硅微米柱阵列三电极电离式微系统雾霾传感器及制备方法技术方案

本发明专利技术公开了一种硅微米柱阵列三电极电离式微系统微系统雾霾传感器及制备方法，包括三个自下而上依次分布的第一、第二和第三电极，第一电极由内表面制备有硅微米柱阵列的硅基底以及设有小通孔的阴极构成；第二电极由设有小引出孔的引出极构成；第三电极由内表面设有深槽的收集极构成；三个电极分别通过绝缘支柱相互隔离。该传感器通过检测输出电流，检测雾霾颗粒物浓度。收集极电流大，灵敏度高，量程宽，分辨率高，能够响应多种粒径的颗粒物浓度。超声波清灰效率高，非接触式运行，不会损伤传感器。

【技术实现步骤摘要】
硅微米柱阵列三电极电离式微系统雾霾传感器及制备方法
本专利技术涉及雾霾颗粒物检测领域，特别是一种基于硅微米柱阵列及气体放电原理的可敏感不同浓度雾霾颗粒物的传感器。
技术介绍
雾霾已经成为当前我国许多城市面临的主要污染问题。目前我国发电方式中以燃煤发电为主，火电厂排放的烟气向大气中输送了大量的颗粒物，是造成我国雾霾天气的主要原因之一。想要有效的治理固体颗粒物的污染，首先要做的是进行准确检测。目前，国内外对于颗粒物个数浓度的检测的主要方法有化学微孔滤膜显微镜计数法和光散射式粒子计数器；对于质量浓度的检测的主要方法有滤膜称重法、β射线吸收法、光散射法、压电晶体法、电荷法、微量振荡天平称量法等；用于检测颗粒物浓度的仪器主要有β射线法检测仪、振荡天平法检测仪、光散射法检测仪等等。以上检测方法及仪器存在易堵塞、寿命短、环境变化影响大等不足，不能用于火电厂烟尘的在线检测。J等采用重量法(参考)和β射线法来测量颗粒物浓度，但是由于受空气中水分的影响，在仪器使用时，冬季和夏季的修正系数不同，说明易受水分的交叉干扰，选择性差。WangY等基于光散射法设计了PM2.5监测仪，该监测仪的监测结果易受颗粒物粒径、组成和结构、折射性等影响，测量结果误差很大，选择性差。潘晋孝等采用β射线法测量PM2.5和PM10，测量结果显示测量PM2.5误差相对较大，最大误差接近20％，测量PM10的误差基本在5％，对PM2.5、PM10的选择性差。ChenHY等基于光散射粒子浓度理论采用不同的光散射仪实现颗粒物浓度的检测，检测颗粒物浓度范围为0.1-0.7mg/m3，但是该检测系统电路复杂，调试困难，受环境噪声干扰较大。ZhangC等提出了一种基于扩散充电和电测量的微型气溶胶传感器，其用于粒径在30-500nm范围内的气溶胶粒子的检测，其检测的数浓度为5×102-107/cm3，但是该传感器测量系统复杂，还未能用于现场实际测量。武汉天虹的TH-2000PM型大气颗粒物浓度监测仪，采用了β射线法联用动态加热系统，但对采样滤膜带有着极高的要求，并且存在着一定的方法学偏差，而且在高湿度的地方或者是湿度短期内变化较大的地方非常容易出现结果偏差与仪器故障，选择性差。美国ThermoFisherSCIENTIFIC的TEOM1405-F型环境颗粒物连续监测仪，采用了微量振荡天平法加膜动态测量系统，测量准确度±0.75％，最低检测限≤2g/m3，分辨率为0.1g/m3，量程：0-1g/m3；但由于我国许多城市中的细颗粒物的浓度严重超标，造成该系统的透水膜微孔经常被堵塞的问题从而使其使用寿命大大降低，此外高湿度的环境也会极大的降低渗透膜的工作效率以及寿命，使得监测成本大大增高。北京汇丰隆联合中国环境科学研究院共同研制的LD320型大气颗粒物散射光粒径谱仪，采用了光散射法，可实现实时在线的非接触监测，测量准确度±8％，但实际应用中颗粒物重叠、形状、携带电荷等许多相关因素会引起测量结果误差，监测结果也易受颗粒物粒径、组成和结构、折射性等影响，选择性差。因此，探索研究一种新型原理的雾霾颗粒物浓度检测传感器具有极其重要的意义。西安交通大学张勇教授课题组，研究了一种基于硅微米柱阵列的三电极电离式微系统雾霾传感器，能够响应最低0.1μg/m3的颗粒物浓度，检测量程为0-10mg/m3，目前还未见到国内外有关于此类传感器的研究成果报道。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种硅微米柱阵列三电极电离式微系统雾霾传感器，被测雾霾浓度的大小将会影响传感器收集电流的大小。通过实验与测试，获得本专利技术一种硅微米柱阵列三电极电离式微系统雾霾传感器收集电流与雾霾浓度之间的单值对应关系，能够检测多粒径雾霾颗粒物，具有量程宽、分辨率高、灵敏度高的优势。本专利技术的目的是通过下述技术方案来实现的。一种硅微米柱阵列三电极电离式微系统雾霾传感器，传感器包括三个自下而上依次分布的第一电极、第二电极和第三电极，所述第一电极内表面制备有硅微米柱阵列的硅基底以及设有小通孔，构成阴极；所述第二电极中心设有小引出孔，构成引出极；所述第三电极内表面设有深槽，构成收集极；每个电极由单晶圆硅片为基底；电极之间通过绝缘层控制传感器的极间距；所述硅微米柱直径不大于10μm，高度不大于60μm，间距不大于30μm。雾霾传感器可以在微量雾霾颗粒物中发生气体的场致电离及场致电子发射，使微量雾霾颗粒物荷电，将雾霾颗粒物浓度的微小变化转化为输出电流的变化，实现0.1μg/m3微量雾霾颗粒的检测，检测灵敏度达-1.3nA/μg·m-3。优选的，硅微米柱直径为5～10μm，高度为10～60μm，间距为10～30μm。优选的，小通孔的孔径设定在0.6～3.6mm；小引出孔的孔径为1.0～5.0mm；深槽的边长、深度分别为1×1～8×8mm和100～240μm；三电极之间的极间距按照小通孔、小引出孔的孔径和深槽的边长、深度设定。优选的，所述小通孔的孔径为0.6～3.6mm时，第一电极与第二电极之间极间距与小通孔的孔径之比为1/60～1/8；小引出孔的孔径为1.0～5.0mm时，第一电极与第二电极之间极间距与小引出孔的孔径之比为3/250～3/40，第二电极与第三电极之间极间距与小引出孔的孔径之比为9/1000～2/25；深槽的边长、槽深分别为1×1～8×8mm和100～240μm时，第二电极与第三电极之间极间距与深槽槽深之比为3/16～4/5。优选的，第一电极的电极表面的小通孔为1～20个；所述第二电极引出极的小引出孔设有1～20个；所述第三电极收集极的深槽设有1～20个。优选的，绝缘层材料为绝缘玻璃。本专利技术进而给出了一种硅微米柱阵列三电极电离式微系统雾霾传感器的制备方法，包括下述步骤：1)深硅刻蚀前预处理：选用刻蚀有小通孔、引出孔及深槽的三个电极硅片作为基底，并进行深硅刻蚀前清洗、涂胶、曝光预处理；2)硅微米柱阵列刻蚀：采用基于交替往复式Bosch工艺的深层反应离子刻蚀DRIE法制备传感器硅微米柱阵列；在持续通入SF6保护气体、C4F8刻蚀气体2～15s条件下，通过设定压力、射频功率、源功率、C4F8与SF6气体的流量比和刻蚀速率，得到硅微米柱阵列；3)极间绝缘：电极间键合玻璃薄片，作为绝缘材料并控制极间距；4)封装：采用陶瓷封装工艺封装硅微米柱阵列三电极电离式MEMS电场传感器及其阵列。优选的，在Bosch工艺中，刻蚀和钝化两个步骤会一直交替进行，直至到达刻蚀深度要求。优选的，步骤2)中，压力设定为6Pa，射频功率为20～70W，源功率为220～450W，C4F8与SF6气体的流量比为1.5:1～5:1，刻蚀速率为80～400A/min。优选的，进一步将进行过雾霾检测后的传感器，采用超声波振荡器进行电极除尘，超声波振荡器振荡频率为20kHz-30kHz，超声功率大于6.35W。本专利技术具有以下技术效果：1)在第一电极内表面硅基底上刻蚀硅微米柱阵列材料，可以增强该电极对阴极结构放电特性的影响本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种硅微米柱阵列三电极电离式微系统雾霾传感器，传感器包括三个自下而上依次分布的第一电极、第二电极和第三电极，其特征在于，所述第一电极内表面制备有硅微米柱阵列的硅基底以及设有小通孔，构成阴极；所述第二电极中心设有小引出孔，构成引出极；所述第三电极内表面设有深槽，构成收集极；每个电极由单晶圆硅片为基底；电极之间通过绝缘层控制传感器的极间距；/n所述硅微米柱直径不大于10μm，高度不大于60μm，间距不大于30μm。/n

