專利名稱：以氧化亞銅微晶薄膜為傳感材料的氣體傳感器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明專利申請涉及用于探測易燃、易爆、有毒、有害氣體的探測傳感器，尤其涉 及的是探測甲烷、一氧化碳、二氧化碳及氫氣等氣體的探測設施。
背景技術：
科技人員們已經開展了應用氧化銅、氧化鋅等金屬氧化物作為氣體監(jiān)測傳感器材 料的技術研究。研究發(fā)現這些金屬氧化物材料表面吸附氣體后，其表面和基體的電阻值都 會產生變化；其中細小的晶粒有利于促進材料表面的敏感性；粗大的晶粒對基體的敏感性 有幫助。所以納米晶粒的金屬氧化物薄膜是氣體傳感器的首選?，F有的氣體傳感器，包括 氧化鈀氣體傳感器、氧化銅氣體傳感器，以及涂有鉬的氧化鋯制成的氣體傳感器都存在成 本高、工作溫度高、氣體選擇性差的技術問題，而且它們的正常工作溫度通常在300-400°C， 且選擇性差、難以區(qū)分不同的氣體。另外，低成本制造工藝對于小型而緊湊的氣體傳感器也 尤為重要。

發(fā)明內容
本發(fā)明專利申請的發(fā)明目的在于提供一種在降低傳感器工作溫度的同時能夠快 速探測甲烷、一氧化碳、二氧化碳和氫氣的以氧化亞銅微晶薄膜為傳感材料的氣體傳感器。 本發(fā)明專利申請?zhí)峁┑囊匝趸瘉嗐~微晶薄膜為傳感材料的氣體傳感器，其技術方案的內容 是一種以氧化亞銅微晶薄膜為傳感材料的氣體傳感器，以沉積法在絕緣材料基體表面上 形成金、鉬或鉻之一的電極薄膜，按設計圖形結構以化學侵蝕法在所述的電極薄膜層上制 出傳感體于基體的占用面，于傳感體的基體占用面上制有氧化亞銅層，于氧氣和氮氣混合 氣體中退火晶化形成氧化亞銅微晶薄膜。本發(fā)明專利申請?zhí)峁┑囊匝趸瘉嗐~微晶薄膜為傳感材料的氣體傳感器，有著比 現有的其它氣體傳感器低得多的反應和恢復時間。試驗表明，在一玻璃測量器皿內，由一 加熱線圈將上述的氣體傳感器加熱至理想工作溫度，用不同濃度的被測氣體的多次試驗表 明本技術方案的氣體傳感器具有良好的選擇性，重復性和穩(wěn)定性也大大提高對于空氣中 0. 83%微量的被測氫氣，溫度為185°C時靈敏度最高，為38%，在200至250°C其反應速度最 快，于250°C溫度時為270秒，恢復時間最短，于200°C溫度時為364秒；對于被測一氧化碳， 在沒有空氣的情況下，其敏感度在200°C溫度時可達到117 %，此時的響應時間為231秒，恢 復時間為117秒。本技術方案還具有成本低、體積小的技術優(yōu)點。


圖1為本發(fā)明的以氧化亞銅微晶薄膜為傳感材料的氣體傳感器結構示意2為本發(fā)明的氣體傳感器于250°C溫度中探測氫氣的反應曲線3為本發(fā)明的氣體傳感器于200溫度中探測氫氣的反應曲線4為本發(fā)明的氣體傳感器于170溫度中探測一氧化碳氣體的反應曲線圖
圖5為本發(fā)明的氣體傳感器于200溫度中探測一氧化碳氣體反應曲線6為本發(fā)明的氣體傳感器于300°C溫度中針對濃度改變的氫氣的反應曲線7為本發(fā)明的氣體傳感器于160溫度中針對濃度改變的一氧化碳氣體的反應曲 線圖。
