CN113092541A - 具有微型加热器的垂直型三维纳米气体传感器及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有微型加热器的垂直型三维纳米气体传感器及其制备方法。该气体传感器包括：壳体以及至少一套封装于壳体内部的加热型气体传感组件。该加热型气体传感组件包括：上下通孔型纳米管，内壁上沉积有纳米级气敏材料；传感电极，包括分别生长于上下通孔型纳米管的上表面和下表面的顶部传感电极和底部传感电极，顶部传感电极与底部传感电极具有上下垂直相对的部分，将顶部传感电极与底部传感电极上下垂直相对的部分记为重叠部分；绝缘层，生长于底部传感电极的下表面；微型加热器，生长于绝缘层的下表面，包括加热电极以及与加热电极电连接的发热元件，发热元件与重叠部分上下垂直相对。本发明可实现更低功耗下更高性能的气敏响应。

Description

具有微型加热器的垂直型三维纳米气体传感器及制备方法
技术领域
本发明涉及纳米气体传感器领域，特别是涉及一种具有微型加热器的垂直型三维纳米气体传感器及其制备方法。
背景技术
气体传感器，特别是基于金属氧化物半导体(MOX)的电阻式气体传感器，广泛应用于环境污染监测、危险气体泄漏、化学物检测等生产生活领域。随着物联网技术的发展和精准医疗战略的推进，传统的MOX气体传感器在可穿戴便携式设备、即时诊断设备(POCT)、智慧城市、智慧家居等新兴领域中具有巨大的应用潜力，也面临着诸多挑战。
目前市面上的大多数MOX传感器具有功耗高及选择性差的缺点。传感器多为平面二维薄膜结构且需在高温下(300℃-400℃)运行，通过加热来活化与目标气体之间的吸附能力以借此提高对气体的响应灵敏度，这使得他们不适用于低功耗运用场景。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有微型加热器的垂直型三维纳米气体传感器及其制备方法。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种具有微型加热器的垂直型三维纳米气体传感器，包括：壳体以及至少一套封装于所述壳体内部的加热型气体传感组件；
所述加热型气体传感组件包括：
上下通孔型纳米管，内壁上沉积有纳米级厚度的气敏材料；
传感电极，包括生长于所述上下通孔型纳米管的上表面的顶部传感电极以及生长于所述上下通孔型纳米管的下表面的底部传感电极，所述顶部传感电极与所述底部传感电极具有上下垂直相对的部分，将所述顶部传感电极与所述底部传感电极上下垂直相对的部分记为重叠部分；
绝缘层，生长于所述底部传感电极的下表面；
微型加热器，生长于所述绝缘层的下表面，包括加热电极以及与所述加热电极电连接的发热元件，所述发热元件与所述重叠部分上下垂直相对。
可选的，所述发热元件为蜿蜒型加热丝。
可选的，所述气敏材料为SnO2或其他金属氧化物材料。
可选的，所述纳米管为阳极氧化铝纳米管。
可选的，所述壳体为陶瓷管壳。
可选的，采用导电胶将所述加热型气体传感组件封装于所述壳体中。
本发明还提供了一种具有微型加热器的垂直型三维纳米气体传感器的制备方法，包括：
在上下通孔型纳米管的内壁上沉积纳米级气敏材料；
在所述上下通孔型纳米管的上表面蒸镀顶部传感电极，在所述上下通孔型纳米管的下表面蒸镀底部传感电极；其中，所述顶部传感电极与所述底部传感电极具有上下垂直相对的部分，将所述顶部传感电极与所述底部传感电极上下垂直相对的部分记为重叠部分；
在所述底部传感电极的下表面沉积绝缘层；
在所述绝缘层的下表面蒸镀微型加热器，得到加热型气体传感组件；所述微型加热器包括加热电极以及与所述加热电极电连接的发热元件，所述发热元件与所述重叠部分上下垂直相对；
对所述加热型气体传感组件进行封装。
可选的，所述发热元件为蜿蜒型加热丝。
可选的，所述绝缘层的厚度为300nm～1μm。
可选的，所述微型加热器的厚度为150nm～350nm。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的具有微型加热器的垂直型三维纳米气体传感器及其制备方法，将气敏材料沉积在纳米管内壁上，获得了极高的比表面积，实现与气体分子更充分的接触和更高的灵敏度，降低了传感器所需的工作温度；在三维纳米气体传感器上直接集成微型加热器进行温度控制，该微型加热器的加热元件与顶部传感电极与底部传感电极的重叠部分上下垂直相对，由于纳米管的纵向热传导要优于横向热传导，可使大部分热量沿着纳米管进行纵向传输而减少横向的热量损耗，可实现更低功耗下更高性能的气敏响应。此外，本发明还可以实现单芯片上多个传感器的封装。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1提供的具有微型加热器的垂直型三维纳米气体传感器的结构示意图；
