[发明专利]表面敏感电容式气体传感器及其制作方法

说明书

所属领域  本发明涉及气体检测领域，特别是涉及一种基于一维纳 米或微米材料边缘场效应的表面敏感电容式气体传感器及其制作方法。

背景技术

气体传感器有很多类型，如氧化物半导体气体传感器、 固态电解质气体传感器、电化学气体传感器、金属栅MOS气体传感器、 声表面波气体传感器、红外气体传感器等。随着纳米科技的兴起，纳米 材料所表现出的优异性能使得传感器领域得到了迅速地发展。纳米颗粒 往往具有很大的比表面积，每克这种固体的比表面积能达到几百甚至上 千平方米，这使得它们可作为高活性的吸附剂和催化剂，利用纳米颗粒 和纳米薄膜改性传统的氧化物半导体、固态电解质和电化学等气体传感 器得到了良好的效果；一维纳米材料具有较小的曲率半径和较大的长径 比，场致电离气体传感器利用纳米材料独特的优势得到了进一步的发 展，Ashish Modi等人2003年在《Nature》上发表了关于碳纳米管场致 电离气体传感器的文章，作者利用碳纳米管较小的曲率半径大幅降低了 测试气体的击穿电压，使场致电离气体传感器向实用化迈出了一大步。

当然，微米材料同样可以制成场致电离气体传感器，只是被测气体 离子化所需的电压比纳米材料高。但是，场致电离气体传感器在结构上 存在着很大的不足，传感器必须将被测气体离子化，而且离子化的气体 到达对电极形成电流才能够得到检测信号，离子在运动过程中会发生复 杂的反应(如转移、复合等)而使离子电荷受到损失，所以检测结果存 在一些随机性。

E.S.Snow等人在2005年的《Science》文章和US20060249402专 利上提出了利用电容原理检测气体的单壁碳纳米管传感器，作者将单壁 碳纳米管层作为平板电容的介质层，将电极层做在单壁碳纳米管层的上 面，需要复杂的半导体制作工艺，而且单壁碳纳米管吸附气体积累会导 致介质层介电常数的改变，影响电容测试的效果。

S.V.Patel等人在2003年的《Sensors and Actuators B》上发表的文章 和Cyrus Zamani等人2005年在《Sensors and Actuators B》上发表的文章 与E.S.Snow的文章一样都介绍了一种传统的电容式传感器结构，即将 敏感层置于平板电容两极板之间的电容结构，检测待测气体吸附在平板 电容之间的敏感层后敏感层介电常数的变化量。不同的是S.V.Patel用聚 合物作为敏感材料、Cyrus Zamani用NaNO₂作为敏感材料，而E.S.Snow 用单壁碳纳米管作为敏感材料。

专利CN1601269和专利CN2700876都是检测敏感材料的电阻变化， 其中硅只是作为基底起到支撑作用，并不参与信号测试。专利 CN2700876是利用碳纳米管与氧化硅的复合薄膜作为敏感材料，只是利 用碳纳米管的中空结构和外壁比表面积大的特点来增强薄膜的气体的 吸附性能，而专利CN1601269仅是检测氧化锌纳米颗粒吸附气体的电阻 变化量。

发明内容

本发明要解决的技术问题即本发明目的是：克服现有气 体传感器的不足之处，提供一种结构简单、性能稳定、选择性高、灵敏 度高的表面敏感电容式气体传感器及制作方法。本发明在器件结构上将 敏感材料薄膜置于平板电容器某一极板的外表面，而不是内表面，这样 就不是简单地检测平板电容器之间介电常数变化，而是利用一维纳米材 料或一维微米材料尖端曲率半径小的特点，将待测气体极化，极化后敏 感材料所在电极上积累电荷的变化量再通过电容信号反映出来，称之为 表面敏感的电容式气体传感器。这种传感器避免了传统电容式气体传感 器紧紧依靠敏感材料对气体吸附能力来检测气体的局限性，但是要求被 测气体要有一定的极性。

本发明的技术方案是：一种表面敏感电容式气体传感器，特别是： 表面敏感电容式气体传感器结构为长方形的片状，依次由第一电极、硅 片、氧化硅、第二电极、敏感材料薄膜构成；

第一电极和第二电极是任意形状，位于表面敏感电容式气体传感器 的第一层和第四层；

硅片是掺杂或未掺杂的，其掺杂最低电阻率可达0.001Ω·cm，位 于表面敏感电容式气体传感器的第二层；

氧化硅是通过在硅片表面原位热氧化或在硅片表面溅射沉积氧化 硅，位于表面敏感电容式气体传感器的第三层；