专利名称：基于mems技术的阵列式气味检测元件的制作方法
技术领域：
本发明涉及气敏传感器领域，具体是一种基于MEMS技术的阵列式气味检测元件。
背景技术：
电子鼻是一种能够识别和量化目标气体的人工嗅觉系统，一般由气敏传感器阵列、数据采集设备和模式识别系统三部分构成，其中，气敏传感器阵列由多个材料体系、制作工艺和工作方式相同或不同的传感器构成(例如金属氧化物半导体传感器、质量型气敏传感器、电化学型气敏传感器、声表面波传感器等等)，利用各气敏传感器对复杂成分气体都有响应却又互不相同这一特点，更加全面地获得测试样本的气味信息，同时借助数据处理方法对多种气味进行识别，进而对测试样本的气味进行分析与评定；为此，在条件允许的情况下，人们会选择尽可能多的材料体系不同的气敏传感器构成传感器阵列。但是由于构成气敏传感器阵列的各传感器存在材料体系、制作工艺和工作方式上的不同，各气敏传感器的稳定性必然存在差异，而且各气敏传感器受环境温度、湿度的影响也必然不同，尽管人们通常会对这些外在条件进行控制，或用一些辅助或补偿措施来弥补这方面的不足，各传感器在使用过程中仍会因外在或内在因素(如外界环境影响、元件使用过程中的正常老化等)的影响，使各传感器的响应特性发生不一致的漂移(即各传感器响应信号之间的平衡被打破)，进而影响模式识别系统对目标气味的正确识别和量化；此外， 由于电子鼻的气敏传感器阵列是由多种传感器组成，往往体积大、功耗多，也不利于电子鼻的集成化发展。

发明内容
本发明为了解决现有电子鼻所用气敏传感器阵列中的个体存在响应特性漂移不一致的问题，提出了一种基于MEMS技术的阵列式气味检测兀件。本发明是采取如下技术方案实现的基于MEMS技术的阵列式气味检测元件，包括半导体基底，以及在半导体基底上采用MEMS加工工艺加工得到的气味敏感单元、用以检测气味敏感单元工作温度的感温单元、用以将气味敏感单元加热至所需工作温度的加热单元；所述气味敏感单元包含按照阵列排布的若干气敏型金属氧化物薄膜，且各薄膜为尺寸参数各异的同种气敏型金属氧化物，各薄膜上分别设有两个用于与数据采集设备连接的电极。其中，气味敏感单元中气敏型金属氧化物薄膜的尺寸参数包括厚度、长度、宽度，气味敏感单元中各薄膜的具体尺寸参数需根据本发明所述检测元件的目标检测气体种类、具体应用场合，以及在各种浓度目标检测气体的环境下，该气敏型金属氧化物的选择特性、灵敏度、长期稳定性等因素来共同确定；而整个确定过程是重复性劳动过程，需要重复进行软件仿真、样品加工、实验室测试、依据测试结果调整尺寸参数，直至获得多组可实现的最佳尺寸参数；以最佳尺寸参数加工检测元件成品，进行实验室测试，记录检测元件中各气敏型金属氧化物薄膜对不同浓度目标气体的响应特性曲线，不同浓度目标气体分别对应一组响应特性曲线，各组响应特性曲线是识别目标气体种类、量化目标气体浓度的基础，即基准响应 3特性曲线，基准响应特性曲线以组划分，每组基准响应特性曲线与相应浓度的目标气体对应。此外，本发明所选气敏型金属氧化物应易于采用MEMS技术在半导体基底上加工为薄膜结构。应用所述阵列式气味检测元件的电子鼻识别目标气体的方法，所述电子鼻包括基于MEMS技术的阵列式气味检测元件、数据采集设备、与数据采集设备输出端连接的模式识别系统，检测元件与数据采集设备连接；模式识别系统按如下步骤识别目标气体
信息获取步骤，经数据采集设备获取检测元件中各气敏型金属氧化物薄膜对目标气体的响应特性曲线；
识别步骤，对信息获取步骤获得的响应特性曲线组进行分析，选取反映各响应特性曲线的特性参数，将各响应特性曲线的特征参数与基准响应特性曲线组各曲线的对应特征参数进行逐一比较，如比较结果一致，则相应基准响应特性曲线组对应的目标气体种类和浓度即是电子鼻的检测结果。与现有技术相比，本发明中气味敏感单元采用相同材料、不同尺寸参数的气敏型金属氧化物薄膜敏感气味，利用各相同材料、不同尺寸参数的气敏型金属氧化物薄膜对同种浓度目标气体都有响应却又互不相同这一特点，获得目标气体的气味信息，依靠模式识别系统对目标气味进行识别、量化，但因各薄膜的材料相同，使得各薄膜的稳定性一致，因外界环境温度和湿度引起的响应特性漂移也具备一致性，保持各薄膜响应信号之间的关系稳定，促使模式识别系统对目标气味正确识别和量化。此外，本发明所用识别方法依据的是针对不同的目标气体，无论其浓度相同，还是不同，检测元件中气敏型金属氧化物薄膜对目标气体的基准响应特性曲线组内可能会有个别曲线相同，但每组基准响应特性曲线却是独一无二的，同样实际检测时，检测元件中气敏型金属氧化物薄膜对目标气体的响应特性曲线组也是独一无二的，使响应特性曲线组与基准响应特性曲线组能唯一对应，有效避免检测元件可测目标气体(只对一种气味敏感的金属氧化物是不存在的)间发生交叉影响， 保证了本发明所述识别方法检测结果的正确性。本发明结构简单，能采用目前发展已较成熟的MEMS技术加工实现，利于实现电子鼻的集成化、小型化，且方法合理，识别准确。


