CN104062321A - 功能区为网格状的半导体气体传感器 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种功能区为网格状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，信号感测电极包括彼此分离的第一导电电极、第二导电电极以及电性连接第一导电电极和第二导电电极的功能层，基底上位于第一导电电极和第二导电电极之间的至少部分区域设置有蜂窝结构，蜂窝结构上设置有功能层；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。通过在基底上设置功能层的区域布设蜂窝结构，利用蜂窝结构的结构特性，使得单位面积的基底上可以附着更多的气敏材料，且保证了待检测气体与气敏材料的充分接触，提升了传感器的使用寿命。

Description

功能区为网格状的半导体气体传感器

技术领域

本发明属于电子器件制造技术领域，具体涉及一种功能区为网格状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、NO_x、SO_x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。

现有的半导体传感器主要是通过气敏材料与待测气体接触来完成检测，为了保证检测效果，需要气敏材料的微观结构间有能让待检测气体通过的空隙，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为网格状的半导体气体传感器，其响应速率快，且具有较佳的检测效果。

为解决上述发明目的，本发明提供一种功能区为网格状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彼此分离的第一导电电极、第二导电电极以及电性连接所述第一导电电极和第二导电电极的功能层，所述基底上位于所述第一导电电极和第二导电电极之间的至少部分区域设置有蜂窝结构，所述蜂窝结构上设置有所述功能层；

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。

作为本发明的进一步改进，所述蜂窝结构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，所述蜂窝层呈包括若干元胞的网格状，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，所述元胞壁上具有通气口。

作为本发明的进一步改进，所述蜂窝结构由导电材料制得，所述蜂窝结构包括与所述第一导电电极连接的第一次电极以及与所述第二导电电极连接的第二次电极。

作为本发明的进一步改进，所述蜂窝结构被如此设置以使其中的若干元胞的元胞壁至少分别形成一条与第一导电电极和第二导电电极连通的导电通路。

作为本发明的进一步改进，所述第一次电极和所述第二次电极对称设置。

作为本发明的进一步改进，所述蜂窝结构由绝缘材料制得。

作为本发明的进一步改进，所述蜂窝结构通过印刷或者打印的方式制作于所述基底上。

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。

与现有技术相比，本发明提供的功能区为网格状的半导体气体传感器通过在基底上设置功能层的区域布设蜂窝结构，利用蜂窝结构的结构特性，使得单位面积的基底上可以附着更多的气敏材料，且保证了待检测气体与气敏材料的充分接触，提升了传感器的使用寿命；同时，进一步地采用导电材料制作蜂窝结构，并将蜂窝结构实质上变为第一导电电极和第二导电电极的延伸部分，使得信号感测电极与气敏材料之间的接触面积增大，且减小了信号感测电极的电阻，有利于提升传感器的响应速率。

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中蜂窝结构的结构示意图；

图3是本发明半导体气体传感器中构成蜂窝结构的元胞的结构示意图；

图4是本发明半导体气体传感器中蜂窝结构的俯视图；

图5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6是现有的叉齿电极的示意图；

图7是本发明半导体气体传感器导电电极的示意图；

图8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9是锯齿波状加热电极的形状示意图；

图10是三角波状加热电极的形状示意图；

图11和图12是正弦波状加热电极的形状示意图；

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的结构示意图。

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。

应当理解的是尽管术语第一、第二等在本文中可以被用于描述各种元件或结构，但是这些被描述对象不应受到这些术语的限制。这些术语仅用于将这些描述对象彼此区分开。例如，第一导电电极可以被称为第二导电电极，并且类似地第二导电电极也可以被称为第一导电电极，这并不背离本发明的保护范围。

同时，在不同的实施方式/实施例中可能会使用到相同的标号或标记，但这并不代表结构或者功能上的联系，而仅仅是为了描述的清楚简便。

参图1，介绍本发明功能区为网格状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。

信号感测电极10包括第一导电电极11、第二导电电极12以及电性连接第一导电电极11和第二导电电极12的功能层（图中未示出）。第一导电电极11、第二导电电极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。

