CN216247762U - 一种常温气体检测用半导体式气敏传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种常温气体检测用半导体式气敏传感器。包括电极基底(1)，金属电极，电极焊盘(6)，其中金属电极位于电极基底(1)表面，金属电极末端连接有电极焊盘(6)；金属电极包括第一电极矩阵(2)和第二电极矩阵(3)，由圆形叉指条(7)构成，并对称分布于电极基底(1)表面两端；第一电极矩阵(2)和第二电极矩阵(3)相互交叉平行设置，其上端部具有同心圆形式的半圆形树状叉指条，分别为第一阵列叉指条和第二阵列叉指条，第一阵列叉指条和第二阵列叉指条以平行交错的梳齿状同心圆形式交叉设置。半导体式气敏传感器为电阻式半导体传感器，可实现在常温环境的气体检测。

Description

一种常温气体检测用半导体式气敏传感器

技术领域

本实用新型属于气体传感器领域，涉及一种常温气体检测用半导体式气敏传感器。

背景技术

半导体式气敏传感器是利用半导体气敏元件作为敏感元件的气体传感器，是较为常见的一种气体传感器，目前广泛应用于家庭、工业等领域，适用于可燃气体泄露检测装置。

按照半导体变化的物理性质，半导体式气敏传感器可分为电阻型和非电阻型。电阻型半导体气体传感器利用半导体接触气体时其阻值的改变来检测气体的成分或浓度非电阻型半导体气体传感器根据对气体的吸附和反应，使半导体的某些特性发生变化对气体进行直接或间接检测。

电阻型半导体气体传感器是利用气体在半导体表面的氧化还原反应导致敏感元件电阻值发生变化而制成的。通过对器件施加电压，半导体材料的温度随之升高，待半导体器件被加热到稳定状态，在气体接触半导体表面而被吸附时，被吸附的分子首先在物体表面自由扩散，失去运动能量，一部分分子被蒸发掉，另一部分残留分子产生热分解吸附在物体表面。当半导体的功函数小于吸附分子的亲和力，则吸附分子将从器件夺走电子而变成负离子吸附，半导体表面呈现电荷层，致使半导体表面电阻随之下降，由此可检测特定的敏感性气体。

半导体式气敏传感器具有灵敏度高、操作方便、体积小、成本低廉、响应时间和恢复时间短等优点，但也存在稳定性和选择性差、敏感机理复杂、工作温度高、器件使用寿命短等缺点。

本实用新型要解决的问题是克服现有技术的不足，提供一种可在常温环境下检测的、具有高精密、高稳定特性的半导体式气敏传感器，尤其是针对传感器的核心器件叉指电极，在实现微型电极集成化同时，提升电极性能，令其适用于气敏检测。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型提供了一种常温气体检测用半导体式气敏传感器。

本实用新型的目的通过以下技术方案实现：

一种常温气体检测用半导体式气敏传感器，包括叉指电极，具体包括电极基底(1)，金属电极，电极焊盘(6)，其中金属电极位于电极基底(1)表面，金属电极末端连接有电极焊盘(6)；金属电极具有电极矩阵结构，包括第一电极矩阵(2)和第二电极矩阵(3)，第一电极矩阵(2)和第二电极矩阵(3)由圆形叉指条(7)构成，并对称分布于电极基底(1)表面两端；第一电极矩阵(2)和第二电极矩阵(3)相互交叉平行设置。

第一电极矩阵(2)和第二电极矩阵(3)的下端部延伸至电极基底(1)的末端，分别与电极焊盘(6)连接。

进一步，圆形叉指条(7)宽度为1～50μm。

第一电极矩阵(2)和第二电极矩阵(3)的上端部具有同心圆形式的半圆形树状叉指条，分别为第一阵列叉指条和第二阵列叉指条，第一阵列叉指条和第二阵列叉指条以平行交错的梳齿状同心圆形式交叉设置，第一阵列叉指条和第二阵列叉指条之间的间距相同。

