专利名称：一种测试腔结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及气体传感器技术领域，尤其涉及一种测试腔结构。
背景技术：
气体传感器在室内空气质量检测、工业环境检测、食品工业检测、战场环境预警、反恐预警等领域具有较好的应用前景，与物联网进行整合之后，可大幅度提高社会生产生活的质量和效率。然而目前传感器自身的缺陷限制了其大规模应用，其中主要的缺陷有1、 传感器的响应时间过长；2、传感器检测误差较大，尤其在对低浓度气体检测时，直接影响了检测精度；3、传感器的检测极限值过高，不能满足需求。目前造成传感器响应时间过长的主要原因有两点一是敏感机理和换能器技术对外界信息量变化的感知过于缓慢；二是测试腔内部充气容积过大，即测试腔体充气容积和气流进出口容积之和过大，导致敏感膜附近的被测气体浓度变化速度过于缓慢。值得注意的是，传感器敏感机理和换能器技术的问题有时并不容易解决；因而，传感器响应时间过长的问题只能通过其他方面改进。测试腔内部充气容积大意味着内壁面积大，传感器内壁对被测气体的吸附和凝结的量也就很大，因此气氛中只有部分被测气体能够对敏感膜起作用。另外，吸附和凝结的气体量受环境温度、湿度和被测气体浓度等多种因素的影响，后端算法很难剔除其影响。这些因素只能视作随机误差，这不仅降低了传感器的检测精度，还提高了传感器的检测极限值，为避免虚警误报而不得不提高传感器的报警阈值，这是以牺牲性能来换取可靠性。上述问题是传感器实用化的最大的几个问题。内壁或者内壁涂覆材料是减少内壁吸附的一个主要的方法。要么选择合适的内壁材料，要么在内壁上涂覆一层涂层。目前使用的材料中，金属(主要是金)、玻璃、聚四氟乙烯(特氟龙)对被测气体的吸附最小。对于常温为气体的被测气体，例如0)2、0)、02、502和H2S等，只要求内壁或者涂层化学性质惰性，不与被测气体发生化学反应即可。对于常温下是蒸汽和遇冷凝结为液滴的被测气体，例如挥发性有机化合物VOC蒸汽(苯系物、有机氯化物、氟里昂系列、有机酮、胺、醇、醚、酯、酸和石油烃化合物等)，则要求更高。金属的“冷”表面会凝结一部分进入测试腔中的蒸汽，在ppm甚至ppb级的检测浓度上,金属的这种凝结会对结果产生较大的误差，因而，玻璃和聚四氟乙烯更为适合。
发明内容
针对上述现有技术，本发明要解决的技术问题是现有传感器测试腔中的气体传感器的响应时间较长，传感器气体检测精度较低和检测极限值较大。为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案
一种测试腔结构，包括气流进口、换能器、内壁介质层、敏感膜、测试腔、气流出口、气泵，测试腔和气泵经毛细管连接，其特征在于，所述测试腔的三维尺寸至少有一维在微米量级，连接外界和测试腔的气路截面尺寸为微米至毫米量级。
所述测试腔的三维尺寸为2_X2_X300um 4mmX4mmX300um,连接外界和测试腔的气路尺寸为进气口 0. 3mmX0. 03mmX200um 0. 5mmX0. 05mmX300um,出气口3mm X 0. 2mm X 200um 5mm X 0. 3mmX 300um。本发明所述换能器为测试腔内壁的一部分并设置于测试腔内。本发明所述毛细管的材质为硅、二氧化硅、砷化镓、氮化硅等半导体材料中的一种。本发明所述测试腔的内壁介质层为表面张力小、化学惰性的材料或者在内壁介质层表面涂覆一层具表面张力小、化学惰性的介质材料。本发明内壁介质层为金、钼、钯、钛、铑 、铱、锇、钌、聚四氟乙烯、聚对二甲苯、聚丁烯、聚苯乙烯、玻璃、非晶二氧化硅、单晶二氧化硅、硅、氮化硅、氧化铝、砷化镓和金属氧化物中的一种。本发明内壁介质层表面上涂覆的介质材料为金、钼、钯、钛、铑、铱、锇、钌、聚四氟乙烯、聚对二甲苯、聚丁烯、聚苯乙烯、玻璃、非晶二氧化硅、单晶二氧化硅、硅、氧化铝、氮化硅、砷化镓、金属氧化物和熔融石英等中的一种。本发明所述敏感膜为有机聚合物、有机小分子、金属、金属氧化物、非金属氧化物和生物材料中的一种。本发明所述换能器附带加热和温控功能，为质量型、热感应型、光学、电导型、电容型、电化学型中的一种。本发明换能器使用气泵对外界环境气体进行采样。本发明测试腔的密封方式为是键合或为一层介质材料覆盖整个换能器外围。与现有技术相比，本发明具有的有益效果表现在
