CN107561120A - 微型多阵列传感器 - Google Patents
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Abstract
一种微型多阵列传感器包括衬底、形成在衬底上的传感器电极和形成在衬底上的加热器电极。传感器电极包括形成在衬底上的第一传感器电极和形成在衬底的与第一传感器电极相对的表面上的第二传感器电极。加热器电极布置成相比于第二传感器电极更靠近第一传感器电极。
Description
技术领域
本发明涉及一种微型多阵列传感器。更具体地，本发明涉及一种微型多阵列传感器，其中传感器电极包括第一传感器电极和形成在衬底的与第一传感器电极相对的表面上的第二传感器电极，并且其中加热器电极设置成相比于第二传感器电极更靠近第一传感器电极。
背景技术
近些年来，随着对于环境的兴趣逐渐增加，已经存在了研发能够在短时间内精确获得不同类型信息的小尺寸传感器的需求。具体地，为了达到实现愉悦的居住空间、应对有害的工业环境和管理饮料和食品的生产工艺的目的，已经致力于获得尺寸减小、精度提高和价格降低的微型多阵列传感器，例如用于容易地测量气体浓度等的气体传感器。
由于半导体工艺技术的应用，当前可用的气体传感器由陶瓷烧结气体传感器或厚膜型气体传感器逐渐发展到具有微电子机械系统(MEMS)形式的微型气体传感器。
从测量方法上看，在当前可用的气体传感器中，最频繁地使用的是在气体被吸收到传感器的传感材料时测量该传感材料的电性能变化的方法。典型地，诸如SnO2等的金属氧化物用作测量导电率根据测量目标气体的浓度变化的传感材料。这种测量方法的优点在于使用该方法相对容易。当金属氧化物传感材料被加热到高温并且在高温下操作时，测量值的变化变得明显。因此，精确的温度控制是必要的，以便快速且精确地测量气体浓度。此外，在通过经由高温加热强制去除已经吸收到传感材料的气体种类或湿气将传感材料重新设置或者恢复到初始状态之后，测量气体浓度。
然而，这种常规的传感器被配置成检测一种气体。为了检测多种气体，需要提供多个传感器。这造成了一个问题：体积变得更大并且功耗增加。
[现有技术文献]
[专利文献]
韩国专利申请公开号2009-0064693
韩国专利号1019576
发明内容
鉴于以上提及的问题，本发明的目的在于提供一种微型多阵列传感器，其能够简化传感器结构、使传感器保持小尺寸和检测多种气体。
根据本发明的一个方面，提供了一种微型多阵列传感器，包括：衬底；形成在衬底上的传感器电极；以及形成在衬底上的加热器电极，其中，传感器电极包括形成在衬底上的第一传感器电极和形成在衬底的与第一传感器电极相对的表面上的第二传感器电极，并且加热器电极布置成相比于第二传感器电极更靠近第一传感器电极。
第二传感器电极可以布置在第一传感器电极下方。
衬底可以包括第一支撑部分和形成在第一支撑部分周围的气隙，加热器电极可以包括形成在第一支撑部分上的热生成图案以及连接到热生成图案的加热器电极焊盘，第一传感器电极可以包括形成在第一支撑部分上的第一传感器布线和连接到第一传感器布线的第一传感器电极焊盘，并且第二传感器电极可以包括形成在第一支撑部分的与第一传感器布线相对的表面上的第二传感器布线和连接到第二传感器布线的第二传感器电极焊盘。
衬底可以是阳极氧化物膜，通过阳极氧化由金属材料制成的基底材料然后去除基底材料而获得所述阳极氧化物膜。
气隙可以是形成为从衬底的上表面延伸到衬底的下表面的空间。
衬底还可以包括第二支撑部分和配置成连接第一支撑部分和第二支撑部分的桥部分，并且加热器电极焊盘、第一传感器电极焊盘和第二传感器电极焊盘可以形成在第二支撑部分和桥部分中。
哑元金属可以形成在热生成图案的端部之间的空间中的第一支撑部分上。
第一支撑部分可以由多孔材料制成。
根据上述本发明的微型多阵列传感器，可以获得以下效果。
