CN103698359A - 半导体气体传感器 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种半导体气体传感器，包括：基底，所述基底具有表面；设置在所述表面的加热电极、以及位于所述加热电极形成的热场中的信号感测电极，所述加热电极和所述信号感测电极彼此绝缘，所述加热电极包括邻近所述信号感测电极主加热部以及相对远离所述信号感测电极的次加热部；其中，所述主加热部的电阻大于所述次加热部的电阻。本发明提供的半导体气体传感器通过将加热电极中邻近信号感测电极的主加热部设置为相对远离信号感测电极的次加热部具有更大的电阻，保证了加热电极产生的热量的更有效利用，降低了表面功耗损失，进而降低了传感器功耗。

Description

半导体气体传感器

技术领域

本发明属于电子器件制造技术领域，具体涉及一种半导体气体传感器。

背景技术

随着社会的发展和科技的进步，工业生产规模逐渐扩大，但是由此导致的事故也不断发生，比如石油化工和煤矿行业所产生的易燃易爆、有毒有害的气体，这些气体一旦超标、泄漏，将严重影响生产人员及周围生活居民的身体健康，如果引起爆炸将造成人员伤亡和财产损失。另外，随着人们生活水平的提高及人们对家居环境装饰要求的转变，使得室内空气质量问题日益突出，由于装修后有毒超标造成的恶性病例更是时有报道。为了确保安全和防患于未然，人们研制了各种检测方法和检测仪器，其中气体传感器已经广泛应用于各行业的生产和生活领域。

气体传感器主要分为电化学式、半导体式、热传导式和光学式等。其中半导体传感器因为检测灵敏度高、响应恢复时间短、元件尺寸微小、寿命长、价格低廉而越来越受到人们的重视。尤其是近年来随着微机械加工技术的发展，半导体气体传感器更是向着集成化、智能化方向发展。由于作为气体敏感材料的金属氧化物半导体需要加热到较高温度时才显现出较好的敏感特性，因此在制备半导体气敏传感器时必须先制备气敏材料的加热电极，然后再制备信号感测电极。

目前用微电子工艺制备气体传感器时，现有技术中气体传感器，大部分的功耗比较大，不节能，或者用一次昂贵的材料来完成低功耗，但是成本比较高；另一种通过将基底底部刻蚀成倒金字塔形的坑而达到降低功耗的目的，但这种结构的传感器虽然功耗很低，但制备过程需要经过多次光刻工艺、刻蚀工艺和沉积工艺，工艺流程较为复杂，成本较高；还有就是加热电极在基底表面的温度不均匀，区域性温度不同。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低功耗的半导体气体传感器。

为实现上述发明目的，本发明提供一种半导体气体传感器，包括：

基底，所述基底具有表面；

设置在所述表面的加热电极、以及位于所述加热电极形成的热场中的信号感测电极，所述加热电极和所述信号感测电极彼此绝缘，所述加热电极包括邻近所述信号感测电极主加热部以及相对远离所述信号感测电极的次加热部；其中，

所述主加热部的电阻大于所述次加热部的电阻。

作为本发明的进一步改进，所述主加热部的宽度小于所述次加热部的宽度。

作为本发明的进一步改进，所述主加热部具有第一线宽，所述次加热部具有第二线宽。

作为本发明的进一步改进，所述加热电极在远离所述信号感测电极的方向上电阻逐渐减小。

作为本发明的进一步改进，所述信号感测电极包括金属氧化物薄膜、或至少两个导电电极以及连接所述导电电极的功能层。

作为本发明的进一步改进，所述金属氧化物薄膜选自SnO₂、ZnO、In₂O₃、WO₃、NiO、TiO₂、Fe₂O₃、CoO、Co₃O、MnO中的一种。

作为本发明的进一步改进，所述加热电极环绕所述信号感测电极设置，所述主加热部与所述信号感测电极纵长方向上延长线的相交段的电阻小于剩余部分主加热部的电阻。

作为本发明的进一步改进，所述主加热部与所述信号感测电极纵长方向上延长线的相交段的线宽大于剩余部分主加热部的线宽。

作为本发明的进一步改进，所述加热电极和所述导电电极由金属或合金薄膜制得，所述金属选自Pt、Au、Ag、Cu、Al、Ni、W中的一种，所述合金薄膜选自Ni/Cr、Mo/Mn、Cu/Zn、Ag/Pd、Pt/Au、Fe/Co中的一种。

