CN101349669A

CN101349669A - 甲醛气体传感器

Info

Publication number: CN101349669A
Application number: CNA2007101307144A
Authority: CN
Inventors: 李佳言; 江哲铭; 傅龙铭; 林哲信; 周伯丞; 王禹翔
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-07-19
Filing date: 2007-07-19
Publication date: 2009-01-21

Abstract

一种甲醛气体传感器，其包含一基板、一电极层及一气体感测层，该基板由绝缘材料制成，该电极层设置于该基板的一侧，该气体感测层至少由氧化镍(NiO)制成，该气体感测层设置于该电极层的一侧，使该电极层介于该基板及气体感测层之间，该气体感测层的厚度介于0.3至0.52μm。这样，可以有效提高检测灵敏度、检测效率、降低最小检测极限及反应时间。

Description

甲醛气体传感器

技术领域

本发明涉及一种气体传感器，尤其是涉及一种甲醛气体传感器。

背景技术

由于甲醛(formaldehyde，HCHO)具有高化学活性、高纯度及相当廉价等优点，因而被广泛使用与应用在工业生产建筑物材料及多数家用产品的化学原料。建筑物及家具涂料中的甲醛在长期的使用中会渐渐释放游离出甲醛于环境中，然而，人体如果接触过量甲醛，可能会引发呼吸道或皮肤发炎、刺激眼睛，甚至可能致癌。因此，有必要开发一种甲醛气体传感器来检测环境中的甲醛浓度。

现有的甲醛气体传感器，如中国台湾专利第I239400号「有机挥发气体之微型传感器及其制造方法」发明专利所述，其包含一悬置薄膜基座、一微加热器、一感测层及一指叉电极组(interdigital electrodes)，该悬置薄膜基座形成一凹孔及数个桥接部，该桥接部在该凹孔上方设置一支撑台；该微加热器形成在该支撑台上；该感测层形成在该微加热器上，并可由该微加热器快速加热至一恒定高温，且可依环境中的有机挥发气体的浓度值改变其电阻值；该指叉电极组设置于该感测层的上方，并用于测量该感测层的电阻值，经由数字处理成该有机挥发气体的浓度值，以供一使用者观测。

一般而言，上述现有的甲醛气体传感器具有下列缺点，例如：该指叉电极组是设置于该感测层的上表面，使得该指叉电极组降低了该气体感测层与该有机挥发气体的接触面积，进而造成其灵敏度降低及最小检测极限较高；另外，由于该感测层的反应时间较长，使得该现有气体传感器的测量时间较长，进而造成其检测效率较低。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种甲醛气体传感器，其利用于一基板的一侧设置一电极层，再于该电极层的一侧设置一气体感测层，使该电极层位于该基板及气体感测层之间，且该气体感测层至少由氧化镍(NiO)制成，使得本发明具有提高检测灵敏度的效果。

本发明的次要目的是提供一种甲醛气体传感器，其中该气体感测层的厚度介于0.3至0.52μm之间，使得本发明具有降低最小检测极限的效果。

本发明的再一目的是提供一种甲醛气体传感器，其中该气体感测层还包含有一个催化材料，以加速该气体感测层催化欲感测气体的催化效率，使得本发明具有降低反应时间的效果。

本发明的另一目的是提供一种甲醛气体传感器，其中该催化材料另形成一催化层，使得该催化层与由该氧化镍所形成的氧化镍层共同构成该气体感测层，且该氧化镍层介于该电极层及催化层之间，使得本发明具有提高检测效率的效果。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：一种甲醛气体传感器，其包含一基板、一电极层及一气体感测层，该基板由绝缘材料制成，该电极层设置于该基板的一侧，该气体感测层至少由氧化镍(NiO)制成，该气体感测层设置于该电极层的一侧，使该电极层介于该基板及气体感测层之间，该气体感测层的厚度介于0.3至0.52μm。这样，可有效提高检测灵敏度、降低最小检测极限及反应时间。

本发明改进了现有技术存在的缺点，其利用于一基板的一侧设置一电极层，再于该电极层的一侧设置一厚度介于0.3至0.52μm之间的气体感测层，使该电极层位于该基板及气体感测层之间，其中，该气体感测层至少由氧化镍(NiO)制成，这样一来，本发明可有效提高检测灵敏度、检测效率、降低最小检测极限及反应时间。