传感器电极包括第一传感器电极和形成在衬底的与第一传感器电极相对的表面上的第二传感器电极。加热器电极布置成相比于第二传感器电极更靠近第一传感器电极。因此，由于第一传感器电极的周围区域的温度比第二传感器电极的周围区域高，可以简化传感器结构、使传感器保持小尺寸并检测多种气体。此外，可以利用一个加热器电极检测两种气体。因此，微型多阵列传感器可以应用到诸如移动通信设备或者需要使用低电力以低电压驱动的类似物的产品上。
第二传感器电极布置在第一传感器电极下方。因此，可以通过加热器电极高效地加热第二传感器电极的周围区域。
衬底包括第一支撑部分。气隙形成在第一支撑部分周围。加热器电极包括形成在第一支撑部分上的热生成图案以及连接到热生成图案的加热器电极焊盘。第一传感器电极包括形成在第一支撑部分上的第一传感器布线和连接到第一传感器布线的第一传感器电极焊盘。第二传感器电极包括形成在第一支撑部分的与第一传感器布线相对的表面上的第二传感器布线和连接到第二传感器布线的第二传感器电极焊盘。因此，第一支撑部分的热容量变得更小，从而可以用低电力将包围第一传感器布线和第二传感器布线的传感材料保持在高温。
衬底由阳极氧化物膜形成，通过阳极氧化基底材料然后去除基底材料获得所述阳极氧化物膜。这可以降低衬底的热容量。
气隙是形成为从衬底的上表面延伸到衬底的下表面的空间。因此，进一步提高了热隔离效果。待检测的气体可以被平稳地吸收到包围第一传感器布线和第二传感器布线的传感材料。
在第一支撑部分中，哑元金属形成在热生成图案的端部之间的空间中。因此，提高了第一支撑部分的温度均匀性。
附图说明
图1是根据本发明的优选实施方式的微型多阵列传感器的平面图。
图2是图1中A区域的放大图。
图3是根据本发明的优选实施方式的微型多阵列传感器的仰视图。
图4是沿图1中B-B线截取的截面图。
具体实施方式
现在将参照附图对本发明的一个优选实施方式进行详细描述。
在以下描述中，作为参考，本发明的与相关技术配置相同的配置将不再详细描述。请参考在前的相关技术的描述。
如图1至4中所示，本实施方式的微型多阵列传感器包括衬底100、形成在衬底100上的传感器电极、以及形成在衬底100上的加热器电极1200。传感器电极包括第一传感器电极1300和形成在衬底100的与第一传感器电极1300相对的表面上的第二传感器电极2300。加热器电极1200布置成相比于第二传感器电极2300更靠近第一传感器电极1300。
如果金属基底材料被阳极氧化，则形成包括多孔层和阻挡层的阳极氧化物膜，所述多孔层具有形成在其表面上的多个孔，阻挡层存在于多孔层下方。就此而言，金属基底材料可以是铝(Al)、钛(Ti)、钨(W)、锌(Zn)等。优选地，金属基底材料由铝或铝合金制成，其重量轻，易于处理，导热性优越，并且免受重金属污染。
举例来说，通过阳极氧化铝材料的表面，可以形成包括氧化铝多孔层和阻挡层的氧化铝膜，氧化铝多孔层具有形成在其表面上的多个孔102，阻挡层存在于氧化铝多孔层下方。根据本发明的优选实施方式的衬底100可以仅仅由例如氧化铝膜形成，从该氧化铝膜去除铝。电极可以形成在氧化铝膜的氧化铝多孔层上。备选地，可以在阻挡层上形成电极。此外，可以去除氧化铝膜的阻挡层，以使得衬底100仅仅由具有垂直穿透衬底100的孔102的氧化铝多孔层形成。
以下描述将基于如图4中所示的去除了铝和阻挡层的衬底100进行。
将铝和阻挡层从阳极氧化的铝材料去除。因此，孔102垂直穿透衬底100。因为衬底100由氧化铝多孔层形成，所以微型多阵列传感器具有小的热容量。
衬底100包括：以圆柱形形状形成在衬底100的中心区域中的第一支撑部分110、以与第一支撑部分110间隔开的关系形成在第一支撑部分110外的第二支撑部分120、以及配置成连接第一支撑部分110和第二支撑部分120的多个桥部分。
