【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于氣體探測器，涉及基于tgv(through-glass?via，玻璃通孔)技術的室溫氣體探測器結構及制作方法。首先采用激光打孔技術在玻璃上構建微米級通孔陣列，其次采用磁控濺射與熱氧化相結合的工藝或水熱法與超聲噴涂結合的工藝在tgv基板上沉積或涂覆氣體傳感薄膜，然后在玻璃基板表面或微通孔兩端設置電極結構，最后在探測器結構中設計集成化信號處理模塊，通過電極接口將傳感元件與集成化信號處理模塊連接以完成基于tgv的室溫氣體探測器制作。
技術介紹
1、隨著人工智能、大數據、5g通信和萬物互聯的發展，功能器件正朝著更小尺寸、更低功耗和更高集成度方向發展。傳感器作為連接物理世界與信息世界的橋梁，其技術迭代更為日新月異。氣體探測器作為智能傳感領域的重要組成部分，廣泛應用在環境污染治理檢測、工廠生產排放檢測、機動車尾氣檢測、住房裝修安全檢測、醫療健康檢測等方方面面。因其廣泛的引用領域，對氣體探測器在各類極端使用環境下的要求也逐漸增多。在信息化時代高速發展的當下，人們對氣體探測器提出了小型化、集成化、低功耗、高穩定性、生物相容性等新的要求。
2、傳統的氣體傳感器主要是采用水熱合成法制備，該工藝過程會產生大量的廢液排放，高溫反應釜的使用也在生產過程中增添了隱患；此外絕大部分氣體傳感器均采用旁熱式氣體傳感器結構，該結構盡管被普遍采用，但因其器件結構的原因難以實現高集成度整合，在微型傳感芯片及可穿戴傳感設備方面存在局限性；當前基于微機電技術(mems)的氣體傳感芯片因其體積較小，傳感材料負載區域有限，因此其有效傳感面積較小；為了
3、玻璃通孔技術是通過玻璃通孔垂直穿過組成堆棧的不同芯片或不同層實現不同功能芯片集成的先進封裝技術。tgv基底具有優異的介電性能，降低了基板損耗和寄生效應，確保了傳輸信號的完整性，玻璃的熱膨脹系數可調，可以減少與不同材料的熱失配，目標氣體流過微納通孔，并與其上的傳感材料層充分接觸，極大增加器件的比表面積及有效傳感面積，此外由于tgv基板具有超薄透明的特點，可以集成在很小的空間或者應用于一些光學設備之上。tgv在氣體探測器領域具有極大的應用潛力，在已查閱的文獻中暫未有將tgv技術應用于氣體傳感領域。
技術實現思路
1、基于上述內容，當前亟需一種新型高集成度小尺寸室溫氣體探測器。本專利技術首次將tgv技術應用于氣體傳感領域，設計了一種基于tgv技術的室溫氣體探測器結構并提供了探測制作方法。
2、一種基于tgv技術的室溫氣體探測器，在室溫環境下(20℃)可對目標氣體響應，并發出警報及顯示目標氣體參考濃度，其特征在于，包括tgv基傳感元件及通過電極接口與之連接的集成化信號處理模塊，其中：
3、所述的tgv基傳感元件，其特征在于，首先采用激光打孔技術在玻璃上構建微米級通孔陣列，以獲得tgv玻璃基底。其次采用磁控濺射與熱氧化相結合的工藝或水熱法與超聲噴涂結合的工藝在tgv基板上沉積或涂覆氣體傳感薄膜，然后在玻璃基板表面或微通孔兩端設置電極結構。
4、優選的，所述的tgv玻璃基底，其特征在于采用激光打孔技術在石英玻璃、硅酸鹽玻璃或二氧化硅玻璃上形成微米級孔徑的通孔陣列，通孔為圓柱形孔、圓臺形孔，最大孔徑為30～200μm，最小孔徑為10～150μm，孔間距為100～400μm，通孔深度與tgv玻璃基板厚度一致，為200～500μm。tgv玻璃基板形狀可為圓形或矩形，其邊長或直徑為10～50mm。
