CN114324494B - 一种半导体薄膜气体传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种半导体薄膜气体传感器，包括：由金属氧化物构成的半导体薄膜，其包括第一表面和第二表面，其中第一表面能够与待测气体接触并使得所述半导体薄膜的电阻值改变；测试电极，其用于连接所述半导体薄膜以形成导电通路；加热电极，其布置在所述半导体薄膜的第二表面附近以将其加热到工作温度；交流电源，其连接到所述加热电极以对其以预定交流频率供电，其中半导体薄膜在所述预定交流频率下的气体响应数值大于其在所述预定交流频率之外的气体响应数值。该半导体薄膜气体传感器气体响应值显著增加，传感器启动初始所需的稳定时间大幅减少，能耗降低并且整体使用寿命延长。
Description
技术领域
本发明涉及气敏传感器领域，具体涉及一种半导体薄膜气体传感器。
背景技术
半导体气体传感器被广泛用于检测气体样品的成份(即微量物质含量)，其工作原理是：一定浓度的待测物与气敏半导体表面接触、并在表面发生化学反应，从而改变气敏半导体材料的电阻(或产生反应电流)。其具有广泛的应用前景，例如应用到天然气泄露报警、实验室有毒气体泄露报警、烟雾报警、酒精浓度检测等等。
为了提高气体传感器的灵敏度、稳定性等性能，通常的做法是改进气敏半导体材料的物理性质。如提升比表面积，改变形貌，或贵金属掺杂。但这些方法对灵敏度的提升有限。
同时，目前构成气敏半导体的金属氧化物所需的工作温度较高，使用时需要由装置的内置电池以直流电加热电阻丝以将气敏半导体加热到最佳工作温度。然而这一加热过程中电阻趋于稳定所需的稳定时间通常长达十几分钟至数十分钟，效率低下；同时，由于整个测试时间较长，发热功率过大，大大降低了内置电池使用寿命。因此需要更长寿命以及更高效率的半导体气体传感器。
发明内容
针对现有技术存在的上述技术问题，
本发明的第一方面提供了一种半导体薄膜气体传感器。一种半导体薄膜气体传感器，包括：
由金属氧化物构成的半导体薄膜，其包括第一表面和第二表面，其中所述第一表面能够与待测气体接触并使得所述半导体薄膜的电阻值改变；
测试电极，其用于连接所述半导体薄膜以形成导电通路；
加热电极，其布置在所述半导体薄膜的第二表面附近以将其加热到工作温度；
交流电源，其连接到所述加热电极以对其以预定交流频率供电，其中所述半导体薄膜在所述预定交流频率下的气体响应数值大于其在所述预定交流频率之外的气体响应数值。
优选地，所述半导体薄膜为三氧化钨纳米片。
优选地，所述的半导体薄膜气体传感器还包括控制模块，所述控制模块根据所述半导体薄膜的所述工作温度而控制所述交流电源输出所述预定交流频率的交流电力，其中所述工作温度在100℃至400℃范围内，所述预定交流频率小于等于16.0Hz。
优选地，当所述半导体薄膜的工作温度在190℃至210℃区间内时，所述交流电源输出1.0Hz-3.0Hz的交流电；
当所述工作温度在240℃至260℃区间时，所述交流电源输出7.0Hz-10.0Hz的交流电；
当所述工作温度在290℃至310℃区间时，所述交流电源输出2.0Hz-5.0Hz的交流电；或者
当所述工作温度在340℃至360℃区间时，所述交流电源输出7.0Hz-16.0Hz的交流电。
优选地，当所述半导体薄膜的工作温度为200℃时，所述交流电源输出2.0Hz±10％范围内的正弦交流电；当所述工作温度为250℃时，所述交流电源输出8.0Hz±10％范围内的正弦交流电；当所述工作温度为300℃时，所述交流电源输出4.0Hz±10％范围内的正弦交流电；或者当所述工作温度为350℃时，所述交流电源输出8.0Hz±10％范围内的正弦交流电。
优选地，所述半导体薄膜气体传感器还包括：布置在所述测试电极和所述加热电极之间的第一绝缘层和在所述加热电极的另一侧依次布置的支撑层、第二绝缘层和具有厚度的硅衬底；其中
所述第一绝缘层使得所述测试电极和所述加热电极电隔离；
所述支撑层采用硬质材料，其熔点高至能够支撑所述加热电极在加热状态不发生塌陷；
所述第二绝缘层用于将所述加热电极与外部电隔离；
所述硅衬底的一侧与所述第二绝缘层接合，其另一侧的中部具有与所述半导体薄膜布置位置重合的凹入区域。
优选地，所述半导体薄膜气体传感器的所述测试电极包括相对布置的第一电极部和第二电极部，所述第一电极部具有延伸的第一叉指电极部，所述第二电极部具有延伸的第二叉指电极部，所述第一叉指电极部和所述第二叉指电极部相向延伸并交错分布；以及
所述半导体薄膜与所述第一叉指电极部、所述第二叉指电极部耦合并形成所述导电通路。