图I为本发明所述气味检测元件的一种具体结构示意图2为图I的A-A剖面图中1_半导体基底；2_感温单元；3_加热单元；4_气敏型金属氧化物薄膜；5_电极。
具体实施例方式如图I所示，基于MEMS技术的阵列式气味检测元件，包括半导体基底1，以及在半导体基底I上采用MEMS加工工艺加工得到的气味敏感单元、用以检测气味敏感单元工作温度的感温单元2、用以将气味敏感单元加热至所需工作温度的加热单元3 ;所述气味敏感单元包含按照阵列排布的若干气敏型金属氧化物薄膜4，且各薄膜为尺寸参数各异的同种气敏型金属氧化物，各薄膜上分别设有两个用于与数据采集设备连接的电极5。应用所述阵列式气味检测元件的电子鼻识别目标气体的方法，所述电子鼻包括基于MEMS技术的阵列式气味检测元件、数据采集设备、与数据采集设备输出端连接的模式识别系统，检测元件与数据采集设备连接；模式识别系统按如下步骤识别目标气体
信息获取步骤，经数据采集设备获取检测元件中各气敏型金属氧化物薄膜对目标气体的响应特性曲线；
识别步骤，对信息获取步骤获得的响应特性曲线组进行分析，选取反映各响应特性曲线的特性参数，将各响应特性曲线的特征参数与基准响应特性曲线组各曲线的对应特征参数进行逐一比较，如比较结果一致，则相应基准响应特性曲线组对应的目标气体种类和浓度即是电子鼻的检测结果。具体实施时，气味敏感单元和感温单元2设置于半导体基底I的上表面，而加热单元3设置于半导体基底I的上下表面皆可，设置于上表面时，属于旁热式加热；而设置于下表面时，为了实现气味敏感单元的均匀受热，在半导体基底I的下表面采用MEMS工艺将正对气味敏感单元的位置处进行腐蚀，形成凹槽，如图2所示，使半导体基底I的纵截面呈桥式结构，将加热单元3设置于凹槽底部，以低功耗实现对气味敏感单元的均匀加热，建议采用钼丝(Pt)作为加热单元3的加热电阻，钼具有准确度高，测量范围大，稳定性好等特点。 感温单元2设置于气味敏感单元的旁边，建议采用SiC薄膜实现。此外，可以在气味敏感单元上设置气体渗透性薄膜，即在按照阵列排布的若干气敏型金属氧化物薄膜上覆盖一层气体渗透性薄膜，其目的有三1、过滤气体，避免其它气体对气敏型金属氧化物薄膜造成干扰；2、增强对目标气体的吸收，协助提高气味敏感单元的检测准确度；3、保护气敏型金属氧化物薄膜；气体渗透性薄膜建议采用Si02薄膜实现。
权利要求
1.一种基于MEMS技术的阵列式气味检测元件，包括半导体基底(1)，以及在半导体基底(I)上采用MEMS加工工艺加工得到的气味敏感单元、用以检测气味敏感单元工作温度的感温单元(2)、用以将气味敏感单元加热至所需工作温度的加热单元(3);其特征在于 所述气味敏感单元包含按照阵列排布的若干气敏型金属氧化物薄膜(4)，且各薄膜为尺寸参数各异的同种气敏型金属氧化物，各薄膜上分别设有两个用于与数据采集设备连接的电极(5 )。
2.应用权利要求I所述阵列式气味检测元件的电子鼻识别目标气体的方法，其特征在于所述电子鼻包括基于MEMS技术的阵列式气味检测元件、数据采集设备、与数据采集设备输出端连接的模式识别系统，检测元件与数据采集设备连接；模式识别系统按如下步骤识别目标气体信息获取步骤，经数据采集设备获取检测元件中各气敏型金属氧化物薄膜对目标气体的响应特性曲线；识别步骤，对信息获取步骤获得的响应特性曲线组进行分析，选取反映各响应特性曲线的特性参数，将各响应特性曲线的特征参数与基准响应特性曲线组各曲线的对应特征参数进行逐一比较，如比较结果一致，则相应基准响应特性曲线组对应的目标气体种类和浓度即是电子鼻的检测结果。
全文摘要
本发明涉及气敏传感器领域，具体是一种基于MEMS技术的阵列式气味检测元件。解决了现有电子鼻所用气敏传感器阵列中的个体存在响应特性漂移不一致的问题。所述检测元件包括半导体基底，以及在半导体基底上采用MEMS加工工艺加工得到的气味敏感单元、用以检测气味敏感单元工作温度的感温单元、用以将气味敏感单元加热至所需工作温度的加热单元；所述气味敏感单元包含按照阵列排布的若干气敏型金属氧化物薄膜，且各薄膜为尺寸参数各异的同种气敏型金属氧化物，各薄膜上分别设有两个用于与数据采集设备连接的电极。本发明结构简单，能采用目前发展已较成熟的MEMS技术加工实现，利于实现电子鼻的集成化、小型化，且方法合理，识别准确。
文档编号G01N33/00GK102590450SQ201210018690
公开日2012年7月18日 申请日期2012年1月20日 优先权日2012年1月20日
发明者刘俊, 刘文怡, 张文栋, 朱思敏, 熊继军, 薛晨阳, 裴向东, 谭秋林 申请人:中北大学