5、所述的集成化信號處理模塊，其特征在于，包括包含電極接口、電源單元、信號處理單元、報警器單元及數顯單元。
6、所述的電極接口，其特征在于，包括tgv基傳感元件插槽，觸點探針。探針材質為金、黃銅、鎢鋼。電極接口可以將tgv基傳感元件固定并通過觸點探針將tgv基傳感元件的電信號收集傳輸。電極接口采用固定規格的插槽，方便在tgv基傳感元件破損或失效時進行更換。
7、所述的信號處理單元，其特征在于，可以通過電極接口接收tgv基傳感元件的電信號并進行處理。tgv基傳感元件所沉積或涂覆的傳感薄膜為電阻型半導體氣體傳感器，其工作原理為當傳感薄膜材料接觸需要測試的氣體時，因為氣體分子與材料表面相互作用使電阻阻值發生變化，以此來檢測氣體濃度。電阻阻值變化帶來的電信號變化會輸入信號處理單元。信號處理單元會記錄當前傳感元件阻值，并通過以下方程計算出此時氣體探測器的響應值(s)：
8、
9、其中ra為tgv基傳感元件在空氣中的電阻值，該數值可通過探測器開機后檢測的前100個阻值數據經過平均值計算得出，rg為測試時tgv基傳感元件的實時電阻值。信號處理單元在計算出實時電阻值后會與接觸到不同濃度時tgv基傳感元件的電阻值進行比對，當此時電阻值進入到某一濃度對應下的電阻值區間時，則會將當前對應的目標氣體參考濃度輸出給數顯單元并在液晶屏上顯示。此外當信號處理單元輸出的目標氣體濃度大于或小于某一特定值時，會將報警的指令輸入給報警單元，蜂鳴報警器開始工作。
10、本專利技術提供了兩種不同tgv基室溫氣體探測器的制備方法，其特征在于，包括采用磁控濺射法結合熱氧化工藝，或采用水熱法結合超聲噴涂工藝。
11、對于磁控濺射法結合熱氧化工藝，其工藝步驟在于：
12、(1)對tgv樣品進行清洗，將樣品依次放入丙酮、甲苯、乙醇中進行超聲清洗，清洗時間各為15分鐘，取出tgv樣品用高純氮氣吹掃烘干。
13、(2)將樣品放入磁控濺射鍍膜機中，采用高純金屬靶(純度為99.99％)作為濺射金屬源，包含但不限于zn、w、cu、ni、ag、sn中的一種或幾種。
14、(3)對濺射腔體抽真空，本底真空度低于1×10-3pa，濺射開始前通入ar作為濺射氣體，氣體流量控制在10～70sccm，濺射工作氣壓維持在0.1pa～1pa。
15、(4)采用射頻電源對tgv表面濺射鍍膜，設置功率為80～150w，濺射時間為600～3600s。
16、(5)將制備后的樣品放入馬弗爐中煅燒，通入空氣，流量控制為20～100sccm，煅燒溫度為300～600℃，煅燒時間為60～180分鐘。
17、(6)采用上述工藝對tgv樣品第二表面進行鍍膜，使得樣品具有第二面沉積膜，同時保證50～200μm孔徑通孔內壁薄膜致密均勻。
18、(7)取出煅燒后的tgv樣品，使用掩模版，在玻璃基板表面或50～200μm孔徑通孔兩端沉積10～150nm電極，電極材料包含但不限于au、cu、ag、石墨等材料。
19、(8)將集成化信號處理模塊各單元結構進行引線和封裝，將tgv基傳感元件插入到電極接口插槽中，獲得tgv基室溫氣體探測器。
20、對于水熱法結合超聲噴涂工藝，其工本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.基于TGV技術的室溫氣體探測器結構，其特征在于，包括：