优选地，所述加热电极在其与所述半导体薄膜布置位置重合的区域具有蛇行往复状延伸的电阻丝。
优选地，所述第一绝缘层、第二绝缘层和支撑层中的一个由二氧化硅或氮化硅构成；或者所述硅衬底由单晶硅构成。
本发明的另一方面提供一种标定待测气体成分的方法，其采用前述任一项所述的半导体薄膜气体传感器，使得所述半导体薄膜被加热到工作温度并与待测气体接触以发生电阻值变化，根据所述电阻值变化标定所述待测气体成分；其中
对加热电极施加交流电以将所述半导体薄膜加热到所述工作温度前，根据所述半导体薄膜的所述工作温度测定对所述加热电极所施加交流电的目标电压和目标交流电频率，包括：
根据所述半导体薄膜的工作温度确定应当施加到所述加热电极的目标电压；
将不同频率的所述目标电压的交流电施加到所述加热电极并获取所述半导体薄膜针对所述待测气体的气体响应数值范围，确定所述气体响应数值范围中的最高气体响应数值对应的交流电频率以作为所述目标交流电频率。
根据本发明的半导体薄膜气体传感器对加热电极施加特定范围的交流电力，气体响应值相对直流电力加热方式有显著增加，传感器启动初期所需的稳定时间大幅减少，同时其能耗降低使得用于供电的电池寿命明显提升，因此其整体使用寿命延长，具有较好的成本效益。
附图说明
以下参照附图对本发明实施例作进一步说明，其中：
图1是根据本发明一个优选实施例的一种半导体薄膜气体传感器的剖面结构示意图；
图2示出了图1中沿着箭头A1观察的测试电极的示意图；
图3示出了图1中沿着箭头A1观察的仅保留测试电极与加热电极的示意图；
图4示出了加热电极分别由相同电压的直流电流和交流电流加热时对应的半导体薄膜的阻值；
图5至图12示出了对加热电极施加不同电压的交流电时，交流电频率与响应信号的关系。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图通过具体实施例对本发明进一步详细说明。
需要说明的是，为了突出叙述重点，在本发明各个实施例中均未详细说明对控制以执行的模块。基于本文的教导，本领域技术人员将容易明白如何实现该模块。
图1是根据本发明一个优选实施例的一种半导体薄膜气体传感器的剖面结构示意图。半导体薄膜气体传感器1大致为长方体状，包括位于上表面的半导体薄膜11，被布置为与其融合在同一层中的测试电极12，以及依次位于半导体薄膜11和测试电极12所在层的下方的第一绝缘层13、加热单元14、支撑层15、第二绝缘层16和衬底17。其中，第一绝缘层13和第二绝缘层16用于保证测试电极12和加热单元14彼此之间以及各自与外界电绝缘。支撑层15采用化学性质不活泼的耐高温硬质材料，其熔点足够高，用于在高温环境下支撑加热单元14使其不至于塌陷或变形。衬底17大致为长方体状，并且其下端表面的中部具有凹入的平面，形成长方体空腔区域，该凹入区域与半导体薄膜气体传感器1的上端表面的半导体薄膜11的布置位置重合，用于增强隔热效果以降低半导体薄膜11附近的散热速度。
图2示出了图1中沿着箭头A1观察的测试电极12的示意图。测试电极12包括相对布置的第一电极部121和第二电极部122，以及分别从其延伸的第一叉指电极部123和第二叉指电极部124。半导体薄膜11被布置为至少部分地填充或覆盖在测试电极12周围以使得第一叉指电极部123和第二叉指电极部124通过所述半导体薄膜11电连接。所述两个叉指电极部的自由端为叉指状并且相互交叉靠近，但彼此保留足够距离以避免不经过所述半导体薄膜11的电连接。因此当测试电极12的第一电极部121和第二电极部122分别与外部电路连接时，测试电极12与半导体薄膜11形成导通回路。尽管图中仅示出了两个分叉状的叉指电极部，但是其他数量和形式的电极部也是允许的。
图3示出了图1中沿着箭头A1观察的仅保留测试电极12与加热电极14的示意图。加热电极14包括第三电极部141和第四电极部142，以及连接在两者之间的发热丝143，由于发热丝143位于半导体薄膜与叉指电极部所在层下方的层，因此图中以虚线形式示出发热丝143。其中，发热丝143以蛇行状的往复折返路径延伸，以尽可能均匀地加热其上方的半导体薄膜11所在区域，但发热丝143还可以采用其他类似的延伸方式而不受附图中的举例限制。当第三电极部141和第四电极部142分别与外部电源连通时，由于预定的电流通过发热丝143而使其发热并以预定的功率加热其上方的半导体薄膜11。在本实施例中，半导体薄膜11采用N型半导体三氧化钨(WO3)纳米片，其面积至少覆盖衬底17的凹入镂空区域；测试电极12采用金(Au)电极；加热电极14采用铂(Pt)电极；第一、第二绝缘层和支撑层均采用二氧化硅(SiO2)层，这些层还可以例如替换为氮化硅(Si3N4)等；衬底17采用单晶硅材料。
