CN110320245A - 一种气体传感器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种气体传感器及其制备方法，通过以具有优良导电性且具有可满足气体传感器工作环境所需的热稳定性和化学稳定性的材料作为基板，使得不仅可在基板上通过喷涂、旋涂、丝网印刷、电化学沉积工艺和光电化学沉积工艺等工艺沉积高结晶度的气敏层，以此提高气敏层的灵敏度，而且使得制得的所述气体传感器可在各种恶劣的环境下进行稳定地工作，有利于所述气体传感器被广泛应用在各种领域中。

Description

一种气体传感器及其制备方法
技术领域
本发明涉及气体传感器的技术领域，尤其是一种气体传感器及其制备方法。
背景技术
气体传感器用于感测多种气体的成分或浓度，应用领域相当广泛，例如应用于空气质量的监测和控制、有毒有害气体的检测、生化武器的检测和测定汽车发动机引擎的最佳燃烧效率等方面。气体检测已经成为各个领域的重要关键技术之一。由于气体传感器常常需要在恶劣的环境下工作，因此，具备高灵敏度和耐高温的气体传感器备受人们关注。
在目前的半导体气体传感器中，常常采用硅或氧化铝作为气敏膜的基板，尤其是多孔硅材料制成的基板是当前应用较多的基板。但是，硅基板的热稳定性和化学稳定性较差，难以在恶劣在环境下正常工作，增大了其实现大规模应用的难度，而氧化铝制成的基板的稳定性较好，但是其在常温状态下不导电，无法使用电化学沉积和光电化学沉积等一类可制作高度结晶的气敏层的方法来制备气敏层，气敏层的灵敏度相对较低，不利于半导体气体传感器的生产。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种气体传感器及其制备方法，来解决上述问题。
为了实现上述的目的，本发明采用了如下的技术方案：
本发明首先提供了一种气体传感器，包括基板、气敏层、第一电极和第二电极。所述基板的电阻率小于105Ω·cm，所述基板的最高的工作温度为1200℃以上，所述基板浸泡在王水溶液中时，所述基板的表面至少在48小时以内无新的缺陷产生；所述气敏层形成在所述基板上；所述第一电极连接在所述气敏层上；所述第二电极连接在所述基板或所述气敏层上。
优选地，所述基板的表面形成多个孔洞，所述气敏层填充各个所述孔洞，并在所述基板的表面形成薄膜结构。
优选地，所述基板为玻璃组合物或聚合物膜。
优选地，所述第一电极包括第一电极垫片和第一导线，所述第一导线通过所述第一电极垫片连接在所述气敏层上；所述第二电极包括第二电极垫片和第二导线，所述第二导线通过所述第二电极垫片连接在所述基板或气敏层上。
优选地，所述基板的电阻率为4×10-3Ω·cm～1×105Ω·cm。
优选地，所述气敏层为金属氧化物制成的半导体气敏膜。
本发明还提供了一种气体传感器的制备方法，包括步骤：S1、提供一个基板，所述基板的电阻率小于105Ω·cm，所述基板的最高的工作温度为1200℃，所述基板浸泡在王水溶液中48小时以上时，仍可保持所述基板的表面无新的缺陷产生；S2、应用喷涂、旋涂、丝网印刷、电化学沉积工艺和光电化学沉积工艺中任一种工艺在所述基板上制作气敏层；S3、在所述气敏层上制作第一电极；S4、在所述基板或气敏层上制作第二电极。
优选地，所述步骤S2中，先对所述基板进行处理，使所述基板的表面形成多个孔洞。
优选地，所述步骤S2中，应用刻蚀工艺对所述基板进行处理，使所述基板的表面形成多个孔洞。
本发明提供的一种气体传感器的制备方法，以可导电的材料作为基板，使得可在基板上通过电化学沉积工艺或光电化学沉积工艺沉积高结晶度的气敏层，由此提高了制得的气敏层的灵敏度，有利于所述气体传感器进行大规模生产，而且所述基板选用的材料具有优良热稳定性和化学稳定性，使得制得的气体传感器能在各种恶劣的环境下进行稳定地工作。
附图说明
图1是本发明实施例提供的气体传感器的一种实施方式对应的结构示意图；
图2是图1中的气体传感器的剖视图；
图3是本发明实施例提供的气体传感器的另一种实施方式对应的结构示意图；
图4是图3中的气体传感器的剖视图；
图5是本发明实施例提供的气体传感器的制备方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。这些优选实施方式的示例在附图中进行了例示。附图中所示和根据附图描述的本发明的实施方式仅仅是示例性的，并且本发明并不限于这些实施方式。