上述发明目的还可以以下方法实现，提供一种半导体气体传感器，包括：

基底，所述基底具有表面；

设置在所述表面的加热电极、以及位于所述加热电极形成的热场中的信号感测电极，所述加热电极和所述信号感测电极彼此绝缘；其中，

与所述信号感测电极之间的距离大于预设间距的部分加热电极的电阻小于与所述信号感测电极之间的距离小于预设间距的部分加热电极的电阻。

与现有技术相比，本发明提供的半导体气体传感器通过将加热电极中邻近信号感测电极的主加热部设置为相对远离信号感测电极的次加热部具有更大的电阻，保证了加热电极产生的热量的更有效利用，降低了表面功耗损失，进而降低了传感器功耗，且热场均匀。

附图说明

图1是本发明半导体气体传感器一实施方式的结构示意图；

图2是与图1具有相同加热电极布线形式，但加热电极各部分电阻均等的半导体气体传感器的结构示意图；

图3和图4分别是图1和图2所示的半导体气体传感器中的加热电极产生热场的软件模拟图；

图5至图7是本发明半导体气体传感器的三个实施例的结构示意图；

图8至图10分别是图5至图7所示的半导体气体传感器中的加热电极产生热场的软件模拟图；

图11是本发明半导体气体传感器又一实施方式的结构示意图；

图12是本发明半导体气体传感器又一实施方式的结构示意图；

图13是锯齿波状加热电极的形状示意图；

图14是三角波状加热电极的形状示意图；

图15和图16是正弦波状加热电极的形状示意图。

具体实施方式

以下将结合附图所示的具体实施方式对本发明进行详细描述。但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。

需要说明的是，在不同的实施方式/实施例中，可能会用到相同的标号或标记，但这并不代表结构上的相同或联系，而仅仅是为了描述的方便。

参图1，介绍本发明半导体气体传感器100的具体实施方式，该半导体气体传感器100包括基底10、信号感测电极30、以及加热电极20。

基底10具有表面11，该表面11被相对确定以进行后续的电路布局，加热电极20被制作于该表面11上，信号感测电极30位于加热电极20形成的热场中，并和加热电极20彼此绝缘。本实施方式中，加热电极20大致呈方波状。

这里所说的信号感测电极30位于加热电极20形成的热场中优选地具有两种布局形式。一种是，加热电极20和信号感测电极30均设置于表面11上，加热电极20和信号感测电极30彼此分离隔开以绝缘；另一种是，加热电极20和信号感测电极30之间设置绝缘介质层（图未示）以起到绝缘作用。绝缘介质层的材料可以选自氧化铝、二氧化硅、二氧化铪中的一种或几种，由于绝缘介质层的厚度相对于基底的厚度较薄，不会对加热电极20的加热效率提出过高的需求，并且，该绝缘介质层可以通过喷墨印刷的方式制得，喷墨印刷分辨率高，能精确到几微米，可以精确定位印刷设计好的图案，且工艺流程简单，操作方便，成本较低。

基底10可以是选自表面氧化的硅片、玻璃片、石英片、氧化铝陶瓷片、氮化铝陶瓷片、氧化锆陶瓷片、聚酰亚胺薄膜中的一种，基底10的厚度为100um~1000um。加热电极20的材质选自金、银、铂、铜、钨、铂金合金、银钯合金、镍铬合金、钼锰合金、氮化钛、氧化钌中的一种。

信号感测电极30包括两个导电电极31、以及电性连接两个导电电极31的纳米金属氧化物功能化碳纳米管材料。导电电极31可以采用金属，例如Pt、Au、Ag、Cu、Al、Ni、W中的一种制得，又或者是采用合金薄膜，例如Ni/Cr、Mo/Mn、Cu/Zn、Ag/Pd、Pt/Au、Fe/Co中的一种制得。一个半导体气体传感器100中至少包括两个信号感测电极30，依据传感器种类的不同，可以设置有更多个的信号感测电极30。这里示出的信号感测电极为直线型，在一些其它的实施方式中，信号感测电极也可以采用梳齿型。

