CN101126730A - 一种气敏传感元件的电极部件及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气敏传感元件的电极部件，包括基片和在该基片上形成的加热电极和气敏信号电极，加热电极和气敏信号电极位于基片的同一端面，加热电极和气敏信号电极之间不接触。该部件可应用于气敏传感元件上，制作成本低且制造效率高，且部件表面温度均匀性及加热效率高，从而可提高气敏传感元件性能。本发明同时还公开了该电极部件的制造方法及使用该电极部件的气敏传感元件。

Description

一种气敏传感元件的电极部件及其制造方法

技术领域

本发明涉及半导体技术，尤其涉及一种气敏传感元件的电极部件及其制造方法和气敏传感元件。

背景技术

现有技术中的气敏传感元件的电极部件以陶瓷管式、微珠式、平面式为主。陶瓷管式和微珠式结构多采用手工制作完成，但手工制作的产品存在着制作效率低、器件特性参数均一性较差、成品率受人为因素影响较大等问题。

利用微加工工艺技术制备出来的平面式结构，具有参数统一、重复度高、可自动化制备、成品率高等优点，符合大批量生产的要求，能有效地降低传感器的制作成本。目前现有技术中的平面式气敏传感元件的电极部件包括加热电极、温度传感电极、气敏信号读取电极三部分。而其结构则是加热电极、温度传感电极位于部件基片的一个端面，气敏信号读取电极位于部件基片的另一个端面。此结构的制作过程需要经过正反两面的电极制备工艺，制作过程复杂、成本高、且效率低。此外，还存在部件表面温度均匀性差、加热效率低，从而导致气敏传感元件性能差的缺点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种气敏传感元件的电极部件及其制造方法，以节省制作成本和提高效率，又改善部件表面温度均匀性及加热效率，从而提高气敏传感元件性能。

为了实现上述技术目的，本发明一方面提供了一种气敏传感元件的电极部件，包括基片和在该基片上形成的加热电极及气敏信号电极，加热电极和气敏信号电极位于基片的同一端面，加热电极和气敏信号电极之间不接触。

优选地，加热电极和气敏信号电极线宽均为0.4mm，加热电极包围气敏信号电极，气敏信号电极与加热电极间的距离为50μm。

优选地，基片为绝缘基片。

优选地，基片上还形成有温度传感电极，温度传感电极与加热电极和气敏信号电极位于基片的同一端面，温度传感电极与加热电极和气敏信号电极之间不接触。

本发明另一方面提供了一种气敏传感元件的电极部件的制造方法，包括以下步骤：a、将基片进行前烘热处理；b、在基片表面均匀旋涂上一层光刻胶；c、将基片烘烤；d、采用预置电极图形作为掩模对基片进行曝光；e、将基片进行显影；f、将基片刻蚀，以去除曝光区域上的残余光刻胶；g、对基片进行钛镀膜；h、对基片进行白金镀膜；I、剥离光刻胶。

优选地，预置电极图形是由加热电极和气敏信号电极组成的图案。

本发明还提供了一种气敏传感元件，包括如上所述的电极部件以及气敏材料，气敏材料覆盖在气敏传感元件的电极部件上，且与所有电极相接触。

实施本发明，具有如下有益效果：

本发明提供的这种气敏传感元件的电极部件，由于将加热电极和气敏信号电极集成在基片的同一端面且彼此无接触连接，不仅节省了另一面电极制备的工艺，从而减少了制作成本和提高了效率，还能够改善部件表面温度的均匀性和加热效率，从而提高气敏元件性能。

在本发明的一个优选实施例中，由于加热电极和气敏信号电极线宽均为0.4mm，加热电极包围气敏信号电极，气敏信号电极与加热电极间的距离为50μm，不仅可以最大程度的改善部件表面温度的均匀性和加热效率，从而提高气敏元件性能，而且更适合该部件的应用。

在本发明的一个优选实施例中，由于基片为绝缘基片，避免了利用电流对基片进行加热时击穿基片，毁坏电极。

在本发明的一个优选实施例中，由于基片上还形成有温度传感电极，温度传感电极与加热电极和气敏信号电极位于基片的同一端面，温度传感电极与加热电极和气敏信号电极之间不接触，该温度传感电极用于温度测量和反馈，能对部件性能的改善添加有益帮助。