一、测试腔体、气流进口尺寸已缩小至微米量级，减小了测试腔内部充气容积即减小内壁面积，进一步减小了内壁对被测气体的吸附面积，因此减小内壁吸附气体对检测结果的干扰，减少检测误差，提闻检测精度。二、测试腔内壁采用表面张力小、化学惰性的材料或者在其表面涂覆一层具有此类性质的介质材料，以减小内壁对被测气体的单位面积吸附量，从而减小内壁吸附对检测结果的干扰，减少检测误差，提高检测精度。三、缩小测试腔内部充气容积即测试腔体充气容积和气流进出口容积之和，辅以适当的内壁材料或内壁涂层可有效改善传感器的各项性能，促进传感器实用化和普及。
图I为本发明的剖视 图2为本发明的立体效果 附图标记为1为气流进口、2为换能器、3为内壁介质层、4为敏感膜、5为测试腔体，6为气流出口、7为气泵。
具体实施例方式下面将结合附图及具体实施方式
对本发明作进一步的描述。一种测试腔结构，包括气流进口、换能器、内壁介质层、敏感膜、测试腔、气流出口、气泵，测试腔和气泵经毛细管连接，缩小测试腔内部充气容积，所述测试腔的三维尺寸至少有一维在微米量级，连接外界和测试腔的气路截面尺寸为微米至毫米量级。所述换能器为测试腔内壁的一部分或设置于测试腔内。所述毛细管的材质为硅、二氧化硅、砷化镓、氮化硅等半导体材料中的一种。所述测试腔的内壁介质层为表面张力小、化学惰性的材料或者在内壁介质层表面涂覆一层具表面张力小、化学惰性的介质材料。所述敏感膜为有机聚合物、有机小分子、金属、金属氧化物、非金属氧化物和生物材料中的一种。其中所述内壁介质层为金、钼、钯、钛、铑、铱、锇、钌、聚四氟乙烯、聚对二甲苯、聚丁烯、聚苯乙烯、玻璃、非晶二氧化硅、单晶二氧化硅、硅、氮化硅、氧化铝、砷化镓和金属氧化物中的一种或者内壁介质层表面上涂覆的介质材料为金、钼、钯、钛、铑、铱、锇、钌、聚四氟乙烯、聚对二甲苯、聚丁烯、聚苯乙烯、玻璃、非晶二氧化硅、单晶二氧化硅、硅、氧化铝、氮化硅、砷化镓、金属氧化物和熔融石英等中的一种。 所述换能器附带加热和温控功能，为质量型(压电声波器件、悬臂梁)、热感应型、光学、电导型、电容型、电化学型中的一种，并使用气泵对外界环境气体进行采样。本发明所提供的测试腔结构的制备方法如下
如图I所示，该测试腔结构包括，气流进口 1，换能器2，内壁介质层3，敏感膜4，测试腔5，气流出口 6，气泵7。在单晶硅基板表面采用深度反应离子刻蚀DRIE工艺制备出面积2mm X 2mm，深度300um的凹槽，凹槽两端各制备一个窄凹槽，规格分别为面积
0.5mmX 0. 05mm、深度300um和面积5mmX0. 3mm、深度300um。凹槽、窄凹槽分别为封装后的测试腔5和气路(气流的进出口 )。另一只硅基板表面制备叉指换能器2、钼加热器和钼温度传感器，后两者实质都是钼电阻器。除叉指换能器2、钼加热器和钼温度传感器之外，测试腔内壁均制备一层聚对二甲苯薄膜形成内避介质层3。在叉指换能器表面用气喷雾技术制备一层聚环氧乙烷敏感薄膜。将两块硅片合并在一起，使用挡板挡住气流进出口，在整个测试腔外表面制备一层聚对二甲苯薄膜，堵住所有缝隙，完成封装，即获得测试腔5、气流进口 I和气流出口6。测试腔尺寸范围为2mmX2mmX300um 4mmX4mmX300um,最佳尺寸为2mmX2mmX300um ;气流进口 I的尺寸范围为0. 3mmX0. 03mmX200um
