CN107167511A

CN107167511A - 气体传感器

Info

Publication number: CN107167511A
Application number: CN201610129086.7A
Authority: CN
Inventors: 王秋月; 徐世昌
Original assignee: Lite On Technology Changzhou Co Ltd; Lite On Technology Corp
Current assignee: Lite On Technology Changzhou Co Ltd; Lite On Technology Corp
Priority date: 2016-03-07
Filing date: 2016-03-07
Publication date: 2017-09-15
Anticipated expiration: 2036-03-07
Also published as: US9874544B2; US20170254779A1; CN107167511B

Abstract

一种气体传感器，包括基座、绝缘层、两感测电极、加热层、气体感测材料、及激发光源。基座形成有贯穿孔，绝缘层设置于基座上且遮蔽贯穿孔，对应于贯穿孔的绝缘层部位定义为元件区域。两感测电极设置于绝缘层上，每个感测电极具有设置于元件区域上的感测段及设置于元件区域之外的电极垫。加热层设置于绝缘层上，加热层具有设置于元件区域上的加热段与设置于元件区域之外的两加热垫。气体感测材料设置于元件区域上并覆盖两感测段与加热段。激发光源容置于贯穿孔并能向气体感测材料发出光线，以增强气体感测材料的电信号，让待测气体产生离子化。

Description

气体传感器

技术领域

本发明涉及是有关一种传感器，且特别是有关于一种具有激发光源的气体传感器。

背景技术

现有的气体传感器是通过加热器对气体感测材料进行加热，藉以改变气体感测材料的电信号并使得待测气体产生离子化，进而感测现有气体传感器所能感测的气体种类的浓度。然而，现有气体传感器容易因加热器的热能逸散，而使加热器须被施予更大的电压，藉以达到符合的高温条件。

于是，本发明人有感上述可改善的缺失，乃特潜心研究并配合学理之运用，终于提出一种设计合理且有效改善上述缺失的本发明。

发明内容

本发明实施例在于提供一种气体传感器，其能用以解决现有气体传感器所可能产生的缺失。

本发明实施例提供一种气体传感器，包括：一基座，其包含位于相反侧的一顶面与一底面，并且该基座形成有贯穿该顶面与该底面的一贯穿孔；一绝缘层，其设置于该基座的该顶面上，该绝缘层完全地遮蔽该贯穿孔，并且对应于该贯穿孔的该绝缘层部位定义为一元件区域；两感测电极，其间隔地设置于该绝缘层上，并且每个感测电极具有相连的一感测段、一电极垫、及该感测段与该电极垫的一连接段，每个感测电极的该感测段设置于该元件区域上，而每个感测电极的该电极垫则设置于该元件区域之外；一加热层，其设置于该绝缘层上，并且该加热层具有一加热段、两加热垫、与连接该两加热垫与该加热段的两外接段，该加热段设置于该元件区域上，该两加热垫则设置于该元件区域之外；一气体感测材料，其设置于该绝缘层的该元件区域上，并且该气体感测材料至少覆盖该两感测段；以及一激发光源，其容置于该基座的该贯穿孔，并且该激发光源能向该元件区域上的该气体感测材料发出光线，以增强该气体感测材料的电信号并使得待测气体产生离子化。

综上所述，本发明实施例所提供的气体传感器，通过基座设有贯穿孔，以使设置在元件区域上的加热层部位所产生的热能经由贯穿孔的隔离而较不易传递至基座上，藉以降低热能的逸散。再者，通过将激发光源设置于贯穿孔内，以使气体传感器不会因为具备激发光源而令其尺寸变大，并能通过激发光源增强气体感测材料的电信号，进而提升气体感测材料的灵敏度及降低加热器所需提供的热能。

为使能更进一步了解本发明的特征及技术内容，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，但是此等说明与所附图式仅用来说明本发明，而非对本发明的权利范围作任何的限制。

附图说明

图1为本发明气体传感器第一实施例的立体示意图。

图2为图1另一视角的立体示意图。

图3为图1的分解示意图。

图4为图2的分解示意图。

图5为本发明气体传感器省略气体感测材料的俯视示意图。

图6为图1沿剖线VI-VI的剖视示意图。

图7为图6的A部位的局部放大图。

图8为本发明气体传感器具有载板的剖视示意图。

图9为本发明气体传感器第二实施例的剖视示意图。

图10为本发明气体传感器第三实施例的剖视示意图。

其中，附图标记说明如下：

100 气体传感器

1 基座

11 顶面

12 底面

13 贯穿孔

2 反射层

3 绝缘层

31 元件区域

4 感测电极

41 感测段

411 指叉部

412 延伸部

42 连接段

43 电极垫

5 加热层

51 加热段

511 U型部

512 缺口

52 外接段

53 加热垫

6 气体感测材料

8 激发光源

81 发光二极管裸晶

811 量子井

82 保护层

9 载板

T 厚度

D1、D2 距离

具体实施方式

[第一实施例]