纳米金属氧化物功能化碳纳米管材料包括碳纳米管和氧化镍，碳纳米管和氧化镍的质量比为1:0.1~1:30。并且，进一步的优选为碳纳米管和氧化镍的质量比为1:1~1:20，乃至更进一步，碳纳米管和氧化镍的质量比为1:1.7~1:18。碳纳米管表面带有羟基键，以吸附氧化镍，并可更佳地对氧化镍产生保持作用。

所提供的纳米金属氧化物功能化碳纳米管材料中的微观碳纳米管之间为随机搭接，彼此之间存在较多的空隙，氧化镍不仅吸附于功能层的表面，在整个碳纳米管材料区域的上述空隙中，都会吸附有氧化镍，这样，待检测气体可以在碳纳米管搭接形成的空隙间流动，使得半导体气体传感器的检测效果更佳。

具体的制作过程中，为了保证上述“空隙”的有效成型，首先在基底上打印一层碳纳米管，随后在碳纳米管区域沉积氢氧化镍，经过烧结，将沉积的氢氧化镍转化为氧化镍，保证碳纳米管之间搭接的随机性，以及氧化镍与碳纳米管之间的结合关系的稳定。

在本实施方式中，加热电极20环绕信号感测电极30，加热电极20和信号感测电极30之间彼此不交错，环绕设置的加热电极20可以提供均匀的热场，以对信号感测电极30产生更好的加热效果。

加热电极20包括主加热部21以及与主加热部21连接的次加热部22，主加热部21邻近信号感测电极30而次加热部22相对远离信号感测电极30，主加热部21的电阻大于次加热部22的电阻。电阻值越大的加热电极部分在相同的电压下可以提供相对更高的加热效率，将更加远离信号感测电极30的次加热部22设置为具有相对较小的电阻可以降低此部分加热电极所损失的表面功耗；同时，主加热部21电阻值的相对增加，可以在不增加传感器整体功耗的同时，提升传感器对检测气体的响应速率。

优选地，在远离信号感测电极30的方向上，加热电极20的电阻逐渐减小，均匀的递减的电阻可以提供更优的热场，进一步降低传感器的表面功耗。

加热电极20电阻的改变可以是通过例如材质的变化等多种方式实现。本实施方式中，择优地，通过改变加热电极20的截面面积来实现其电阻值的改变，由于加热电极20在制作时被设计为具有相同的厚度，故，在本实施方式中，其主加热部21的宽度小于次加热部22的宽度，更优选地，在远离信号感测电极30的方向上，加热电极20的宽度逐渐增加。

在一些替换的实施例中，主加热部21和次加热部22也可以是分别具有一定的第一线宽和第二线宽；又或者，主加热部21和次加热部22的线宽是多级的，每级主加热部21或次加热部22的线宽一定，并在总体上呈现电阻逐渐变小的趋势。

主加热部21与信号感测电极30纵长方向上延长线的相交段211的电阻小于剩余部分212的电阻。相应地，主加热部21与信号感测电极30纵长方向上延长线的相交段211的线宽大于剩余部分212的线宽。这样的设计保证了主加热部产生的热场的均匀性。相对于具有固定线宽的加热电极，本发明提供的加热电极20可以在相同功耗的情况下，减少表面功耗损失，提升传感器的响应速率。

以下的对比说明用于更好的解释本发明，提供如图2的半导体气体传感器中100’中，控制其加热电极20’的电阻与图1中加热电极20的电阻相等，所不同的是，图2中的加热电极20’具有定宽，也即加热电极20’各处的单位电阻相等。图1和图2所示的加热电极在相同的电压下产生的功耗相同。

图3~4分别是对图2和图1中加热电极产生热场的模拟图，从图中可以看出，图1中的信号感测电极处温度受热均匀，满足气敏材料加热的要求，经过调控后温度下降了20K，但是仍然在气敏材料的响应范围内。并且，经Comsol Multiphysics 4.3a计算后，图2中加热电极表面损失功耗是5.2024W，图1中加热电极表面损失功耗是5.08237W，本发明提供的半导体气体传感器的功耗减小了0.12003W，功耗降低。

参图5~7，为本发明半导体气体传感器的三个实施例，采用Comsol Multiphysics 4.3a多场物理耦合软件中的Thermal Stress (ts)， Electric Currents Shell (ecs)，Shell (Shell)三个模块分别对图5~7中加热电极所产生的热场进行模拟。其中，具体材料特性如下： 

