專利名稱：基于納米間隙的微型氣體傳感器的制作方法
(一)技術領域 本發明涉及一種基于氣體在納米間隙中的電離來實施氣體檢測的氣體傳感器，該氣體傳感器應用于有毒有害氣體報警、氣相色譜分析等領域。
背景技術：
人類的生存離不開空氣，但是隨著社會的發展，各種各樣的有害氣體不斷產生和排放到大氣之中。如果不對這些氣體進行及時監測，將會對人類的健康造成極大的危害。另外，在人們的日常生活和生產中有時也必須使用一些可燃、有毒氣體。例如，現在大多數的家庭日常生活離不開城市煤氣；在外科手術中必須使用一些麻醉氣體使病人暫時喪失痛覺；在化工、微電子工業中更是會使用到一些劇毒、可燃氣體。如果在這些氣體的使用過程中沒有有效的監測，將會造成不可估量的后果。
氣體檢測最方便的技術是運用氣敏傳感器進行檢測。目前在市場上主要有兩大類的氣體傳感器。一類是基于半導體氧化物材料的氣體傳感器，另一類是基于電化學原理的氣體傳感器。基于半導體氧化物材料的氣體傳感器主要優點是成本低，但是其選擇性和穩定性都比較差。基于電化學原理的氣體傳感器雖然在選擇性和穩定性有所提高，但是總的來講還是只能應用于一些特定的應用場合。因此，在很多情況下氣體的檢測仍依賴于現場采樣然后再送回實驗室用大型分析儀器進行分析。
針對這一情況，本發明提出了一種基于氣體電離原理的氣體傳感器。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種基于氣體在納米間隙中的電離來實施氣體檢測的氣體傳感器，該氣體傳感器通過檢測氣體的電離電壓來實現不同氣體的檢測識別，由于電極之間的間隙在納米范圍，在常溫常壓下氣體可以在幾十伏左右的電壓范圍內電離，電離法氣體檢測靈敏度高，工作性能穩定可靠，且可用于現場檢測。
本發明基于納米間隙的微型氣體傳感器包括絕緣基底，在絕緣基底上設置一電極對，電極對中兩電極的間隙為1納米至999納米。
所述的電極對由電極基底和電鍍薄膜組成。
所述電極基底材料為鉑，金，或銅，電鍍薄膜材料為金，銅，或鎳。
所述絕緣基底材料為玻璃，氧化鋁陶瓷或云母。
本發明的基本思想是通過縮短兩電極間的距離來增強電場強度，然后通過氣體在強場內的電離來實施低外加電壓下的氣體檢測。
大多數氣體傳感器需要在常溫常壓下工作。在常溫常壓下，氣體一般呈絕緣態。但是，當氣體處于一外加電場中時，若所施加的電場足夠強，則氣體中的一些帶電粒子會在電場中受力加速并獲能。這些獲能粒子在運動過程中會和其他的中性粒子碰撞并發生能量傳遞，從而導致這些中性粒子也電離，在合適的條件下這種碰撞可以使得氣體中帶電粒子的數目呈幾何級數增長，從而使氣體從絕緣體變為導體，并使電流通過。因此，通過檢測氣體的電離電流，可以到達氣體檢測的目的。和其他的氣體檢測方法相比，電離法氣體檢測的優點是檢測的穩定性好，但是宏觀條件下的氣體電離需要有很高的外加電壓以產生強電場。
在宏觀條件下，氣體電離所需要的外加電壓由伯森定律決定。對于空氣而言，當兩電極間距為毫米量級時，伯森定律大致可表述為V＝30pd+1.35kV其中d為電極間的距離，單位為厘米，p為氣體壓力，單位為標準大氣壓。由此可見在宏觀條件下氣體的電離需要約上千伏的電壓。上千伏的電壓雖然從技術上講可以產生，但是在微型化，便攜式的傳感器的應用中，上千伏的高壓會給整個系統的設計帶來很大的問題。
除了提高兩電極上所施加的電壓以產生強場外，其他產生強場的方法是縮短兩電極之間的距離，并利用尖端放電等非線性現象以增強局部電場強度。實驗表明當電極之間的距離為150微米，并且一電極板由碳納米管組成時，空氣的電離電壓為350伏左右。在本發明中，提出了采用新型的微納加工技術，使電極之間的距離縮短到幾個納米的量級。實驗表明，當電極間的距離縮短到幾個納米量級時，在常溫常壓下，氣體電離所需要的電壓只需要幾十伏。這樣可以大大的促進微型、便攜式氣體傳感器的研究。更進一步，當電極間距縮小到原子量級時，電極之間的氣體將不再可以視作連續體，電離電壓將取決于單個氣體分子的特性，這將極大地提高傳感器的檢測靈敏度。
本發明與現有技術相比，產生了實質性特點和顯著的進步(1)可應用于特定的場合，在常溫常壓下實施現場檢測；(2)微型氣體傳感器，體積小，攜帶方便；(3)采用在線阻抗監測電鍍法制備銅膜納米電極，制得的納米電極間距可控。
(4)通過檢測氣體的電離電壓來實現不同氣體的檢測識別，檢測靈敏度高，工作性能穩定可靠。
