CN103698360A

CN103698360A - 半导体气体传感器

Info

Publication number: CN103698360A
Application number: CN201310681936.0A
Authority: CN
Inventors: 张克栋; 徐红艳; 崔铮
Original assignee: SUZHOU NANOGRID TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: SUZHOU NANOGRID TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2013-12-13
Filing date: 2013-12-13
Publication date: 2014-04-02

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；设置在所述表面的信号感测电极，所述信号感测电极包括两个导电电极、以及电性连接所述两个导电电极的功能层；设置在所述表面的加热电极，所述加热电极与所述信号感测电极彼此绝缘，所述加热电极环绕所述信号感测电极设置。本发明提供的半导体气体传感器，通过将加热电极环绕信号感测电极设置，可以保证信号感测电极处于加热电极产生的均匀热场中，加热效果稳定，可以有效地提高传感器的响应速率。

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，结构复杂，工艺流程繁琐，成本较高。并且，现有的一些气体传感器信号感测电极工作区域温度不稳定，加热电极所产生的温度不能很好的聚集在工作区域，向非工作区域散发较多，或者信号感测电极与加热电极通过敏感材料导通，加热电极的电信号会影响敏感材料的工作，进而影响传感器的工作状态。

发明内容

本发明的目的在于提供一种半导体气体传感器，其可以对信号感测电极提供均匀的加热热场，提高传感器的响应速率。

为解决上述发明目的，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；

设置在所述表面的信号感测电极，所述信号感测电极包括两个导电电极、以及电性连接所述两个导电电极的功能层；

设置在所述表面的加热电极，所述加热电极与所述信号感测电极彼此绝缘，所述加热电极环绕所述信号感测电极设置。

作为本发明的进一步改进，所述加热电极包括主加热部以及与所述主加热部连接的次加热部，所述主加热部包括对称设置的第一主加热段和第二主加热段，所述信号感测电极位于所述第一主加热段和所述第二主加热段之间。

作为本发明的进一步改进，所述第一主加热段和第二主加热段产生的热场温差小于100℃。

作为本发明的进一步改进，所述第一主加热段和第二主加热段产生的热场温差小于50℃。

作为本发明的进一步改进，所述第一主加热段与其相邻的导电电极之间的距离等于所述第二主加热段与其相邻的导电电极之间的距离。

作为本发明的进一步改进，所述主加热部相对所述次加热部邻近所述信号感测电极，所述主加热部环绕所述信号感测电极设置。

作为本发明的进一步改进，所述次加热部包括分别与所述第一主加热段和第二主加热段连接的第一次加热段和第二次加热段，所述第一次加热段和第二次加热段彼此对称设置。

作为本发明的进一步改进，所述加热电极具有定宽。

作为本发明的进一步改进，所述加热电极呈方波、或锯齿波、或三角波、或正弦波、或蛇形。

作为本发明的进一步改进，所述加热电极和信号感测电极通过印刷的方式制作于所述基底上。

与现有技术相比，本发明提供的半导体气体传感器，通过将加热电极环绕信号感测电极设置，可以保证信号感测电极处于加热电极产生的均匀热场中，加热效果稳定，可以有效地提高传感器的响应速率。

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是本发明半导体气体传感器又一实施方式的结构示意图；

图3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4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5是锯齿波状加热电极的形状示意图；

图6是三角波状加热电极的形状示意图；

图7和图8是正弦波状加热电极的形状示意图；

图9至图12分别是对图1至图4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13是本发明半导体气体传感器制备方法中依次在基底上制作加热电极、信号感测电极的示意图；

图14是本发明半导体气体传感器一实施例中，对于不同浓度甲醛气体响应的测试示意图。

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。

参图1，介绍本发明半导体气体传感器的具体实施方式，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，信号感测电极30和加热电极20被制作于该表面11上。相对而言，如果将信号感测电极30和加热电极20分别制作在基底10的表面11以及与该表面11相对的另一侧表面，则需求加热电极20具有更高的加热功率，不必要地增加了传感器的功耗，所以这里优选地将信号感测电极30和加热电极20制作于同一表面11。

