TWI582417B - 氣體感測器 - Google Patents

Description

氣體感測器

本發明是有關一種感測器，且特別是有關於一種具有激發光源的氣體感測器。

習用的氣體感測器是透過加熱器對氣體感測材料進行加熱，藉以改變氣體感測材料的電訊號並使得待測氣體產生離子化，進而感測習用氣體感測器所能感測的氣體種類之濃度。然而，習用氣體感測器容易因加熱器之熱能逸散，而使加熱器須被施予更大之電壓，藉以達到符合之高溫條件。

於是，本發明人有感上述缺失之可改善，乃特潛心研究並配合學理之運用，終於提出一種設計合理且有效改善上述缺失之本發明。

本發明實施例在於提供一種氣體感測器，其能用以解決習知氣體感測器所可能產生的缺失。

本發明實施例提供一種氣體感測器，包括：一基座，其包含位於相反側的一頂面與一底面，並且該基座形成有貫穿該頂面與該底面的一貫穿孔；一絕緣層，其設置於該基座的該頂面上，該絕緣層完全地遮蔽該貫穿孔，並且對應於該貫穿孔的該絕緣層部位定義為一元件區域；兩感測電極，其間隔地設置於該絕緣層上，並且每個感測電極具有相連的一感測段、一電極墊、及該感測段與該電極墊的一連接段，每個感測電極的該感測段設置於該元件區域上，而每個感測電極的該電極墊則設置於該元件區域之外； 一加熱層，其設置於該絕緣層上，並且該加熱層具有一加熱段、兩加熱墊、與連接該兩加熱墊與該加熱段的兩外接段，該加熱段設置於該元件區域上，該兩加熱墊則設置於該元件區域之外；一氣體感測材料，其設置於該絕緣層的該元件區域上，並且該氣體感測材料至少覆蓋該兩感測段；以及一激發光源，其容置於該基座的該貫穿孔，並且該激發光源能向該元件區域上的該氣體感測材料發出光線，以增強該氣體感測材料的電訊號並使得待測氣體產生離子化。

綜上所述，本發明實施例所提供的氣體感測器，透過基座設有貫穿孔，以使設置在元件區域上的加熱層部位所產生之熱能經由貫穿孔之隔離而較不易傳遞至基座上，藉以降低熱能的逸散。再者，透過將激發光源設置於貫穿孔內，以使氣體感測器不會因為具備激發光源而令其尺寸變大，並能透過激發光源增強氣體感測材料的電訊號，進而提升氣體感測材料的靈敏度及降低加熱器所需提供之熱能。

為使能更進一步瞭解本發明之特徵及技術內容，請參閱以下有關本發明之詳細說明與附圖，但是此等說明與所附圖式僅係用來說明本發明，而非對本發明的權利範圍作任何的限制。

100‧‧‧氣體感測器

1‧‧‧基座

11‧‧‧頂面

12‧‧‧底面

13‧‧‧貫穿孔

2‧‧‧反射層

3‧‧‧絕緣層

31‧‧‧元件區域

4‧‧‧感測電極

41‧‧‧感測段

411‧‧‧指叉部

412‧‧‧延伸部

42‧‧‧連接段

43‧‧‧電極墊

5‧‧‧加熱層

51‧‧‧加熱段

511‧‧‧U型部

512‧‧‧缺口

52‧‧‧外接段

53‧‧‧加熱墊

6‧‧‧氣體感測材料

8‧‧‧激發光源

81‧‧‧發光二極體裸晶

811‧‧‧量子井

82‧‧‧保護層

9‧‧‧載板

T‧‧‧厚度

D1、D2‧‧‧距離

圖1為本發明氣體感測器第一實施例的立體示意圖。

圖2為圖1另一視角的立體示意圖。

圖3為圖1的分解示意圖。

圖4為圖2的分解示意圖。

圖5為本發明氣體感測器省略氣體感測材料的俯視示意圖。

圖6為圖1沿剖線VI-VI的剖視示意圖。

圖7為圖6之A部位的局部放大圖。

圖8為本發明氣體感測器具有載板的剖視示意圖。

圖9為本發明氣體感測器第二實施例的剖視示意圖。

圖10為本發明氣體感測器第三實施例的剖視示意圖。

[第一實施例]