请参阅图1至图8，其为本发明的第一实施例，需先说明的是，本实施例对应图式所提及的相关数量与外型，仅用以具体地说明本发明的实施方式，以便于了解其内容，而非用以局限本发明的权利范围。

请参阅图1至图4所示，本实施例提供一种气体传感器100，为微机电系统(MEMS)的气体传感器。用以感测一待测气体(如：一氧化碳、乙醇、或毒气等)。所述气体传感器100包括一基座1、一反射层2、一绝缘层3、两感测电极4、一加热层5、一气体感测材料6及一激发光源8。

请参阅图4和图5，并于说明元件连接关系时请参酌图6和图7。所述基座1于本实施例中大致呈块状且采用硅基座，并且基座1包含位于相反侧且大致呈方形的一顶面11与一底面12，而基座1于大致中央处形成有贯穿顶面11与底面12的一贯穿孔13。其中，上述贯穿孔13对应于顶面11的形状为小正方形，而贯穿孔13对应于底面12的形状为大正方形，亦即，所述贯穿孔13的外型大致呈截四角锥状。

所述反射层2形成于贯穿孔13内壁面上，并且反射层2对应于激发光源8所发出的光线的反射率较佳为大于70％。其中，所述反射层2的材质可以是二氧化硅、氮化硼、氧化铝、铝、银或金，但不受限于此。

所述绝缘层3设置于基座1的顶面11上，上述绝缘层3的周缘大致与顶面11边缘切齐，并且绝缘层3完全地遮蔽贯穿孔13。而对应于贯穿孔13的绝缘层3部位定义为一元件区域31。进一步地说，所述元件区域31可被定义上述贯穿孔13内缩一特定距离处的绝缘层3部位，或者元件区域31可被定义为遮蔽贯穿孔13的绝缘层3部位。其中，所述绝缘层3由一二氧化硅层(SiO₂)和一氮化硅层(Si₃N₄)堆叠而成，氮化硅层的厚度T包括大致为50nm～250nm，二氧化硅层厚度大致为500nm～1500nm。绝缘层3的材料也可以是单层的氮化硅，厚度T大致为50nm～250nm。

所述两感测电极4的材质为金并且间隔地设置于绝缘层3上。其中，每个感测电极4具有相连的一感测段41、一连接段42及一电极垫43，每个感测段41设置于元件区域31上，而每个电极垫43则设置于元件区域31之外，并且大致分布于绝缘层3四个角落中的其中两相邻角落，该两连接段42分别连接每一感测段41和每一电极垫43。

所述加热层5的材质为金，也可以是透明电极例如氧化铟锡(Indium TinOxide,ITO)，加热层5设置于绝缘层3上，上述加热层5与两感测电极4于本实施例中是设置在绝缘层3上的同层构造。其中，加热层5具有一加热段51、两外接段52与两加热垫53，加热段51设置于元件区域31上，而两加热垫53则设置于元件区域31之外，并且大致分布于绝缘层3四个角落中的其中另两相邻角落，亦即，所述两加热垫53与两电极垫43是分布于绝缘层3的四个角落。该两外接段52连接该加热段51和该两加热垫53。

更详细地说，所述两感测段41各包含有相连的一指叉部411以及一延伸部412，上述两指叉部411交错地设置于元件区域31的中央处；所述加热段51包含有多个头尾相连排列的U型部511，该些U型部511围绕于上述两指叉部411外围并形成有一缺口512(即，该些U型部511排列成U字型)，而该两延伸部412沿经缺口512而分别连接于至两连接段42。

所述气体感测材料6大致呈方形并且设置于绝缘层3的元件区域31上，上述气体感测材料6至少覆盖所述两感测段41，也可以同时覆盖两感测段41与加热段51，换言之，气体感测材料6是设置于所述两感测段41与加热段51上。其中，气体感测材料6的形状也可以是圆形、椭圆形、长方形或是其它形状。其中，所述气体感测材料6的材质可以是一金属氧化物半导体材料，该金属氧化物半导体材料包含氧化锌(ZnO)、掺铝氧化锌(Al:ZnO)、二氧化锡、氧化钨、氧化钛、氧化铟、氧化铁、氧化铜、氧化镍或氧化钴，但不受限于此。