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的功能层。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，可以设置有需求个数的信号感测电极。

功能层为半导体气体传感器100一关键构成部分，其实质上为对检测气体具有较好响应的气敏材料。进一步地，以提供一甲醛气体传感器为例，其中选用的功能层由纳米金属氧化物功能化碳纳米管材料构成，该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100的检测效果更佳。

在具体的制作过程中，为了保证上述“空隙”的有效成型，首先在基底10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。

当然，在对于更多不同种类的目标气体的检测应用中，该信号感测电极30也可以是对应包括金属氧化物薄膜，通常，该金属氧化物薄膜选自SnO₂、ZnO、In₂O₃、WO₃、NiO、TiO₂、Fe₂O₃、CoO、Co₃O、MnO中的一种。

加热电极20与信号感测电极30之间彼此绝缘，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。本实施方式中，这种环绕为“非封闭”式的，以便信号感测电极30与外部电路的电性连接。

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包括对称设置的第一主加热段211和第二主加热段212，信号感测电极30位于第一主加热段211和第二主加热段212之间。主加热部21在位置上相对于次加热部22更加邻近信号感测电极30，应当理解的是，所说的“主加热部21”、“次加热部22”仅仅是为了申请描述的方便而定义，并非代表其在制作加工工艺或结构上存在根本上的区分关系。

在主加热部21中，第一主加热段211和第二主加热段212产生的热场温差小于100℃，进一步地，该热场温差控制为小于50℃，以保证半导体气体传感器对目标气体检测的灵敏可靠。当然，在最理想的替换实施方式中，第一主加热段211和第二主加热段212的电阻值相等，以保证第一主加热段211和第二主加热段212产生的热场温度相同。

第一主加热段211与其相邻的导电电极31之间的距离等于第二主加热段212与其相邻的导电电极31之间的距离以保证导电电极的受热均匀，次加热部22包括分别与第一主加热段211和第二主加热段212连接的第一次加热段221和第二次加热段222，且该第一次加热段221和第二次加热段222的电阻值也优选地为相等。

在俯视的方向上，第一次加热段221和第二次加热段222所构成的图案全等，同时，更加优选地，该第一次加热段221和第二次加热段222彼此对称设置。

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1的实施例，主加热部21呈一平底U形，并环绕信号感测电极30，加热电极20整体呈方波形，其整体沿信号感测电极31呈镜像对称设置。加热电极20的线宽为10um~200um，加热电极20中各部分的间距在10um~100um之间变化。

参图2的实施例，与图1不同的是，本实施例中，主加热部21a两侧的第一次加热段221a和第二次加热段222a设置为更多次的方波状的延伸，以提供更大功率的加热效果以及更均匀的热场。加热电极20a的线宽为10um~200um，加热电极中各部分的间距在10um~100um之间变化。

参图3的实施例，主加热部21b呈联接的叠U形，次加热部22b联接主加热部21b，信号感测电极30b两侧的加热电极20b的长度大致相等，以提供均匀的热场。加热电极20b的线宽为10um~200um，加热电极20b中各部分的间距在10um~100um之间变化。

参图4的实施例，加热电极20c整体呈蛇形，信号感测电极30c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20c的线宽为10um~200um，加热电极20c中各部分的间距在10um~100um之间变化。

加热电极还可以呈如图5所示的锯齿波形，图6所示的三角波形，图7、图8所示的正弦波形。

继续参图1，在本实施方式中，加热电极20具有定宽，由于制作的加热电极20的厚度相等，故加热电极20在其有效发热区域内，提供有各部分均等的发热量。并且，加热电极20与基底10之间以及信号感测电极30与基底10之间都分别设置有粘结层（图未示），以提高之间的结合强度。

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1至图4四种不同的加热电极所产生的热场进行了模拟。其中，具体材料特性如下：