【技术特征摘要】
1.一种硅微米柱阵列三电极电离式微系统雾霾传感器，传感器包括三个自下而上依次分布的第一电极、第二电极和第三电极，其特征在于，所述第一电极内表面制备有硅微米柱阵列的硅基底以及设有小通孔，构成阴极；所述第二电极中心设有小引出孔，构成引出极；所述第三电极内表面设有深槽，构成收集极；每个电极由单晶圆硅片为基底；电极之间通过绝缘层控制传感器的极间距；
所述硅微米柱直径不大于10μm，高度不大于60μm，间距不大于30μm。


2.根据权利要求1所述的硅微米柱阵列三电极电离式微系统雾霾传感器，其特征在于，所述硅微米柱直径为5～10μm，高度为10～60μm，间距为10～30μm。


3.根据权利要求1所述的硅微米柱阵列三电极电离式微系统雾霾传感器，其特征在于，所述小通孔的孔径设定在0.6～3.6mm；小引出孔的孔径为1.0～5.0mm；深槽的边长、深度分别为1×1～8×8mm和100～240μm；
三电极之间的极间距按照小通孔、小引出孔的孔径和深槽的边长、深度设定。


4.根据权利要求1所述的硅微米柱阵列三电极电离式微系统雾霾传感器器，其特征在于，所述小通孔的孔径为0.6～3.6mm时，第一电极与第二电极之间极间距与小通孔的孔径之比为1/60～1/8；
所述小引出孔的孔径为1.0～5.0mm时，第一电极与第二电极之间极间距与小引出孔的孔径之比为3/250～3/40，第二电极与第三电极之间极间距与小引出孔的孔径之比为9/1000～2/25；
所述深槽的边长、槽深分别为1×1～8×8mm和100～240μm时，第二电极与第三电极之间极间距与深槽槽深之比为3/16～4/5。


5.根据权利要求1所述的硅微米柱阵列三电极电离式微系统雾霾传感器，其特征在于，所述第一电极的电极表面的小通孔为1～20个；...

【专利技术属性】
技术研发人员：张勇，程珍珍，唐宇杰，王迪，孙利利，郝云鹤，周锦堂，章凯，王睿哲，邓元刚，朱程鹏，童佳明，陈麒宇，韩文，杨彬，吴健，白晓春，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61