CN104048999A - 功能区具有粗糙度的半导体气体传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示了一种功能区具有粗糙度的半导体气体传感器，包括基底；设置在基底上的信号感测电极，信号感测电极包括两个导电电极以及电性连接两个导电电极的功能层；设置在基底上的加热电极，加热电极与信号感测电极彼此绝缘；其中，基底位于两个导电电极之间区域的表面粗糙度大于基底上的剩余区域。本发明提供的半导体气体传感器，通过在导电电极之间区域的基底上增加粗糙度，在后续功能层的制作中，气敏材料可以与基底之间形成更多的空隙，便于待检测气体的通过，从而提升气体传感器的灵敏度和响应速率。
Description
技术领域
本发明属于电子器件制造技术领域，具体涉及一种功能区具有粗糙度的半导体气体传感器。
背景技术
随着工业的快速发展，环境的污染问题也越来越严重，例如，汽车尾气中的CO、NOx、SOx等有害气体，室内装修中存在的甲醛、甲苯等，煤矿中泄漏的甲烷气体，化工生产中产生的易燃、易爆、毒害性气体等，这些有毒气体对人们的身体健康造成了严重的威胁。为了确保人身安全和防患于未然，人们研制了各种检测方法和检测仪器，其中，气体传感器在家居生活、排放监测、航空、医疗、卫生等领域发挥着重大的作用。
目前气体传感器种类繁多，应用范围广泛，大致可分为半导体式、电化学式、接触燃烧式、固体电解质式和红外线式等。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。
半导体气体传感器中通常利用金属氧化物作为敏感材料，通过在其表面吸附气体及表面反应而引起自身电阻的变化，进而监测到待检测气体。金属氧化物的吸附能力越强，则气敏元件的选择性和灵敏度越高，为了达到上述效果，通常需要气敏材料之间有能让待测气体通过的空隙，而这样的结构导致气敏材料不能有较多的添加量，避免这些空隙被过度填塞，影响待气体的检测；但是，若气敏材料添加过少，在长时间的使用过程中，由于气敏材料的氧化或者脱落，会降低传感器的性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种功能区具有粗糙度的半导体气体传感器，其可以提高传感器的气体检测性能。
为解决上述发明目的，本发明提供一种功能区具有粗糙度的半导体气体传感器，包括：
基底；
设置在所述基底上的信号感测电极，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；
设置在所述基底上的加热电极，所述加热电极与所述信号感测电极彼此绝缘；其中，
所述基底位于所述两个导电电极之间区域的表面粗糙度大于所述基底上的剩余区域。
上述发明目的，还可以通过以下方式解决，提供一种功能区具有粗糙度的半导体气体传感器，包括：
基底；
设置在所述基底上的信号感测电极，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；
设置在所述基底上的加热电极，所述加热电极与所述信号感测电极彼此绝缘；其中，
所述基底位于所述两个导电电极之间区域的表面粗糙度为100nm~50μm。
作为本发明的进一步改进，所述功能层至少包括彼此叠加的两层。
作为本发明的进一步改进，所述基底上位于所述两个导电电极之间的区域形成有凹槽和/或凸棱。
作为本发明的进一步改进，所述凹槽的截面呈选自U形、平底U形、三角波形、锯齿波形中的几何形状。
作为本发明的进一步改进，所述凸棱呈包括若干元胞的网格状，所述若干元胞之间彼此分离或联接。
作为本发明的进一步改进，所述网格具有选自四边形、五边形、六边形、五角星形中的几何形状。
作为本发明的进一步改进，所述元胞具有元胞壁，至少部分的所述元胞的元胞壁上设置有通气口。
作为本发明的进一步改进，所述凸棱呈包括若干元胞的蜂窝状，所述蜂窝状的凸棱包括至少两层错位叠加的蜂窝层。
作为本发明的进一步改进，所述凸棱的制备方法选自丝网印刷、溶胶-凝胶、水热合成、磁控溅射、电子束蒸发、化学气相沉积中的一种；所述凹槽的制作方法选自电子束曝光光刻、离子束刻蚀、纳米压印中的一种。
作为本发明的进一步改进，所述凸棱由导电性材料或非导电性材料制得，所述导电性材料包括金属和合金薄膜，所述金属选自Pt、Au、Ag、Cu、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，所述非导电性材料选自SiO2、Al2O3、ZrO2、MgO、CaO中的一种。
与现有技术相比，本发明提供的功能区具有粗糙度的半导体气体传感器，通过在导电电极之间区域的基底上增加粗糙度，在后续功能层的制作中，气敏材料可以与基底之间形成更多的空隙，便于待检测气体的通过；同时，在制作功能层时，将气敏材料分批次制作于基底上，增加了气敏材料在搭建时的层次感，进一步地增加了气敏材料之间的空隙，从而提升气体传感器的灵敏度和响应速率。