进一步，第一阵列叉指条和第二阵列叉指条的间距为1～50μm。

叉指电极还包括离子选择性薄膜(5)，离子选择性薄膜(5)位于金属电极表面。

进一步，叉指电极还包括电极保护层(4)，电极保护层(4)位于离子选择性薄膜(5)和金属电极之间。

进一步，电极基底(1)可以为硅基、陶瓷、高分子材料，包括二氧化硅、氮化铝、氧化铝、碳化硅、玻璃、压电陶瓷、微波介电陶瓷。

进一步，金属电极包括导电内层和反应层，其中导电内层包括Ti层，Ti层厚度为0.02～0.20μm；反应层包括Au层，Au层厚度为0.10～0.50μm。

圆形叉指条(7)为圆形金属电极条，宽度均一。

第一电极矩阵(2)和第二电极矩阵(3)末端连接的两个电极焊盘(6)用于连接外部电路。

电极保护层(4)可用于保护金属电极电路，也可用于令离子选择性薄膜(5)不易脱落。

如附图1所示，为本实用新型实施例1提供的半导体式气敏传感器示意图。电极包括电极基底(1)，金属电极，电极焊盘(6)，离子选择性薄膜(5)，其中金属电极位于电极基底(1)表面，金属电极包括第一电极矩阵(2)和第二电极矩阵(3)，第一电极矩阵(2)和第二电极矩阵(3)由圆形叉指条(7)构成，并对称分布于电极基底(1)表面两端，其中圆形叉指条(7)宽度为5μm。第一电极矩阵(2)和第二电极矩阵(3)的下端部延伸至电极基底(1)的同一侧下端，分别与两个电极焊盘(6)连接。第一电极矩阵(2)和第二电极矩阵(3)的上端部具有同心圆形式的半圆形树状叉指条，分别为第一阵列叉指条和第二阵列叉指条，其中第一阵列叉指条和第二阵列叉指条以平行交错的齿梳状同心圆形式交叉设置，共有叉指条5对。第一阵列叉指条和第二阵列叉指条之间的间距相同，为5μm。离子选择性薄膜(5)位于金属电极表面。

如附图2所示，为本实用新型实施例1提供的半导体式气敏传感器侧面示意图。从图中可看出，叉指电极从下往上依次包括电极基底(1)、金属电极和离子选择性薄膜(5)。其中金属电极包括对称分布的第一电极矩阵(2)和第二电极矩阵(3)，离子选择性薄膜(5)修饰于金属电极表面。

如附图3所示，为本实用新型实施例2提供的半导体式气敏传感器示意图。电极包括电极基底(1)，金属电极，电极焊盘(6)，离子选择性薄膜(5)，其中金属电极位于电极基底(1)表面，金属电极包括第一电极矩阵(2)和第二电极矩阵(3)，第一电极矩阵(2)和第二电极矩阵(3)由圆形叉指条(7)构成，并对称分布于电极基底(1)表面两端，其中圆形叉指条(7)宽度为10μm。第一电极矩阵(2)和第二电极矩阵(3)的下端部分别延伸至电极基底(1)的两侧末端，分别与两个电极焊盘(6)连接。第一电极矩阵(2)和第二电极矩阵(3)的上端部具有同心圆形式的半圆形树状叉指条，分别为第一阵列叉指条和第二阵列叉指条，其中第一阵列叉指条和第二阵列叉指条以平行交错的齿梳状同心圆形式交叉设置，共有叉指条15对。第一阵列叉指条和第二阵列叉指条之间的间距相同，为10μm。离子选择性薄膜(5)位于金属电极表面。电极保护层(4)修饰于金属电极表面，覆盖了圆形叉指条(7)所在位置，在其表面再修饰有离子选择性薄膜(5)。

如附图4所示，为本实用新型实施例2提供的半导体式气敏传感器侧面示意图。从图中可看出，叉指电极从下往上依次包括电极基底(1)、金属电极、电极保护层(4)和离子选择性薄膜(5)。其中金属电极包括对称分布的第一电极矩阵(2)和第二电极矩阵(3)，金属电极表面修饰有电极保护层(4)，再在其表面修饰离子选择性薄膜(5)。

如附图5所示，为本实用新型实施例3提供的半导体式气敏传感器实物示意图。电极采用硅基材料，包括电极基底(1)，金属电极，电极焊盘(6)，离子选择性薄膜(5)，其中金属电极位于电极基底(1)表面，金属电极包括第一电极矩阵(2)和第二电极矩阵(3)，第一电极矩阵(2)和第二电极矩阵(3)由圆形叉指条(7)构成，并对称分布于电极基底(1)表面两端，其中圆形叉指条(7)宽度为1μm。第一电极矩阵(2)和第二电极矩阵(3)的下端部分别延伸至电极基底(1)的两侧末端，分别与两个电极焊盘(6)连接。第一电极矩阵(2)和第二电极矩阵(3)的上端部具有同心圆形式的半圆形树状叉指条，分别为第一阵列叉指条和第二阵列叉指条，其中第一阵列叉指条和第二阵列叉指条以平行交错的齿梳状同心圆形式交叉设置，共有叉指条25对。第一阵列叉指条和第二阵列叉指条之间的间距相同，为1μm。