附图说明

图1：本发明优选实施例的甲醛气体传感器的分解立体图。

图2A-2G：本发明优选实施例的甲醛气体传感器的制作流程剖视图。

图3：本发明优选实施例的甲醛气体传感器于不同操作温度下的甲醛浓度(ppb)对电阻值(kΩ)的变化图。

图4：本发明优选实施例的甲醛气体传感器于不同厚度的气体感测层下的甲醛浓度(ppm)对电阻值(kΩ)的变化图。

图5：本发明优选实施例的甲醛气体传感器于不同不同有机挥发气体下的浓度(ppb)对电阻值(Ω)的变化图。

图6：本发明优选实施例的甲醛气体传感器于一预定甲醛浓度下的时间(秒)对电阻值(Ω)的变化图，且该气体感测层是以氧化镍溅镀制成。

图7：本发明优选实施例的甲醛气体传感器于一预定甲醛浓度下的时间(秒)对电阻值(Ω)的变化图，且该气体感测层是以氧化镍及氧化铝通过共溅镀制成。

图8：本发明优选实施例的甲醛气体传感器甲醛浓度(ppm)对电阻值(Ω)的变化图。

【主要组件符号说明】

1基板 11光阻 12光罩 13光阻图案

2电极层 21感测电极组 22加热电极组 3气体感测层

具体实施方式

为让本发明的上述及其它目的、特征及优点能更明显易懂，下文通过本发明的优选实施例，并配合附图，作详细说明如下：

请参照图1所示，本发明优选实施例公开的甲醛气体传感器包含一基板1、一电极层2及一气体感测层3。该基板1的一侧设有该电极层2，该气体感测层3设置于该电极层2的一侧，使该电极层2介于该基板1及气体感测层3之间。该基板1用于支撑该电极层2及气体感测层3。该电极层2用于测量该气体感测层3的电阻值。该气体感测层3为针对特定欲感测气体的催化剂，以催化该特定欲感测气体氧化，进而造成该气体感测层3的电阻值改变。经由该电极层2测量该气体感测层3的电阻值变化即可推算该欲感测气体的浓度。该电极层2优选与一电性测量系统(未绘示)电性连接，以便通过该电性量测系统辅助该电阻值的测量及显示。

请再参照图1所示，本发明优选实施例的基板1可选择由硅、氮化硅或二氧化硅(即玻璃或石英)等绝缘材料制成，且本实施例中的基板1是选择以石英制成。该基板1的外形优选为一薄板状体。为避免微粒子(Particles)、金属(Metal)、有机物(Organic)或氧化层(Native oxide)等污染物附着于该基板1的表面，因此，该基板1优选先经过清洗，以避免上述的各种污染物影响后续电极层2的形成及附着。

请再参照图1所示，本发明优选实施例所述的电极层2可选择由溅镀或蒸镀等沉积方式形成于该基板1的一侧，且该电极层2覆盖该基板1于该侧的部分表面。在本实施例中，该电极层2选择以电子束蒸镀法(Electron Beam Evaporation)使金属沉积形成于该基板1的一侧。

请再参照图1所示，该电极层2包含一感测电极组21及一加热电极组22。该感测电极组21可选择为一指叉电极组(interdigital electrodes)或一非指叉电极组，且由于该指叉电极组较容易直接量测该气体感测层3的电性和电阻的改变，因此该感测电极组21优选为该指叉电极组。该感测电极组21选择由导电性好的金属或合金材料制成，例如：金(Au)、铬(Cr)、钛(Ti)、银(Ag)、铝(Al)、铜(Cu)、铂(Pt)或其合金。由于铂的稳定性高，因此该感测电极组21优选由铂制成。该感测电极组21与该电性测量装置电性连接以测量该气体感测层3的电阻。该加热电极组22可选择由铂或多晶硅制成，由于铂的电阻温度系数(TemperatureCoefficient of Resistivity，TCR)呈常数，因此该加热电极组22优选由铂制成。该加热电极组22优选另与一控温装置(未绘示)电性连接，以控制该加热电极组22提供实时和精确的温度控制能力，进而活化反应、提高灵敏度及去除湿气。该加热电极组22优选设计成S型回路，以增加加热面积的利用，进而均匀加热该基板1。

