５２传感器与微系统（ＴｒａｎｓｄｕｃｅｒａｎｄＭｉｅｒｏｓｙｓｔｅｍＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ）２００９年第２８卷第５期
传感器薄膜结构的改进与响应时间的分析堆
杨英，陈向东，蔡镔
（西南交通大学信息科学与技术学院，四川成都６１００３１）
摘要：提出了一种具有立体敏感效应的新型气体传感器敏感薄膜结构模型，即将传统的厚度均匀的平
面型传感器敏感薄膜改进为由多条半圆柱凸起与多条沟槽相间隔的立体敏感结构。并根据扩散反应理论
对新型和传统型２种薄膜结构的传感器响应时间进行了分析与比较，证明新型敏感结构的传感器具有更
短的响应时间；分析了半圆柱凸起间距的相对系数对传感器响应时｜’日ｌ的影响，得出了最佳取值。
关键词：立体敏感效应；半圆柱体；响应时间；气体传感器
中图分类号：０４８４文献标识码：Ａ文章编号：１０００－－９７８７（２００９）０５－００５２－－０３
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Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｎｅｗｆｉｌｍｓｔｒｕｃｔｕｒｅｍｏｄｅｌｏｆｇａｓｓｅｎｓｏｒｗｉｔｈｔｈｒｅｅ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｓｅｎｓｉｔｉｖｅｅｆｆｅｃｔｉｓｐｒｏｖｉｄｅｄ，ｗｈｉｃｈｉｓｉｍｐｒｏｖｉｎｇｔｈｅｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｐｌａｎａｘｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｕｎｉｆｏｒｍｔｈｉｃｋｎｅｓｓｔｏｔｈｅＨｅｗｓｅｎｓｉｔｉｖｅｔｈｒｅｅ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｗｉｔｈｍｏｒｅｈａｌｆ－ｃｙｌｉｎｄｅｒｕｐｌｉｆｔｓａｎｄｍｏｒｅｇｒｏｏｖｅ８．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｐｒｏｌｉｆｅｒａｔｉｏｎｒｅｓｐｏｎｓｅｔｈｅｏｒｙ，ｔｈｅｆｉｌｍｓｅｎｓｏｒｒｅｓｐｏｎｓｅｔｉｍｅｓｏｆｂｏｔｈＦｌｅｗａｎｄｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｅｎｓｏｒａｒｅａｎａｌｙｚｅｄａｎｄｃｏｍｐａｒｅｄ．Ｔｈｉｓｐｒｏｖｅｓｔｈａｔｔｈｅｒｅｓｐｏｎｓｅｔｉｍｅｏｆｔｈｅｓｅｎｓｏｒｗｉｔｈｔｈｅｎｅｗｓｅｎｓｉｔｉｖｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｉｓｓｈｏｒｔ．Ａｎｄｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｔｈｅｈａｌｆ－ｃｙｌｉｎｄｅｒｂｕｌｇｅｓｓｐａｃｉｎｇｒｅｌａｔｉｖｅｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｏｎｔｈｅｓｅｎｓｏｒｒｅｓｐｏｎｓｅｔｉｍｅｉｓａｎａｌｙｚｅｄ，ｔｈｅｂｅｓｔｖａｌｕｅｉｓｏｂｔａｉｎｅｄ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｔｈｒｅｅ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｓｅｎｓｉｔｉｖｅｅｆｆｅｃｔ；ｈａｌｆ－ｃｙｌｉｎｄｅｒ；ｒｅｓｐｏｎｓｅｔｉｍｅ；ｇａｓｓｅｎｓｏｒ
０引言
气体检测技术在国民经济中占有重要地位¨１。从多方面来看，半导体气体传感器是应用最为广泛的。其中，电阻式半导体传感器由于研究较早，到目前为止，是应用最为广泛的一种。气敏材料作为传感器最为关键的一部分，其性质直接影响到传感器的性能，常见电阻式敏感材料，如，ｓｎ０２，ＺｎＯ，Ｆｅ：０。作为传统金属氧化物及其掺杂类气敏材料已被广泛研究他１，但在实际应用中存在选择性差、操作温度高、稳定性差等问题，近十几年来，对Ｉｎｔ０３，ＷＯ。，ＭｏＯ。等为基的新型金属氧化物材料进行了深入系统的研究，从灵敏度、选择性、响应时间等方面来看．是检测ＣＯ，Ｈ。Ｓ，ＮＨ。等气体的理想材料旧巧１。本文改进了气体传感器敏感薄膜的结构，并进行了性能分析和比较。
ｌ结构模型与原理
１．１结构模型
平面微电极式器件结构是气体传感器中最为常用的一种。它的工作原理主要是基于电极间敏感薄膜的电导或电阻随周围环境气体体积分数的变化而工作的。传统结构的敏感薄膜是厚度均匀的平面型结构，气体只能由上表面向其内部扩散，从而引起电导率的变化。本文对这种薄膜结构进行了改进，如图１所示，将其连续的平面型敏感薄膜的上表面改成多条半圆柱凸起与多条沟槽相问的结构，这样，凹槽部分与传统结构模型相同，气体只可以由上边面扩散到薄膜内，而对于凸起的半圆柱体部分，气体则是由半圆柱体的侧表面进入薄膜内部，这样，增加了敏感膜与被测气体的接触面积，提高了传感器的响应速度。
图１新型薄膜立体结构
Ｆｉｇ１Ｓｔｅｒｅｏ?ｓｔｎｌｃｔｕｒｅｏｆ
ｎｅｗｆｉｌｍ
由于随着时问的推移。扩散速度会越来越慢；气体在某一种薄膜材料中的扩散深度是一定值，故令凸起半圆柱体
收稿日期：２００８一０９－１６
?基金项目：国家自然科学基金资助项日（６０５７２０２６，６０８７１０２４）；教育部新世纪优秀人才支持计划资助项目（Ａ０１６０４１９９５０１２０） 万方数据