模拟参数如下：

图9至图12分别是对应图1至图4四种加热电极产生的热场情况的模拟图，从图中可以看出，信号电极处温度受热均匀，满足气敏材料加热的要求。

参图13，针对本实施方式的半导体气体传感器100的制备方法中，首先选取合适粘度的金属浆料用丝网印刷方法将加热电极20和导电电极31按照预定的图案印刷到基底10上，随后将该基底10放到马弗炉或者管式炉中在空气气氛、惰性气氛或者还原气氛下烧结得到形成在基底10上的加热电极20和导电电极31，随后配置一定浓度的碳纳米管墨水，采用喷墨式印刷将其印刷至基底10上，形成碳纳米管层32，并保证电性连接导电电极31，再配置一定浓度的氢氧化镍水溶液，用喷墨式印刷或者化学水浴的方法打印在上述的碳纳米管层32上（图13中标号33所示为示范打印的氢氧化镍层），最后将基底进行退火、切割，得到半导体气体传感器芯片。

制备过程中，所说的惰性气氛为N2、Ar、He、Ne中的一种或者几种组合；还原气氛为H₂；烧结温度为600℃~2000℃，烧结时间为0.5h~4h，碳纳米管墨水为金属型单壁碳纳米管、金属型多壁碳纳米管、P型半导体单壁碳纳米管、P型半导体多壁碳纳米管、N型半导体单壁碳纳米管、N型半导体多壁碳纳米管的一种或者几种组合，其浓度为0.005mg/mL~0.5mg/mL；氢氧化镍水溶液的浓度为0.1mol/L~10mol/L；基底的退火温度为200℃~600℃，退火时间为0.5h~4h。

用印刷的方法制作加热电极和信号感测电极省却了传统工艺中的多次光刻、蚀刻、沉积的步骤，工艺流程简单，操作方便，成本较低。

以下介绍一些制作半导体气体传感器的具体实施例。

实施例1

将金浆料用丝网印刷方法在氧化铝陶瓷片上印刷导电电极和加热电极，并1000℃高温烧结1个小时；配置0.005mg/mL的金属型单壁碳纳米管溶液，将碳纳米管喷墨打印在导电电极区域；配置0.1mol/L的Ni(OH)₂溶液，用喷墨打印的方法沉积在碳纳米管溶液的覆盖部分上；在200℃退火0.5个小时，经切割后得到半导体气体传感器芯片。

实施例2

将金浆料用丝网印刷方法在氧化铝陶瓷片上印刷导电电极和加热电极，并800℃高温烧结2个小时；配置0.5mg/mL的P型单壁碳纳米管溶液，将碳纳米管喷墨打印在导电电极区域；配置10mol/L的Ni(OH)₂溶液，用喷墨打印的方法沉积在碳纳米管溶液的覆盖部分上；在600℃退火4个小时，经切割后得到半导体气体传感器芯片。

实施例3

将金浆料用丝网印刷方法在氧化铝陶瓷片上印刷导电电极和加热电极，并800℃高温烧结1个小时；配置0.05mg/mL的N型单壁碳纳米管溶液，将碳纳米管喷墨打印在导电电极区域；配置5mol/L的Ni(OH)₂溶液，用喷墨打印的方法沉积在碳纳米管溶液的覆盖部分上；在300℃退火2个小时，经切割后得到半导体气体传感器芯片。

实施例4

将金浆料用丝网印刷方法在氧化铝陶瓷片上印刷导电电极和加热电极，并800℃高温烧结1个小时；配置0.05mg/mL的P型单壁碳纳米管溶液，将碳纳米管喷墨打印在导电电极区域；配置1mol/L的Ni(OH)₂溶液，用化学水浴的方法沉积在碳纳米管溶液的覆盖部分上；在500℃退火2个小时，经切割后得到半导体气体传感器芯片。