在本实施例中，测试电极12与外部的测试模块以及直流电源连接，测试模块能够获得半导体薄膜11中的电阻变化数值。加热电极14与外部的可控交流电源连接，可控交流电源能够按照预定交流电频率和电压对加热电极14供电。通常可以将半导体薄膜例如三氧化钨薄膜加热至100℃至400℃之间的工作温度。
下面举例说明半导体薄膜气体传感器1的一种优选制作方法。准备好一个已经布置有上述测试电极、第一绝缘层、加热电极、支撑层、第二绝缘层和硅衬底的芯片，取三氧化钨(WO3)粉末10毫克，与10毫升的松油醇混合，在研钵(例如玛瑙研钵)中研磨3-5分钟使其均匀混合。之后取一个干净毛刷或毛笔，蘸取少量上述混合物并且均匀涂在芯片的测试电极的叉指电极部表面。将涂覆有该三氧化钨与松油醇混合物的芯片整体通风12小时直至松油醇完全挥发，此时测试电极的叉指电极部表面仅留下该混合物。取少量银胶于芯片基座的中心，之后将该芯片固定在涂有银胶的该芯片基座上，并在110℃的加热板上静置10分钟左右，使得芯片完全固定。在用超声引线仪将芯片的加热电极与测试电极分别连入接芯片座的引脚以使其能够电连接。这样，一个半导体薄膜气体传感器1便制备完成。
下面说明半导体薄膜气体传感器1的工作原理。为了降低发热丝由于直流加热引起的电池快速损耗，发明人测试了使用交流电对加热电极进行加热的实验，结果令人惊讶地发现对于半导体薄膜材料，当在加热电极上通入交流电力时，会引起在半导体薄膜材料上电阻周期性变化，而这一情况下当半导体薄膜材料与待测气体接触并对其吸附时，其电阻变化(即相对于在空气中的电阻的变化)比通常的直流加热所对应的电阻变化更大。因此发明人进一步测试并确定了不同工作温度下的半导体薄膜对应的交流电频率与气体响应数值的对应关系。
半导体薄膜气体传感器的测量过程如下文所述。首先由加热电极14将半导体薄膜11加热到预定工作温度。在预定工作温度下，当外部直流电源、测试电极12与半导体薄膜11形成导通回路后，半导体薄膜11在回路中具有的电阻为测试电阻R1。将半导体薄膜气体传感器1置于待测气体环境中，由于构成半导体薄膜11的三氧化钨(WO3)纳米片具有气体敏感性，其与靠近传感器1上表面的待测气体作用后，会与表面的吸附氧发生反应，引起电荷层变化，从而使测试电阻Rg发生变化，通过该变化能够标度出气体样品的成份(即微量物质含量)。其中，测试电阻Rg的变化由气体响应值S定义，气体响应值S＝Ra/Rg，Ra为半导体薄膜气体传感器1在空气环境下测得的半导体薄膜11电阻值。所述电阻值均通过对一定电压下的电流数值的测定而获得。通常认为气体响应值S越大，半导体薄膜11对待测气体的敏感性越高，因此对气体样品的成份标度精确度越高。
在本实施例中示例性的采用浓度为10ppm的硫化氢(H2S)气体作为待测气体，对测试电极12施加0.35至0.38伏特范围内的固定直流电压，并采用MODEL-SR570电流放大器收集半导体薄膜11上的电流。在加热电极14将半导体薄膜11加热到预定工作温度的过程中，采用交流电源作为加热电极14的电源，所述交流电源能够控制输出电压和交流频率。交流电源典型的输出电压例如为0至10伏，更优选为0至5伏。本实施例还测试了对加热电极14施加相同电压的直流电以作为对照。
图4示出了加热电极14由2.69伏直流电流(图4(a)部分)和交流电流(图4(b)、(c)、(d)部分)加热时对应的半导体薄膜11的阻值对比。首先由直流电源对加热电极14供电，将半导体薄膜气体传感器1放置在包含空气环境的密封测试腔中，对加热电极14通电加热并通过电流放大器实时获取半导体薄膜11上的对应于空气环境的电阻值Ra，如(a)部分所示，此过程中电阻值随着温度升高缓慢增大直至稳定到Ra，这段时间称为稳定时间(0至大约800秒时间段)；接着迅速将浓度为10ppm的硫化氢气体泵入密封测试腔中以完全替换其中的空气，半导体薄膜11上的三氧化钨材料与硫化氢气体发生反应后电阻将显著下降，获取该下降后的电阻值Rg，Rg所维持的时间称为响应时间。接着再次由空气填充密封测试腔以将硫化氢气体排出，半导体薄膜11上的电阻从Rg升高到Ra，该升高过程所用时间称为恢复时间。图4中示出了多个这样的重复测试过程。