本发明提供的这种气敏传感元件的电极部件的制造方法，用于制造本发明提供的上述气敏传感元件的电极部件，由于制造方法采用了预置图形转移法，将预置的电极图形转移到基片上制造出电极部件，从而节省了制作成本且提高了电极的参数统一性和制作效率。

在本发明的一个优选实施例中，由于预置电极图形是由加热电极和气敏信号电极组成的图案，因此可以将预置的加热电极和气敏信号电极图形转移到基片上制造出电极部件，从而节省了制作成本且提高了电极的参数统一性和制作效率。

本发明提供的这种气敏传感元件，气敏材料感应到探测气体后，利用气敏信号电极就能采集到材料的电特性变化信号，实现气体浓度传感。

附图说明

图1为本发明提供的气敏传感元件的一个具体实施例的电极部件结构平面图；

图2为本发明提供的气敏传感元件的电极部件的一个具体实施例的实物图；

图3为本发明提供的气敏传感元件的电极部件的制造方法的流程图；

图4为本发明提供的气敏传感元件的电极部件的加热电极上外加电流强度与基片表面温度的关系曲线图；

图5为本发明提供的气敏传感元件的电极部件在固定外加电压下，温度传感电极上电流强度随基片表面温度变化的关系曲线图；

图6为本发明提供的气敏传感元件的电极部件在覆盖ZnO纳米线阵列后，通过加热电极进行加热，并采用温度传感电极探测到温度为270℃时，测量得到的气敏材料感应380ppm乙醇气体前后电阻的变化曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和优选实施例来对本发明做进一步的说明。

参考图1，本发明所述的气敏传感元件的电极部件，包括基片1和在该基片1上形成的加热电极10、温度传感电极11及气敏信号电极12。其中加热电极10、温度传感电极11及气敏信号电极12集成在基片1的同一端面上，并相互间隔一较小的间隙。其中，所述加热电极10具有引脚101和102；温度传感电极11具有引脚111和112；气敏信号电极12具有引脚121。其中温度传感电极11是一个附加功能的电极，用于温度测量和反馈，能对部件性能的改善添加有益帮助。

参考图2，图示了本发明提供的气敏传感元件的电极部件的实物图，如图所示，上述三个电极被集成在基片的同一端面上。

参考图3，为本发明提供的气敏传感元件的电极部件的制造方法的流程图。本发明中，采用表面覆盖有SiO₂绝缘层的2英寸硅片作为基片。该制造方法包括下列步骤：

a.将基片在热板上进行30分钟的前烘热处理，前烘温度为120℃，目的是去除基片表面的水气，增加基片的表面黏附能力。如图3所示的301。

b.利用Karl Suss R8涂胶机在基片表面均匀旋涂上一层瑞红(RZJ-390PG)正性光刻胶，涂胶转速为3000rpm，时间为60秒。如图3所示的302。

c.涂胶完毕，将基片置于热板上进行烘烤，热板的温度为120℃，烘烤时间为120秒。如图3所示的303。

d.烘烤完毕，利用Karl Suss MA45光刻机对样品进行15秒的紫外曝光，曝光过程中采用如图1所示的电极图形作为掩模。电极图形尺寸如下：电极引脚0.75×0.6mm²，加热电极、气敏信号电极线宽均为0.4mm，温度传感电极线宽为0.2mm，气敏信号电极与加热电极间的距离为50μm。曝光方式为硬接触。电极图形的结构为加热电极、温度传感电极和气敏信号电极位于同一端面，彼此无接触连接。如图3所示的304。

e.将曝光完毕的基片放入浓度为3.33‰的NaOH溶液中进行显影，显影时间为40秒。将图1所示的电极图形转化到光刻胶上。如图3所示的305。

f.去残胶，将显影完毕后的基片放置到等离子刻蚀(RIE)系统中刻蚀，目的是去除曝光区域上的残余光刻胶。刻蚀采用的气体为氧气，其流量为40sccm，刻蚀功率为100W，刻蚀时间为40秒。如图3所示的306。

g.刻蚀处理完毕后，采用磁控溅射镀膜机对基片进行镀膜，溅镀金属为钛(Ti)，用作金属过渡层。溅射功率为300W，溅射用的气体为氩气，流量控制在60sccm。溅镀时间为40分钟。钛膜的厚度约为150nm。如图3所示的307。