请再参照图1所示，本发明优选实施例所述的气体感测层3至少由氧化镍(NiO)制成，且可选择以溅镀(Sputtering)或蒸镀(Evaporation)的方式形成于该基板1设有该电极层2的一侧。该气体感测层3是用于催化有机挥发气体，由于该气体感测层3选择以氧化镍制成，因此该气体感测层3优选用于感测甲醛气体的浓度。当该气体感测层3催化甲醛气体后，会改变该气体感测层3本身的电导值，因此，我们可以从电性方面的改变，求得甲醛气体的浓度。本实施例是选择检测电阻值作为判断甲醛气体浓度的标准。

另外，该气体感测层3可另外包含一催化材料以加速该气体感测层3催化欲感测气体的催化效率并降低最小检测极限。该催化材料可直接与该氧化镍共同形成该气体感测层3，也可以选择另外形成一催化层(未绘示)，使该氧化镍所形成的氧化镍层位于该催化层及电极层之间。该催化材料可选择为氧化铝(Al₂O₃)、氧化钛(TiO₂)、氧化锆(ZrO₂)或氧化镓(Ga₂O₃)等化合物。本实施例的催化材料选择为氧化铝，且该氧化铝与该氧化镍选择以共溅镀(co-sputtering)方式共同形成该气体感测层3。

图2A-2G是本发明优选实施例公开的的甲醛气体传感器的制作过程。请先参照图2A所示，首先，该基板1的表面需经过清洗，以避免各种污染物附着于该基板1的表面，另外，清洗该基板1后，可选择另外以蒸气附着的方式涂覆上一层六甲基乙硅氮(hexa-methyl-disilazane，HMDS)，并选择静置5分钟后以110℃软烤3分钟，以提高后续光阻与基板1之间的附着力；另外，请参照图2B所示，接着于该基板1上涂布一光阻11，该光阻11可选择为一正光阻或一负光阻，且本实施例中选择使用该正光阻涂布于该基板1的一侧，并选择以100℃的温度进行软烤3分钟，以使该光阻11内的溶剂挥发，进而增进该光阻11对该基板1的附着力；接着，请参照图2C所示，以一预制的光罩12对准放置于该基板1上，接着以UV光进行曝光(Exposure)，曝光的条件选择以14mJ(毫焦耳)的能量曝光20秒，以使该光阻11吸收适当能量后进行转换；接着，请参照图2D所示，以一显影液混合去离子水进行显影一预定时间，再以去离子水去除该显影液，最后选择于120℃的温度下硬烤10分钟，以增加该光阻11的附着力及强度。如此，便可于该基板1的一侧形成一光阻图案13。

请参照图2E所示，接着，本实施例优选于该光阻图案13形成后，再于该基板1具有该光阻图案13的一侧形成一附着层(未绘示)，再于该附着层上形成该电极层2，使得该附着层介于该基板1与该电极层2之间，以增进该电极层2于该基板1上的附着力，于本实施例中，该附着层优选以铬(Cr)制成，该附着层及电极层2都选择以电子束蒸镀法制作，该附着层的厚度选择为0.05μm，且该电极层2的厚度选择为0.2μm；请参照图2F所示，接着，通过一溶剂将该光阻图案13剥离(lift-off)，以同时形成该感测电极组21及加热电极组22，且该溶剂选择为丙酮(acetone)，如此，便完成该电极层2的制作，且该电极层2是局部覆盖于该基板1的表面。

请参照图2G所示，该气体感测层3是选择利用一射频溅镀系统(RFsputtering system)并以溅镀方式沉积形成于该电极层2的一侧，使得该电极层2位于该基板1及气体感测层3之间。该射频溅镀系统选择以99.98％的氧化镍(NiO)作为一靶材(未绘示)，该基板1与靶材的间距选择为11.4cm，工作压力选择为0.01陶尔(torr)，射频功率选择为200瓦(W)，工作气体选择为氩气(Ar)及氧气，且工作气体流量比选择为1∶1。溅镀前优先选择预溅镀10分钟，以去除该靶材表面的氧化物及杂质。如此便可完成该气体感测层3的制作。另外，还可通过前述的共溅镀方式使该氧化镍及催化材料共同形成该气体感测层3。该共溅镀的操作条件与该溅镀的操作条件相同，差异在于溅镀时仅设置一氧化镍的靶材，而于共溅镀时，除该氧化镍的靶材外，另外设置一由该催化材料制成的靶材，如前述该催化材料选择为氧化铝。该电极层2至少部分覆盖该基板1的一侧表面，且该气体感测层3对应完全覆盖该基板1具有该电极层2的一侧的表面。