本实用新型提供的半导体式气敏传感器具有电阻型半导体气体传感器，可利用叉指电极接触气体时的电阻值变化来检测气体种类及浓度。

本实用新型的半导体式气敏传感器可在常温环境下进行气体检测，气体分子与离子选择性薄膜(5)接触，然后在电极矩阵上产生响应信号，通过电极焊盘(6)传递到电路之中，通过电路显示检测结果。

如附图6所示，为本实用新型提供的半导体式气敏传感器实物示意图。传感器核心器件叉指电极通过金丝绑定将两端的电极焊盘(6)与整体器件相连，进而可构成传感器阵列。

如附图7所示，为本实用新型提供的半导体式气敏传感器检测电阻曲线图。从图中可看出，以A点取值为例，可计算其电阻值为：6.566/(3.009x10^-10)＝20GΩ。可见随着电压增大，电极电阻值也随之增加，且在一定电压范围内呈良好的线性关系。说明本实用新型的半导体式气敏传感器具有良好的电阻型半导体气体传感器性能。

本实用新型的有益效果是：

(1)本实用新型将两电极集成固定在一个基底上，实现微型电极集成化的目的，电极间距离的集成固定化和微型化，使得电极间的电阻值固定化，消除了因被测物质的浓度变化而产生的检测干扰，金属电极设计为对称分布的电极矩阵，同心圆形梳齿状叉指条相互间隔交替设置且具有相同微间距，可以起到放大检测电流的作用，实现了提高电极检测灵敏度和检测数据精度的目的，令其具有高精密、高稳定特性。

(2)本实用新型在电极表面设置电极焊盘，通过金丝绑定与整体器件相连，进而可将多个半导体器件连通组成传感器阵列，令检测结果更为精密准确。

(3)本实用新型在叉指电极表面设计电极保护层和离子选择性薄膜层，令其结构贴合于电极矩阵设计，令修饰膜层与金属电极构成复合电极，降低了电极内部电阻，进一步提升了电极灵敏度和稳定性，令其适用于常温环境下的电阻式气敏检测。

附图说明

利用附图对实用新型作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本实用新型的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它附图。

图1是本实用新型实施例1提供的半导体式气敏传感器示意图；

图2是本实用新型实施例1提供的半导体式气敏传感器侧面示意图；

图3是本实用新型实施例2提供的半导体式气敏传感器示意图；

图4是本实用新型实施例2提供的半导体式气敏传感器侧面示意图；

图5是本实用新型实施例3提供的半导体式气敏传感器实物示意图；

图6是本实用新型提供的半导体式气敏传感器实物示意图；

图7是本实用新型提供的半导体式气敏传感器检测电阻曲线图。

图例说明：

1、电极基底；2、第一电极矩阵；3、第二电极矩阵；4、电极保护层；5、离子选择性薄膜；6、电极焊盘；7、圆形叉指条。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，结合以下具体实施例，并参照附图，对本实用新型进一步详细说明。

本实用新型的具体实施例包括：

一种半导体式气敏传感器，其核心器件叉指电极具体包括电极基底1，金属电极，电极焊盘6和离子选择性薄膜5。

电极基底(1)可以为硅基、陶瓷、高分子材料，包括二氧化硅、氮化铝、氧化铝、碳化硅、玻璃、压电陶瓷、微波介电陶瓷。

金属电极包括导电内层和反应层，其中导电内层包括Ti层，Ti层厚度为0.02～0.20μm；反应层包括Au层，Au层厚度为0.10～0.50μm。

金属电极位于电极基底1表面，金属电极包括第一电极矩阵2和第二电极矩阵3，第一电极矩阵2和第二电极矩阵3由圆形叉指条7构成，并对称分布于电极基底1表面两端，其中圆形叉指条7宽度为1～50μm。

第一电极矩阵2和第二电极矩阵3的下端部延伸至电极基底1的末端，分别与两个电极焊盘6连接。

第一电极矩阵2和第二电极矩阵3的上端部具有同心圆形式的半圆形梳状叉指条，分别为第一阵列叉指条和第二阵列叉指条，其中第一阵列叉指条和第二阵列叉指条以平行交错的齿梳状同心圆形式交叉设置。第一电极矩阵2和第二电极矩阵3构成的圆形金属电极最大直径为1～5mm。