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中制作功能层时的示意图；
图3是本发明半导体气体传感器一实施方式中加热电极的结构示意图；
图4是锯齿波状加热电极的形状示意图；
图5是三角波状加热电极的形状示意图；
图6和图7是正弦波状加热电极的形状示意图；
图8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9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10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是图11中单个元胞的结构示意图；
图13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14是本发明半导体气体传感器又一实施方式中基底的截面图；
图15是本发明半导体气体传感器又一实施方式中基底的截面图；
图16是本发明半导体气体传感器又一实施方式中基底的截面图。
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，介绍本发明功能区具有粗糙度的半导体气体传感器的具体实施方式。在本实施方式中，该半导体气体传感器100包括基底40、信号感测电极10、以及加热电极20。
信号感测电极10和加热电极20设置在基底40上。这里，需要说明的是，基底40通常具有两相背的具有较大表面积的表面用于进行电路布局，而在基底40厚度方向上的侧壁由于限定了较小的面积，故通常被认为不适合电路元件的设置，故若非特殊说明，本实施方式中所提到的“设置在基底上”应当被理解为上述的较大表面，而非基底40的侧壁面。
信号感测电极10和加热电极20可以是设置于基底40上的相同表面或相背的表面，相对而言，若将信号感测电极10和加热电极20分别制作在基底40的两个相背表面，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100的功耗，故本实施方式中更优选地将信号感测电极10和加热电极20制作于基底40上的同一表面。
基底40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40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。
配合参照图2，信号感测电极10包括两个导电电极11、12以及电性连接两个导电电极11、12的功能层30。导电电极11、12的材质可以采用金属，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，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。
根据功能层30材料选用的差异，可以实现对针对性气体的有效检测，一实施例中，例如采用氧化镍功能化碳纳米管，可以实现对甲醛气体的良好检测。如本领域普通技术人员所知，碳纳米管分为多壁碳纳米管和单壁碳纳米管，多壁碳纳米管为具有金属性质的碳纳米管，单壁碳纳米管分为具有半导体性质的碳纳米管和具有金属性质的碳纳米管。而采用单壁碳纳米管材料制得本发明的纳米金属氧化物功能化碳纳米管对于特别如甲醛气体具有很好的响应，利用此种纳米金属氧化物功能化的碳纳米管材料制得的气体传感器可以实现对甲醛气体的高灵敏度检测，选择性好，且功耗较低。
基底40上位于两个导电电极11、12之间区域A的表面粗糙度大于基底40上的剩余区域。这里，优选地，区域A的表面粗糙度为100nm~50μm。通常来讲，切割好的基底表面光滑度较高，在其上制作功能层时，不能使得功能层中的气敏材料与基底之间形成空隙，无法让待检测气体与气敏材料充分接触，而通过特别将基底的粗糙度做大，功能层中气敏材料搭建时与基底之间会形成较为理想的空隙，保证待检测气体可以通过这些空隙流通，也即增加了气敏材料的表面活性位点，提高了传感器的灵敏度和响应速率。
具体地，基底40上位于两个导电电极11、12之间的区域A形成有若干的凹槽和/或凸棱。凸棱可以通过真空或者非真空工艺制备，示例性地，例如丝网印刷、溶胶-凝胶、水热合成、磁控溅射、电子束蒸发、化学气相沉积；凹槽可以通过例如电子束曝光光刻、离子束刻蚀、纳米压印等工艺制作。
一些实施方式中，凸棱可由导电性材料制得，例如金属或合金薄膜，所说的金属可以是选自Pt、Au、Ag、Cu、Ni、W中的一种，所说的合金薄膜可以是选自SiO2、Al2O3、ZrO2、MgO、CaO中的一种；又一些实施方式中，凸棱则可由非导电性材料制得，例如SiO2、Al2O3、ZrO2、MgO、CaO等。