具體實施例方式下面結合具體實施例詳細說明本專利申請的以氧化亞銅微晶薄膜為傳感材料的 氣體傳感器技術內容。以氧化亞銅微晶薄膜為傳感材料的氣體傳感器，包括有絕緣材料基體4，附著于絕 緣材料基體4表面的氧化亞銅微晶薄膜傳感材料層的傳感體2和與該傳感體電連接的電極 1、3構成。所述的絕緣材料基體4最好在以下各材料中選擇①涂有氮化硅SiNx薄膜的硅 片，其氮化硅薄膜厚度為300-1000nm;②覆蓋有熱氧生成的氧化硅薄膜的硅片，其氧化硅 薄膜的厚度為IOO-IOOOnm ；③玻璃、石英等能耐受于300-400的絕緣體。經真空蒸發(fā)濺射法 或者是電子束蒸發(fā)方法將電極金屬沉積到絕緣材料基體表面，其電極金屬可選用金、鉬或 鉻中任一作為電極薄膜，該電極薄膜的厚度為100-200nm;按設計的圖形結構以化學侵蝕 法或者是照相平片印刷技術在電極薄膜層刻蝕制出用于附著傳感體2的基體占用圖形面， 經丙酮清洗并真空干燥后，在刻蝕出的圖形面上采用真空蒸發(fā)濺射法、電子束真空蒸發(fā)、物 理氣相沉積、溶膠-凝膠法或者電鍍法產生與電極相連接的氧化亞銅薄膜，在氧氣與氮氣 或者是惰性氣體之一的混合氣體中退火3-12分鐘，促使氧化亞銅晶體化，形成氧化亞銅微 晶薄膜。由于退火工藝是公知常識，在此就不再贅述。如圖1所示，其傳感器的有效面積， 即不包括基體的面積約為IX2mm。X光衍射方法證實氧化亞銅已經被晶體化；其中的氧化亞銅薄膜厚度通過原子力 顯微鏡測得；氧化亞銅薄膜的氣體敏感性通過測量薄膜表面電阻而得到。其檢測方法是將 不同成分、濃度的被測氣體，如甲烷、一氧化碳等氣體通入封閉的置有氣體傳感器的玻璃皿 中，其氣體的流量和濃度通過閥門來控制，該試驗裝置還包括一個具有調節(jié)溫度功能的直 流加熱線圈，其溫度測量是通過一個連接于薄膜上的數字顯示熱電偶來完成的。當被測氣 體送入玻璃皿后，開始時氣體傳感器的電阻值隨時間的延長而增加，隨即趨于飽和，關閉氣 體后本氣體傳感器的電阻值隨時間的延長而降低，直至其初始值。本氣體傳感器的靈敏度 定義為測量中最大電阻與最小電阻的差值與最小電阻的比值。試驗結果以下為使用本氣體傳感器測量幾種典型氣體得到的實驗結果。由測得的電阻的量 值可以看出，本傳感器對不同種的氣體的反應在數值上有相當大的區(qū)別，因此足以區(qū)別不 同的氣體，有良好的選擇性。圖2是一個氫氣靈敏度試驗的曲線。其試驗條件為測量溫度為250°C，被測氣體 空氣中含有0. 83%的氫氣，由圖可知，其最大靈敏度為30%，反應和恢復時間分別為270秒 禾口 519秒。與圖2實驗的氣體條件一致，同一氣體傳感器在200°C測量溫度下的反應曲線如 圖3所示，其最大靈敏度為2%，其反應和恢復時間分別為290秒和364秒。同一氣體傳感器應用于在空氣中一氧化碳氣體為63ppm的探測，其反應曲線如圖4所示。在170°C的工作溫度下，其最大靈敏度可以達到74%，反應和恢復時間分別為880和803秒。圖5顯示的是在沒有空氣的情況下，同一氣體傳感器用來測量IOOppm的一氧化碳 時，具有較好的重復性探測性能。在200°C溫度下，最大靈敏度達到117%，反應和恢復時間 分別為231和117秒。其反應和恢復時間都遠遠短于圖5的實驗結果，而且其最大靈敏度 也高于其它溫度狀態(tài)下的一氧化碳和氫氣的實驗。圖2、3、4和5展示了表面電阻隨時間變化的重復性規(guī)律。