所述激发光源8的至少部分容置于基座1的贯穿孔13，并且激发光源8能向元件区域31上的气体感测材料6发出光线，以使气体感测材料6产生电信号，电信号包含电压信号、电流信号或电阻信号。其中，本实施例的激发光源8包含一发光二极管裸晶81及封装于发光二极管裸晶81外的一保护层82，并且经由保护层82射出的发光角度小于发光二极管裸晶81自身的发光角度。保护层82为一环氧树脂(Expoy resin)或硅树脂(silicone resin)。再者，发光二极管裸晶81于本实施例中为覆晶芯片，但不受限于此。

更详细地说，发光二极管裸晶81的一量子井(quantum well)811与上述气体感测材料6的距离D1大致为2μm～1000μm、并且与贯穿孔13内壁面的距离D2大于0.1mm。再者，所述气体感测材料6的能带隙(energy band gap)定义为E，激发光源8所能发出的光线波长定义为λ并符合下述关系式：1240/E×87％<λ<1240/E×113％。

换个角度来看，在上述气体感测材料6所能采用的各种材质之中，二氧化锆(ZrO₂)具备较大的能带隙(5.0eV)，其能带隙数值代入上述关系式即可得知λ的下线较佳为215nm；碲化镉(CdTe)具备较小的能带隙(1.4eV)，其能带隙数值代入上述关系式即可得知λ的下线较佳为1000nm。因此，所述激发光源8所能发出的光线波长可以为215nm～1000nm。

此外，如图8，所述气体传感器100可进一步包括有一载板9，并且远离绝缘层3的基座1底缘以及激发光源8皆固定于上述载板9上。其中，所述基座1的贯穿孔13内可容置有空气或是呈真空状。

以上即为本实施例气体传感器100的构造说明，据此，通过基座1设有贯穿孔13，以使设置在元件区域31上的加热层5部位所产生的热能经由贯穿孔13的隔离而较不易传递至基座1上，藉以降低热能的逸散。再者，通过将激发光源8设置于贯穿孔13内，以使气体传感器100不会因为具备激发光源8而令其尺寸变大，并能通过激发光源8活化气体感测材料6，进而提升气体感测材料6的灵敏度及降低加热层5所需提供的热能。

下述接着介绍不同的实验测试，藉以比较在不同变化条件之下，气体传感器100的气体感测材料6的灵敏度变化。本实施例的气体感测材料6的灵敏度定义为(R_air-R_gas)/R_air，其中，R_air为气体感测材料6在一般空气下的电阻值，R_gas为气体感测材料6在待测气体下的电阻值。

(实验一)

实验组是本实施例的气体传感器100，其采用能发出365nm光线波长的激发光源8；对照组则是未使用激发光源8的气体传感器。固定参数为：气体感测材料6的材质为掺铝氧化锌且面积为0.16mm²，施加150mA电流给激发光源8，并且激发光源8所发出的光线波长为365nm，待测气体为醇类(Alcohol)且浓度为53ppm。变化参数：施加0～2V的电压予加热层5。

实验一的结果如下表所示，由此可得知，本实施例的气体传感器100通过使用激发光源8，而能够使气体感测材料6具备较佳的灵敏度。使用激发光源8与未使用激发光源8相比，可以降低加热层5的加热温度。

(实验二)

实验组是本实施例的气体传感器100，其采用能发出365nm光线波长的激发光源8。固定参数为：气体感测材料6的材质为掺铝氧化锌且面积为0.16mm²，施加1.75V的电压予加热层5，待测气体为醇类且浓度为53ppm。变化参数：施加0～150mA电流给激发光源8。

实验二的结果如下表所示，由此可得知，本实施例的气体传感器100的激发光源8所接收的电流越大，则能够使气体感测材料6具备较佳的灵敏度。

(实验三)

实验组是本实施例的气体传感器100，其采用能发出365nm、405nm、410nm、448nm光线波长的激发光源8。固定参数为：气体感测材料6的材质为掺铝氧化锌且面积为0.16mm²，施加1.75V的电压予加热层5，待测气体为醇类且浓度为53ppm。变化参数：施加0、150mA、500mA电流给激发光源8

实验三的结果如下表所示，由此可得知，本实施例的气体传感器100的激发光源8所发出的光线波长在365nm～410nm时，能够使气体感测材料6的灵敏度随着激发光源接收的电流强度增加而明显提升，但气体传感器100的激发光源8所发出的光线波长大于448nm时，气体感测材料6的灵敏度随激发光源接收的电流强度增加而仅能略微提升。