第一阵列叉指条和第二阵列叉指条之间的间距相同，为1～50μm。

离子选择性薄膜5修饰于金属电极表面，覆盖了圆形叉指条7所在位置。

电极保护层4位于金属电极和离子选择性薄膜5之间。

实施例1

本实施例提供一种半导体式气敏传感器，如图1，其核心器件叉指电极包括电极基底1，金属电极，电极焊盘6和离子选择性薄膜5。

电极基底1选用二氧化硅，整体电极尺寸为6.0mm x 4.0mm，厚度为0.5mm。金属电极包括导电内层和反应层，其中导电内层为Ti层，厚度为0.02μm；反应层为Au层，厚度为0.10μm。

金属电极位于电极基底1表面，金属电极包括第一电极矩阵2和第二电极矩阵3，第一电极矩阵2和第二电极矩阵3由圆形叉指条7构成，并对称分布于电极基底1表面两端，其中圆形叉指条7宽度为5μm。

第一电极矩阵2和第二电极矩阵3的下端部延伸至电极基底1的同一侧下端，分别与两个电极焊盘6连接。

第一电极矩阵2和第二电极矩阵3的上端部具有同心圆形式的半圆形树状叉指条，分别为第一阵列叉指条和第二阵列叉指条，其中第一阵列叉指条和第二阵列叉指条以平行交错的齿梳状同心圆形式交叉设置，共有叉指条5对。第一电极矩阵2和第二电极矩阵3构成的圆形金属电极最大直径为3mm。

第一阵列叉指条和第二阵列叉指条之间的间距相同，为5μm。

如图2所示，离子选择性薄膜5修饰于金属电极表面，覆盖了圆形叉指条7所在位置。

实施例2

本实施例提供一种半导体式气敏传感器，如图3，其核心器件叉指电极包括电极基底1，金属电极，电极焊盘6，电极保护层4和离子选择性薄膜5。

电极基底1选用陶瓷，整体电极尺寸为6.0mm x 4.0mm，厚度为0.5mm。金属电极包括导电内层和反应层，其中导电内层为Ti层，厚度为0.02μm；反应层为Au层，厚度为0.10μm。

金属电极位于电极基底1表面，金属电极包括第一电极矩阵2和第二电极矩阵3，第一电极矩阵2和第二电极矩阵3由圆形叉指条7构成，并对称分布于电极基底1表面两端，其中圆形叉指条7宽度为10μm。

第一电极矩阵2和第二电极矩阵3的下端部分别延伸至电极基底1的两侧末端，分别与两个电极焊盘6连接。

第一电极矩阵2和第二电极矩阵3的上端部具有同心圆形式的半圆形树状叉指条，分别为第一阵列叉指条和第二阵列叉指条，其中第一阵列叉指条和第二阵列叉指条以平行交错的齿梳状同心圆形式交叉设置，共有叉指条15对。第一电极矩阵2和第二电极矩阵3构成的圆形金属电极最大直径为3mm。

第一阵列叉指条和第二阵列叉指条之间的间距相同，为10μm。

如图4所示，电极保护层4修饰于金属电极表面，覆盖了圆形叉指条7所在位置，在其表面再修饰有离子选择性薄膜5。

实施例3

本实施例提供一种半导体式气敏传感器，如图5，其核心器件叉指电极包括电极基底1，金属电极，电极焊盘6，电极保护层4和离子选择性薄膜5。

电极基底1选用高分子基板，整体电极尺寸为3.0mm x 1.0mm，厚度为0.5mm。金属电极包括导电内层和反应层，其中导电内层为Ti层，厚度为0.15μm；反应层为Au层，厚度为0.20μm。

金属电极位于电极基底1表面，金属电极包括第一电极矩阵2和第二电极矩阵3，第一电极矩阵2和第二电极矩阵3由圆形叉指条7构成，并对称分布于电极基底1表面两端，其中圆形叉指条7宽度为1μm。

第一电极矩阵2和第二电极矩阵3的下端部分别延伸至电极基底1的两侧末端，分别与两个电极焊盘6连接。

第一电极矩阵2和第二电极矩阵3的上端部具有同心圆形式的半圆形树状叉指条，分别为第一阵列叉指条和第二阵列叉指条，其中第一阵列叉指条和第二阵列叉指条以平行交错的齿梳状同心圆形式交叉设置，共有叉指条25对。第一电极矩阵2和第二电极矩阵3构成的圆形金属电极最大直径为1mm。

第一阵列叉指条和第二阵列叉指条之间的间距相同，为1μm。

实施例4

本实施例提供一种半导体式气敏传感器，其核心器件叉指电极包括电极基底1，金属电极，电极焊盘6，电极保护层4和离子选择性薄膜5。

电极基底1选用二氧化硅，整体电极尺寸为5.0mm x 3.0mm，厚度为0.5mm。金属电极包括导电内层和反应层，其中导电内层为Ti层，厚度为0.20μm；反应层为Au层，厚度为0.50μm。