图4的(b)、(c)、(d)部分测试数据证实了本发明的半导体薄膜气体传感器1采用交流电的有益技术效果，其中用频率为0.2Hz、1.0Hz和8.0Hz的交流电输入加热电极14。与采用直流电加热的现有技术不同的是，半导体薄膜11上的电阻非常快地提升到较高电阻值并稳定(如坐标轴左侧的第一个曲线顶峰所示)，但其所测得的电阻值Ra在一定范围内存在跳变，即电阻跨度较大，因此在图4的(b)、(c)两部分中密集跳变的电阻值大致在曲线的峰顶形成一系列黑色块区域(如(c)部分左侧第一个峰的2.5M至3.5M阻值区间内)。然而，三种交流电频率下都显示出的一个有利技术效果在于，气体传感器启动后所必须经历的稳定时间均被大大缩短。经过发明人多次试验，在其他条件不变情况下，稳定时间例如能够从现有技术中常见的10至15分钟(甚至更高)降低到3分钟以下，而且这样的效果不限于某种特定待测气体而是具有普遍性。
图5至图12示出了对加热电极14施加不同电压的正弦交流电频率与响应信号的关系。其中，对于图5至图12中的每一个，0.0Hz代表直流电对应的响应信号值，并且在测试电极12接入的用来测试半导体薄膜11电阻的测试电压为0.35V。其中每一个图中包括了5至10次测量结果。
图5和图6示出了对加热电极14施加电压为1.98V对应的测试结果，该电压对应半导体薄膜11的工作温度为200℃附近。图5表明在0.1-1.0Hz内，在低频下的气体响应高于直流下的气体响应；图6表明在0-16.0Hz内，在2.0Hz附近(例如在2.0Hz±10％范围内)有最高气体响应值，因此在190℃至210℃区间，优选的正弦交流电频率设定在例如1.0-3.0Hz。且在高频下气体响应减少到与直流气体响应值接近。
图7和图8示出了对加热电极14施加电压为2.39V对应的测试结果，该电压对应半导体薄膜11的工作温度为250℃附近。图7表明在0.1-1.0Hz内，在低频下的气体响应高于直流下的气体响应，在0.4Hz有最高气体响应值；图8表明在0-16.0Hz内，在8.0Hz附近(例如在其正负10％范围内)有最高气体响应值。因此在240℃至260℃区间，优选的正弦交流电频率设定在例如7.0-10.0Hz。
图9和图10示出了对加热电极14施加电压为2.69V对应的测试结果，该电压对应半导体薄膜11的工作温度为300℃附近。图9表明在0-1.0Hz内，在低频下的气体响应值高于直流气体响应值,在1.0Hz下有最大值。在0-16.0Hz内，其在4.0Hz附近(例如在其正负10％范围内)有最高气体响应值。在之后随着频率增加，高频下气体响应值呈降低趋势。因此在290℃至310℃区间优选的正弦交流电频率设定在例如2.0-5.0Hz。
图11和图12示出了对加热电极14施加电压为3.18V对应的测试结果，该电压对应半导体薄膜11的工作温度为350℃附近。图11表明在0-1.0Hz内，在低频下的气体响应值除个别点之外基本高于直流气体响应值,在0.4Hz下有最大值。图12表明在0-16.0Hz内，在8.0Hz附近(例如在其正负10％范围内)有最高气体响应值，在之后随着频率增加，高频下气体响应值呈降低趋势。在340℃至360℃区间优选的正弦交流电频率设定在例如7.0-16.0Hz。
从图5至图12可知，在对加热电极14施加交流电时，半导体薄膜11的气体响应值均相对于同一电压下的直流电加热方式有显著增加。同时发明人发现，即使替换为其他半导体薄膜或者其他待测气体也检测到类似的现象，在此不再一一赘述。这表明该交流加热方式使得半导体薄膜针对待测气体的敏感性和有效检测范围有显著增加。
下面比较如本实施例所采用的交流电加热与现有技术所采用的直流电加热的能耗水平。假设在时间段0至π之内，对加热电极14施加的电压为2伏，流过加热电极14的直流电流或交流的峰值电流为1安。则交流电加热情况下加热能耗为
而直流电加热情况下加热能耗为
w2＝pt＝U×I×t＝2×1×π＝6.28瓦特因此可见在气体响应值明显提升的前提下，根据本申请实施例的半导体薄膜气体传感器采用交流加热方式使得加热电极的能耗降低至少三分之一，因此用于供电的电池寿命明显提升，使得整体使用寿命延长，具有较好的成本效益。
在根据本发明的另一实施例中，所述半导体薄膜气体传感器与第一实施例中的基本类似，区别在于还包括一个控制模块，所述控制模块用于根据设定的工作温度控制交流电源输出相应频率和电压的交流电力到该加热电极。例如，当用户在输入界面输入工作温度200℃，控制模块控制交流电源对加热电极14施加1.98V电压和2.0Hz的交流电；或者当用户在输入界面输入工作温度250℃，控制模块控制交流电源对加热电极14施加2.39V电压和8.0Hz的交流电；或者当用户在输入界面输入工作温度300℃，控制模块控制交流电源对加热电极14施加2.69V电压和4.0Hz的交流电；或者当用户在输入界面输入工作温度350℃，控制模块控制交流电源对加热电极14施加3.18V电压和8.0Hz的交流电。本领域技术人员可以理解，上述设定值可以根据实际应用场景的变化，例如金属氧化物半导体薄膜的尺寸改变、不同材料或衬底散热能力差异而做出调整，仅需针对制作好的半导体薄膜气体传感器进行类似于第一个实施例所记载的气体响应测试，获得不同工作温度(即不同交流电压)下对应的最佳交流频率范围并将其储存在控制模块的储存单元中，这样的实施例变形并不脱离本申请的保护范围。