在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了关系不大的其他细节。
参阅图1-图4所示，本发明实施例提供了一种气体传感器，包括基板1、气敏层2、第一电极3和第二电极4。其中，所述基板1的电阻率小于105Ω·cm，所述基板1的最高的工作温度为1200℃，所述基板1浸泡在王水溶液中时，所述基板1的表面至少在48小时以内无新的缺陷产生。所述气敏层2形成在所述基板1上。所述第一电极3连接在所述气敏层2上。所述第二电极4连接在所述基板1或所述气敏层2上。
相较于现有技术中采用硅或氧化铝作为基板1的方案而言，本实施例提供的气体传感器有着各种优点，其中，上述气体传感器采用导电性良好的材料制成基板1，使得可在所述基板1上采用电化学沉积工艺或光电化学沉积工艺沉积高结晶度的气敏层2，凭借高结晶度的气敏层2的多个感测面来提高气体传感器的灵敏度，且有利于所述气体传感器进行大规模生产。另一方面，所述气体传感器的基板1采用的材料具有满足气体传感器应用所需的良好热稳定性和化学稳定性，使得所述气体传感器能在各种恶劣的环境下稳定地进行工作。
在本实施例中，所述气体传感器的基板1可选用例如是玻璃组合物或聚合物膜等材料制成，玻璃组合物和聚合物膜材料均具有高化学稳定性、热稳定性和机械稳定性，而且这些材料均具备独特的光学和电学性质，其电阻率相对较低，可满足在所述基板1上采用电化学沉积工艺或光电化学沉积工艺沉积高结晶度的气敏层2的需求。
作为所述基板1的一种实施方式，所述基板1的表面为平整的平面结构。
作为所述基板1的另一种实施方式，所述基板1的表面形成多个孔洞11，形成多孔结构，所述气敏层2覆盖于所述多孔结构上，所述气敏层2填充各个所述孔洞11。所述气敏层2与各个所述孔洞11的孔壁之间形成异质结，所述基板1的表面形成的孔洞11增加了所述基板1和所述气敏层2之间的接触面积，能提高所述气体传感器的灵敏度，并且能使所述基板1和所述气敏层2之间的连接更为稳固。实际应用过程中，根据不同的需求，所述基板1的表面还可设计为其他各种形状的结构。
示例性地，所述气体传感器还包括用于加热所述气敏层2的加热部，所述加热部通过所述基板1加热所述气敏层2和四周待测的目标气体，所述加热部设置在所述基板1上与所述气敏层2相对的一侧。
在本实施例中，所述第一电极3包括第一电极垫片31和第一导线32，所述第一导线32通过所述第一电极垫片31连接在所述气敏层2上；所述第二电极4包括第二电极垫片41和第二导线42，所述第二导线42通过所述第二电极垫片41连接在所述基板1或气敏层2上。
作为所述气体传感器的一种实施方式，当所述第二电极4连接在所述基板1上时，所述气体传感器形成侧电极气体传感器。在所述侧电极气体传感器中，所述基板1与所述气敏层2之间形成异质结结构，相比于下述的顶电极气体传感器，更有利于提高制得的气体传感器的气敏性能。
作为所述气体传感器的另一种实施方式，当所述第二电极4连接在所述气敏层2上时，所述气体传感器形成顶电极气体传感器。在所述顶电极气体传感器中，所述第一电极3和第二电极4之间的气敏层形成异质结结构。
具体地，所述气敏层2为金属氧化物制成的半导体气敏膜。
如图5所示，本实施例提供了一种气体传感器的制备方法，包括步骤：
S1、提供一个基板1。其中，所述基板1的电阻率小于105Ω·cm，所述基板1的最高的工作温度为1200℃以上，所述基板1浸泡在王水溶液中时，所述基板1的表面至少在48小时以内无新的缺陷产生；
S2、应用喷涂、旋涂、丝网印刷、电化学沉积工艺和光电化学沉积工艺中任一种工艺在所述基板1上制作气敏层2；
具体地，所述步骤S2中，先对所述基板1进行处理，使所述基板1的表面形成多个孔洞11，然后应用电化学沉积工艺、光电化学沉积工艺、喷涂、旋涂、丝网印刷中任一种工艺在所述基板1的表面上沉积气敏层2，使所述气敏层2填充各个所述孔洞11。
示例性地，通过刻蚀工艺对所述基板1进行处理，使所述基板1的表面形成具有多个凹陷的孔洞11的多孔结构，然后在所述基板1的表面上沉积气敏层2，使所述气敏层2覆盖所述多孔结构，并填充各个所述孔洞11，并在所述基板1的表面形成薄膜结构。
在本实施例中，通过控制沉积的电化学参数和沉积时间，所述气敏层2的厚度可控制为单分子层的厚度到微米级的厚度。
