CN104931539A - 一种新型的半导体气敏器件及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型的半导体气敏器件及其制作方法，包括步骤一)陶瓷管清洗、步骤二)氧化钨纳米材料制备、步骤三)加热环的制备、步骤四)制备绝缘层、步骤五)制备测量电极、步骤六)敏感材料涂覆及烧结、步骤七)焊接和步骤八)封装和老化。本发明中的测量部分和加热部分均设在陶瓷管的表面，实现了一体化，具有可靠性高的优点且本发明所消耗的功耗比旁热式半导体元件更低。

Description

一种新型的半导体气敏器件及其制作方法

技术领域

本发明属于半导体领域，尤其涉及一种新型的半导体气敏器件及其制作方法。

背景技术

半导体气敏传感器是利用半导体气敏元件同气体接触后，造成半导体性质的变化来检测特定气体的成分或者测量其浓度。

半导体气敏传感器大体上可以分为电阻式和非电阻式两类。电阻式半导体气敏倍感器是利用气敏半导体材料，如氧化锡(SnO2)、氧化锰(MnO2)等金用氧化物制成敏感元件，当它们吸收了可燃气体的烟雾，如氢、一氧化碳、烷、醚、醉、苯以及天然气等时，会发生还原反应，放出热量，使元件温度相应增高，电阻发生变化。利用半导体材料的这种待性，将气体的成分和浓度变换成电信号，进行监测和报警。

气体与人类的日常生活密切相关，对气体的检测已经是保护和改善生态居住环境不可缺少手段，气敏传感器发挥着极其重要的作用。例如生活环境中的一氧化碳浓度达0.8～1.15ml/L时，就会出现呼吸急促，脉搏加快，甚至晕厥等状态，达1.84ml/L时则有在几分钟内死亡的危险，因此对一氧化碳检测必须快而准。如利用SnO2金属氧化物半导体气敏材料，通过颗粒超微细化和掺杂工艺制备SnO2纳米颗粒，并以此为基体掺杂一定催化剂，经适当烧结工艺进行表面修饰，制成旁热式烧结型CO敏感元件，能够探测0.005％～0.5％范围的CO气体。此外，还有许多易爆可燃气体、酒精气体、汽车尾气等有毒气体的探测均用到半导体气敏传感器。因为半导体气敏传感器具有灵敏度高、响应快、稳定性好、使用简单的特点，应用极其广泛。

目前常见的半导体气敏元件主要有2种类型：一种是直热式烧结球型，元件由螺旋状加热丝和测量电极渗入到金属氧化物内后烧结而成，工作温度较低，加热功率小，结构简单；另一种是旁热式厚膜瓷管型，元件以Al2O3陶瓷管为管芯，加热线圈则插入绝缘管内，管外涂梳状电极作为测量极，两端焊上Pt丝作为电极引脚，瓷管外壁金电极外涂覆气敏材料，经高温烧结成器件，这种结构可以有效的避免测量极与加热部分的互相干扰，但是具有功耗大，加热温度不好测量等缺点。

目前，不论是旁热式的还是直热式的气敏元件，均在加热的反应温度重复差的问题，因为反应的温度与施加的电压、加热丝的粗细、加热丝缠绕的圈数、加热丝缠绕的紧凑型、加热丝缠绕的直径等因素相关，存在重复性比较差的问题。

发明内容

为解决上述问题本发明提供了一种新型的半导体气敏器件及其制作方法。本发明中的测量部分和加热部分均设在陶瓷管的表面，实现了一体化，具有可靠性高的优点且本发明所消耗的功耗比旁热式半导体元件更低。

