅片形成；优选地，所述硅片为P型单晶硅片。3.根据权利要求1所述的微传感芯片，其中，所述加热层包括加热电极和加热丝；优选地，所述加热电极和加热丝的材料为Cr/Au或者Ti/Pt。4.根据权利要求1所述的微传感芯片，其中，所述绝缘层为二氧化硅层；优选地，所述绝缘层的厚度为500-700nm。5.根据权利要求1或3所述微传感芯片，其中，所述电极层包括传感电极；优选地，所述电极层的材料为Cr/Au；优选地，所述电极层的厚度为5-300nm；优选地，所述电极层的传感电极的尺寸不超过对应的所述加热丝。6.根据权利要求1所述的微传感芯片，其中，所述气敏传感材料为响应2种以上气体信号的气敏传感材料；优选地，所述气敏传感材料为纳米气敏传感材料；优选地，所述纳米气敏传感材料含有WO3和/或SnO2；优选地，所述传感层的厚度为1-3μm。7.一种微传感芯片的制备方法，其特征在于，该方法包括：1)在支撑层、悬空层和衬底层上形成加热丝和加热电极作为加热层；2)在步骤1)得到的芯片上形成绝缘层；3)在步骤2)得到的绝缘层上形成电极层；4)去除加热电极表面的绝缘层；5)在所述悬空层和所述衬底层上与所述加热层对应的区域形成通孔；6)用响应一种以上气体信号的气敏传感材料在所述电极层上形成传感层。8.根据权利要求7所述的制备方法，其中，步骤1)中，将两面均具有二氧化硅层的硅片作为支撑层、悬空层和衬底层；优选地，所述支撑层的厚度为300-700nm，所述悬空层的厚度为300-700μm，所述衬底层的厚度为300-700nm；优选地，所述硅片为P型单晶硅片。9.根据权利要求7所述的制备方法，其中...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵宇鑫，牟善军，梁文杰，刘全桢，霍子扬，苏悦，王林，
申请(专利权)人：中国石油化工股份有限公司，中国石油化工股份有限公司青岛安全工程研究院，中国科学院物理研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11