[发明专利]一种基于嵌入式薄膜的谐振式气体传感器及其制造工艺

说明书

本发明公开了一种基于嵌入式薄膜的谐振式气体传感器及其制造工艺，涉及传感器技术领域，包括硅基板、硅栅极、硅悬臂梁、金属铝电极、压电传感器、气体分子与聚合物结构，所述硅基板的表面设置有硅栅极与硅悬臂梁，所述硅栅极与硅悬臂梁耦合，所述硅悬臂梁的末端设置有压电传感器，所述压电传感器的两侧分别设置有金属铝电极，该基于嵌入式薄膜的谐振式气体传感器及其制造工艺，通过利用在谐振式传感器的硅栅极内嵌入式薄膜，通过薄膜吸收气体后产生内应力来影响悬臂梁的共振频率，提高了气体检测灵敏度和线性度，通过更换嵌入的薄膜材料，从而可以制备传感器阵列实现多种化学气体的高效响应。

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，具体为一种基于嵌入式薄膜的谐振式气体传感器及其制造工艺。

背景技术

传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。其中涉及气体检测领域的气体传感器是一种将气体体积分数转化成对应电信号的转换器，气体传感器一般用来测量环境中某种气体或者有机挥发物的浓度，目前在环境检测、汽车工业、医疗健康等领域被大量应用。

MEMS((Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统)技术提供了基于微纳米尺度设计制造传感器的思路，MEMS气体传感器具有体积小、重量轻、功耗低、灵敏度高、稳定性好、易批量生产等优点。

MEMS气体传感器可按传感原理分为光气体传感器、热气体传感器、电化学气体传感器和质量气体传感器等。光气体传感器吸收的光的特定频率来进行气体感知。光气体学传感器可以实现高灵敏度、高稳定性和高选择性，然而其功耗高，制造成本高，难以将传感器小型化。热气体传感器根据燃烧反应过程中电阻值的变化来识别目标气体。热气体传感器能以较低的成本适应复杂的工作环境，但目前只能应用于可燃气体的检测，并不能检测不可燃气体。电化学气体传感器关注目标气体扩散或与之反应时传感材料的性能变化。一些性能理想的金属氧化物半导体和纳米材料已被用于检测，同时传感器表现出低成本和快速响应等特性。然而高工作温度和传感器容易漂移限制了电化学气体传感器的进一步应用。质量气体传感器有悬臂梁或其他类型的振荡结构，目标气体的识别是通过气体分子吸附到传感器上时，引起振荡结构的共振频率或声波频率的移动。质量气体传感器表现出极高的线性度和灵敏度，然而声波的性质随着温度变化而变化，限制了它在温度变化环境中的应用。谐振气体传感器捕捉吸收气体引起的重量变化，通过感知振动频率的变化来实现对应目标气体浓度的检测，其功耗低、选择性好，适应性强等优点在过去的十年中引起了人们的广泛关注。

谐振气体传感器主要包括敏感层材料和微机械结构。敏感层材料的功能聚合物具有通过物理或化学相互作用选择靶向气体的亲和力。化学有机聚合物与特定材料的结合将提高传感的性能，作为气体分子识别层有助于挥发性气体检测的高重复性和高灵敏度。为了提高谐振气体传感器的灵敏度，可以采用特殊微机械结构，如微悬臂梁等。目前为提高谐振气体传感器的性能，人们已经付出了巨大的努力，包括对敏感层材料的功能薄膜和微机械结构的改良，最终被开发用于检测水蒸气、一氧化碳、氧气、氨气等气体。

综合分析发现，目前气体检测领域的各种类型MEMS气体传感器面临制造工艺复杂、器件体积庞大、响应灵敏度和线性度差、气体检测稳定性差、易受环境影响等问题，极大地限制了气体传感器的应用性能。现阶段制约谐振式气体传感器性能的关键因素在于敏感材料和微机械结构的设计制造。鉴于此，为了提高气体检测传感器的工程实用性，必须设计出制造工艺简单、器件体积小、灵敏度和线性度高、性能稳定的谐振式气体传感器。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于嵌入式薄膜的谐振式气体传感器及其制造工艺，解决了上述背景技术中提出的问题。