h.溅镀完钛膜后，将基片放置于离子溅射仪中镀膜，溅镀金属为白金(Pt)。溅射仪的电流为2mA，溅射电压为1000V，溅射用气体为空气，溅镀时间为60分钟。白金膜的厚度为150nm。如图3所示的308。

i.剥离，将镀膜完毕的基片浸泡到丙酮中，超声震荡，使光刻胶剥离。超声时间为1分钟。获得如图2所示的平面集成金属电极结构。如图3所示的309。

本发明提供的这种气敏元件的电极部件及气敏传感元件在工作温度控制调节时的实现、工作温度的传感测量及气敏特性的表征如下：

采用一台可调直流电压源(0-32V)，在如图1所示的加热电极的引脚101和102间施加直流电压，产生电流，通过调节在加热电极两端所施加的电压的大小，改变加热电流，实现调节基片表面温度的目的。图4为测量得到的加热电极的外加电流(0-190mA)与基片表面温度(室温-400℃)的曲线关系图，其中I表示加热电极的电流，T表示基片的表面温度。这一实验结果证明了上述加热电极可以实现基片表面温度的控制，为气敏元件提供合适的工作温度。

如图1和图2所示，温度传感电极11围绕在加热电极10的四周，由于金属的电阻率与其温度成正比，通过测量它的电流或电阻，就可得到基片的表面温度。实验中将温度传感电极的引脚111和112与另一独立的直流电压源相连，测量不同温度下温度传感电极的电流。图5为固定电压下，温度传感电极的电流随基片表面温度变化的T-I曲线关系图，其中I表示温度传感电极的电流，T表示平面的表面温度。这一实验结果证明了利用上述温度传感电极可以实现基片表面温度的探测，用于表征气敏元件的工作温度。

利用化学溶液法，在电极部件的整个平面上直接生长一层气敏材料，例如ZnO敏感材料，ZnO材料覆盖在加热电极10、温度传感电极11和气敏信号电极12上。实验中将气敏信号电极引脚121与第三个独立可调直流电压源的正极相连，其中串联有电流表，用于读取气敏材料的电流值。气敏信号电极与加热电极所用的直流电压源的负极需要相连共地，因此，敏感材料间的供压由气敏信号电极与加热电极之间的电势差决定。由于这两极之间的电势差保持不变，气敏元件的气敏变化信号将由电流变化信号来反映。图6为材料在270℃的工作温度下对380ppm乙醇气体的电流信号响应I-t曲线图，其中I表示流经气敏信号电极的电流，t表示时间。这一实验结果证明了气敏信号电极可以实现探测敏感材料的电特性变化，实现气体浓度传感功能。

以上所揭露的仅为本发明的较佳实施例而已，不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (7)

1.一种气敏传感元件的电极部件，包括基片和在该基片上形成的加热电极和气敏信号电极，其特征在于，所述加热电极和所述气敏信号电极位于所述基片的同一端面，所述加热电极和所述气敏信号电极之间不接触。

2.如权利要求1所述的气敏传感元件的电极部件，其特征在于，所述加热电极和所述气敏信号电极线宽均为0.4mm，所述加热电极包围气敏信号电极，所述气敏信号电极与加热电极间的距离为50μm。

3.如权利要求1所述的气敏传感元件的电极部件，其特征在于，所述基片为绝缘基片。

4.如权利要求1所述的气敏传感元件的电极部件，其特征在于，所述基片上还形成有温度传感电极，所述温度传感电极与所述加热电极和所述气敏信号电极位于所述基片的同一端面，所述温度传感电极与所述加热电极和所述气敏信号电极之间不接触。

5.一种气敏传感元件的电极部件的制造方法，包括以下步骤：

a、将基片进行前烘热处理；

b、在基片表面均匀旋涂上一层光刻胶；

c、将基片烘烤；

d、采用预置电极图形作为掩模对基片进行曝光；

e、将基片进行显影；

f、将基片刻蚀，以去除曝光区域上的残余光刻胶；

g、对基片进行钛镀膜；

h、对基片进行白金镀膜；

I、剥离光刻胶。

6.如权利要求5所述的一种气敏传感元件的电极部件的制造方法，其特征在于，步骤d中所述预置电极图形是由加热电极和气敏信号电极组成的图案。

7.一种气敏传感元件，包括权利要求1、2、3、或4所述的电极部件和气敏材料，其特征在于，气敏材料覆盖在所述气敏传感元件的电极部件上，且与所有电极相接触。

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