进一步地说，基于掺铝氧化锌(Al:ZnO)的能带隙E为3.4eV，并且λ＝1240/3.4＝365nm，365nm×113％＝412nm。因此，经由上述实验结果即可推导出λ的较佳上限值，亦即，λ<1240/E×113％。同理，再以类似实施三的方式，即可推导出λ的较佳下限值，亦即，1240/E×87％<λ。

	0mA	150mA	500mA
				波长(nm)	灵敏度(％)	灵敏度(％)	灵敏度(％)
365	12	24.5	30.8
				405	14	17	19.6
410	12.5	17	20
				448	13	13.5	14.5

[第二实施例]

请参阅图9，其为本发明的第二实施例，本实施例与第一实施例类似，差异主要在于：本实施例的激发光源8为发光二极管裸晶81。亦即与第一实施例相比，发光二极管裸晶81少了保护层82。因此，依据第一实施例与第二实施例所揭露的技术内容，本发明的发光二极管裸晶81外能够依据设计者的需求而选择性设置有保护层82。

[第三实施例]

请参阅图10，其为本发明的第三实施例，本实施例与第一、二实施例类似，差异主要在于：本实施例的激发光源8是设置于所述基座1的贯穿孔13之外。

以上所述仅为本发明的较佳可行实施例，其并非用以局限本发明的专利范围，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims

1.一种气体传感器，其中，包括：

一基座，其包含位于相反侧的一顶面与一底面，并且该基座形成有贯穿该顶面与该底面的一贯穿孔；

一绝缘层，其设置于该基座的该顶面上，该绝缘层完全地遮蔽该贯穿孔，并且对应于该贯穿孔的该绝缘层部位定义为一元件区域；

两感测电极，其间隔地设置于该绝缘层上；

一加热层，其设置于该绝缘层上；

一气体感测材料，其设置于该绝缘层的该元件区域上；以及

一激发光源，其容置于该基座的该贯穿孔，并且该激发光源能向该元件区域上的该气体感测材料发出光线。

2.如权利要求1所述的气体传感器，其中，该绝缘层由一二氧化硅层和一氮化硅层堆叠而成，并且该二氧化硅层的厚度为500nm～1500nm，该氮化硅层的厚度为50nm～250nm；或者，该绝缘层为一单层的氮化硅层，其厚度为50nm～250nm。

3.如权利要求1所述的气体传感器，其中，该气体感测材料为一金属氧化物半导体材料，该金属氧化物半导体材料包含氧化锌、掺铝氧化锌、二氧化锡、氧化钨、氧化钛、氧化铟、氧化铁、氧化铜、氧化镍或氧化钴。

4.如权利要求1所述的气体传感器，其中，该气体传感器还具有形成于该贯穿孔内壁面上的一反射层，并且该反射层对应于该激发光源所发出的光线的反射率大于70％，该反射层的材质为二氧化硅、氮化硼、氧化铝、铝、银或金。

5.如权利要求1所述的气体传感器，其中，该激发光源为一发光二极管裸晶，该发光二极管裸晶外选择性设置一保护层，并且经由该保护层射出的发光角度小于该发光二极管裸晶的发光角度。

6.如权利要求5所述的气体传感器，其中，该发光二极管裸晶的一量子井与该气体感测材料的距离为2μm～1000μm、并且与该贯穿孔内壁面的距离大于0.1mm。

7.如权利要求1至6中任一权利要求所述的气体传感器，其中，该气体传感器还包括有一载板，远离该绝缘层的该基座底缘以及该激发光源固定于该载板上，并且该贯穿孔内容置有空气或是呈真空状。

8.如权利要求1至6中任一权利要求所述的气体传感器，其中，该气体感测材料的能带隙定义为E，该激发光源所能发出的光线波长定义为λ并符合下述关系式：1240/E×87％<λ<1240/E×113％。

9.如权利要求1至6中任一权利要求所述的气体传感器，其中，每个感测电极具有相连的一感测段、一电极垫及连接该感测段与该电极垫的一连接段，每个感测电极的该感测段设置于该元件区域上，每个感测电极的该电极垫则设置于该元件区域之外。

10.如权利要求9所述的气体传感器，其中，该加热层具有一加热段、两加热垫及连接该两加热垫与该加热段的两外接段，该加热段设置于该元件区域上，该两加热垫则设置于该元件区域之外。

11.如权利要求9所述的气体传感器，其中，该气体感测材料至少覆盖该两感测段。

12.如权利要求10所述的气体传感器，其中，该两感测段各包含有相连的一指叉部及一延伸部，并且该两指叉部呈交错设置，该加热段包含有多个头尾相接排列的U型部，该些U型部围绕于该两指叉部外围并界定出一缺口，该两延伸部沿经该缺口而分别连接于该两连接段。