請參閱圖1至圖8，其為本發明的第一實施例，需先說明的是，本實施例對應圖式所提及之相關數量與外型，僅用以具體地說明本發明的實施方式，以便於了解其內容，而非用以侷限本發明的權利範圍。

請參閱圖1至圖4所示，本實施例提供一種氣體感測器100，為微機電系統(MEMS)的氣體感測器。用以感測一待測氣體(如：一氧化碳、乙醇、或毒氣等)。所述氣體感測器100包括一基座1、一反射層2、一絕緣層3、兩感測電極4、一加熱層5、與一氣體感測材料6、及一激發光源8。

請參閱圖4和圖5，並於說明元件連接關係時請參酌圖6和圖7。所述基座1於本實施例中大致呈塊狀且採用矽基座，並且基座1包含位於相反側且大致呈方形的一頂面11與一底面12，而基座1於大致中央處形成有貫穿頂面11與底面12的一貫穿孔13。其中，上述貫穿孔13對應於頂面11的形狀為小正方形，而貫穿孔13對應於底面12的形狀為大正方形，亦即，所述貫穿孔13的外型大致呈截四角錐狀。

所述反射層2形成於貫穿孔13內壁面上，並且反射層2對應於激發光源8所發出之光線的反射率較佳為大於70%。其中，所述反射層2的材質可以是二氧化矽、氮化硼、氧化鋁、鋁、銀、或金，但不受限於此。

所述絕緣層3設置於基座1的頂面11上，上述絕緣層3的周緣大致與頂面11邊緣切齊，並且絕緣層3完全地遮蔽貫穿孔13。而對應於貫穿孔13的絕緣層3部位定義為一元件區域31。進一步地說，所述元件區域31可被定義上述貫穿孔13內縮一特定距離 處的絕緣層3部位，或者元件區域31可被定義為遮蔽貫穿孔13的絕緣層3部位。其中，所述絕緣層3由一二氧化矽層(SiO₂)和一氮化矽層(Si₃N₄)堆疊而成，氮化矽層的厚度T包括大致為50nm~250nm，二氧化矽層厚度大致為500nm~1500nm。絕緣層3的材料也可以是單層的氮化矽，厚度T大致為50nm~250nm。

所述兩感測電極4的材質為金並且間隔地設置於絕緣層3上。其中，每個感測電極4具有相連的一感測段41、一連接段42及一電極墊43，每個感測段41設置於元件區域31上，而每個電極墊43則設置於元件區域31之外，並且大致分佈於絕緣層3四個角落中的其中兩相鄰角落，該兩連接段42分別連接每一感測段41和每一電極墊43。

所述加熱層5的材質為金，也可以是透明電極例如氧化銦錫(Indium Tin Oxide,ITO)，加熱層5設置於絕緣層3上，上述加熱層5與兩感測電極4於本實施例中是設置在絕緣層3上的同層構造。其中，加熱層5具有一加熱段51、兩外接段52與兩加熱墊53，加熱段51設置於元件區域31上，而兩加熱墊53則設置於元件區域31之外，並且大致分佈於絕緣層3四個角落中的其中另兩相鄰角落，亦即，所述兩加熱墊53與兩電極墊43是分佈於絕緣層3的四個角落。該兩外接段52連接該加熱段51和該兩加熱墊53。

更詳細地說，所述兩感測段41各包含有相連的一指叉部411以及一延伸部412，上述兩指叉部411交錯地設置於元件區域31的中央處；所述加熱段51包含有數個頭尾相連排列的U型部511，該些U型部511圍繞於上述兩指叉部411外圍並形成有一缺口512(即，該些U型部511排列成U字型)，而該兩延伸部412沿經缺口512而分別連接於至兩連接段42。