为达到上述技术效果，本发明的技术方案是：

一种新型的半导体气敏器件的制作方法，包括如下步骤：

步骤一)陶瓷管清洗：采用分步清洗的方法清洗用于制作传感器的陶瓷管表面，先用丙酮清洗，再用酒精清洗，最后使用去离子水进行超声清洗30min，最后烘干；

步骤二)氧化钨纳米材料制备：在一密闭容器上打两个孔，孔内插入钨杆作为反应电极，将钨丝固定在钨杆之间，然后反应电极之间加上35-45V的交流电压，反应时，钨丝发光的同时溢出黄色浓烟；待反应结束后，冷却，即获得氧化钨纳米材料；

步骤三)加热环的制备：在陶瓷管的外表面喷涂感光银浆，然后烘干，烘干温度为90℃，烘干时间为10～15min；然后将软菲林片覆盖于陶瓷管的外表面上，然后将陶瓷管放入曝光机，曝光时间为11s；对曝光完成后的陶瓷管进行显影，显影液为质量分数为0.1％～0.2％的碳酸钠，显影时间为15～30s，显影后，加烘固化，加烘温度为130℃，时间为60min；

步骤四)制备绝缘层：将制备好加热环的陶瓷管的头尾两端使用高温胶带粘贴，然后将陶瓷片竖立和固定于原子层沉积设备中，沉积材料为AL2O3，沉积厚度为50nm；

步骤五)制备测量电极：剥离陶瓷管上的高温胶带，在陶瓷管的首尾两端涂敷银浆浆料，银浆浆料的宽度为2cm，晾干后，于550℃烧结30min；

步骤六)敏感材料涂覆及烧结：将三氧化钨粉末，进行研磨，先干磨一个小时，再掺入蒸馏水，继续研磨一个小时，制得气敏浆料；将浆料涂敷在步骤五)中制得的陶瓷管表面上，浆料涂敷覆盖整个绝缘层及部分测量电极；然后自然干燥，干燥后烧结，烧结时，烧结温度为600℃，烧结时间为2小时；

步骤七)焊接：将加热极和电极引线分别焊结在烧结好的陶瓷管底座上；

步骤八)封装和老化：将焊接好的陶瓷管用卡圈及双层不锈钢网罩封装，即制得传感器，然后将传感器放入老化台中于2.5V的加热电压下通电三天进行老化，改善元件性能，增加稳定性。

进一步的改进，步骤二)中的交流电压为40V。

进一步的改进，所述双层不锈钢网罩的网口大小为100目。

一种新型的半导体气敏器件，包括陶瓷管，所述陶瓷管为圆柱形；陶瓷管底部设有电极引线；陶瓷管外侧面中部设有加热环；陶瓷管外侧面两端设有测量电极；加热环外部设有绝缘层；测量电极的部分外表面和绝缘层上涂有气敏浆料。

进一步的改进，所述绝缘层的厚度为50nm。

进一步的改进，所述陶瓷管连接在底座上，底座上设有金属外壳，金属外壳顶部设有不锈钢网，所述不锈钢网为双层不锈钢网，不锈钢网的网口大小为100目。

本发明的优点：

1、解决了气敏器件加热温度定量问题，目前不管是直热式的还是旁热式的半导体器件，均是通过加热丝缠绕而成，其加热温度是由两端施加电压、缠绕圈数及其直径等因素决定的，存在不确定性，本发明通过在半导体工艺，直接在陶瓷管上制备加热圈，可以精确的获得其电阻等参数，也可以精确的获取不同电压下下温度值。

2、降低了功耗，本发明是以陶瓷管为基底，直接在其管表面制备加热圈，同时在加热圈上，镀一层50nm左右的绝缘层，敏感材料则直接涂覆于绝缘层和部分测量电极上，相比旁热式加热，可以降低功耗。