参图14，将本实施例制得的半导体气体传感器检测不同浓度甲醛气体，从图中可以看出，甲醛浓度在35ppb时有明显响应，随着检测浓度的不断升高，响应逐渐变大，其性能良好。

实施例5

将银钯浆料用丝网印刷方法在氮化铝陶瓷片上印刷导电电极和加热电极，并700℃高温烧结1个小时；配置0.05mg/mL的金属型多壁碳纳米管溶液，将碳纳米管喷墨打印在导电电极区域；配置0.5mol/L的Ni(OH)₂溶液，用化学水浴的方法沉积在碳纳米管溶液的覆盖部分上；在300℃退火3个小时，经切割后得到半导体气体传感器芯片。

实施例6

将银钯铂浆料用丝网印刷方法在氧化锆陶瓷片上印刷导电电极和加热电极，并1000℃高温烧结2个小时；配置0.005mg/mL的 P型多壁碳纳米管溶液，将碳纳米管喷墨打印在导电电极区域；配置0.1mol/L的Ni(OH)₂溶液，用喷墨打印的方法沉积在碳纳米管溶液的覆盖部分上；在300℃退火1个小时，经切割后得到半导体气体传感器芯片。

实施例7

将铜浆料用丝网印刷方法在石英片上印刷导电电极和加热电极，并在1000℃氩气保护气氛下高温烧结2个小时；配置0.1mg/mL的N型多壁碳纳米管溶液，将碳纳米管喷墨打印在导电电极区域；配置1mol/L的Ni(OH)₂溶液，用喷墨打印的方法沉积在碳纳米管溶液的覆盖部分上；在400℃退火1个小时，经切割后得到半导体气体传感器芯片。

实施例8

将钨浆料用丝网印刷方法在氧化铝基板上印刷导电电极和加热电极，并在1500℃高温还原气氛下烧结2个小时；配置0.05mg/mL的N型单壁碳纳米管溶液，将碳纳米管喷墨打印在导电电极区域；配置1mol/L的Ni(OH)₂溶液，用喷墨打印的方法沉积在碳纳米管溶液的覆盖部分上；在600℃退火0.5个小时，经切割后得到半导体气体传感器芯片。

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，通过将加热电极环绕信号感测电极设置，可以保证信号感测电极处于加热电极产生的均匀热场中，加热效果稳定，可以有效地提高传感器的响应速率。

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

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；

2.根据权利要求1所述的半导体气体传感器，其特征在于，所述加热电极包括主加热部以及与所述主加热部连接的次加热部，所述主加热部包括对称设置的第一主加热段和第二主加热段，所述信号感测电极位于所述第一主加热段和所述第二主加热段之间。

3.根据权利要求2所述的半导体气体传感器，其特征在于，所述第一主加热段和第二主加热段产生的热场温差小于100℃。

4.根据权利要求3所述的半导体气体传感器，其特征在于，所述第一主加热段和第二主加热段产生的热场温差小于50℃。

5.根据权利要求2所述的半导体气体传感器，其特征在于，所述第一主加热段与其相邻的导电电极之间的距离等于所述第二主加热段与其相邻的导电电极之间的距离。

6.根据权利要求2所述的半导体气体传感器，其特征在于，所述主加热部相对所述次加热部邻近所述信号感测电极，所述主加热部环绕所述信号感测电极设置。

7.根据权利要求2所述的半导体气体传感器，其特征在于，所述次加热部包括分别与所述第一主加热段和第二主加热段连接的第一次加热段和第二次加热段，所述第一次加热段和第二次加热段彼此对称设置。

8.根据权利要求1所述的半导体气体传感器，其特征在于，所述加热电极具有定宽。

9.根据权利要求1所述的半导体气体传感器，其特征在于，所述加热电极呈方波、或锯齿波、或三角波、或正弦波、或蛇形。

10.根据如上任意一项所述的半导体气体传感器，其特征在于，所述加热电极和信号感测电极通过印刷的方式制作于所述基底上。