如上所述，衬底100和第一支撑部分110由多孔材料制成。
多个气隙101形成在第一支撑部分110周围并且在第一支撑部分110和第二支撑部分120之间。气隙101以圆弧形状形成，以包围第一支撑部分110的周围区域。
此外，多个气隙形成在第一支撑部分110的外周边。气隙101可以不连续地形成。气隙101和桥部分沿着第一支撑部分110的周边交替布置。桥部分通过蚀刻第一支撑部分110的周边以及不连续地形成气隙101而形成。桥部分的一个端部连接到第一支撑部分110，桥部分的另一端部连接到第二支撑部分120。
下文中，将对形成在衬底100上的传感器电极、加热器电极1200和哑元金属500进行描述。
当气体被吸收到下文描述的第一和第二传感材料400a和400b时，传感器电极通过检测电特性中的变化检测气体。
传感器电极包括第一传感器电极1300和形成在衬底100的与第一传感器电极1300相对的表面上的第二传感器电极2300。
在本实施方式中，第一传感器电极1300形成在衬底100的上表面上，而第二传感器电极2300形成在衬底100的下表面上。也就是说，第一传感器电极1300和第二传感器电极2300分别形成在衬底100的不同的表面上。
第一传感器电极1300包括形成在第一支撑部分110的上表面上的第一传感器布线(图案)1310、以及连接至第一传感器布线1310并且形成在桥部分和第二支撑部分120上的第一传感器电极焊盘1320。
第一传感器布线1310包括第一传感器布线第一连接部分1310a和第一传感器布线第二连接部分1310b。
第一传感器布线第一连接部分1310a和第一传感器布线第二连接部分1310b以相同形状形成，并且在左右方向上彼此间隔开。第一传感器布线第一连接部分1310a和第一传感器布线第二连接部分1310b形成为在上下方向上线性延伸。
第一传感器电极焊盘1320包括：连接至第一传感器布线第一连接部分1310a的第一传感器电极第一焊盘1320a、以及连接至第一传感器布线第二连接部分1310b的第一传感器电极第二焊盘1320b。第一传感器电极第一焊盘1320a的远端和第一传感器电极第二焊盘1320b布置成靠近衬底100的上表面的拐角。
第一传感器电极焊盘1320形成为具有比第一传感器布线1310更宽的宽度。第一传感器电极焊盘1320形成为使得其宽度朝着其远端变宽。
第一传感器电极1300和第二传感器电极2300由Pt、W、Co、Ni、Au和Cu中的一种或其混合物构成。
第二传感器电极2300以与第一传感器电极1300相同的形状形成。第二传感器电极2300包括形成在第一支撑部分110的下表面上(在第一支撑部分110的与第一传感器布线1310相对的表面上)的第二传感器布线(图案)2310、以及形成在桥部分和第二支撑部分120的下表面上的第二传感器电极焊盘2320。
第二传感器电极2300布置在第一传感器电极1300下方。第二传感器布线2310包括第二传感器布线第一连接部分2310a、以及以与第二传感器布线第一连接部分2310a间隔开的关系布置的第二传感器布线第二连接部分2310b。
第二传感器布线2310布置成相比于加热器电极焊盘1220更靠近热生成图案1210。第二传感器布线2310布置成相比于第二传感器电极焊盘2320更靠近热生成图案1210。
第二传感器电极焊盘2320包括连接至第二传感器布线第一连接部分2310a的第二传感器电极第一焊盘2320a、以及连接至第二传感器布线第二连接部分2310b的第二传感器电极第二焊盘2320b。第二传感器电极第一焊盘2320a的远端和第二传感器电极第二焊盘2320b的远端布置成靠近衬底100的下表面的拐角。
加热器电极1200形成在衬底100的上表面上。也就是说，加热器电极1200形成在与第一传感器电极1300相同的平面上。这样，加热器电极1200布置成相比于第二传感器电极2300更靠近第一传感器电极1300。
