CN109425638A - 气体传感器装置和用于制造气体传感器装置的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种气体传感器装置(100)以及一种用于制造气体传感器装置的方法(100)。气体传感器装置(100)构造有：带有气体敏感层(120；220)的气体敏感的传感器元件(110；210)，该气体敏感层具有金属氧化物；和保护层(130；230)，该保护层部分地遮盖所述传感器元件(110；210)的所述气体敏感层(120；220)；其中，所述保护层(130；230)是疏水性的和/或与所述气体敏感层(110；210)的传感器面(120；220)共同作用地起疏水作用。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于金属氧化物半导体的气体传感器装置以及一种用于制造基于金属氧化物半导体的气体传感器装置的方法。
背景技术
环境传感器、尤其是用于测量在室内的或外部空气的空气质量的气体传感器装置越来越重要。尤其在便携式电子终端设备中的微型化系统是研究和发展的焦点。
为了测量空气品质或空气质量，经常使用基于金属氧化物半导体的气体传感器装置。在此，由半传导性的金属氧化物制成的气体敏感层被加热达几百度，以便加速化学信号形成过程并且由此产生快速的传感器响应。在此，在相应的传感器元件中的信号分析处理通过气体敏感层的传导性、电容和/或输出功由于待探测的气体或挑选出的待探测的气体组分的存在而感应出的变化的测量实现。传感器元件尤其可以是在其上布置有气体敏感层、用于加热气体敏感层的加热器结构和可能的其他元件的芯片。传感器元件通常被封入到壳体中并且这样形成传感器装置。
在DE 10 2013 212 478 A1中描述了用于感测气体或气体组分的浓度的装置或方法以及这种装置或这种方法的应用。在此设置为，构型为气体传感器的装置具有至少一个传感器元件，该传感器元件具有例如由金属氧化物组成的气体敏感层以及用于加热气体敏感层的加热元件。
通过集成到便携式、即移动的终端设备如智能手机和可穿戴设备(例如智能手表、活动追踪器、其内侧用作为屏幕的眼镜或将用于通信的电子辅助器件和音乐播放器装入到其中的衣服)中，这些气体传感器装置被暴露给不同的环境条件。因为气体传感器装置具有介质入口(例如在移动终端设备的壳体中的开口)，具有待探测的气体的介质可以通过该介质入口达到传感器元件、尤其是气体敏感层上，那么来自环境空气的所有其他物质也可以达到传感器元件、尤其是气体敏感层上。
来自周围环境的这些物质(所述物质相比于待探测的气体也被称为“杂质气体”)可以导致气体传感器装置、尤其是传感器元件、更确切地说是传感器元件的气体敏感层(或传感器层)的中毒，即越来越低的可使用性。
在US 2012/077019 A1中提出湿气屏障，该湿气屏障包括具有亲水性的填充颗粒的混合的基体膜片，并且该湿气屏障可以用于气体传感器，所述气体传感器的敏感性随着湿度的增大而减小。与此相对地，基于金属氧化物半导体的气体传感器装置具有随着湿度的增大而提升的敏感性。
硅氧烷被证实为对于气体传感器装置特别有害的杂质气体。在此，气体敏感层的中毒尤其在湿气、即水存在的情况下进行。硅氧烷是具有以下通用公式的化学化合物：R3Si-[O-SiR2]n-O-SiR3，其中，R可以是氢原子或烷基、烯丙基或芳基。与所谓的硅烷相对地，硅原子相互不连接，而是通过刚好一个氧原子与其相邻的硅原子连接。
发明内容
本发明公开一种气体传感器装置和一种用于制造气体传感器的方法。
因此规定：一种基于金属氧化物半导体的气体传感器装置，具有：带有气体敏感层的气体敏感的传感器元件，该气体敏感层具有金属氧化物；和保护层，该保护层部分地遮盖传感器元件的气体敏感层；其中，保护层是疏水性的和/或与气体敏感层共同作用地起疏水作用。
基于金属氧化物半导体的气体传感器装置也可以被称为基于MOX的气体传感器。优选的是以下气体敏感层，所述气体敏感层这样构造(尤其具有这种金属氧化物)，使得所述气体敏感层(例如相比于光学的或电化学的传感器)在湿度增大时具有对于待探测的气体的提升的敏感性。
保护层优选由各个长链分子构成(例如相比于聚合物基体)，其中，优选不使用填充颗粒。
保护层部分地遮盖气体敏感层，这要理解为，气体敏感层的超过0％并且少于100％、尤其超过10％并且少于90％通过保护层遮盖。保护层可以形成一个或多个连续的面，例如栅栏形的面，所述面空出开口，气体敏感层通过所述开口对于具有待探测的气体的介质保持可进入。替代地，保护层也可以是气体敏感层的分散的、部分的涂层，而不产生保护层的宏观连续的面。
对于气体敏感层的金属氧化物例如可以使用锡(四价)氧化物(SnO2)、SnO、SnOX或它们的混合物、氧化钨、氧化锌、氧化钛或有机半导体材料如MePTCDI。