图2为本发明实施例2提供的具有微型加热器的垂直型三维纳米气体传感阵列的结构示意图；
图3为本发明实施例3提供的具有微型加热器的垂直型三维纳米气体传感器的制备方法的流程示意图；
图4为本发明实施例中微型加热器的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种具有微型加热器的垂直型三维纳米气体传感器及其制备方法。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1
本实施例提供了一种具有微型加热器的垂直型三维纳米气体传感器，该垂直型纳米气体传感器包括：壳体以及封装于所述壳体内部的加热型气体传感组件，其中，壳体优选为陶瓷管壳。参见图1，该加热型气体传感组件包括：上下通孔型纳米管2、传感电极、绝缘层4以及微型加热器5。
上下通孔型纳米管2的内壁上沉积有纳米级气敏材料，其中，纳米管2优选为阳极氧化铝纳米管，高度优选为100nm～100μm，孔径优选为100nm～1μm；气敏材料优选为SnO2，当然，在其他实施例中，气敏材料也可以选用TiO2、ZnO等其他金属氧化物。传感电极包括生长于所述上下通孔型纳米管2的上表面的顶部传感电极1以及生长于所述上下通孔型纳米管2的下表面的底部传感电极3，所述顶部传感电极1与所述底部传感电极3具有上下垂直相对的部分，将所述顶部传感电极1与所述底部传感电极3上下垂直相对的部分记为重叠部分。绝缘层4生长于所述底部传感电极3的下表面。微型加热器5，生长于所述绝缘层4的下表面，包括加热电极7以及与所述加热电极电连接的发热元件6，所述发热元件6与所述重叠部分上下垂直相对。
在本实施例中，将气敏材料沉积在纳米管2内壁上，获得了极高的比表面积，实现了与气体分子更充分的接触和更高的灵敏度，进而降低了传感器所需的工作温度。沿纳米管2的纵向方向，微型加热器5的加热元件与顶部传感电极1和底部传感电极3的重叠部分在纳米管2的纵向方向上相对设置，由于纳米管2的纵向热传导要优于横向热传导，可使大部分热量沿着纳米管2进行纵向传输而减少横向的热量损耗，可实现更低功耗下更高性能的气敏响应。
SiO2作为绝缘层，在实现加热结构与传感结构的电学隔离的同时，保持了热量的传导。对于本发明的垂直型气体传感器而言，电流主要分布于上下通孔型3D阳极氧化铝(AAO)纳米管内壁上的SnO2薄膜上，因此气敏响应主要集中在AAO纳米管的孔径中。
为了实现小区域加热的效果，本实施例中的发热元件可以选用蜿蜒型加热丝。加热电极可选用长方形结构，由于蜿蜒型加热丝部分的长度远大于加热电极，宽度远小于加热电极，所以整个微型加热器5的电阻主要集中在蜿蜒型加热丝上。根据焦耳定律，热量主要集中于中间的加热丝，因此可以起到小区域加热的作用。而由于AAO为多孔结构，其横向的热传导系数要小于纵向热传导系数，因此横向的热损耗较小，可在纵向上获得较高的加热效率。
实施例2
参见图2，本实施例提供了一种阵列型纳米气体传感器，该阵列型纳米气体传感器包括壳体以及封装于所述壳体内部的多套实施例1所述的加热型气体传感组件，为未来运用机器学习算法的智能气体传感器阵列提供解决方案。图2中单个芯片上集成了8个纳米气体传感器。
实施例3
参见图3，本实施例提供了一种针对实施例1以及实施例2中具有微型加热器的垂直型三维纳米气体传感器的制备方法，该方法包括以下步骤：
步骤301：在上下通孔型纳米管的内壁上沉积纳米级气敏材料。
具体的一个循环过程可以如下：
以四二甲氨基锡为锡源，打开ALD锡源阀门300ms，关闭锡源泵阀，锡源在腔体内停留30s，打开氮气泵阀清洗腔体30s；打开ALD气态水源阀门30ms，关闭气态水源泵阀，气态水在腔体内停留30s，打开氮气泵阀清洗腔体5s。这样一个循环内所生长的SnO2厚度为0.1nm左右。通过多次循环得到3～15nm的SnO2薄膜之后，在空气中进行高温煅烧。