所述氣體感測材料6大致呈方形並且設置於絕緣層3的元件區域31上，上述氣體感測材料6至少覆蓋所述兩感測段41，也可 以同時覆蓋兩感測段41與加熱段51，換言之，氣體感測材料6是設置於所述兩感測段41與加熱段51上。其中，氣體感測材料6的形狀也可以是圓形、橢圓形、長方形或是其他形狀。其中，所述氣體感測材料6的材質可以是一金屬氧化物半導體材料，該金屬氧化物半導體材料包含氧化鋅(ZnO)、摻鋁氧化鋅(Al：ZnO)、二氧化錫、氧化鎢、氧化鈦、氧化銦、氧化鐵、氧化銅、氧化鎳或氧化鈷，但不受限於此。

所述激發光源8的至少部分容置於基座1的貫穿孔13，並且激發光源8能向元件區域31上的氣體感測材料6發出光線，以使氣體感測材料6產生電訊號，電訊號包含電壓訊號、電流訊號或電阻訊號。其中，本實施例的激發光源8包含一發光二極體裸晶81及封裝於發光二極體裸晶81外的一保護層82，並且經由保護層82射出的發光角度小於發光二極體裸晶81自身的發光角度。保護層82為一環氧樹脂(Expoy resin)或矽樹脂(silicone resin)。再者，發光二極體裸晶81於本實施例中為覆晶晶片，但不受限於此。

更詳細地說，發光二極體裸晶81的一量子井(quantum well)811與上述氣體感測材料6的距離D1大致為2μm~1000μm、並且與貫穿孔13內壁面的距離D2大於0.1mm。再者，所述氣體感測材料6的能帶隙(energy band gap)定義為E，激發光源8所能發出的光線波長定義為λ並符合下述關係式：1240/E×87%<λ<1240/E×113%。

換個角度來看，在上述氣體感測材料6所能採用的各種材質之中，二氧化鋯(ZrO₂)具備較大的能帶隙(5.0eV)，其能帶隙數值代入上述關係式即可得知λ的下線較佳為215nm；碲化鎘(CdTe)具備較小的能帶隙(1.4eV)，其能帶隙數值代入上述關係式即可得知λ的下線較佳為1000nm。因此，所述激發光源8所能發出的光線波長可以為215nm~1000nm。

此外，如圖8，所述氣體感測器100可進一步包括有一載板9， 並且遠離絕緣層3的基座1底緣以及激發光源8皆固定於上述載板9上。其中，所述基座1的貫穿孔13內可容置有空氣或是呈真空狀。

以上即為本實施例氣體感測器100的構造說明，據此，透過基座1設有貫穿孔13，以使設置在元件區域31上的加熱層5部位所產生之熱能經由貫穿孔13之隔離而較不易傳遞至基座1上，藉以降低熱能的逸散。再者，透過將激發光源8設置於貫穿孔13內，以使氣體感測器100不會因為具備激發光源8而令其尺寸變大，並能透過激發光源8活化氣體感測材料6，進而提升氣體感測材料6的靈敏度及降低加熱層5所需提供之熱能。

下述接著介紹不同的實驗測試，藉以比較在不同變化條件之下，氣體感測器100之氣體感測材料6的靈敏度變化。本實施例之氣體感測材料6的靈敏度定義為(R_air-R_gas)/R_air，其中，R_air為氣體感測材料6在一般空氣下的電阻值，R_gas為氣體感測材料6在待測氣體下的電阻值。

(實驗一)

實驗組是本實施例的氣體感測器100，其採用能發出365nm光線波長的激發光源8；對照組則是未使用激發光源8的氣體感測器。固定參數為：氣體感測材料6的材質為摻鋁氧化鋅且面積為0.16mm²，施加150mA電流給激發光源8，並且激發光源8所發出的光線波長為365nm，待測氣體為醇類(Alcohol)且濃度為53ppm。變化參數：施加0~2V之電壓予加熱層5。