在根据本发明的另一实施例中，提供一种标定待测气体成分的方法，其中半导体薄膜气体传感器测定目标待测气体的成分过程为本领域普通技术人员所能理解，在此不再赘述。其区别在于，其中，根据所述半导体薄膜11的工作温度要求(例如在100℃至400℃范围内)测定对所述加热电极所施加交流电的目标电压和目标频率等特征，包括：
根据所述半导体薄膜的工作温度确定应当施加到所述加热电极的目标电压；
将不同频率的具有所述目标电压的交流电施加到所述加热电极并获取所述半导体薄膜针对所述待测气体的气体响应数值范围，其中多次将空气和待测气体交替充入密封腔室内以记录半导体薄膜上的电流数值变化并计算获得气体响应数值，确定所述气体响应数值范围中的最高气体响应数值对应的交流电频率，将其作为所述工作温度对应的目标交流电频率。
在根据本发明的其他实施例中，待测气体可以是氮氧化物、氨气、苯或者其他半导体薄膜敏感气体中的一种或者多种。
在根据本发明的其他实施例中，半导体薄膜还可以包括其他半导体金属氧化物如二氧化锡、二氧化钛、氧化锌等等。
虽然本发明已经通过优选实施例进行了描述，然而本发明并非局限于这里所描述的实施例，在不脱离本发明范围的情况下还包括所作出的各种改变以及变化。
Claims (10)
1.一种半导体薄膜气体传感器，包括：
由金属氧化物构成的半导体薄膜(11)，其包括第一表面和第二表面，其中所述第一表面能够与待测气体接触并使得所述半导体薄膜的电阻值改变；
测试电极(12)，其用于连接所述半导体薄膜(11)以形成导电通路；
加热电极(14)，其布置在所述半导体薄膜(11)的第二表面附近以将其加热到工作温度；
交流电源，其连接到所述加热电极(14)以对其以预定交流频率供电，其中所述半导体薄膜(11)在所述预定交流频率下的根据电阻变化而确定的气体响应数值大于其在所述预定交流频率之外的根据电阻变化而确定的气体响应数值。
2.根据权利要求1所述的半导体薄膜气体传感器，其特征在于，所述半导体薄膜(11)为三氧化钨纳米片。
3.根据权利要求1所述的半导体薄膜气体传感器，其特征在于，还包括控制模块，所述控制模块根据所述半导体薄膜(11)的所述工作温度而控制所述交流电源输出所述预定交流频率的交流电力，其中所述工作温度在100℃至400℃范围内，所述预定交流频率小于等于16.0Hz。
4.根据权利要求3所述的半导体薄膜气体传感器，其特征在于，
当所述半导体薄膜(11)的工作温度在190℃至210℃区间内时，所述交流电源输出1.0Hz-3.0Hz的交流电；
当所述工作温度在240℃至260℃区间时，所述交流电源输出7.0Hz-10.0Hz的交流电；
当所述工作温度在290℃至310℃区间时，所述交流电源输出2.0Hz-5.0Hz的交流电；或者
当所述工作温度在340℃至360℃区间时，所述交流电源输出7.0Hz-16.0Hz的交流电。
5.根据权利要求4所述的半导体薄膜气体传感器，其特征在于，当所述半导体薄膜(11)的工作温度为200℃时，所述交流电源输出2.0Hz±10％范围内的正弦交流电；当所述工作温度为250℃时，所述交流电源输出8.0Hz±10％范围内的正弦交流电；当所述工作温度为300℃时，所述交流电源输出4.0Hz±10％范围内的正弦交流电；或者当所述工作温度为350℃时，所述交流电源输出8.0Hz±10％范围内的正弦交流电。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的半导体薄膜气体传感器，其特征在于，还包括：布置在所述测试电极(12)和所述加热电极(14)的一侧之间的第一绝缘层(13)，和在所述加热电极(14)的另一侧依次层叠布置的支撑层(15)、第二绝缘层(16)和具有厚度的硅衬底(17)；其中
所述第一绝缘层(13)使得所述测试电极(12)和所述加热电极(14)电隔离；
所述支撑层(15)采用硬质材料，其熔点高至能够支撑所述加热电极(14)在加热状态不发生塌陷；
所述第二绝缘层(16)用于将所述加热电极(14)与外部电隔离；
所述硅衬底(17)的一侧与所述第二绝缘层(16)接合，其另一侧的中部具有与所述半导体薄膜(11)布置位置重合的凹入区域。
7.根据权利要求6所述的半导体薄膜气体传感器，其特征在于，