被測氣體濃度固定，從 試驗開始時通入試驗皿。表面電阻逐漸增加。達到峰值所需要的時間是反應時間。切斷被 測氣體后，表面電阻逐漸減小。從峰值至初始電阻值所需的時間是恢復時間。在300°C溫度下，表面電阻隨著時間變化見圖6。靈敏度是通過改變氫氣的壓力而 得到。氫氣占空氣總量的百分比分別為0. 098%,0. 19%和0. 54%，圖6中箭頭指示位為氫 氣濃度改變點。圖6表明，即使在0. 098的氫氣濃度下也可以看到探測的靈敏度隨時間的 延長在迅速增長，最后關閉送氣管以后，電阻值則逐漸減小。圖7顯示了本氣體傳感器在160°C溫度下當一氧化碳氣體濃度改變時表面電阻的 變化情況。其四個向下尖頭由左至右分別表示一氧化碳的濃度為53ppm、67ppm、87ppm和 IOOppm0圖6和圖7展示了在分階段改變被測氣體濃度情況下表面電阻隨時間變化的規(guī) 律，這種規(guī)律也同樣適用于甲烷和二氧化碳氣體。被測氣體以一定的濃度從試驗開始時通 入試驗皿，表面電阻逐漸增加，達到穩(wěn)態(tài)后加大濃度，表面電阻持續(xù)增加。達到新的穩(wěn)態(tài)后 再加大濃度，導致表面電阻繼續(xù)增加。由于在實際條件下，被測氣體濃度可能隨時間而變 化，圖6和圖7的曲線狀態(tài)說明本氣體傳感器可以在這種情況下用于氣體檢測。
權利要求
一種以氧化亞銅微晶薄膜為傳感材料的氣體傳感器，其特征在于以沉積法在絕緣材料基體(4)表面上形成金、鉑或鉻之一的電極(1、3)薄膜，按設計圖形結構以化學侵蝕法在所述的電極薄膜層上制出傳感體(2)于基體的占用面，于傳感體的基體占用面上制有氧化亞銅層，于氧氣和氮氣混合氣體中退火晶化形成氧化亞銅微晶薄膜。
2.根據權利要求1所述的氣體傳感器，其特征在于其絕緣材料基體為涂有氮化硅SiNx 薄膜的硅片，其氮化硅薄膜厚度為300-1000nm。
3.根據權利要求1所述的氣體傳感器，其特征在于其絕緣材料基體為覆蓋有熱氧生成 的氧化硅薄膜的硅片，其氧化硅薄膜的厚度為lOO-lOOOnm。
4.根據權利要求1所述的氣體傳感器，其特征在于其絕緣材料基體為玻璃、石英等能 耐受于300-400°C的絕緣體。
5.根據權利要求1、2、3或4所述的氣體傳感器，其特征在于氧化亞銅層是采用真空蒸 發(fā)濺射法、電子束真空蒸發(fā)、物理氣相沉積、溶膠_凝膠法或者電鍍法形成的。
全文摘要
本發(fā)明申請?zhí)峁┑囊匝趸瘉嗐~微晶薄膜為傳感材料的氣體傳感器是以沉積法在絕緣材料基體表面上形成金、鉑或鉻之一的電極薄膜，按設計圖形結構以化學侵蝕法在所述的電極薄膜層上制出傳感體于基體的占用面，于傳感體的基體占用面上制有氧化亞銅層，于氧氣和氮氣混合氣體中退火晶化形成氧化亞銅微晶薄膜。本技術方案有著比現有的其它氣體傳感器低得多的反應和恢復時間，而且具有良好的選擇性，重復性和穩(wěn)定性也大大提高，其成本低、體積小。
文檔編號G01N27/12GK101819176SQ20091024907
公開日2010年9月1日 申請日期2009年12月31日 優(yōu)先權日2009年12月31日
發(fā)明者張洪延, 阿哈拉普瑅亞·H·杰亞瑅沙 申請人:張洪延;阿哈拉普瑅亞·H·杰亞瑅沙