当电极形成在氧化铝膜的氧化铝多孔层上时，位于加热器电极1200和第一传感器电极1300下方的孔102的上部分由加热器电极1200和第一传感器电极1300封闭。孔102的下部分也被封闭。备选地，当电极形成在氧化铝膜的阻挡层上时，位于加热器电极1200和第一传感器电极1300下方的孔102的上部分由加热器电极1200和第一传感器电极1300封闭。孔102的下部分由第二传感器电极2300封闭。备选地，当氧化铝膜的阻挡层去除时，位于加热器电极1200和第一传感器电极1300下方的孔102的上部分由加热器电极1200和第一传感器电极1300封闭。孔102的下部分由第二传感器电极2300封闭。这样，加热器电极1200形成在氧化铝多孔层上。这就使得可以提供具有小的热电容的微型多阵列传感器。
加热器电极1200包括布置成相比于第一传感器电极焊盘1320更靠近第一传感器布线1310的热生成图案1210、以及连接至热生成图案1210并且形成在第二支撑部分120和桥部分上的加热器电极焊盘1220。
热生成图案1210形成在第一支撑部分110的上表面上，以包围第一传感器布线1310的至少一部分。加热器电极焊盘1220包括分别连接到热生成图案1210的相对的端部的加热器电极第一焊盘1220a和加热器电极第二焊盘1220b。加热器电极第一焊盘1220a和加热器电极第二焊盘1220b以相互间隔开的关系布置。
因此，孔310布置在热生产图案1210和第二传感器布线2310之间。因此，第一支撑部分110的下表面的温度低于第一支撑部分110的上表面的温度。这可以确保形成在第一支撑部分110的上表面上的第一传感材料400a被加热到比形成在第一支撑部分110的下表面上的第二传感材料400b更高的温度。因此，可以通过第一传感器电极1300和第二传感器电极2300检测不同种类的气体。
如图1和2中所示，热生成图案1210包括以圆弧形状形成为相对于第一支撑部分110的垂直中心轴对称的多个弧部分、以及多个连接部分。
热生成图案1210形成为从第一支撑部分110的边缘向内间隔开。
热生成图案1210包括设置成靠近气隙101并且以圆弧形状形成的第一弧部分1211a、在第一弧部分1211a的一端弯曲成朝着第一支撑部分110的内侧延伸的第一连接部分1212a、以圆弧形状形成以从第一连接部分1212a的端部延伸并且从第一弧部分1211a向内间隔开的第二弧部分1211b、形成为从第二弧部分1211b的端部向第一支撑部分110的内侧延伸的第二连接部分1212b、以及第三弧部分1211c等。以该方式，多个弧部分和多个连接部分彼此重复连接。
热生成图案1210通过连接第一弧部分1211a、第二弧部分1211b和第三弧部分1211c一体形成，并且相对于第一支撑部分110的垂直中心轴对称。
如图1和2中所示，热生成图案1210的弧部分以大体上半圆弧形状形成，并且在左右方向上对称。因此，热生成图案1210形成大体上圆形形状。这可以提高第一支撑部分110的温度均匀性。
左和右两个弧部分在热生成图案1210的中心处彼此交汇。该两个弧部分连接以形成在下侧上打开的大体上圆形形状。分离空间部分1214形成在该两个弧部分内侧。分离空间部分1214形成为从热生成图案1210的中心延伸到热生成图案1210的下部分。第一传感器布线1310布置在分离空间部分1214中。因此，热生成图案1210包围第一传感器布线1310的上部分和侧部分。
加热器电极第二焊盘1220b连接到第一弧部分1211a的另一端部。加热器电极第一焊盘1220a连接到第三弧部分1211c的一个端部。
加热器电极1200可以由Pt、W、Co、Ni、Au和Cu中的一种或其混合物构成。