所述测试电极(12)包括相对布置的第一电极部和第二电极部，所述第一电极部具有延伸的第一叉指电极部，所述第二电极部具有延伸的第二叉指电极部，所述第一叉指电极部和所述第二叉指电极部相向延伸并交错分布；以及
所述半导体薄膜(11)与所述第一叉指电极部、所述第二叉指电极部耦合并形成所述导电通路。
8.根据权利要求6所述的半导体薄膜气体传感器，其特征在于，
所述加热电极(14)在其与所述半导体薄膜(11)布置位置重合的区域具有蛇行往复状延伸的电阻丝。
9.根据权利要求6所述的半导体薄膜气体传感器，其特征在于，所述第一绝缘层(13)、第二绝缘层(16)和支撑层(15)中的一个由二氧化硅或氮化硅构成；或者所述硅衬底(17)由单晶硅构成。
10.一种标定待测气体成分的方法，采用权利要求1至9任一项所述的半导体薄膜气体传感器，使得所述半导体薄膜(11)被加热到工作温度并与待测气体接触以发生电阻值变化，根据所述电阻值变化标定所述待测气体成分；其中
对加热电极(14)施加交流电以将所述半导体薄膜(11)加热到所述工作温度前，根据所述半导体薄膜(11)的所述工作温度测定对所述加热电极(14)所施加交流电的目标电压和目标交流电频率，包括：
根据所述半导体薄膜(11)的工作温度确定应当施加到所述加热电极(14)的目标电压；
将不同频率的所述目标电压的交流电施加到所述加热电极(14)并获取所述半导体薄膜(11)针对所述待测气体的气体响应数值范围，确定所述气体响应数值范围中的最高气体响应数值对应的交流电频率以作为所述目标交流电频率。
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Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117890441A (zh) * | 2024-03-18 | 2024-04-16 | 北京中科海芯科技有限公司 | 一种气体传感器及其制作方法 |
Citations (18)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE2646927A1 (de) * | 1976-10-18 | 1978-04-20 | Bieler & Lang Ohg | Verfahren und vorrichtung zur temperaturkompensation |
| US4500412A (en) * | 1981-08-07 | 1985-02-19 | Kabushiki Kaisha Toyota Chuo Kenkyusho | Oxygen sensor with heater |
| US4505803A (en) * | 1981-06-04 | 1985-03-19 | Ngk Insulators, Ltd. | Oxygen concentration detector |
| EP0157247A2 (de) * | 1984-04-04 | 1985-10-09 | Cerberus Ag | Verfahren und Vorrichtung zum Nachweis von reduzierenden Gasen in einem Gasgemisch |
| DE19617297A1 (de) * | 1996-04-30 | 1997-11-13 | Brand Gerhart Rosemarie | Simultane Detektion von oxidierbaren und reduzierbaren Gasen mit Metalloxidsensoren unter Einsatz von Impedanzspektroskopie |
| JP2005114390A (ja) * | 2003-10-03 | 2005-04-28 | Ngk Spark Plug Co Ltd | 湿度センサのための制御装置及び湿度センサ制御装置 |
| CN101368929A (zh) * | 2008-09-24 | 2009-02-18 | 福州大学 | 一种温度调制电化学电极及其加热方法 |
| RU106955U1 (ru) * | 2011-02-21 | 2011-07-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Белгородский государственный университет" | Газовый датчик |