在同一基底40上，为了增加粗糙度，可以是搭配采用制作凸棱和凹槽，或是仅仅利用其中的一种方式。
参图2，为了进一步增加功能层30中气敏材料之间的空隙，本实施方式中，功能层30至少设置为彼此叠加的两层31、32。也即，在制作功能层30时，将与原先相同量的气敏材料分批次制作于基底40上，在制作一层气敏材料后，高温退火，再在该层气敏材料上重复上述的步骤，直至功能层30制作完毕。如此，功能层30实质上是由多层气敏材料叠加而成，增加了气敏材料在搭建时的层次感，同时，这种方式制作的功能层30，可以保证气敏材料之间的空隙更多，方便气敏材料与待检测气体的充分接触，优化气体传感器的检测效果。
配合参照图3，加热电极20被设置为环绕信号感测电极10，两者之间彼此绝缘，这样构造的加热电极20可以提供均匀的热场，以对信号感测电极10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10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10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10，应当理解的是，所说的“主加热部”、“次加热部”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100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与其相邻的第一导电电极11之间的距离等于第二主加热段212与其相邻的导电电极12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，而并非受附图所示方波形加热电极的限制，示例性地，加热电极可以被设计为如图4所示的锯齿波形、如图5所示的三角波形、如图6和图7所示的正弦波形。
以下提供具体的实施例以更好地解释本实施方式
实施例一
参图8，气体传感器100a中，基底40上设置有信号感测电极10和加热电极20，加热电极20环绕信号感测电极10设置，加热电极20线宽为10μm~200μm，且各部分之间的间距在10μm~100μm之间变化；信号感测电极10中，导电电极11、12彼此对称设置，其线宽为20μm~200μm。
导电电极11、12之间区域的基底40上设置有凸棱50a，该些凸棱50a呈包括若干元胞501a的网格状，元胞501a与元胞501a之间彼此联接。网格采用正六边形设计，正六边形的边长范围为10um~200um，正六边形的线宽为5um~100um，元胞501a凸起基底表面的高度为100nm~50um。
实施例二
参图9，与实施例一类似，气体传感器100b中，导电电极11、12之间区域的基底40上设置有凸棱50b，该些凸棱50b呈包括若干元胞501b的网格状，元胞501b与元胞501b之间彼此联接。不同的是，网格采用菱形设计，菱形的边长范围为10um~200um，菱形的线宽为5um~100um，元胞501b凸起基底表面的高度为100nm~80um。
实施例三
参图10，与实施例一类似，气体传感器100c中，导电电极11、12之间区域的基底40上设置有凸棱50c，该些凸棱50c呈包括若干元胞501c的网格状，网格同样采用正六边形设计。不同的是，若干元胞501c之间彼此分离。
实施例四
参图11和图12，与实施例三类似，气体传感器100d中，导电电极11、12之间区域的基底40上设置有凸棱50d，该些凸棱50d呈包括若干元胞501d的网格状，若干元胞501d之间彼此分离，但特殊的是，元胞501d的元胞壁5011d上设置有通气口5012d，优选地，该通气口5012d可以是通过在元胞壁5011d上设置的断开部所定义。当然，这些通气口5012d也可以是仅仅设置在部分的元胞501d上，通气口5012d可以使得待检测气体可以更容易地进入元胞501d内，并与附着在元胞501d内的气敏材料充分接触。
实施例五
参图13，与上述几个实施例不同的是，本实施例中基底40位于导电电极11、12之间区域上的凸棱50呈包括若干元胞的蜂窝状，该蜂窝状的凸棱50包括至少两层错位叠加的蜂窝层51、52。
本领域技术人员应当意识到，蜂窝结构是布置用于形成单位元胞的边或者面的构件。（参见，例如L.J.Gibson和M.F.Ashby的《Cellular Solids:Structure and Properties(蜂窝状固体：结构和特性)》（第2版，1997，剑桥大学出版社，英国剑桥）或者H.N.G.Wadley的“Multifunctions Periodic Cellular Metals（多功能周期性蜂窝状金属）”（Philosophical Transactions of the Royal Society A,Vol.206，pp.31-68,2006），在此以提及的方式对本实施方式的蜂窝状凸棱50做进一步的解释）。
