传感器及其形成方法、检测气体的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及气体检测领域，特别涉及一种基于纳米材料的传感器及其形成方法、检测气体的方法。
【背景技术】
[0002]环境安全和工业安全监控是社会经济可持续发展的先决条件和基础保障。在全球经济高速发展及各种高强度人类活动的影响下，环境安全和工业安全面临着巨大的挑战，主要环境安全问题和工业安全问题包括:大气污染、水污染、土壤污染、煤矿安全生产等等。
[0003]而解决主要环境安全问题和工业安全问题的关键因素之一，就是先进传感器件的研发，先进的传感器能够用于监测各类有毒有害气体，以雾霾为例，二氧化硫、氮氧化物和可吸入颗粒物是雾霾的主要组成。
[0004]因此，在当前人们越来越注重环境保护和生活安全的情况下，对一些有害气体和危险气体的检测就显得越来越重要。
[0005]而气体传感器是一种用于感测待检测气体的传感设备，气体传感器能应用于检测例如一氧化碳、硫化氢、二氧化硫、氢气或乙醇等各种气体，广泛应用于安全检测、环境检测等各种环境。
[0006]通常的气体传感器包括热线性传感器、固体电解质气体传感器、电化学气体传感器和光学气体传感器，
[0007]但是上述大部分气体传感器灵敏度差、检测精度低、兼容性低，且需要额外的电源驱动，以及需要连线传输信号或检测数据。
【发明内容】
[0008]本发明解决的问题是提供一种无需电源驱动和连线传输信号或检测数据，且灵敏度高、检测精度高、兼容性好的气体传感器。
[0009]为解决上述问题，本发明提供一种传感器的形成方法，提供半导体衬底，所述半导体衬底具有第一表面和与第一表面相对的第二表面，所述半导体衬底的第一表面具有第一介质层，第二表面具有第二介质层；在所述第一介质层表面形成若干M0s2m米结构，若干MoS2纳米结构呈线性排列；在所述第一介质层表面形成传输线，所述传输线具有间隔，所述间隔适于容纳所述MoS2m米结构；在所述半导体衬底的第二介质层表面形成接地层，所述接地层形成有互补开口谐振环，所述互补开口谐振环的位置与所述MoS2纳米结构的位置对应。
[0010]可选的，在所述第一介质层表面形成若干MoS2纳米结构包括:提供石英管式炉，所述石英管式炉具有连通的第一温区和第二温区，三氧化钼粉末、硫粉；将三氧化钼粉末放置于石英管式炉内的第一温区，形成有介质层的半导体衬底设置于三氧化钼粉末的上方，半导体衬底与三氧化钼粉末的间距为I厘米至5厘米；将硫粉放置于石英管式炉的第二温区，其中硫粉与三氧化钼粉末的间距为17厘米至20厘米；其中，第一温区的温度设置为650摄氏度至800摄氏度，第二温区的温度设置为180摄氏度至300摄氏度，石英管式炉在制备过程中始终通入30sCCm的氩气，且氩气沿第二温区流向第一温区；保持第一温区650摄氏度至800摄氏度的时间为5分钟后，让管式炉自然冷却到室温，取出在所述介质层表面形成MoS2m米线层的半导体衬底；在所述半导体衬底100表面形成光刻胶图形，所述光刻胶图形覆盖部分MoS2纳米线且所述光刻胶图形与待形成的线性排列的MoS2纳米线对应，采用刻蚀工艺去除未被覆盖的MoS2纳米线，然后去除所述光刻胶图形，形成若干间隔的MoS 2纳米线且若干MoS2纳米线呈线性排列。
[0011]可选的，所述传输线的形成工艺包括:采用光刻胶图形覆盖所述MoS2m米结构，所述光刻胶图形暴露出若干所述介质层表面，所述光刻胶图形与待形成的传输线对应，采用物理气相沉积工艺在所述介质层表面形成金属薄膜；去除光刻胶图形，形成具有间隔的传输线。
[0012]可选的，所述互补开口谐振环的结构为两个互相反向放置的同心开口谐振环，所述互补开口谐振环的形成工艺包括:在所述接地层表面形成光刻胶图形，所述光刻胶图形具有与互补开口谐振环对应的图形；以所述光刻胶图形为掩膜，刻蚀所述接地层，直至暴露出第二介质层；去除所述光刻胶图形，形成互补开口谐振环。
[0013]本发明还提供一种传感器，包括:具有第一表面和与第一表面相对的第二表面的半导体衬底；位于第一表面的第一介质层；位于第二表面的第二介质层；位于第一介质层表面的传输线，且传输线具有间隔；填充所述间隔的MoS2m米结构；位于第二介质层的接地层，所述接地层内具有互补开口谐振环，互补开口谐振环的位置与传输线的间隔对应。
[0014]可选的，半导体衬底厚度为400微米至600微米，介电常数约为11.9 ;所述第一介质层的材料为氧化硅，所述第一介质层I1的厚度为10到30微米，所述第一介质层的介电常数为4 ;所述第二介质层的材料为氧化硅，所述第二介质层的厚度为10到30微米，所述第二介质层的介电常数为4 ;所述传输线长度为11毫米至13毫米，宽度为0.6毫米；所述接地层的厚度为5微米至20微米。
