集成三类放电气敏电学量检测的气体传感器电极结构制造技术

一种集成三类放电气敏电学量检测的气体传感器电极结构，属于微型电子器件领域。本发明专利技术包括下电极、镂空电极和离子检测电极，下电极与镂空电极之间构成气体放电区域，镂空电极与离子检测电极之间构成离子漂移区域；下电极面向镂空电极一侧的表面覆盖有一维纳米材料膜，镂空电极可以使气体放电区域中气体电离过程所产生的正离子能够部分地运动到气体放电区域之外，镂空电极面向下电极一侧表面覆盖有介质阻挡层。相对于局部放电电流幅值检测，本发明专利技术应用于离化气体传感器，能够显著提高其选择性、稳定性、寿命和可靠性，提高识别气体的精度和准确度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及的是一种微电子器件
的微气体传感器结构，具体地说， 涉及的是一种集成三类放电气敏电学量检测的气体传感器电极结构。技术背景在地球上的大气环境中，若干种重要的气体分子为包括人类在内的很多种生 命体提供着新陈代谢过程所必需的化学物质。生命体对气体环境中化学成分的改 变十分敏感，对于某些气态化学物质，只要被某种生命体摄入非常微小的量，就 可以完全改变其正常生理状态，甚至导致其死亡。例如空气中极微量的甲氟膦酸 异丙酯(Sarin，沙林)就能够抑制吸入者身体所必需的某些酶的生化作用，从 而快速地、致命地破坏神经系统功能，致人于死地。再如，空气中大于1000ppm 的氯气就可以使吸入者很快死于肺水肿。因此，对空气中气体分子微量化学成分 的长时间监测对于公共安全、国防安全是非常重要的，而为了实现这种监测，高 选择性、高敏感性、高稳定性、长寿命、低能耗和高安全性的气体传感器是基本 的技术前提。对于以场致气体分子电离过程中的电学特异性为检测依据的"分子电离式 气体传感器"而言，由于直接应用不同气体分子在场致离化与电荷传输过程中所 表现出的特异性，从而可以实现对气体中分子组成的检测与识别。因此，在传感 机理上具有许多特点和优势，具有良好的应用潜力。该技术的现有检测方法主要 是通过下列电学特征的气敏性实现(1)气体放电电流的临界转变电压(主要是 间隙击穿电压)、(2)气体局部放电电流的幅值和(3)过电压条件下的击穿脉冲 波形。对于检测目标(1)和(3)而言，两者都来源于间隙击穿等离子体的形成 过程，在常压下，气体间隙击穿所形成的是一种热平衡等离子体，对电极有很强 的破坏作用，因此对器件的稳定性、寿命和重复性都有严重的负面影响。对于检 测目标(2)而言，稳定放电电流的来源主要是"自持暗放电电流"，电流幅值的气敏特性主要是由气体放电的第一电离系数(a )与气体分子的种类与含量有 关造成的。这种检测方法在微量物质检测时，其选择性和敏感性也比较有限，因 为a对放电电流幅度变化的影响是一个由大量粒子碰撞电离造成的统计结果， 因此，电流幅值的气敏特性势必受制于气体分子的数量。另一方面，由于现有的 许多成膜技术所得到的一维纳米材料膜，其厚度很难实现纳米尺度的均匀性，因 此，在几微米的微小尺度下，很容易由于一维纳米材料膜表面的不均匀造成正负 电极局部接触，进而造成电极短路。经对现有技术文献的检索发现，最为常见的电容式结构，该结构较新的技术 特征可以在一篇比较全面的研究报告——中国科学技术大学黄家锐博士的博士 论文(2006年5月)中找到。但文献中所报道的电极结构都只是针对上述三种 检测方法在一维纳米电极系统中应用的某一种。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种集成三类放电气敏电学 量检测的气体传感器电极结构。由于在放电电极中引入绝缘介质，使放电保持在 冷等离子体生成状态，因此该电极结构可以有效避免热平衡等离子体的形成，从 而提高器件工作的稳定性和寿命；同时，由于介质阻挡结构的引入，可以避免由 于一维纳米材料膜在局部区域与对侧电极的接触，有效降低由此引起的电极短路 的可能性，因此可以构建微小间隙的放电器件，从而更进一步降低器件的工作电 压。由于在器件中引入了不同的检测方法，实现多种放电气敏电学量检测的相互 补充和协同，因此可以显著提高器件的选择性。本专利技术是通过以下技术方案实现的，本专利技术包括三个电极，它们是下电极、 镂空电极和离子检测电极，镂空电极位于下电极与离子检测电极之间，下电极与 镂空电极之间存在气体间隙，构成气体放电区域，镂空电极与离子检测电极之间 存在气体间隙，构成离子漂移区域；下电极面向镂空电极一侧的表面覆盖有一维 纳米材料膜，镂空电极可以使气体放电区域中气体电离过程所产生的正离子部分 地运动到气体放电区域之外，镂空电极面向下电极一侧表面覆盖有介质阻挡层。