CN113495089B - 气体感测材料与气体传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种气体感测材料与气体传感器。所述气体感测材料包括n型MoOx基体与多个p型MoNyOz突起物，p型MoNyOz突起物分布在所述n型MoOx基体的表面，其中0<x<3、0.01<y<2且0.01<z<2。所述气体传感器则包括第一电极、第二电极以及介于第一与第二电极之间的至少一感测结构。所述感测结构是由多个所述的气体感测材料组成。
Description
技术领域
本发明是有关于一种气体感测技术，且特别是有关于一种气体感测材料与气体传感器。
背景技术
由于近几年科技与技术的精进，使得智能装置普及化，而科技化后的产品则越来越趋向于三大方向，智能化、自动化以及云端化；小如一台基本的智能手机，内部却已经有诸多的传感器整合其中，大至一辆电动车，可将传感器的效能发挥至极致，带给人们的是全自动化驾驶的体验。
各种类型的传感器已经被应用在不同的领域中，以半导体吸附式气体传感器为例，是利用金属化合物表面吸附气体含量多寡时产生的电性变化，来监测气体的浓度变化。
然而，这类的气体传感器常见的缺点是对气体的灵敏度(Sensitivity)、选择性(Selectivity)及稳定性(Stability)不佳。现有气体传感器在常温下的对气体的灵敏度不佳，因此需要另外设置加热器，但因气体传感器若长期处于高温将容易发生故障失效，因此，气体传感器需进一步改良，使其不需另外设置加热器，也能具有对气体良好的灵敏度、选择性及稳定性。
发明内容
本发明提供一种气体感测材料(gas sensing material)，能有效提升导电性并且改善感测的反应速度与回复时间(response time)。
本发明另提供一种气体传感器(gas sensor)，具有上述气体感测材料，因此具有灵敏度高、反应速度快与回复时间短的效果。
本发明的气体感测材料包括n型MoOx基体与多个p型MoNyOz突起物，所述多个p型MoNyOz突起物分布在所述n型MoOx基体的表面，其中0<x<3、0.01<y<2且0.01<z<2。
在本发明的一实施例中，上述气体感测材料可为线型(wire)结构、棒状(rod)结构和一维结构中的一种。
在本发明的一实施例中，上述气体感测材料的载体长度在1μm～50μm。
在本发明的一实施例中，上述多个p型MoNyOz突起物均匀分布在上述n型MoOx基体的整个表面。
在本发明的一实施例中，上述多个p型MoNyOz突起物在所述n型MoOx基体的表面上的分布密度是20个/μm2～200个/μm2。
在本发明的一实施例中，上述多个p型MoNyOz突起物在所述n型MoOx基体的表面上的平均粒径是1nm～10nm。
本发明的气体传感器包括第一电极、与所述第一电极相隔一距离的第二电极以及至少一感测结构。所述感测结构是由多个上述气体感测材料所组成。所述感测结构介于第一电极与第二电极之间，并与第一电极与第二电极直接接触。
在本发明的另一实施例中，上述第一电极与上述第二电极之间的距离例如在1μm～1000μm之间。
在本发明的另一实施例中，上述第一电极与上述第二电极包括指叉状电极。
在本发明的另一实施例中，上述气体传感器包括电阻式传感器或电容式传感器。
在本发明的另一实施例中，上述气体传感器的操作温度为室温。
基于上述，本发明使用具有氧缺陷的n型氧化钼基体搭配氮原子置换钼氧化物中之氧原子的p型氮氧化钼的表面突起物，作为气体感测材料。首先，由于氧缺陷可降低能隙，进而有效的提升材料的导电性。第二，由于氮原子的置入，使得钼金属的化学价态降低，状态亦较为稳定，因而使得基础电阻值相较于氧化钼更为稳定。因此，具有上述气体感测材料的气体传感器对于气体(如乙醇)的反应速度与回复时间可大幅提升。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附图式作详细说明如下。
附图说明
图1是依照本发明的一实施例的一种气体感测材料的剖面示意图。
图2A是图1的气体感测材料在未吸附气体时的电特性示意图。