實驗一的結果如下表所示，由此可得知，本實施例的氣體感測器100透過使用激發光源8，而能夠使氣體感測材料6具備較佳的靈敏度。使用激發光源8與未使用激發光源8相比，可以降低加熱層5的加熱溫度。

(實驗二)

實驗組是本實施例的氣體感測器100，其採用能發出365nm光線波長的激發光源8。固定參數為：氣體感測材料6的材質為摻鋁氧化鋅且面積為0.16mm²，施加1.75V之電壓予加熱層5，待測氣體為醇類且濃度為53ppm。變化參數：施加0~150mA電流給激發光源8

實驗二的結果如下表所示，由此可得知，本實施例的氣體感測器100的激發光源8所接收的電流越大，則能夠使氣體感測材料6具備較佳的靈敏度。

(實驗三)

實驗組是本實施例的氣體感測器100，其採用能發出365nm、405nm、410nm、448nm光線波長的激發光源8。固定參數為：氣體感測材料6的材質為摻鋁氧化鋅且面積為0.16mm²，施加1.75V之電壓予加熱層5，待測氣體為醇類且濃度為53ppm。變化參數：施加0、150mA、500mA電流給激發光源8

實驗三的結果如下表所示，由此可得知，本實施例的氣體感測器100的激發光源8所發出的光線波長在365nm~410nm時，能夠使氣體感測材料6的靈敏度隨著激發光源接收之電流強度增加而明顯提升，但氣體感測器100的激發光源8所發出的光線波長大於448nm時，氣體感測材料6的靈敏度隨激發光源接收之電流強度增加而僅能略微提升。

進一步地說，基於摻鋁氧化鋅(Al：ZnO)的能帶隙E為3.4eV，並且λ=1240/3.4=365nm，365nm×113%=412nm。因此，經由上述實驗結果即可推導出λ的較佳上限值，亦即，λ<1240/E×113%。同理，再以類似實施三之方式，即可推導出λ的較佳下限值，亦即，1240/E×87%<λ。

[第二實施例]

請參閱圖9，其為本發明的第二實施例，本實施例與第一實施例類似，差異主要在於：本實施例的激發光源8為發光二極體裸晶81。亦即與第一實施例相比，發光二極體裸晶81少了保護層82。因此，依據第一實施例與第二實施例所揭露的技術內容，本發明的發光二極體裸晶81外能夠依據設計者的需求而選擇性設置有保護層82。

[第三實施例]

請參閱圖10，其為本發明的第三實施例，本實施例與第一、二實施例類似，差異主要在於：本實施例的激發光源8是設置於所述基座1的貫穿孔13之外。

以上所述僅為本發明之較佳可行實施例，其並非用以侷限本發明之專利範圍，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

100‧‧‧氣體感測器

1‧‧‧基座

11‧‧‧頂面

12‧‧‧底面

13‧‧‧貫穿孔

2‧‧‧反射層

3‧‧‧絕緣層

4‧‧‧感測電極

41‧‧‧感測段

411‧‧‧指叉部

412‧‧‧延伸部

42‧‧‧連接段

43‧‧‧電極墊

5‧‧‧加熱層

51‧‧‧加熱段

511‧‧‧U型部

512‧‧‧缺口

52‧‧‧外接段

53‧‧‧加熱墊

6‧‧‧氣體感測材料

8‧‧‧激發光源

Claims (12)