此外，提供用于制造基于金属氧化物半导体的气体传感器装置的方法，所述方法具有以下步骤：提供具有气体敏感层的传感器元件，该气体敏感层具有金属氧化物；并且构造保护层，该保护层部分地遮盖传感器元件的气体敏感层；其中，保护层是疏水性的和/或与传感器元件的气体敏感层共同作用地起疏水作用。
气体敏感层由于硅氧烷分子所产生的持续增长的中毒引起响应时间T的持续提升和/或相对于待探测的气体的敏感性的降低和/或气体传感器装置的传导性的降低。本发明所基于的认知在于，当气体敏感层配备有起疏水作用的保护层时，可以防止或延缓气体敏感层的中毒。因此，可以降低在气体敏感层上的湿气，由此防止或至少延缓气体敏感层的中毒。
尤其可以通过保护层来降低传感器元件的气体敏感层的表面应力，例如通过施加疏水性长链分子，2<n<20，其中，n代表分子的原子数量。该长链疏水性分子有利地使在气体敏感层上的水沉积变困难，但对于待探测的气体还是可渗透的。
下面由参照附图的说明得出有利的实施方式和扩展方案。
根据优选的扩展方案，保护层具有硅烷分子或由硅烷分子组成。
根据另一优选的扩展方案，保护层具有三氯(1H，1H，2H，2H-全氟辛基)硅烷或者由三氯(1H，1H，2H，2H-全氟辛基)硅烷组成。
名称硅烷按照IUPAC规定代表化学化合物的材料组，所述化学化合物由硅基体和氢组成。类似的材料组是锗烷和链烷。硅烷可以具有分支的(异-和新-硅烷，iso-und neo-Silane)或者未分支的(n-硅烷)结构。
根据另一优选的扩展方案，保护层具有硅氧烷分子或者由硅氧烷分子组成。
硅氧烷是具有以下通用公式的化学化合物：R3Si-[O-SiR2]n-O-SiR3，其中，R可以是氢原子或烷基。与硅烷相对地，硅原子相互不连接，而是通过刚好一个氧原子与其相邻的硅原子连接。三氯(1H，1H，2H，2H-全氟辛基)硅烷尤其可以通过气相反应被带到传感器元件的传感器面的附近。
根据另一优选的扩展方案，保护层具有氟，即保护层可以是基于氟的保护层。
根据另一优选的扩展方案，保护层具有自组织单层SAM或者由SAM组成。
自组织单层(英语，self-assembled monolayer，SAM)是纳米技术的组成部分。自组织单层例如在将表面活性的或有机的物质浸入到溶液或悬浮液中时自发地形成。在此，合适的物质例如是烷基硫醇、烷基三氯硅烷(Alkyltrichlorsilane)和脂肪酸。这些物质在金属如金、银、铂和铜以及石墨和硅上形成简单的、具有高的内部秩序的单层。
与传统的涂覆方法如化学气相沉积方法(英语，Chemical vapor deposition，CVD)相对地，SAM具有限定的厚度，该厚度根据所使用的分子处于0.1nm至几纳米的范围内。
在半导体技术中，自组织单层例如用于电极的表面稳定和定制的功能化。在此，根据所使用的烷基链的长度影响渗透性和/或电荷转移速度。
附图说明
下面参照在附图中示出的实施例详细阐释本发明。附图示出：
图1示出根据本发明的实施方式的气体传感器装置的示意性详细视图；和
图2示出根据本发明的另一实施方式的气体传感器装置的示意性详细视图。
在所有附图中相同的或功能相同的元件和装置(只要未另外说明)设有相同的附图标记。
具体实施方式
图1示出根据本发明的实施方式的气体传感器装置100的示意性详细视图。
气体传感器装置具有气体敏感层110，该气体敏感层例如可以布置在气体传感器装置100的衬底如光学的专用集成电路150(英语，“application-specific integratedCircuit”，ASIC)上，和/或可以与所述衬底互连。
ASIC 150可以设计成用于，引起气体敏感层120的在现有技术中普遍的通电，感测气体敏感层120的相应的、受待探测的气体影响的响应信号，和/或加热气体敏感层120的气体敏感的传感器材料，和/或例如通过测量传导性、电容和/或输出功的由于待探测的气体或挑选出的待探测的气体组分的存在而感应出的变化来实施对气体敏感层120的响应信号的信号分析处理。最后，在ASIC 150上可以获取表征待探测的(或已探测的)气体的输出信号。
ASIC 150例如可以构造用于加热气体敏感层120，例如加热到几百度，以便加速化学信号形成过程并且由此产生气体敏感层120或气体传感器装置100的更快速的传感器响应。
气体传感器装置100也可以构造成没有ASIC 150并且这样构造，使得气体敏感层120可以与外部的ASIC互连，该外部的ASIC可以实施上面结合ASIC 150所描述的功能中的一些或全部功能。
传感器元件110、尤其是气体敏感层120包括金属氧化物、尤其是金属氧化物半导体如锡(四价)氧化物(SnO2)、SnO、SnOX或它们的混合物、氧化钨、氧化钨、氧化锌、氧化钛或有机半导体材料如MePTCDI。
在气体敏感层120上方、尤其直接紧靠在所述气体敏感层上构造有保护层130，该保护层部分地遮盖气体敏感层120。保护层130是疏水性的和/或与气体敏感层120共同作用地起疏水作用。保护层130例如可以具有硅烷分子或者由硅烷分子组成，具有硅氧烷分子或者由硅氧烷分子组成，具有氟和/或自组织单层(SAM)或者由SAM组成。