| CN102254774A (zh) * | 2011-05-27 | 2011-11-23 | 中国科学院物理研究所 | 一种活性气体流的发生装置及其产生活性气体流的方法 |
| CN102313141A (zh) * | 2011-09-16 | 2012-01-11 | 电子科技大学 | 一种管道泄露检测用光纤振动传感系统 |
| CN104797930A (zh) * | 2012-09-19 | 2015-07-22 | 原子能和替代能源委员会 | 热流传感器,包括至少一个此类传感器的气体传感器以及包括至少一个此类传感器的皮拉尼规 |
| JP2015212623A (ja) * | 2014-05-01 | 2015-11-26 | 三菱電機株式会社 | 水質センサー及びこれを備えた冷却システム |
| KR101734329B1 (ko) * | 2015-12-09 | 2017-05-12 | 한국생산기술연구원 | 임피던스분석을 이용하는 화학물질 검출방법 |
| KR20170068413A (ko) * | 2017-04-26 | 2017-06-19 | 한국생산기술연구원 | 임피던스 분석을 이용하는 화학물질 검출방법 |
| CN109564180A (zh) * | 2016-05-31 | 2019-04-02 | Ams传感器英国有限公司 | 环境传感器系统 |
| CN109828009A (zh) * | 2019-01-29 | 2019-05-31 | 吉林大学 | 一种基于金属氧化物半导体薄膜材料的h2s气体传感器及其制备方法 |
| CN110726758A (zh) * | 2019-09-26 | 2020-01-24 | 华南理工大学 | 一种气敏探测模块、制造方法及系统 |
| KR20200134042A (ko) * | 2019-05-21 | 2020-12-01 | 울산과학기술원 | 공중 부유형 탄소 나노와이어를 이용한 3ω 방법 기반 가스센서 및 그 제조 방법 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3843880B2 (ja) * | 2001-05-31 | 2006-11-08 | 株式会社デンソー | ガス濃度センサのヒータ制御装置 |
-
2021
- 2021-12-07 CN CN202111483648.5A patent/CN114324494B/zh active Active
Patent Citations (18)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE2646927A1 (de) * | 1976-10-18 | 1978-04-20 | Bieler & Lang Ohg | Verfahren und vorrichtung zur temperaturkompensation |
| US4505803A (en) * | 1981-06-04 | 1985-03-19 | Ngk Insulators, Ltd. | Oxygen concentration detector |
| US4500412A (en) * | 1981-08-07 | 1985-02-19 | Kabushiki Kaisha Toyota Chuo Kenkyusho | Oxygen sensor with heater |
| EP0157247A2 (de) * | 1984-04-04 | 1985-10-09 | Cerberus Ag | Verfahren und Vorrichtung zum Nachweis von reduzierenden Gasen in einem Gasgemisch |
| DE19617297A1 (de) * | 1996-04-30 | 1997-11-13 | Brand Gerhart Rosemarie | Simultane Detektion von oxidierbaren und reduzierbaren Gasen mit Metalloxidsensoren unter Einsatz von Impedanzspektroskopie |
| JP2005114390A (ja) * | 2003-10-03 | 2005-04-28 | Ngk Spark Plug Co Ltd | 湿度センサのための制御装置及び湿度センサ制御装置 |