本發明的實施例示于圖中圖1是本發明微型氣體傳感器的結構示意圖。圖中1.基底 2.電極對3.電鍍薄膜 4.電極基底圖2是本發明微型氣體傳感器采用在線阻抗監測電鍍法制備銅膜納米電極的實驗裝置。圖中1.基底 2.電極對(陰極) 3.電鍍薄膜 4.電極基底 5.對電極 6.阻抗測量電源 7.放大器 8.阻抗輸出 9.電鍍電源圖3不同氣體在本發明所制備的納米間隔中的電離電壓值的圖示。
(五)具體實施方案。
下面結合實施例對本發明作進一步詳述根據附圖1所示的實施例基于納米間隙的微型氣體傳感器，包括絕緣基底1，在絕緣基底1上設置一對電極對2，電極對2中兩電極的間隙為1納米至999納米。絕緣基底1的材料為玻璃，也可以使用其他具有很好絕緣性能的基底材料，如云母，或氧化鋁陶瓷等，本實施例中采用玻璃材料。
每個電極對2又由兩部分組成，一部分為通過薄膜濺射、真空蒸鍍微電子半導體工藝制作的電極基底4，第二部分為在此基礎上進一步通過電鍍制作的電鍍薄膜3。電極基底4采用真空濺射制作，其工藝參數可參考標準的微電子加工工藝，這一步完成后，電極對2的間距在1微米左右。本實施例中電極基底4的材料為金，但是也可以用鉑，或銅，本實施例中電鍍薄膜3的材料為銅，但是也可以用金，或鎳。
電鍍薄膜3采用在線阻抗監測電鍍法來制作，使得電極對2中兩電極之間為納米間隙。根據附圖2所示的實施例在線阻抗監測電鍍法裝置包括基底1、電極對2、電鍍電源9、對電極5、阻抗測量電源6、放大器7、阻抗輸出8。其中電極對2、電鍍電源9和對電極5組成了電鍍電化學電池，在電鍍過程中電極對2為陰極，對電極5為陽極。本實施例的電鍍薄膜3材料為銅，所以電鍍的溶液為硫酸銅，在電鍍過程中銅被沉積在電極基底4上，形成電鍍薄膜3，并組成電極對2。同時，電極對2的兩個電極，阻抗測量電源6，放大器7組成了阻抗測量回路，來測量電極對2的兩個電極之間的阻抗。隨著電鍍的進行，電極對2的兩個電極之間的距離越來越近，其之間的阻抗也越來約小，因此，通過阻抗測量可以間接推出電極對2的兩個電極之間的距離，從而決定電鍍停止的時間。在本實施例中，電鍍時電鍍液中硫酸銅的濃度為0.5摩爾，電鍍時施加于電極對2和對電極5之間的電壓為900毫伏。阻抗測量回路中阻抗測量電源為一1000赫茲，幅度為10毫伏的正弦信號。當電極對2的兩個電極之間的阻抗小于10歐姆時停止電鍍。經觀察，在此條件下得到的電極對2的兩個電極間的距離為10納米，也即電極對2的兩電極已經形成一納米間隙。
本發明微型氣體傳感器的應用實例將本發明基于納米間隙的微型氣體傳感器放置于一氣體腔內，在電極對2的兩電極之間施加一可調電壓，并同時監測流過電極對2的兩電極之間的電流。當電極對2的兩電極之間的氣體發生電離時，所流過的電壓將明顯增大，從而通過電流電壓的對應測量可以測得電離電壓。不同的氣體由不同的電離電壓。因此，控制氣體腔內的氣體成分，當腔內氣體的成分不同時，電極對2的兩電極之間的電離電壓也不同，從而達到氣體檢測識別的功能。圖3是一常見的測量結果，測量在常溫常壓下進行的。可以看到空氣，氮氣，及氧氣有不同的電離電壓。
另外，在同一氣體中，電離時的電流和氣體的濃度有關，這樣通過電離電流的檢測就可以進行氣體濃度的檢測。
權利要求
1.一種基于納米間隙的微型氣體傳感器，其特征是在絕緣基底上設置一電極對，電極對中兩電極的間隙為1納米至999納米。
2.根據權利要求1所述的微型氣體傳感器，其特征是電極對由電極基底和電鍍薄膜組成。
3.根據權利要求1所述的微型氣體傳感器，其特征是所述絕緣基底材料為玻璃，氧化鋁陶瓷或云母。
4.根據權利要求1或2所述的微型氣體傳感器，其特征是所述的電極基底材料為鉑，金，或銅，所述的電鍍薄膜材料為金，銅或鎳。
全文摘要
本發明公開了一種基于氣體在納米間隙中的電離來實施氣敏檢測的微型氣體傳感器。本發明采用在線阻抗監測電鍍法來制備具有納米間隙的金屬電極對，所制備的微型氣體傳感器包括絕緣基底和在絕緣基底上設置一電極對，電極對中兩電極的間隙為1納米至999納米。本發明的微型氣體傳感器采用納米間隙，可以在較低的外加電壓下產生強電場，然后通過不同的電離電壓和電離電流來實施氣敏檢測，大大簡化了微型，便攜式氣體傳感器的制備，可廣泛應用于在有毒有害氣體報警，氣相色譜等領域。
文檔編號G01N27/68GK1727889SQ20051005006
公開日2006年2月1日 申請日期2005年6月14日 優先權日2005年6月14日
發明者吳堅, 樓正國, 楊群清 申請人:浙江大學
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