同时，哑元金属500形成在热生成图案1210的端部之间的空间中在第一支撑部分110的上表面上。
也就是说，哑元金属500形成在热生成图案1210的相对的端部之间，即，在加热器电极第一焊盘1220a和加热器电极第二焊盘1220b连接到的第一弧部分1211a和第三弧部分1211c的端部之间。
哑元金属500以圆弧形状形成在加热器电极1200之间，即，在热生成图案1210和气隙101之间。哑元金属500与靠近其的热生成图案1210间隔开。哑元金属500从第一支撑部分110的边缘向内间隔开。
优选地，哑元金属500形成在热生成图案1210外部并且由金属构成。哑元金属500的材料可以与电极材料相同。电极材料可以是诸如铂、铝、铜等的金属。
如图2中所示，第一弧部分1211a和第三弧部分1211c在长度上比布置在其内部的剩余弧部分短。在热生成图案1210的外周边中，空间510形成在第一弧部分1211a和第三弧部分1211c的端部之间。哑元金属500位于空间510中。哑元金属500的宽度等于或近似于热生成图案1210的宽度。
存在于热生成图案1210的外周边中的空间510局部填充有哑元金属500。因此，当在平面图中查看时，热生成图案1210的外周边和哑元金属500形成圆形。这可以提高第一支撑部分110的温度均匀性。
加热器电极第一焊盘1220a和加热器电极第二焊盘1220b形成为使得其宽度向外变得更大。换句话说，加热器电极焊盘1220形成为使得其宽度朝向热生成图案1210变得更小。加热器电极焊盘1220形成为具有比热生成图案1210更宽的宽度。加热器电极第一焊盘1220a和加热器电极第二焊盘1220b布置成靠近衬底100的上表面的拐角。
防变色保护层(未示出)形成在加热器电极1200、第一传感器电极1300和第二传感器电极2300的整个上表面上。防变色保护层可以由氧化物基材料制成。特别地，防变色保护层可以由氧化钽(TaOx)、氧化钛(TiO2)、二氧化硅(SiO2)和氧化铝(Al2O3)中的至少一种制成。
焊接金属布置在加热器电极焊盘1220、第一传感器电极焊盘1320和第二传感器电极焊盘2320的端部处。焊接金属形成在防变色保护层上。焊接金属可以是金、银和锡中的至少一种。
气隙101包围热生成图案1210。气隙101形成为比孔102的最大宽度更宽。气隙101以圆弧形状形成。气隙101的数量可以是四个。气隙101在圆周方向上间隔开。换句话说，多个数量的气隙101不连续地形成。
特别地，气隙101布置在第一传感器电极第二焊盘1320b和加热器电极第二焊盘1220b之间、在加热器电极第二焊盘1220b和加热器电极第一焊盘1220a之间、在加热器电极第一焊盘1220a和第一传感器电极第一焊盘1320a之间，以及在第一传感器电极第一焊盘1320a和第一传感器电极第二焊盘1320b之间。
也就是说，气隙101形成在除了支撑加热器电极1200、第一传感器电极1300和第二传感器电极2300的支撑部分之外的区域中。
气隙101形成为在上下方向上穿透衬底100。换句话说，气隙101是从衬底100的上表面延伸到其下表面的空间。
由于气隙101的存在，用于支撑热生成图案1210、第一传感器布线1310和第二传感器布线2310的第一支撑部分110、用于支撑加热器电极焊盘1220、第一传感器电极焊盘1320和第二传感器电极焊盘2320的第二支撑部分120、以及桥部分形成在衬底100中。
第一支撑部分110形成在比热生成图案1210和第一传感器布线1310的总区域更宽的区域上，所述热生成图案1210和第一传感器布线1310形成在第一支撑部分110的上表面上。
第一支撑部分110和第二支撑部分120通过在除了桥部分之外的区域中的气隙101间隔开。因此，如图1中所示，第一支撑部分110和第二支撑部分120在四个点通过四个桥部分相互连接。