更具体地，采用刻蚀工艺对所述基板1进行处理，使所述基板1的表面形成多个所述孔洞11。
S3、在所述气敏层2上制作第一电极3；
具体地，所述步骤S3中，通过采用丝网印刷工艺或涂覆工艺在所述气敏层2上设置第一电极垫片31，并在所述第一电极垫片31上焊接第一导线32，制成所述第一电极3。
S4、在所述基板1或气敏层2上制作第二电极4。
具体地，所述步骤S4中，通过在所述基板1或气敏层2上采用丝网印刷工艺或涂覆工艺设置第二电极垫片41，并在所述第二电极垫片41上焊接第二导线42，制成所述第二电极4。至此完成所述气体传感器的核心部件的制作，再为上述气体传感器安装外壳以进行封装即可。
本发明实施例提供的一种气体传感器及其制备方法中，利用了所述基板1的可导电性，使得可以在所述基板1上通过电化学沉积工艺或光电化学沉积工艺沉积高结晶度的气敏层2，提高了气敏层2的灵敏度，且有利于所述气体传感器进行大规模生产，而且所述气体传感器选用如玻璃组合物或聚合物膜等材料制成的具有优良热稳定性、化学稳定性和机械稳定性的基板1，使得所述气体传感器能在各种恶劣的环境下进行稳定地工作。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (9)

1.一种气体传感器，其特征在于，包括：
基板(1)，所述基板(1)的电阻率小于105Ω·cm，所述基板(1)的最高的工作温度为1200℃，所述基板(1)浸泡在王水溶液中时，所述基板(1)的表面至少在48小时以内无新的缺陷产生；
气敏层(2)，所述气敏层(2)形成在所述基板(1)上；
第一电极(3)，所述第一电极(3)连接在所述气敏层(2)上；
第二电极(4)，所述第二电极(4)连接在所述基板(1)或所述气敏层(2)上。
2.根据权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，所述基板(1)的表面形成多个孔洞(11)，所述气敏层(2)填充各个所述孔洞(11)，并在所述基板(1)的表面形成薄膜结构。
3.根据权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，所述基板(1)为玻璃组合物或聚合物膜。
4.根据权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，所述第一电极(3)包括第一电极垫片(31)和第一导线(32)，所述第一导线(32)通过所述第一电极垫片(31)连接在所述气敏层(2)上；所述第二电极(4)包括第二电极垫片(41)和第二导线(42)，所述第二导线(42)通过所述第二电极垫片(41)连接在所述基板(1)或气敏层(2)上。
5.根据权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，所述基板(1)的电阻率为4×10-3Ω·cm～1×105Ω·cm。
6.根据权利要求1-5任一所述的气体传感器，其特征在于，所述气敏层(2)为金属氧化物制成的半导体气敏膜。
7.一种气体传感器的制备方法，其特征在于，包括步骤：
S1、提供一个基板(1)，所述基板(1)的电阻率小于105Ω·cm，所述基板(1)的最高的工作温度为1200℃，所述基板(1)浸泡在王水溶液中时，所述基板(1)的表面至少在48小时以内无新的缺陷产生；
S2、应用喷涂、旋涂、丝网印刷、电化学沉积工艺和光电化学沉积工艺中任一种工艺在所述基板(1)上制作气敏层(2)；
S3、在所述气敏层(2)上制作第一电极(3)；
S4、在所述基板(1)或气敏层(2)上制作第二电极(4)。
8.根据权利要求7所述气体传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中，先对所述基板(1)进行处理，使所述基板(1)的表面形成多个孔洞(11)。
9.根据权利要求8所述气体传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中，应用刻蚀工艺对所述基板(1)进行处理，使所述基板(1)的表面形成多个孔洞(11)。
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