为进一步验证本发明的甲醛气体传感器确实具有提高检测灵敏度、降低最小检测极限及反应时间的效果，因此进行下列各项测试，其中，该电阻的测量方式是先以一铜柱将该感测电极组21及加热电极组22粘结，并与该电性测量系统电性连接，以通过该电性测量系统测得于一预定有机气体浓度下相对应的电阻值，于测量前，先以该加热电极组22将该甲醛气体传感器加热至一预定的操作温度，接着才进行电阻值的测量。该操作温度选择介于100至300℃之间。

请参照图3所示，其为本发明的甲醛气体传感器在不同操作温度下的甲醛气体浓度(百万分之一升，ppm)对电阻值(千奥姆，kΩ)的变化图。其中，该甲醛气体传感器的操作温度选择为100、200及300℃，且于图中分别以a(100℃)、b(200℃)及c(300℃)三曲线表示结果。由结果得知，分别于100、200及300℃的操作温度下，该甲醛气体传感器的灵敏度分别为0.028kΩ/ppm、0.1kΩ/ppm及0.47kΩ/ppm，因此可得知该甲醛气体传感器的操作温度优先选择为300℃，且同时该甲醛气体传感器的灵敏度为最佳。由于操作温度较高时，该气体感测层3内的粒子获得较大的能量，使该粒子有较大的动能可移动到能量较小的位置，有助于改善该气体感测层3的结晶性，而结晶性的提高可降低该气体感测层3的电阻率，进而提高该甲醛气体传感器的灵敏度。

请参照图4所示，其为本发明的甲醛气体传感器在不同厚度的气体感测层3下的甲醛气体浓度(ppm)对电阻值(kΩ)的变化图。该气体感测层3的厚度分别选择为0.26、0.34、0.42及0.52μm，且于图中分别以d(0.26μm)、e(0.34μm)、f(0.42μm)及g(0.52μm)四曲线表示结果。由结果得知，当厚度为0.26μm时，由曲线d可看出没有明显的变化；当厚度为0.34μm时，灵敏度为470Ω/ppm，最小检测极限为800ppm；厚度为0.42μm时，灵敏度为350Ω/ppm，最小检测极限为1400ppb(十亿分之一升)；当厚度为0.52μm时，灵敏度为320Ω/ppm，最小检测极限为1800ppb。因此，可得知该气体感侧层3的厚度优先选择为0.34μm，以获得较高的灵敏度及较低的侦侧极限。这是由于该气体感测层较薄，该晶粒的尺寸较小，因此载子浓度较多且电阻率较低，因而能提高该甲醛气体传感器的灵敏度。进一步相比较于中国台湾专利第I239400号「有机挥发气体之微型传感器及其制造方法」发明专利的说明书第14页第24行至第15页第1行所述，该现有甲醛气体传导器的灵敏度在最佳状态下仅达10.74Ω/ppm，因此，可验证本发明的厚度介于0.3至0.52μm间的气体感测层3确实具有提高灵敏度及降低最小检测极限的效果。此外，通过上述的测试结果，后续的测试中，该甲醛气体传感器的操作温度都是选择为300℃，且该气体感测层3的厚度都是选择为0.34μm，以得到较好的测试结果。

请参照图5所示，其为本发明的甲醛气体传感器在各种有机挥发气体下的气体浓度(ppm)对电阻值(Ω)的变化图。该有机挥发气体选择为甲醛、甲醇、乙醇及苯，且于图中分别以h(甲醛)、i(甲醇)、j(乙醇)及k(苯)四曲线表示结果。由结果可得知，甲醛曲线h的灵敏度为470Ω/ppm，最小检测极限约为800ppb；甲醇曲线i的灵敏度为200Ω/ppm，最小检测极限约为1300ppb；乙醇曲线j的灵敏度为150Ω/ppm，最小检测极限约为1300ppb；苯曲线k的电阻值并无明显的变化。因此，可得知本发明相对甲醛具有较好的感测效果，同样有较好的选择性。