配合参照图2和图3，基底40上位于第一导电电极11和第二导电电极12之间的至少部分区域设置有蜂窝结构30，该蜂窝结构30上设置有上述的功能层。蜂窝结构30通常呈由一个元胞3011按蜂窝状延伸态构成，这里所说的蜂窝结构30可以是单层的或者由多层叠加而成。也即，蜂窝结构30可以包括若干叠加的蜂窝层301、302，而对于单层蜂窝层301、302，其通常呈包括若干元胞3011的网格状。这里，还需要说明的是，在每层的蜂窝层301、302中，相邻的元胞之间，可以是如图2所示的每个元胞构建有独立的元胞壁，也可以是如图4所示的相邻的元胞共用元胞壁，这两种方式可以是择一或者共同存在于本发明的蜂窝结构30中；一优选的实施例中，蜂窝结构20中的若干元胞3011之间以图4所示的方式彼此联接。

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结构做进一步的解释）。

由于基底40上设置了蜂窝结构30，在制作功能层时，其中气敏材料的微粒会分散吸附到蜂窝结构30中元胞3011的元胞壁3012（包括内外侧壁）上，而蜂窝结构30又保证了待检测气体可以更为容易地进入其中的元胞3011中，并与气敏材料充分接触。

配合参照图4，在一些实施方式中，蜂窝结构30由绝缘材料制得，并且，蜂窝结构30中所有元胞3011的元胞壁3012上都具有通气口3013，用于供待检测气体的流通。优选地，该通气口3013可以是通过在元胞壁上设置的断开部所定义。

参图5，作为一优选的实施方式，本实施方式中，蜂窝结构30由导电材料制得，并且，蜂窝结构30分为与第一导电电极11连接的第一次电极31以及与第二导电电极12连接的第二次电极32，此时，该蜂窝结构的第一次电极31和第二次电极32实质上分别形成为第一导电电极11和第二导电电极12的一延伸部分。

配合参照图6和图7，传感器的响应速率与导电电极的电阻密切相关，通常来说，导电电极的电阻越小，则相应的传感器的响应速率越快。现有的半导体气体传感器中，导电电极大多设计为叉齿电极，而对应到本实施例中，蜂窝结构的第一次电极31和第二次电极32实质上等同于叉齿电极中的叉齿部分（图6中虚线框内的区域），根据材料电阻的计算公式：

R=ρL/s；

其中，L为材料的长度，s为材料的横截面积，ρ为材料的电阻率；可知：

材料电阻的大小与材料的横截面积s呈反比，即在材料的种类（即ρ）和长度L不变时，材料的横截面积越大，则材料的电阻越小。从对比中可以看出，在同样的基底上的区域A内，由于蜂窝结构的设计，与第一导电电极连接的第一次电极31以及与第二导电电极连接的第二次电极32相对于叉齿电极的叉齿部分的横截面积更大，进而可以有效地减小其电阻，提升气体传感器的响应速率。

在本实施方式中，蜂窝结构30被如此设置以使其中的若干元胞3011的元胞壁3012至少分别形成一条与第一导电电极11和第二导电电极12连通的导电通路。这样的好处是，可以有效地稳定电阻，保证传感器工作的高效稳定。

配合参照图8，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9所示的锯齿波形、如图10所示的三角波形、如图11和图12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5，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，第一导电电极11和第二导电电极12彼此对称设置，其线宽为20μm~200μm。

基底40上设置于第一导电电极11和第二导电电极12之间区域的蜂窝结构30分为与第一导电电极11连接的第一次电极31以及与第二导电电极12连接的第二次电极32，第一次电极31和第二次电极32彼此对称。

蜂窝结构30设置为单层，也即，基底40上设置了一层蜂窝层，蜂窝层呈包括若干元胞的网格状，该网格采用正六边形设计，正六边形的边长范围为10μm~200μm，正六边形的线宽为5μm~100μm。在俯视的方向上，若干的元胞按列排列，同列的元胞之间以“边对边”的方式彼此搭接，不同列之间的元胞以“角对角”的方式彼此搭接。

实施例二

参图13，与实施例一类似，基底40上同样也设置了单层的蜂窝层，且蜂窝层呈包括若干元胞的网格状，网格采用正六边形设计，正六边形的变成范围为5μm~200μm，正六边形的线宽为10μm~100μm。