图2B是图1的气体感测材料在吸附气体后的电特性示意图。
图3是依照本发明的另一实施例的一种气体传感器的剖面示意图。
图4是本发明的一实施例的气体传感器的灵敏度曲线图。
符号说明
100：气体感测材料；
102：n型MoOx基体；
102a：表面；
104：p型MoNyOz突起物；
200：电子传输通道；
202：空乏层；
300：基板；
302：第一电极；
304：第二电极；
306：感测结构；
d：粒径；
L：载体长度；
S：距离。
具体实施方式
以下实施例中所附的图式是为了能更完整地描述本发明的实施例，然而本发明仍可使用许多不同的形式来实施，不限于所记载的实施例。此外，为了清楚起见，各个区域或膜层的相对厚度、距离及位置可能缩小或放大。另外，在图式中使用相似或相同的元件符号表示相似或相同的部位或特征的存在。
图1是依照本发明的一实施例的一种气体感测材料的剖面示意图。
请参照图1，本实施例的气体感测材料100包括n型MoOx基体102与多个p型MoNyOz突起物104，其中0<x<3、0.01<y<2且0.01<z<2。p型MoNyOz突起物是分布在n型MoOx基体102的表面102a，在本实施例中的p型MoNyOz突起物104均匀分布在n型MoOx基体102的整个表面102a，然而本发明并不限于此；在另一实施例中，p型MoNyOz突起物104可分布在n型MoOx基体102的局部表面102a。由于n型MoOx基体102的x小于3表示氧化钼(MoO3)具有氧缺陷，可使得材料的能隙降低，能使电子从价电态更易于跳到导电态，导致n型MoOx基体102具有比氧化钼更高的导电性，且x的数值可根据待测气体的种类而调整。
在一实施例中，上述多个p型MoNyOz突起物104在n型MoOx基体102的表面102a上的分布密度例如是2个/μm2～200个/μm2。另外，p型MoNyOz突起物104在n型MoOx基体102的表面102a上的平均粒径d可为1nm～10nm。p型MoNyOz突起物104是将氮原子置入有氧缺陷的氧化钼，使得钼金属的化学价态降低，状态亦较为稳定，因而使得基础电阻值相较于MoOx更为稳定，且氮的比例决定了气体感测材料100表面可接多少氧，所以也可根据待测气体的种类而调整y和z的数值。
在一实施例中，气体感测材料100可为线型(wire)结构、棒状(rod)结构或者一维结构。虽然气体感测材料100的空间结构是三维的，但是文中的「一维结构」应理解为气体感测材料100在单一方向上的长度远大于其在一正交方向(orthogonaldirection)上的尺寸。在一实施例中，气体感测材料100的载体长度L例如在1μm～50μm之间。
图2A是图1的气体感测材料在未吸附气体时的电特性示意图；图2B是图1的气体感测材料在吸附气体后的电特性示意图。
请先参照图2A，当图1的气体感测材料100暴露于空气中时，n型MoOx基体102内部会形成电子传输通道(Conduction channel)200并于n型MoOx基体102表面102a形成空乏层202，且p型MoNyOz突起物104的存在会使其下上方的空乏层202往下方扩大，导致电子传输通道200与空乏层202之间的界面呈现云朵状。
请参照图2B，当图1的气体感测材料100暴露于待测气体(如乙醇气体)时，乙醇中的氧会快速与电洞结合，因而造成空乏层202快速地缩小，使得电子传输通道200瞬间增大，而导致电阻快速降低、阻值下降，进而提升气体感测的灵敏度，且不需要加热即可在室温进行感测。
图3是依照本发明的另一实施例的一种气体传感器的剖面示意图，其中使用上一实施例的元件符号来表示相同或类似的构件，且相同的构件的说明可参照上述的相关内容，于此不再赘述。