| CN101368929A (zh) * | 2008-09-24 | 2009-02-18 | 福州大学 | 一种温度调制电化学电极及其加热方法 |
| RU106955U1 (ru) * | 2011-02-21 | 2011-07-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Белгородский государственный университет" | Газовый датчик |
| CN102254774A (zh) * | 2011-05-27 | 2011-11-23 | 中国科学院物理研究所 | 一种活性气体流的发生装置及其产生活性气体流的方法 |
| CN102313141A (zh) * | 2011-09-16 | 2012-01-11 | 电子科技大学 | 一种管道泄露检测用光纤振动传感系统 |
| CN104797930A (zh) * | 2012-09-19 | 2015-07-22 | 原子能和替代能源委员会 | 热流传感器,包括至少一个此类传感器的气体传感器以及包括至少一个此类传感器的皮拉尼规 |
| JP2015212623A (ja) * | 2014-05-01 | 2015-11-26 | 三菱電機株式会社 | 水質センサー及びこれを備えた冷却システム |
| KR101734329B1 (ko) * | 2015-12-09 | 2017-05-12 | 한국생산기술연구원 | 임피던스분석을 이용하는 화학물질 검출방법 |
| CN109564180A (zh) * | 2016-05-31 | 2019-04-02 | Ams传感器英国有限公司 | 环境传感器系统 |
| KR20170068413A (ko) * | 2017-04-26 | 2017-06-19 | 한국생산기술연구원 | 임피던스 분석을 이용하는 화학물질 검출방법 |
| CN109828009A (zh) * | 2019-01-29 | 2019-05-31 | 吉林大学 | 一种基于金属氧化物半导体薄膜材料的h2s气体传感器及其制备方法 |
| KR20200134042A (ko) * | 2019-05-21 | 2020-12-01 | 울산과학기술원 | 공중 부유형 탄소 나노와이어를 이용한 3ω 방법 기반 가스센서 및 그 제조 방법 |
| CN110726758A (zh) * | 2019-09-26 | 2020-01-24 | 华南理工大学 | 一种气敏探测模块、制造方法及系统 |
Non-Patent Citations (7)
| Title |
|---|
| Impedance spectroscopy on WO3 gas sensor;A Labidi 等;《Sensors and Actuators B: Chemical》;第106卷(第2期);第713-718页 * |
| Resistive and capacitive response of nitrogen-doped TiO2 nanotubes film humidity sensor;Q Wang 等;《Nanotechnology》;第22卷;第025501页 * |
| Schottky Contacts Regularized Linear Regression for Signal Inconsistency Circumvent in Resistive Gas Micro-Nanosensors;Yuxin Zhao 等;《Small Methods》;第5卷(第12期);第2101194页 * |
| 基于分布式光纤传感的油气管道安全监测基础研究;梁文杰 等;《中国优秀硕士学位论文全文数据库信息科技辑》(第7期);第I140-146页 * |
| 基于导电聚合物的QCM气敏传感器研究;郑俊褒;《中国博士学位论文全文数据库信息科技辑》(第9期);第I140-19页 * |
| 彭承琳.《生物医学传感器-原理与应用》.重庆大学出版社,1992,(第1版),第227-235页. * |
| 金属氧化物CO传感器智能化方法研究;李熙;《中国优秀硕士学位论文全文数据库信息科技辑》(第10期);第I140-97页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114324494A (zh) | 2022-04-12 |
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