这里，还需要说明的是，在每层的蜂窝层51、52中，相邻的元胞之间，可以是如图所示的每个元胞构建有独立的元胞壁，也可以是相邻元胞的联接部分共用元胞壁，这两种方式可以是择一或者共同存在于本发明的蜂窝状凸棱50中；一优选的实施例中，蜂窝状凸棱50中的若干元胞的联接部分都共用一元胞壁。
实施例六
参图14，本实施例中，基底40位于导电电极11、12之间的区域制作有凹槽60a。该凹槽60a的截面形状呈平底U形，槽深400nm~50μm。并且，不同的凹槽的侧壁高度不一致，方便气敏材料的搭建。
实施例七
参图15，与实施例六类似，不同的是，凹槽60b的截面形状呈三角波形。
实施例八
参图16，与实施例六类似，不同的是，凹槽60c的截面形状呈U型。
需要说明的是，虽然上述实施例示范性地给出了利用凸棱和凹槽来增加基底40表面粗糙度的具体方式，但凸棱和凹槽的具体形状并非受到上述实施例的限制，例如，在制作凸棱的应用中，网格可以有选自四边形、五边形、六边形、五角星形中的几何形状；在制作凹槽的应用中，凹槽的截面还可以是呈锯齿波形等。
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，通过在导电电极之间区域的基底上增加粗糙度，在后续功能层的制作中，气敏材料可以与基底之间形成更多的空隙，便于待检测气体的通过；同时，在制作功能层时，将气敏材料分批次制作于基底上，增加了气敏材料在搭建时的层次感，进一步地增加了气敏材料之间的空隙，从而提升气体传感器的灵敏度和响应速率。
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 (11)
1.一种功能区具有粗糙度的半导体气体传感器，其特征在于，包括：
基底；
设置在所述基底上的信号感测电极，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；
设置在所述基底上的加热电极，所述加热电极与所述信号感测电极彼此绝缘；其中，
所述基底位于所述两个导电电极之间区域的表面粗糙度大于所述基底上的剩余区域。
2.一种功能区具有粗糙度的半导体气体传感器，其特征在于，包括：
基底；
设置在所述基底上的信号感测电极，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；
设置在所述基底上的加热电极，所述加热电极与所述信号感测电极彼此绝缘；其中，
所述基底位于所述两个导电电极之间区域的表面粗糙度为100nm~50μm。
3.根据权利要求1或2所述的功能区具有粗糙度的半导体气体传感器，其特征在于，所述功能层至少包括彼此叠加的两层。
4.根据权利要求1或2所述的功能区具有粗糙度的半导体气体传感器，其特征在于，所述基底上位于所述两个导电电极之间的区域形成有凹槽和/或凸棱。
5.根据权利要求4所述的功能区具有粗糙度的半导体气体传感器，其特征在于，所述凹槽的截面呈选自U形、平底U形、三角波形、锯齿波形中的几何形状。
6.根据权利要求4所述的功能区具有粗糙度的半导体气体传感器，其特征在于，所述凸棱呈包括若干元胞的网格状，所述若干元胞之间彼此分离或联接。
7.根据权利要求6所述的功能区具有粗糙度的半导体气体传感器，其特征在于，所述网格具有选自四边形、五边形、六边形、五角星形中的几何形状。
8.根据权利要求6所述的功能区具有粗糙度的半导体气体传感器，其特征在于，所述元胞具有元胞壁，至少部分的所述元胞的元胞壁上设置有通气口。
9.根据权利要求4所述的功能区具有粗糙度的半导体气体传感器，其特征在于，所述凸棱呈包括若干元胞的蜂窝状，所述蜂窝状的凸棱包括至少两层错位叠加的蜂窝层。
10.根据权利要求4所述的功能区具有粗糙度的半导体气体传感器，其特征在于，所述凸棱的制备方法选自丝网印刷、溶胶-凝胶、水热合成、磁控溅射、电子束蒸发、化学气相沉积中的一种；所述凹槽的制作方法选自电子束曝光光刻、离子束刻蚀、纳米压印中的一种。
11.根据权利要求4所述的功能区具有粗糙度的半导体气体传感器，其特征在于，所述凸棱由导电性材料或非导电性材料制得，所述导电性材料包括金属和合金薄膜，所述金属选自Pt、Au、Ag、Cu、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，所述非导电性材料选自SiO2、Al2O3、ZrO2、MgO、CaO中的一种。
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