步骤302：在所述上下通孔型纳米管的上表面蒸镀顶部传感电极，在所述上下通孔型纳米管的下表面蒸镀底部传感电极；所述顶部传感电极与所述底部传感电极具有上下垂直相对的部分，将所述顶部传感电极与所述底部传感电极上下垂直相对的部分记为重叠部分。其中，传感电极优选为100～500nm，传感电极的材质可以选用金属金。
步骤303：在所述底部传感电极的下表面沉积绝缘层，并保证绝缘层的面积大于微型加热器的面积。其中，绝缘层的材质优选为SiO2，厚度优选为300nm～1μm。
步骤304：在所述绝缘层的下表面蒸镀微型加热器，得到加热型气体传感组件；所述微型加热器包括加热电极以及与所述加热电极电连接的发热元件，所述发热元件与所述重叠部分上下垂直相对。
具体可以为：在绝缘层的下表面，基于电子束蒸发和热蒸发技术在高真空环境下蒸镀150nm～350nm的金属或者金属堆积层作为微型加热器。具体如图4所示。
步骤305：对所述加热型气体传感组件进行封装。
具体可以为：使用激光将AAO器件切割工艺切成适当大小，比如2cm×2cm，并使用导电胶将切割好的器件封装在陶瓷管壳中。
本发明提供的具有微型加热器的垂直型纳米气体传感器具有以下优势：
1、单位面积加热效率高：AAO的纵向热传导要优于横向热传导，可使大部分热量沿着纳米管进行纵向传输而减少横向的热量损耗。
2、与市售微加热板相比，制备过程简单，成本低，无需光刻。
3、可实现更低功耗下的更高的灵敏度：将气敏材料沉积在纳米管壁上可获得极高的比表面积，从而实现与气体分子更充分的接触与更高的灵敏度，降低了传感器所需的工作温度。配合高加热效率的微型加热器，可实现更低功耗下的更高的灵敏度。
4、集成度高，易于扩展为传感器阵列。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种具有微型加热器的垂直型三维纳米气体传感器，其特征在于，包括：壳体以及至少一套封装于所述壳体内部的加热型气体传感组件；
所述加热型气体传感组件包括：
上下通孔型纳米管，内壁上沉积有纳米级气敏材料；
传感电极，包括生长于所述上下通孔型纳米管的上表面的顶部传感电极以及生长于所述上下通孔型纳米管的下表面的底部传感电极，所述顶部传感电极与所述底部传感电极具有上下垂直相对的部分，将所述顶部传感电极与所述底部传感电极上下垂直相对的部分记为重叠部分；
绝缘层，生长于所述底部传感电极的下表面；
微型加热器，生长于所述绝缘层的下表面，包括加热电极以及与所述加热电极电连接的发热元件，所述发热元件与所述重叠部分上下垂直相对。
2.根据权利要求1所述的具有微型加热器的垂直型三维纳米气体传感器，其特征在于，所述发热元件为蜿蜒型加热丝。
3.根据权利要求1所述的具有微型加热器的垂直型三维纳米气体传感器，其特征在于，所述气敏材料为SnO2或其他金属氧化物材料。
4.根据权利要求1所述的具有微型加热器的垂直型三维纳米气体传感器，其特征在于，所述纳米管为阳极氧化铝纳米管。
5.根据权利要求1所述的具有微型加热器的垂直型三维纳米气体传感器，其特征在于，所述壳体为陶瓷管壳。
6.根据权利要求1或5所述的具有微型加热器的垂直型三维纳米气体传感器，其特征在于，采用导电胶将所述加热型气体传感组件封装于所述壳体中。
7.一种具有微型加热器的垂直型三维纳米气体传感器的制备方法，其特征在于，包括：
在上下通孔型纳米管的内壁上沉积纳米级气敏材料；
在所述上下通孔型纳米管的上表面蒸镀顶部传感电极，在所述上下通孔型纳米管的下表面蒸镀底部传感电极；其中，所述顶部传感电极与所述底部传感电极具有上下垂直相对的部分，将所述顶部传感电极与所述底部传感电极上下垂直相对的部分记为重叠部分；
在所述底部传感电极的下表面沉积绝缘层；
在所述绝缘层的下表面蒸镀微型加热器，得到加热型气体传感组件；所述微型加热器包括加热电极以及与所述加热电极电连接的发热元件，所述发热元件与所述重叠部分上下垂直相对；
对所述加热型气体传感组件进行封装。
8.根据权利要求7所述的具有微型加热器的垂直型三维纳米气体传感器的制备方法，其特征在于，所述发热元件为蜿蜒型加热丝。
9.根据权利要求7所述的具有微型加热器的垂直型三维纳米气体传感器的制备方法，其特征在于，所述绝缘层的厚度为300nm～1μm。
10.根据权利要求7所述的具有微型加热器的垂直型三维纳米气体传感器的制备方法，其特征在于，所述微型加热器的厚度为150nm～350nm。
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