2.根據權利要求1所述的TGV基底結構，其特征在于采用激光打孔技術在石英玻璃、硅酸鹽玻璃或二氧化硅玻璃上形成微米級孔徑的通孔陣列，通孔為圓柱形孔或圓臺形孔，最大孔徑為30～200μm，最小孔徑為10～150μm，孔間距為100～400μm，通孔深度與TGV玻璃基板厚度一致，為200～500μm；TGV玻璃基板形狀為圓形或矩形，其邊長或直徑為10～50mm。
3.制備權利要求1所述結構的工藝，其特征在于采用磁控濺射法結合熱氧化工藝，或采用水熱法結合超聲噴涂工藝實現傳感薄膜的沉積與制備，采用雙面鍍膜技術對TGV樣品兩側對傳感薄膜進行涂覆或沉積，傳感薄膜將TGV表面與50～200μm孔徑通孔內壁完全覆蓋，完全利用TGV基底與外界大氣接觸的全部表面。
4.根據權利要求3所述的工藝，其特征在于：
5.根據權利要求3所述的工藝，其特征在于：
6.根據權利要求1所述的基于TGV技術的室溫氣體探測器結構，其特征在于，采用磁控濺射將電極材料沉積在玻璃基板表面或50～200μm孔徑
7.制備如權利要求6所述結構的工藝，其特征在于：
8.根據權利要求1所述的基于TGV技術的室溫氣體探測器結構，其特征在于，集成化信號處理模塊包含電極接口、電源單元、信號處理單元、報警器單元及數顯單元。
9.根據權利要求8所述的基于TGV技術的室溫氣體探測器結構，其特征在于，集成化信號處理模塊中電極接口將探測器傳感元件與集成化信號處理模塊連接，將探測器傳感元件的電信號實時傳輸至信號處理單元，同時接口采用固定規格的插槽，便于當傳感元件損壞時容易更換新的傳感元件；電源單元將為探測器傳感元件持續提供5～10V恒定的電壓；信號處理單元可將輸入的電信號進行處理，判斷目標氣體當前濃度是否報警并給出當前目標氣體的參考濃度，將報警指令及當前目標氣體濃度參考值分別輸入給報警器單元及數顯單元；報警單元為蜂鳴報警器；數顯單元為液晶數顯屏幕。
...【技術特征摘要】
1.基于tgv技術的室溫氣體探測器結構，其特征在于，包括：
2.根據權利要求1所述的tgv基底結構，其特征在于采用激光打孔技術在石英玻璃、硅酸鹽玻璃或二氧化硅玻璃上形成微米級孔徑的通孔陣列，通孔為圓柱形孔或圓臺形孔，最大孔徑為30～200μm，最小孔徑為10～150μm，孔間距為100～400μm，通孔深度與tgv玻璃基板厚度一致，為200～500μm；tgv玻璃基板形狀為圓形或矩形，其邊長或直徑為10～50mm。
3.制備權利要求1所述結構的工藝，其特征在于采用磁控濺射法結合熱氧化工藝，或采用水熱法結合超聲噴涂工藝實現傳感薄膜的沉積與制備，采用雙面鍍膜技術對tgv樣品兩側對傳感薄膜進行涂覆或沉積，傳感薄膜將tgv表面與50～200μm孔徑通孔內壁完全覆蓋，完全利用tgv基底與外界大氣接觸的全部表面。
4.根據權利要求3所述的工藝，其特征在于：
5.根據權利要求3所述的工藝，其特征在于：
6.根據權利要求1所述的基于tgv技術的室溫氣體探測器結構，...
【專利技術屬性】
技術研發人員：王如志，周新宇，張迅，劉立英，王冰，王長昊，姜前蕾，
申請(專利權)人：北京工業大學，
類型：發明
國別省市：
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