3、测量部分与加热一体化、集成化，增加了器件的可靠性。

附图说明

图1为本发明的流程示意图；

图2为不同加热电压下元件的气敏度对比图；

图3气敏器件内部结构示意图；

图4气敏器件内部结构层次示意图；

图5气敏器件外部示意图。

具体实施方式

实施例1

如图1所示的一种新型的半导体气敏器件的制作方法，包括如下步骤：

1、陶瓷管清洗

用于制作传感器的陶瓷管表面一般的污染物主要有油脂和尘埃，所采用的清洗剂主要是丙酮和酒精，采用分步清洗的方法，先用丙酮清洗，再用酒精清洗，最后使用去离子水进行超声清洗30min，最后烘干。

2、氧化钨纳米材料制备

选择一个密闭的容器，在容器打两个孔，插入两根钨杆作为反应的电极，后钨丝固定在两根钨杆之间，此时两电极间加上40V左右交流电压，这时可观察到钨丝发光的同时溢出黄色浓烟，待反应完后，冷却，便可获得氧化钨纳米材料。

3、加热环的制备

对陶瓷管的外表面进行喷涂感光银浆，并进行烘干，烘干温度为90℃，烘干时间为10～15min；然后将软菲林片覆盖于陶瓷管的外表面上，覆盖时菲林片的图案与立体工件外表面的图案一致而且位置对齐，然后将陶瓷管放入曝光机，曝光时间为11s；对曝光完成后的陶瓷管进行显影，显影液为质量分数为0.1％～0.2％的碳酸钠，显影时间为15～30s，显影后，对所产生的图形进行再次加烘，加烘温度为130℃，时间为60min，起固化作用。

4、绝缘层

已制备好加热环的陶瓷管，头尾两端使用高温胶带粘贴，胶带宽带大约在1cm左右，将该陶瓷片树立和固定于原子层沉积设备中，沉积材料为AL₂O₃，沉积厚度为50nm。加入该绝缘层是为了避免测量部分和加热部分互相干扰。

5、制备测量电极

剥离高温胶带后，在陶瓷管的首尾两端涂敷银浆浆料，宽度为2cm，晾干后，于550℃烧结30min，制备完整结构的器件备用。

6、敏感材料涂覆及烧结

用分析天平称取一定量的三氧化钨粉末，置玛瑙研钵中，进行研磨。首先进行干磨一个小时，再掺入一定量的蒸馏水，继续研磨一个小时。

配制好粘度适宜的气敏浆料，然后将制好的陶瓷管立于干净的滤纸上，用清洗干净的毛笔醮上配好的气敏浆料，将浆料涂敷在陶瓷管表面上，浆料涂敷覆盖整个绝缘层及部分测量极。然后自然干燥，等待烧结，烧结时，将整个器件，放在马弗炉中，600℃的空气中，烧结2小时。

7、焊接

烧结好的陶瓷管，然后将加热极和电极引线分别焊结在器件底座上。

8、封装和老化：

焊接在管座上的陶瓷管用100目双层不锈钢网罩及卡圈封装，即制成传感器，然后放入老化台中于2.5V的加热电压下通电三天进行老化，改善元件性能，增加稳定性。

将制得的气敏器件进行测试：

在测试中，我们将用该新型结构的半导体气敏器件与原旁热式气敏器件进行测试对比，检测浓度为10×10-6的NO2气体，在不同加热电压下，元件的气敏性能，结果如图2所示。

从图2中可以看出，新型结构器件的最佳灵敏度为33.5，所对应的加热电压为1.5V，旁热式结构器件最佳灵敏度为33.2，所对应的加热电压为2.5V，在同样的灵敏度之下，该新型结构器件的功耗明显降低。

实施例2

如图3-5所示的一种新型的半导体气敏器件，包括陶瓷管1，所述陶瓷管1为圆柱形；陶瓷管1底部设有电极引线9；陶瓷管1外侧面中部设有加热环2；陶瓷管1外侧面两端设有测量电极4；加热环2外部设有绝缘层3；测量电极4的部分外表面和绝缘层3上涂有气敏浆料5。所述绝缘层3的厚度为50nm。所述陶瓷管1连接在底座7上，底座7上设有金属外壳8，金属外壳8顶部设有不锈钢网6，所述不锈钢网6为双层不锈钢网，不锈钢网6的网口大小为100目。