请参照图3，本实施例的气体传感器可制作在一个基板300上，包括第一电极302、与第一电极302相隔一距离S的第二电极304以及感测结构306，其中感测结构306是由多个上述气体感测材料100所组成，且气体传感器的操作温度可为室温。所述感测结构306介于第一电极302与第二电极304之间，并与第一电极302与第二电极304直接接触。而感测结构306的制作例如(但不限于)先将预定量的气体感测材料100与分散剂或/及溶剂混合成涂料，再藉由例如喷涂法、旋涂法、网印法等方式涂布于第一电极302与第二电极304之间或其表面，然后高温下去除溶剂，而得到感测结构306。在一实施例中，第一电极302与第二电极304之间的距离S例如在1μm～1000μm之间。第一电极302与第二电极304例如指叉状电极或直条式电极。上述基板300可以是印刷电路板(PCB)，且第一电极302与第二电极304可为印刷电路板的电路，然而本发明并不限于此，基板300也可以是硅基板或陶瓷基板。另外，本实施例的气体传感器可以是电阻式传感器或是电容式传感器。电阻式传感器的感测原理主要是利用与第一电极302以及第二电极304接触的感测结构306在吸附气体时，感测结构306的电阻所发生的对应变化而进行量测；电容式传感器的感测原理则是利用感测结构306吸附到气体分子时，介电系数会发生改变而改变其电容值以进行量测。
图4是本发明的一实施例的气体传感器的灵敏度曲线图，其是在不加热(室温)的情况下，每次间隔100秒进行100秒的不同乙醇气体浓度(400ppm、500ppm、600ppm、800ppm、1000ppm)的感测结果。从图4可得到，回复时间极短，几乎通入气体的同时ΔR/R就直接往下掉，且灵敏度(ΔR/R)随气体浓度增加可达到-10％左右。相较下，若是使用氧化钼(MoO3)作为气体感测材料，在同样感测条件下的灵敏度顶多接近-1％，因此以上本发明的气体传感器的实施例确实具有优异的感测灵敏度。
综上所述，本发明的气体感测材料是使用具有氧缺陷的n型氧化钼基体搭配表面的p型氮氧化钼的表面突起物，因为氧缺陷能改善材料导电性，且以氮原子部分置换钼氧化物中的氧原子的p型氮氧化钼也能提升气体吸附能力，进而大幅增进灵敏度，而不需要另外加热即可达到气体感测的效果。
虽然本发明已以实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中的相关技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围当视前述的权利要求书范围所界定者为准。
Claims (12)
1.一种气体感测材料，其特征在于，包括：
一n型MoOx基体，0<x<3；以及
多个p型MoNyOz突起物，分布在所述n型MoOx基体的表面，其中0.01<y<2且0.01<z<2。
2.根据权利要求1所述的气体感测材料，其特征在于，所述气体感测材料为线型结构或棒状结构。
3.根据权利要求1所述的气体感测材料，其特征在于，所述气体感测材料为一维结构。
4.根据权利要求1所述的气体感测材料，其特征在于，所述气体感测材料的载体长度在1μm～50μm之间。
5.根据权利要求1所述的气体感测材料，其特征在于，所述多个p型MoNyOz突起物均匀分布在所述n型MoOx基体的整个所述表面。
6.根据权利要求1所述的气体感测材料，其特征在于，所述多个p型MoNyOz突起物在所述n型MoOx基体的表面上的分布密度是2个/μm2～200个/μm2。
7.根据权利要求1所述的气体感测材料，其特征在于，所述多个p型MoNyOz突起物在所述n型MoOx基体的表面上的平均粒径是1nm～10nm。
8.一种气体传感器，其特征在于，包括：
第一电极；
第二电极，与所述第一电极相隔一距离；以及
至少一感测结构，介于所述第一电极与所述第二电极之间，并与所述第一电极与所述第二电极直接接触，其中所述感测结构是由多个如权利要求1至6中任一项所述的气体感测材料组成。
9.根据权利要求8所述的气体传感器，其特征在于，所述第一电极与所述第二电极之间的所述距离在1μm～1000μm之间。
10.根据权利要求8所述的气体传感器，其特征在于，所述第一电极与所述第二电极包括指叉状电极。
11.根据权利要求8所述的气体传感器，其特征在于，所述气体传感器包括电阻式传感器或电容式传感器。
12.根据权利要求8所述的气体传感器，其特征在于，所述气体传感器的操作温度为室温。
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