第一传感器材料400a和第二传感材料400b分别形成在第一支撑部分110的上表面和下表面上。第一传感材料400a和第二传感材料400b形成在与第一支撑部分110对应的位置处。第一传感材料400a覆盖热生成图案1210和第一传感器布线1310。第二传感材料400b覆盖第二传感器布线2310。
第一传感材料400a和第二传感材料400b可以由相同或不同材料构成。即使使用相同的传感材料，也可以根据加热温度，吸收不同的气体到传感材料。
第一传感材料400a和第二传感材料400b由印刷形成。当第一传感材料400a和第二传感材料400b通过以这种方式的印刷形成时，在形成第一传感材料400a和第二传感材料400b之后，网状掩模留在第一传感材料400a和第二传感材料400b中每个的表面上。
现在将描述如上配置的、根据本实施方式的微型多阵列传感器的操作。
为了测量气体浓度，首先，将电功率施加到加热器电极焊盘1220，以使得热生成图案1210可以生成热量。热生成图案1210加热第一传感材料400a和第二传感材料400b。因此，形成在第一支撑部分110的下表面上的第二传感材料400b也被加热。此时，设置成靠近热生成图案1210的第一传感材料400a被加热到比第二传感材料400b更高的温度。
因此，将不同的气体吸收到第一传感材料400a和第二传感材料400b，或者从第一传感材料400a和第二传感材料400b解吸出不同的气体。待检测的气体可以移动通过气隙101并且可以被平稳地吸收到第二传感材料400b。
通过这样的处理，根据本实施方式的微型多阵列传感器可以同时检测多种气体。
虽然以上已经描述了本发明的优选实施方式，但是所属领域技术人员将可以在不背离本发明的权利要求所限定的精神和范围的情况下，对本发明进行不同地改变或者修改。
Claims (8)
1.一种微型多阵列传感器，包括：
衬底；
形成在衬底上的传感器电极；以及
形成在衬底上的加热器电极，
其中，所述传感器电极包括形成在衬底上的第一传感器电极和形成在衬底的与所述第一传感器电极相对的表面上的第二传感器电极，并且
所述加热器电极布置成相比于第二传感器电极更靠近第一传感器电极。
2.根据权利要求1所述的微型多阵列传感器，其中，所述第二传感器电极布置在所述第一传感器电极下方。
3.根据权利要求1或2所述的微型多阵列传感器，其中，所述衬底包括第一支撑部分和形成在所述第一支撑部分周围的气隙，
所述加热器电极包括形成在所述第一支撑部分上的热生成图案以及连接到热生成图案的加热器电极焊盘，
所述第一传感器电极包括形成在所述第一支撑部分上的第一传感器布线和连接到所述第一传感器布线的第一传感器电极焊盘，并且
所述第二传感器电极包括形成在所述第一支撑部分的与所述第一传感器布线相对的表面上的第二传感器布线和连接到所述第二传感器布线的第二传感器电极焊盘。
4.根据权利要求1或2所述的微型多阵列传感器，其中，所述衬底是阳极氧化物膜，通过阳极氧化由金属材料制成的基底材料然后去除所述基底材料获得所述阳极氧化物膜。
5.根据权利要求3所述的微型多阵列传感器，其中，所述气隙是形成为从衬底的上表面延伸到衬底的下表面的空间。
6.根据权利要求3所述的微型多阵列传感器，其中，所述衬底还包括第二支撑部分和配置成连接所述第一支撑部分和所述第二支撑部分的桥部分，并且
所述加热器电极焊盘、所述第一传感器电极焊盘和所述第二传感器电极焊盘形成在所述第二支撑部分和所述桥部分中。
7.根据权利要求3所述的微型多阵列传感器，其中，哑元金属形成在所述热生成图案的端部之间的空间中的第一支撑部分上。
8.根据权利要求3所述的微型多阵列传感器，其中，所述第一支撑部分由多孔材料制成。
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