所述的一维纳米材料膜，其中的一维纳米材料属于导体性或者半导体性一维 纳米材料，其直径在几纳米到几百纳米之间， 一维纳米材料膜可以仅由一维纳米材料组成，也可以由一维纳米材料与其他化学成分的添加剂混合而成。所述的其他化学成分的添加剂，可以是树脂类添加剂，可以是树脂类添加剂 与陶瓷粉末组成的混合添加剂，可以是树脂类添加剂与金属粉末组成的混合添加 剂，可以是树脂类添加剂与陶瓷粉末、金属粉末组成的混合添加剂，还可以是上 述五种添加剂或者混合添加剂与可以溶解树脂的液态有机溶剂组成的混合添加 剂。所述的镂空电极，可以是具有镂空结构的一个平面电极，也可以是一个或者 多个电极面积小于下电极的点状电极、杆状电极或者针状电极。所述的介质阻挡层，可以由单一绝缘材料组成，也可以由多种绝缘材料分为 几层共同组成。在本专利技术电极结构工作时，器件可以实现三种检测方式的集成。(l)放电的 临界电压检测可以对下电极和镂空电极之间的间隙击穿电压进行检测；(2)放 电的局部放电电流检测由于一维纳米电极材料会形成电场集中效应，因此，可 以通过检测局部放电电流的大小来区分某些气体的成分；(3)离子电流检测以 正离子电流检测为例，使下电极的加载电压大于镂空电极的加载电压，镂空电极 的加载电压大于离子检测电极的加载电压，在上述条件下，在放电区域内，正离 子一部分会通过负极的镂空区域进入离子漂移区域，并向检测电极运动。流过离 子检测电极的电流主要由进入离子漂移区域的正离子的量和在离子漂移区域内 正离子的场致迁移速度两个因素决定，在加载电压相同的情况下，第一个因素由 气体的第一电离系数决定，第二个因素决定于离子漂移区域的电场分布和正离子 的种类，因此两个因素都会使离子检测电极的电流反映出气体的分子组成特征。 因此，上述电极配置条件下的正离子电流也能够反映出由气体成分与含量决定的 放电特异性。对于负离子检测的情况，除了 1)负离子是由于放电过程中的附着 效应产生，并且2)整个电极的加载电压应当是使下电极的加载电压小于镂空 电极的加载电压，镂空电极的加载电压小于离子检测电极的加载电压，其原理与 效果与正离子检测类似。由此可见，由于放电的临界电压值、局部自持放电电流值和离子电流值由不 同的物理过程决定，因此可以相互补充，提高传感器的选择性。对于某一个检测目标而言，不同气体的特征很可能很接近，这就会造成传感器用该方法检测时选 择性的下降。此时，另两种特征值的检测却能够提高对两种气体进行甄别的选择 性，因为另外两个物理量决定于其他的物理过程。可见，上述电极结构能够通过 检测多种放电气敏电学特征量极大地提高传感器的选择性。本专利技术应用于离化气体传感器，能够显著提高场致电离式气体传感器的选择 性、稳定性、寿命和可靠性，提高识别气体的精度和准确度。另一方面，该电极 结构很容易用基于微电子制造工艺的技术进行器件的片上加工，高精度地控制器 件的几何尺度，有利于批量化地生产微型化的器件。附图说明图l为本专利技术结构示意图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的实施例作详细说明本实施例在以本专利技术技术方案 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，但本专利技术的保护 范围不限于下述的实施例。实例1:如图1所示，本实施例包括下电极l、镂空电极2和离子检测电极3，镂 空电极2位于下电极1与离子检测电极3之间，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种集成三类放电气敏电学量检测的气体传感器电极结构，其特征在于，包括：下电极、镂空电极和离子检测电极，镂空电极位于下电极与离子检测电极之间，下电极与镂空电极之间存在气体间隙，构成气体放电区域，镂空电极与离子检测电极之间存在气体间隙，构成离子漂移区域；下电极面向镂空电极一侧的表面覆盖有一维纳米材料膜，镂空电极使气体放电区域中气体电离过程所产生的正离子部分地运动到气体放电区域之外，镂空电极面向下电极一侧表面覆盖有介质阻挡层。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：侯中宇，蔡炳初，张亚非，徐东，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]