与实施例一不同的是，本实施例的蜂窝层中，元胞的排列方式进行了变化，在俯视的方向上，任意元胞之间都以“边对边”的方式彼此搭接，在同样的面积上，此种方式相对于实施例一可以使得功能层中的气敏材料与第一次电极31a和第二次电极32a的接触面积更大，优化传感器100a的气体检测功能。

实施例三

参图14，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，第一导电电极11和第二导电电极12彼此对称设置，其线宽为20μm~200μm。

基底40上设置于第一导电电极11和第二导电电极12之间区域的蜂窝结构分为与第一导电电极11连接的第一次电极31b以及与第二导电电极12连接的第二次电极32b，第一次电极31b和第二次电极32b彼此对称。

蜂窝结构设置为单层，也即，基底40上设置了一层蜂窝层，蜂窝层呈包括若干元胞的网格状，该网格采用菱形设计，菱形的边长范围为5μm~200μm，菱形的线宽为10μm~100μm。在俯视的方向上，任意元胞之间都以“边对边”的方式彼此搭接，总体呈阵列分布状态。

实施例四

配合参照图2所示结构，与上述几个实施例不同的是，本实施例中的蜂窝结构30包括两层错位叠加的蜂窝层301、302，单层蜂窝层的结构与实施例二所示的方式相同。显然地，本实施例中，第一次电极和第二次电极相对具有更大的空隙以附着气敏材料，且可以保证待检测气体有足够的间隙与气敏材料接触，有效地提高了气体传感器的使用寿命。

需要说明的是，虽然蜂窝结构30都呈包括若干元胞3011的网格状，但网格的具体设置形状可以根据不同传感器的设计需求进行设置，而并非受上述实施例的限制，又例如，网格可以具有选自四边形、五边形、六边形、五角星形中的几何形状。

在具体的制造过程中，蜂窝结构30可以根据具体采用材料的不同，采用不同的方式被制作于基底40上，示例性地，本实施方式中，蜂窝结构30可以通过印刷或者打印的方式制作于基底上。

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基底上设置功能层的区域布设蜂窝结构，利用蜂窝结构的结构特性，使得单位面积的基底上可以附着更多的气敏材料，且保证了待检测气体与气敏材料的充分接触，提升了传感器的使用寿命；同时，进一步地采用导电材料制作蜂窝结构，并将蜂窝结构实质上变为第一导电电极和第二导电电极的延伸部分，使得信号感测电极与气敏材料之间的接触面积增大，且减小了信号感测电极的电阻，有利于提升传感器的响应速率。

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 (10)

1.一种功能区为网格状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彼此分离的第一导电电极、第二导电电极以及电性连接所述第一导电电极和第二导电电极的功能层，所述基底上位于所述第一导电电极和第二导电电极之间的至少部分区域设置有蜂窝结构，所述蜂窝结构上设置有所述功能层；

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。

2.根据权利要求1所述的功能区为网格状的半导体气体传感器，其特征在于，所述蜂窝结构包括至少两层错位叠加的蜂窝层。

3.根据权利要求2所述的功能区为网格状的半导体气体传感器，其特征在于，所述蜂窝层呈包括若干元胞的网格状，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。

4.根据权利要求3所述的功能区为网格状的半导体气体传感器，其特征在于，所述元胞具有元胞壁，所述元胞壁上具有通气口。

5.根据权利要求4所述的功能区为网格状的半导体气体传感器，其特征在于，所述蜂窝结构由导电材料制得，所述蜂窝结构包括与所述第一导电电极连接的第一次电极以及与所述第二导电电极连接的第二次电极。

6.根据权利要求5所述的功能区为网格状的半导体气体传感器，其特征在于，所述蜂窝结构被如此设置以使其中的若干元胞的元胞壁至少分别形成一条与第一导电电极和第二导电电极连通的导电通路。

7.根据权利要求5所述的功能区为网格状的半导体气体传感器，其特征在于，所述第一次电极和所述第二次电极对称设置。

8.根据权利要求1至4中任一项所述的功能区为网格状的半导体气体传感器，其特征在于，所述蜂窝结构由绝缘材料制得。

9.根据权利要求1所述的功能区为网格状的半导体气体传感器，其特征在于，所述蜂窝结构通过印刷或者打印的方式制作于所述基底上。

10.根据权利要求1所述的功能区为网格状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。