金属电极位于电极基底1表面，金属电极包括第一电极矩阵2和第二电极矩阵3，第一电极矩阵2和第二电极矩阵3由圆形叉指条7构成，并对称分布于电极基底1表面两端，其中圆形叉指条7宽度为5μm。

第一电极矩阵2和第二电极矩阵3的下端部分别延伸至电极基底1的两侧末端，分别与两个电极焊盘6连接。

第一电极矩阵2和第二电极矩阵3的上端部具有同心圆形式的半圆形树状叉指条，分别为第一阵列叉指条和第二阵列叉指条，其中第一阵列叉指条和第二阵列叉指条以平行交错的齿梳状同心圆形式交叉设置，共有叉指条25对。第一电极矩阵2和第二电极矩阵3构成的圆形金属电极最大直径为3mm。

第一阵列叉指条和第二阵列叉指条之间的间距相同，为25μm。

实施例5

常温气体检测用半导体式气敏传感器：

将实施例3提供的半导体式气敏传感器封装为气敏检测传感器件，如图6，传感器核心器件叉指电极通过金丝绑定将两端的电极焊盘6与整体器件相连，构成完整的气低温型气体生物传感器/MEMS型温湿度传感器，多个传感器件可构成传感器阵列。

取上述制备的半导体式气敏传感器，在常温环境下检测其电阻值随电压产生的变化，得到图7，取A点检测数据，可计算其电阻值为：6.566/(3.009x10^-10)＝20GΩ。可见随着电压增大，电极电阻值也随之增加，说明本实用新型的半导体式气敏传感器具有良好的电阻型半导体气体传感器性能，可以在常温下进行气体检测。

对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经过适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。本实用新型中所未详细描述的技术细节，均可通过本领域中的任一现有技术实现。特别的，本实用新型中所有未详细描述的技术特点均可通过任一现有技术实现。

Claims (8)

1.一种常温气体检测用半导体式气敏传感器，包括叉指电极，其特征在于，包括电极基底(1)，金属电极，电极焊盘(6)，其中所述金属电极位于所述电极基底(1)表面，所述金属电极末端连接有所述电极焊盘(6)；所述金属电极具有电极矩阵结构，包括第一电极矩阵(2)和第二电极矩阵(3)，所述第一电极矩阵(2)和所述第二电极矩阵(3)由圆形叉指条(7)构成，并对称分布于所述电极基底(1)表面两端；所述第一电极矩阵(2)和所述第二电极矩阵(3)相互交叉平行设置。

2.根据权利要求1所述的一种常温气体检测用半导体式气敏传感器，其特征在于，所述第一电极矩阵(2)和所述第二电极矩阵(3)的下端部延伸至所述电极基底(1)的末端，分别与所述电极焊盘(6)连接。

3.根据权利要求1所述的一种常温气体检测用半导体式气敏传感器，其特征在于，所述圆形叉指条(7)宽度为1～50μm。

4.根据权利要求1所述的一种常温气体检测用半导体式气敏传感器，其特征在于，所述第一电极矩阵(2)和所述第二电极矩阵(3)的上端部具有同心圆形式的半圆形树状叉指条，分别为第一阵列叉指条和第二阵列叉指条，所述第一阵列叉指条和所述第二阵列叉指条以平行交错的梳齿状同心圆形式交叉设置，所述第一阵列叉指条和所述第二阵列叉指条之间的间距相同。

5.根据权利要求4所述的一种常温气体检测用半导体式气敏传感器，其特征在于，所述第一阵列叉指条和所述第二阵列叉指条的间距为1～50μm。

6.根据权利要求1所述的一种常温气体检测用半导体式气敏传感器，其特征在于，所述圆形叉指电极还包括离子选择性薄膜(5)，所述离子选择性薄膜(5)修饰于所述金属电极表面。

7.根据权利要求6所述的一种常温气体检测用半导体式气敏传感器，其特征在于，所述圆形叉指电极还包括电极保护层(4)，所述电极保护层(4)位于所述离子选择性薄膜(5)和所述金属电极之间。

8.根据权利要求1所述的一种常温气体检测用半导体式气敏传感器，其特征在于，所述金属电极包括导电内层和反应层，其中所述导电内层包括Ti层，所述Ti层厚度为0.02～0.20μm；所述反应层包括Au层，所述Au层厚度为0.10～0.50μm。

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