优选地，保护层130既可以具有硅烷也可以具有氟。特别优选地，保护层130可以具有三氯(1H，1H，2H，2H-全氟辛基)硅烷或者由三氯(1H，1H，2H，2H-全氟辛基)硅烷组成。
三氯(1H，1H，2H，2H-全氟辛基)硅烷例如可以通过气相反应被带到气体敏感层120的传感器面120的附近。硅烷分子的沉积在气相期间在时间上受限制地进行。曝光的时间持续地越长，气体敏感层120的涂层越均匀和/或越完整。当气体敏感层120和/或传感器元件110通过保护层130已变得具有足够的疏水性时(例如当保护层130遮盖气体敏感层120的预先确定的百分比时)，亦即在整个气体敏感层120由保护层130遮盖之前，涂覆过程中断。
保护层130这样布置，使得具有待探测的气体的介质F在出现在气体敏感层120之前必须首先经过保护层130(即要么穿过保护层130本身，要么经过保护层130中的空隙)。因此，存在于介质F中的水分子可以有利地被保护层130挡住、即通过吸附到气体敏感层上来阻挡。
图2示出根据本发明的另一实施方式的气体传感器装置200的示意性详细视图。
气体传感器装置200具有传感器元件210，该传感器元件可以如关于气体传感器装置100的传感器元件110所述的那样结构化。气体敏感层210尤其也可以与ASIC 150连接和/或互连，或者可以与外部的ASIC互连，如已经关于图1详细地阐释的那样。
在图2中示出的实施方式中，气体敏感层220由氧化锡组成，这在图2中通过化学元素符号“Sn”来表明锡并且通过“O”来表明氧。在图2中还示意性地表明，具有硅和氟并且由长链的疏水性分子组成的保护层230(在图2中仅示出单个这样的分子)部分地遮盖气体敏感层220。在图2中尤其可看出，保护层230的分子键合到气体敏感层220的金属氧化物(这里：氧化锡)的一些氧原子上，而气体敏感层220的其他氧原子保持自由并且由此作为传感器元件210的活性的传感器面保留。
虽然前面已经参照优选实施例描述了本发明，但本发明不限制于此，而是能够以多种方式改型。本发明尤其能够以多种方式改变或改型，而不偏离本发明的核心。
Claims (10)
1.基于金属氧化物半导体的气体传感器装置(100；200)，具有：
带有气体敏感层(120；220)的、气体敏感的传感器元件(110；210)，该气体敏感层具有金属氧化物；和
保护层(130；230)，该保护层部分地遮盖所述传感器元件(110；210)的所述气体敏感层(120；220)；
其中，所述保护层(130；230)是疏水性的和/或与所述气体敏感层(110；210)的传感器面(120；220)共同作用地起疏水作用。
2.根据权利要求1所述的气体传感器装置(100)，其中，所述保护层(130)具有硅氧烷分子或者由硅氧烷分子组成。
3.根据权利要求1或2所述的气体传感器装置(100)，其中，所述保护层(130)具有硅烷分子或者由硅烷分子组成。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的气体传感器装置(100；200)，其中，所述保护层(130；230)具有氟。
5.根据权利要求3和4所述的气体传感器装置(100)，其中，所述保护层(130)具有三氯(1H，1H，2H，2H-全氟辛基)硅烷或者由三氯(1H，1H，2H，2H-全氟辛基)硅烷组成。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的气体传感器装置，其中，所述保护层具有自组织单层SAM或者由SAM组成。
7.用于制造基于金属氧化物半导体的气体传感器装置(100；200)的方法，具有以下步骤：
提供具有气体敏感层(120；220)的、气体敏感的传感器元件(110；210)，该气体敏感层具有金属氧化物；并且
构造保护层(130；230)，该保护层部分地遮盖所述传感器元件(110；210)的所述气体敏感层(120；220)；
其中，所述保护层(130；230)是疏水性的和/或与所述传感器元件(110；210)的所述气体敏感层(120；220)共同作用地起疏水作用。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述保护层(130；230)具有硅烷分子或者由硅烷分子组成。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述保护层(130；230)具有三氯(1H，1H，2H，2H-全氟辛基)硅烷或者由三氯(1H，1H，2H，2H-全氟辛基)硅烷组成。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，三氯(1H，1H，2H，2H-全氟辛基)硅烷通过气相反应被带到所述传感器元件(110；210)的所述气体敏感层(120；220)的附近。
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