0.5mmX0. 05mmX300um,最佳尺寸为0. 5mmX0. 05mmX300um,气流出口 6的尺寸范围为3mmX0. 2mmX200um 5mmX0. 3mmX300um,最佳尺寸为 5mmX0. 3mmX300um。通过倒扣的方式将淀积有叉指换能器的传感器放入测试腔内，传感器的基底也是测试腔结构的一部分。石英毛细管连接测试腔和气泵，毛细管的一端插入测试腔的气流出口，并用环氧树脂胶密封，毛细管经转接头与气泵的不锈钢管进行连接。在单晶硅基板表面采用深度反应离子刻蚀DRIE工艺制备出的凹槽和凹槽两端的窄凹槽。密封方法可以用一层介质材料覆盖整个换能器外围或者键合方法。密封方法为键合时采用直接键合法。直接键合法，通常是在键合前先对硅片表面进行亲水性预处理，接着在室温下对硅片进行键合，然后对键合硅片经1000°c左右高温退火，以达到最终的键合强度。在本发明中，测试腔体和气流进出口的充气容积从传统的IOOmL降至大约0. 4uL，响应时间由3min缩短到0. 5s左右，响应的误差从5%降至0. 01%,检测极限值从IOOOppm降至大约5ppm。
权利要求
1.一种测试腔结构，包括气流进ロ、换能器、内壁介质层3、敏感膜4、测试腔、气流出ロ、气泵，测试腔和气泵经毛细管连接，其特征在干，所述测试腔的三维尺寸至少有ー维在微米量级，连接外界和测试腔的气路截面尺寸为微米至毫米量级。
2.根据权利要求I所述的测试腔结构，其特征在于，所述测试腔的三维尺寸为2mm X 2mm X 300um 4mmX 4mmX 300um,连接外界和测试腔的气路尺寸为进气ロ O. 3mm X O. 03mm X 200um O. 5mmX O. 05mmX 300um,出气ロ 3mmX 0. 2mmX 200um 5mm X 0. 3mmX300um。
3.根据权利要求I所述的测试腔结构，其特征在于，所述换能器即叉指换能器为测试腔内壁的一部分并设置于测试腔内。
4.根据权利要求I所述的测试腔结构，其特征在于，所述毛细管的材质为硅、ニ氧化硅、神化镓、氮化硅等半导体材料中的ー种。
5.根据权利要求I所述的测试腔结构，其特征在于，所述测试腔的内壁介质层为表面张カ小、化学惰性的材料或者在内壁介质层表面涂覆ー层具表面张カ小、化学惰性的介质材料。
6.根据权利要求4所述的测试腔结构，其特征在于，其中所述内壁介质层为金、钼、钯、钛、铑、铱、锇、钌、聚四氟こ烯、聚对ニ甲苯、聚丁烯、聚苯こ烯、玻璃、非晶ニ氧化硅、单晶ニ氧化硅、硅、氮化硅、氧化铝、砷化镓和金属氧化物等中的ー种。
7.根据权利要求4所述的测试腔结构，其特征在于，其中内壁介质层表面上涂覆的介质材料为金、钼、钯、钛、铑、铱、锇、钌、聚四氟こ烯、聚对ニ甲苯、聚丁烯、聚苯こ烯、玻璃、非晶ニ氧化硅、单晶ニ氧化硅、硅、氧化铝、氮化硅、砷化镓、金属氧化物和熔融石英等中的一种。
8.根据权利要求I所述的测试腔结构，其特征在于，所述敏感膜为有机聚合物、有机小分子、金属、金属氧化物、非金属氧化物和生物材料中的ー种。
9.根据权利要求2所述的测试腔结构，其特征在于，所述换能器附帯加热和温控功能，为质量型、热感应型、光学、电导型、电容型、电化学型中的ー种。
10.根据权利要求2所述的测试腔结构，其特征在干，经气泵对外界环境气体进行采样。
全文摘要
本发明公开了一种气体传感器技术领域的测试腔结构，包括气流进口1、换能器2、内壁介质层3、敏感膜4、测试腔5、气流出口6和气泵，测试腔和气泵经毛细管连接。本发明结构缩小了测试腔体内部充气容积，在相同气体流量下，敏感膜4附近的气体浓度改变更为迅速，换能器更快达到稳态，因此缩短了换能器的响应时间；测试腔体内壁面积也随之减�。沟媚诒诙员徊馄宓奈搅考跣。涣硗馔ü≡癫灰孜奖徊馄宓哪诒诓牧匣蛘咴谀诒谕扛泊死嘟橹什牧希跣〉ノ荒诒诿婊员徊馕镏实奈搅浚佣岣吡思觳饩群徒档土思觳饧拗�。
文档编号G01N33/00GK102662033SQ20121015721
公开日2012年9月12日 申请日期2012年5月21日 优先权日2012年5月21日
发明者周泳, 太惠玲, 廖剑, 朱涛, 李娴, 杜晓松, 蒋亚东, 谢光忠 申请人:电子科技大学
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