1. 一種氣體感測器，包括：一基座，其包含位於相反側的一頂面與一底面，並且該基座形成有貫穿該頂面與該底面的一貫穿孔；一絕緣層，其設置於該基座的該頂面上，該絕緣層完全地遮蔽該貫穿孔，並且對應於該貫穿孔的該絕緣層部位定義為一元件區域；兩感測電極，其間隔地設置於該絕緣層上；一加熱層，其設置於該絕緣層上；一氣體感測材料，其設置於該絕緣層的該元件區域上；以及一激發光源，其容置於該基座的該貫穿孔，並且該激發光源能向該元件區域上的該氣體感測材料發出光線。
2. 如請求項1所述之氣體感測器，其中，該絕緣層係由一二氧化矽層和一氮化矽層堆疊而成，並且該二氧化矽層的厚度大致為500nm~1500nm，該氮化矽層的厚度大致為50nm~250nm；或者，該絕緣層為一單層的氮化矽層，其厚度大致為50nm~250nm。
3. 如請求項1所述之氣體感測器，其中，該氣體感測材料為一金屬氧化物半導體材料，該金屬氧化物半導體材料包含氧化鋅(ZnO)、摻鋁氧化鋅(Al：ZnO)、二氧化錫(SiO2)、氧化鎢、氧化鈦、氧化銦、氧化鐵、氧化銅、氧化鎳或氧化鈷。
4. 如請求項1所述之氣體感測器，其進一步具有形成於該貫穿孔內壁面上的一反射層，並且該反射層對應於該激發光源所發出之光線的反射率大於70%，該反射層的材質為二氧化矽、氮化硼、氧化鋁、鋁、銀、或金。
5. 如請求項1至4中任一項所述之氣體感測器，其中，該氣體感測材料的能帶隙(energy band gap)定義為E電子伏特(eV)，該激發光源所能發出的光線波長定義為λ奈米(nm)並符合下述關係 式：1240/E×87%<λ<1240/E×113%。
6. 一種氣體感測器，包括：一基座，其包含位於相反側的一頂面與一底面，並且該基座形成有貫穿該頂面與該底面的一貫穿孔；一絕緣層，其設置於該基座的該頂面上，該絕緣層完全地遮蔽該貫穿孔，並且對應於該貫穿孔的該絕緣層部位定義為一元件區域；兩感測電極，其間隔地設置於該絕緣層上；一加熱層，其設置於該絕緣層上；一氣體感測材料，其設置於該絕緣層的該元件區域上；以及一激發光源，其容置於該基座的該貫穿孔，並且該激發光源能向該元件區域上的該氣體感測材料發出光線；其中，該激發光源為一發光二極體裸晶，該發光二極體裸晶外選擇性設置一保護層，並且經由該保護層射出的發光角度小於該發光二極體裸晶的發光角度；該發光二極體裸晶的一量子井與該氣體感測材料的距離大致為2μm~1000μm、並且與該貫穿孔內壁面的距離大於0.1mm。
7. 如請求項6所述之氣體感測器，其進一步包括有一載板，遠離該絕緣層的該基座底緣以及該激發光源固定於該載板上，並且該貫穿孔內容置有空氣或是呈真空狀。
8. 如請求項6所述之氣體感測器，其中，該氣體感測材料的能帶隙(energy band gap)定義為E電子伏特(eV)，該激發光源所能發出的光線波長定義為λ奈米(nm)並符合下述關係式：1240/E×87%<λ<1240/E×113%。
9. 如請求項6所述之氣體感測器，其中，每個感測電極具有相連的一感測段、一電極墊、及連接該感測段與該電極墊的一連接段，每個感測電極的該感測段設置於該元件區域上，每個感測電極的該電極墊則設置於該元件區域之外。
10. 如請求項9所述之氣體感測器，其中，該加熱層具有一加熱段、兩加熱墊、與連接該兩加熱墊與該加熱段的兩外接段，該加熱段設置於該元件區域上且該兩加熱墊則設置於該元件區域之外。
11. 如請求項9所述之氣體感測器，其中，該氣體感測材料至少覆蓋該兩感測段。
12. 如請求項10所述之氣體感測器，其中，該兩感測段各包含有相連的一指叉部及一延伸部，並且該兩指叉部呈交錯設置，該加熱段包含有數個頭尾相接排列的U型部，該些U型部圍繞於該兩指叉部外圍並界定出一缺口，該兩延伸部沿經該缺口而分別連接於該兩連接段。