[0015]可选的，所述互补开口谐振环的结构为两个互相反向放置的同心开口谐振环，其中，较大的开口谐振环的尺寸为:开口为0.3毫米，环的内径为5.52毫米，环的外径为5.92毫米。较小的开口谐振环的尺寸为:开口为0.3毫米，环的内径为4.72毫米，环的外径为5.12毫米。较大的开口谐振环与较小的开口谐振环的间距为0.2毫米。
[0016]可选的，当所述传感器的MoS^米结构数量为I时，所述传感器的等效电路为:输入端，所述输入端连接传输线第一等效电感的第一端，传输线第一等效电感的第二端连接MoS2m米结构的等效电阻的第一端，MoS 2纳米结构的等效电阻的第二端连接MoS 2纳米结构的等效电感的第一端，MoS2m米结构的等效电感的第二端连接MoS 2纳米结构的等效电容的第一端，MoS2m米结构的等效电容的第二端连接传输线第二等效电感的第一端，传输线第二等效电感的第二端连接输出端，传输线第一等效电容的第一端连接传输线第一等效电感的第二端，传输线第一等效电容的第二端连接传输线第二等效电容的第一端，传输线第二等效电容的第二端连接传输线第二等效电感的第一端；互补开口谐振环的等效电感的第一端连接传输线第一等效电容的第二端，互补开口谐振环的等效电容的第一端连接传输线第一等效电容的第二端，互补开口谐振环的等效电感的第二端连接互补开口谐振环的等效电容的第二端并接地。
[0017]本发明还提供一种传感器检测气体的方法，包括:获取第一曲线，所述第一曲线为:在没有待检测气体的环境下，所述传感器的频率与S11的曲线；将传感器放置于待检测环境，获取第二曲线，所述第二曲线为:在待检测环境下，所述传感器的频率与S11的曲线；通过比较第一曲线和第二曲线的频移的谐振频率变化与否，检测待检测环境下是否存在待检测气体。
[0018]可选的，还包括:通过获取待检测环境的多条第二曲线，根据多条第二曲线频移的谐振频率变化幅度，来获取待检测环境的待检测气体浓度。
[0019]与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点:
[0020]本发明的传感器的实施例采用纳米材料MoS2g合互补开口谐振环应用于传感器，通过纳米材料MoS2吸收气体后，其材料的介电常数和导电性都发生变化，从而最终引起传感器谐振频率的变化，通过测量谐振频率的偏移，从而获得气体的浓度变化，起到检测报警作用，而采用互补开口谐振环应用于传感器，互补开口谐振环的同心圆之间的边缘电容效应发生谐振，互补开口谐振环应用于传感器使得器件在特定频段具有负介电常数和负磁导率，使得传感器的尺寸和工作频率相比很小，可小型化，并且传感器具有好的品质因数，可提高传感器灵敏性，拓展了左手材料及纳米材料在现代检测技术中的应用。
[0021]本发明的传感器的形成方法采用大规模集成电路工艺形成微波器件单元，优化基于纳米材料的传感器的工艺步骤。
[0022]本发明的传感器检测气体的方法能够检测不同浓度的气体，通过谐振频率变化获知检测气体的浓度变化，检测精度高。
【附图说明】
[0023]图1是本发明传感器的形成方法的一实施例的流程示意图；
[0024]图2至图8是本发明的传感器的形成方法一实施例的过程示意图；
[0025]图9是本发明的传感器一实施例的等效电路示意图；
[0026]图10是本发明传感器一实施例的测试气体示意图。
【具体实施方式】
[0027]现有的大部分气体传感器灵敏度差、检测精度低、兼容性低，且需要额外的电源驱动，以及需要连线传输信号或检测数据。以热线性传感器为例，热线性传感器是利用热导率变化的半导体传感器，是在Pt丝线圈上涂敷SnOji，Pt丝除起加热作用外，还有检测温度变化的功能。施加电压半导体变热，表面吸氧，使自由电子浓度下降，可燃性气体存在时，由于燃烧耗掉氧自由电子浓度增大，导热率随自由电子浓度增加而增大，散热率相应增高，使Pt丝温度下降，阻值减小，Pt丝阻值变化与气体浓度为线性关系。
[0028]但是，Pt丝线圈上涂敷SnO2层无法采用集成电路工艺进行制造，兼容性低，另外需要采用额外的电源驱动以及连线连接热线性传感器。并且随着物联网的兴起，现有的传感器无法与射频器件兼容，因而无法兼容于物联网系统。
[0029]为此，本发明的发明人提出一种基于纳米材料的传感器及其形成方法，将能采用集成电路工艺制造基于纳米材料的传感器，所述传感器基于纳米材料和互补开口谐振环来探测气体，是一种无线无源气体传感器；可以用于易燃、易爆、高温、