本发明将加热极与测量极置于陶瓷管的同一表面上，提高了器件的整体性和可靠性。通过微电子技术将银浆加热极取代原来加热丝，不但可以精确的测量反应的温度，也因为是直热式，可以降低功耗。而且该器件结构在重复性上远胜于其他的器件结构。

以上实例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种新型的半导体气敏器件的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一)陶瓷管清洗：采用分步清洗的方法清洗用于制作传感器的陶瓷管表面，先用丙酮清洗，再用酒精清洗，最后使用去离子水进行超声清洗30min，最后烘干；

步骤二)氧化钨纳米材料制备：在一密闭容器上打两个孔，孔内插入钨杆作为反应电极，将钨丝固定在钨杆之间，然后反应电极之间加上35-45V的交流电压，反应时，钨丝发光的同时溢出黄色浓烟；待反应结束后，冷却，即获得氧化钨纳米材料；

步骤三)加热环的制备：在陶瓷管的外表面喷涂感光银浆，然后烘干，烘干温度为90℃，烘干时间为10～15min；然后将软菲林片覆盖于陶瓷管的外表面上，然后将陶瓷管放入曝光机，曝光时间为11s；对曝光完成后的陶瓷管进行显影，显影液为质量分数为0.1％～0.2％的碳酸钠，显影时间为15～30s，显影后，加烘固化，加烘温度为130℃，时间为60min；

步骤四)制备绝缘层：将制备好加热环的陶瓷管的头尾两端使用高温胶带粘贴，然后将陶瓷片竖立和固定于原子层沉积设备中，沉积材料为AL2O3，沉积厚度为50nm；

步骤五)制备测量电极：剥离陶瓷管上的高温胶带，在陶瓷管的首尾两端涂敷银浆浆料，银浆浆料的宽度为2cm，晾干后，于550℃烧结30min；

步骤六)敏感材料涂覆及烧结：将三氧化钨粉末，进行研磨，先干磨一个小时，再掺入蒸馏水，继续研磨一个小时，制得气敏浆料；将浆料涂敷在步骤五)中制得的陶瓷管表面上，浆料涂敷覆盖整个绝缘层及部分测量电极；然后自然干燥，干燥后烧结，烧结时，烧结温度为600℃，烧结时间为2小时；

步骤七)焊接：将加热极和电极引线分别焊结在烧结好的陶瓷管底座上；步骤八)封装和老化：将焊接好的陶瓷管用卡圈及双层不锈钢网罩封装，即制得传感器，然后将传感器放入老化台中于2.5V的加热电压下通电三天进行老化，改善元件性能，增加稳定性。

2.如权利要求1所述的新型的半导体气敏器件的制作方法，其特征在于，步骤二)中的交流电压为40V。

3.如权利要求1所述的新型的半导体气敏器件的制作方法，其特征在于，所述双层不锈钢网罩的网口大小为100目。

4.一种新型的半导体气敏器件，包括陶瓷管(1)，其特征在于，所述陶瓷管(1)为圆柱形；陶瓷管(1)底部设有电极引线(9)；陶瓷管(1)外侧面中部设有加热环(2)；陶瓷管(1)外侧面两端设有测量电极(4)；加热环(2)外部设有绝缘层(3)；测量电极(4)的部分外表面和绝缘层(3)上涂有气敏浆料(5)。

5.如权利要求4所述的新型的半导体气敏器件，其特征在于，所述绝缘层(3)的厚度为50nm。

6.如权利要求4所述的新型的半导体气敏器件，其特征在于，所述陶瓷管(1)连接在底座(7)上，底座(7)上设有金属外壳(8)，金属外壳(8)顶部设有不锈钢网(6)，所述不锈钢网(6)为双层不锈钢网，不锈钢网(6)的网口大小为100目。