请参照图6、7所示，图6为本发明的甲醛气体传感器于一预定甲醛浓度下的时间(秒)对电阻值(Ω)的的变化图，且该气体感测层3选择以氧化镍通过溅镀制成。图7为本发明的甲醛气体传感器于一预定甲醛浓度下的电阻值(Ω)对时间(秒)的变化图，且该气体感测层3选择以氧化镍及氧化铝通过共溅镀制成。结果显示，图6的甲醛气体传感器的反应时间约为7秒；而图7的甲醛气体传感器的反应时间约为6秒，因此可得知于该气体感测层3内加入该氧化铝的催化材料可有效降低反应时间。这是由于氧化铝具有气孔形状规则、孔径适当及分布均匀等特性，因此可改善该气体感测层3的性质，以得到较强的结构，进而降低该甲醛气体传感器的反应时间。

请参照图8所示，其为本发明的甲醛气体传感器的甲醛浓度(ppm)对电阻值(Ω)的变化图，且该气体感测层3选择以氧化镍及氧化铝通过共溅镀制成。结果显示其最小检测极限系为40ppb，与仅由氧化镍形成的气体感测层3的最小检测极限相较(参照图4的e曲线)，含有该氧化铝组成的气体感测层3能明显大幅降低该甲醛气体传感器的最小检测极限，也证实本发明确实具有降低最小检测极限的效果。

综上所述，相较于现有的甲醛气体传感器，由于该指叉电极组是设置于该感测层的上表面，使得该指叉电极组降低了该气体感测层与该有机挥发气体的接触面积，进而造成其具有灵敏度较低及最小检测极限较高的缺点；另外，由于该感测层的反应时间较长，使得该现有气体传感器的测量时间较长，进而造成其具有检测效率低落的缺点。相反的，本发明利用于该基板1的一侧设置该电极层2，再于该电极层2的一侧设置一厚度介于0.3至0.52μm之间的气体感测层3，该气体感测层3至少由氧化镍制成，使得该电极层2位于该基板1及气体感测层3之间，这样，本发明确实可有效提高检测灵敏度、检测效率、降低最小检测极限及反应时间。

Claims

1、一种甲醛气体传感器，其特征在于，其包含：

一个基板，其由绝缘材料制成；

一个电极层，其设置于该基板的一侧；及

一个气体感测层，其至少由氧化镍制成，该气体感测层设置于该电极层的一侧，使该电极层介于该基板及气体感测层之间，该气体感测层的厚度介于0.3至0.52μm之间。

2、根据权利要求1所述的甲醛气体传感器，其特征在于，该气体感测层的厚度为0.34μm。

3、根据权利要求1所述的甲醛气体传感器，其特征在于，该气体感测层还包含有一个催化材料，以加速该气体感测层催化欲感测气体的催化效率。

4、根据权利要求3所述的甲醛气体传感器，其特征在于，该催化材料另外形成了一个催化层，使得该催化层与由该氧化镍所形成的氧化镍层共同构成该气体感测层，且该氧化镍层介于该电极层及催化层之间。

5、根据权利要求1所述的甲醛气体传感器，其特征在于，该电极层包含一个感测电极组及一个加热电极组，以分别催化有机挥发气体及加热该气体感测层。

6、根据权利要求5所述的甲醛气体传感器，其特征在于，该感测电极组为一个指叉电极组或一个非指叉电极组。

7、根据权利要求1所述的甲醛气体传感器，其特征在于，该甲醛气体传感器的操作温度介于100至300℃之间。

8、根据权利要求1所述的甲醛气体传感器，其特征在于，该甲醛气体传感器的操作温度为300℃。

9、根据权利要求3所述的甲醛气体传感器，其特征在于，该催化材料为氧化铝、氧化钛、氧化锆或氧化镓之一。

10、根据权利要求1所述的甲醛气体传感器，其特征在于，该电极层至少部分覆盖该基板的一侧表面，且该气体感测层对应完全覆盖该基板具有该电极层的一侧的表面。