模拟参数如下：

图8至图10分别是对应图5至图7中加热电极产生热场的模拟图。从图8得知，加热电极20之间温度场分布均匀，无明显梯度变化，温度为940K；从图9得知，加热电极20之间温度场分布均匀，无明显梯度变化，温度为580K；从图10得知，加热电极20之间温度场分布均匀，无明显梯度变化，温度为360K。

在满足上述对加热电极20中全部或部分特征的限定下，可以设计有多种的具体的加热电极的形状，以下择优地选取一些具体的实施例做示范性的说明。

参图11所示出的实施例中，主加热部21大致呈联接的叠U形，信号感测电极两侧的加热电极的长度大致相等，以提供均匀的热场。

参图12所示出的实施例中，加热电极20整体呈蛇形，信号感测电极两侧的加热电极的长度大致相等，以提供均匀的热场。

加热电极还可以呈如图13所示的锯齿波形，图14所示的三角波形，图15、图16所示的正弦波形。

继续参图1，介绍本发明半导体气体传感器100的又一实施方式。与上述实施方式不同的是，在本实施方式中，与信号感测电极30之间的距离大于预设间距的部分加热电极的电阻小于与信号感测电极30之间的距离小于预设间距的部分加热电极的电阻。通过设定预设间距，在进行加热电极的布线时，可以方便地依据将布线的加热电极部分与信号感测电极之间的距离确定需要设置的此部分加热电极的电阻，更加方便快捷，并且，由于对加热电极的电阻进行了调控，可以降低加热电极的表面功耗损失。

本发明通过上述实施方式，具有以下有益效果：本发明提供的半导体气体传感器通过将加热电极中邻近信号感测电极的主加热部设置为相对远离信号感测电极的次加热部具有更大的电阻，保证了加热电极产生的热量的更有效利用，降低了表面功耗损失，进而降低了传感器功耗，且热场均匀。

应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种半导体气体传感器，其特征在于，包括：

基底，所述基底具有表面；

设置在所述表面的加热电极、以及位于所述加热电极形成的热场中的信号感测电极，所述加热电极和所述信号感测电极彼此绝缘，所述加热电极包括邻近所述信号感测电极主加热部以及相对远离所述信号感测电极的次加热部；其中，

所述主加热部的电阻大于所述次加热部的电阻。

2.根据权利要求1所述的半导体气体传感器，其特征在于，所述主加热部的宽度小于所述次加热部的宽度。

3.根据权利要求2所述的半导体气体传感器，其特征在于，所述主加热部具有第一线宽，所述次加热部具有第二线宽。

4.根据权利要求1所述的半导体气体传感器，其特征在于，所述加热电极在远离所述信号感测电极的方向上电阻逐渐减小。

5.根据权利要求1所述的半导体气体传感器，其特征在于，所述信号感测电极包括金属氧化物薄膜、或至少两个导电电极以及连接所述导电电极的功能层。

6.根据权利要求5所述的半导体气体传感器，其特征在于，所述金属氧化物薄膜选自SnO₂、ZnO、In₂O₃、WO₃、NiO、TiO₂、Fe₂O₃、CoO、Co₃O、MnO中的一种。

7.根据权利要求1所述的半导体气体传感器，其特征在于，所述加热电极环绕所述信号感测电极设置，所述主加热部与所述信号感测电极纵长方向上延长线的相交段的电阻小于剩余部分主加热部的电阻。

8.根据权利要求7所述的半导体气体传感器，其特征在于，所述主加热部与所述信号感测电极纵长方向上延长线的相交段的线宽大于剩余部分主加热部的线宽。

9.根据权利要求1所述的半导体气体传感器，其特征在于，所述加热电极和所述导电电极由金属或合金薄膜制得，所述金属选自Pt、Au、Ag、Cu、Al、Ni、W中的一种，所述合金薄膜选自Ni/Cr、Mo/Mn、Cu/Zn、Ag/Pd、Pt/Au、Fe/Co中的一种。

10.一种半导体气体传感器，其特征在于，包括：

基底，所述基底具有表面；

设置在所述表面的加热电极、以及位于所述加热电极形成的热场中的信号感测电极，所述加热电极和所述信号感测电极彼此绝缘；其中，

与所述信号感测电极之间的距离大于预设间距的部分加热电极的电阻小于与所述信号感测电极之间的距离小于预设间距的部分加热电极的电阻。

Images