TWI650553B - 氣體感測裝置及其製作方法 - Google Patents

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Abstract

一種氣體感測裝置製作方法，包括以下步驟：於氧氣及氬氣之混合氣體下，以電弧電漿方法形成金屬氧化物薄膜層於基材上，金屬氧化物薄膜層為柱狀結構；形成催化層於金屬氧化物薄膜層上；以及形成蛇狀電極於催化層上。此外，一種氣體感測裝置亦被提出。

Description

氣體感測裝置及其製作方法
本發明是有關於一種氣體感測裝置及其製作方法，且特別是有關於一種室溫下快速響應的氣體感測裝置及其製作方法。
隨著工業物聯網的快速崛起，帶動了相關軟體、硬體、通訊等產業成長，其中最受重視之一，即為感測器產業，感測器如光、電、磁、溫度、壓力、氣體等感測元件已被用在日常生活中。目前常見的氣體感測器多為監測危險性氣體是否外洩，但此種氣體感測器裝置體積都過於龐大且無法移動氣體感測器之位置，並且，此種體積龐大的氣體感測器裝置攜帶不便，也無法應用於穿戴式元件。
因此，如何提供一種『氣體感測器』以實現低成本、高量產且體積小的產業化問題，是相關技術領域亟需解決的課題。
本發明提供一種氣體感測裝置及其製作方法，能提升氣體感測裝置於室溫下與待測氣體電阻值的響應速率。
本發明之一實施例提出一種氣體感測裝置製作方法，包括以 下步驟：於氧氣及氬氣之一混合氣體下，以電弧電漿方法形成一金屬氧化物薄膜層於一基材上，其中金屬氧化物薄膜層為一柱狀結構；形成一催化層於金屬氧化物薄膜層上；以及形成一蛇狀電極於催化層上。
在一實施例中，上述形成金屬氧化物薄膜層之前，包括以下步驟：提供基材；置入基材至一腔體中；對腔體抽真空；以及通入氧氣及氬氣之混合氣體。
在一實施例中，上述對腔體抽真空的步驟中，包括以下步驟：使腔體內的真空度達2x10-5torr壓力以下。
在一實施例中，上述混合氣體中的氧氣及氬氣之氣體流量比例範圍介於1至2.5。
在一實施例中，上述以電弧電漿方法形成金屬氧化物薄膜層於基材上的步驟中，包括以下步驟：使混合氣體中的氧氣及氬氣之氣體流量比例範圍介於2.8至4。
在一實施例中，上述金屬氧化物薄膜層為氧化鎳(NiO)薄膜。
在一實施例中，上述金屬氧化物薄膜層為三氧化鎢(WO3)薄膜。
在一實施例中，上述催化層的材料為鉑(Pt)或鉛(Pd)。
本發明之一實施例提出一種氣體感測裝置，包括一基材、一金屬氧化物薄膜層、一催化層以及一蛇狀電極。金屬氧化物薄膜層設置於基材之上，其中金屬氧化物薄膜層係以電弧電漿方法形成，且金屬氧化物薄膜層為一柱狀結構。催化層設置於金屬氧化物薄膜層上。蛇狀電極設置在催化層上。
在一實施例中，上述金屬氧化物薄膜層的材料包括氧化鎳(NiO)或三氧化鎢(WO3)。
在一實施例中，上述催化層的材料為鉑(Pt)或鉛(Pd)。
在一實施例中，上述金屬氧化物薄膜層的厚度為200nm。
在一實施例中，上述催化層的厚度為10nm。
在一實施例中，上述蛇狀電極的厚度為50nm。
在一實施例中，上述蛇狀電極具有一蛇形迴路，蛇形迴路係自催化層之表面凸出。
基於上述，本發明提出一種氣體感測裝置及其製作方法，係以低成本製程技術之電弧電漿方式製作氣體感測裝置，並藉由電弧電漿所具有的高沉積速率的特性，可有效提升7倍沉積速率，以進行高量產小體積之穿戴式氣體感測裝置，並有效降低製程所需時間，以達到節省成本的目的。
再者，本發明以電弧電漿方法形成金屬氧化物薄膜層，使得金屬氧化物薄膜層表面具有微粒，藉此提升金屬氧化物薄膜層之薄膜比表面積，並且更能透過柱狀結構可有效提升金屬氧化物薄膜層之薄膜比表面積，進而縮短與待測氣體產生化學反應時所需時程，進而提升氣體感測裝置的響應速率。
此外，透過形成催化層來增強因氣體之脫附與吸附反應造成的電阻值變化訊號，並且，透過形成蛇狀電極來增強通入待測氣體後的電阻值變化訊號。
為讓本發明能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖 式作詳細說明如下。
1‧‧‧氣體感測裝置
11‧‧‧基材
12‧‧‧金屬氧化物薄膜層
122‧‧‧柱狀結構
13‧‧‧催化層
14‧‧‧蛇狀電極
142‧‧‧蛇形迴路
2‧‧‧氣體檢測系統
22‧‧‧環境腔體
24‧‧‧檢測元件
A~C‧‧‧電阻值的變化訊號
A1、A2‧‧‧區域
D1‧‧‧金屬氧化物薄膜層的厚度
D2‧‧‧催化層的厚度
D3‧‧‧蛇狀電極的厚度
S100‧‧‧氣體感測裝置製作方法
S110~S130‧‧‧步驟
圖1為本發明之氣體感測裝置的示意圖。
圖2為本發明之氣體感測裝置製作方法的流程圖。
圖3至圖5分別為本發明之氣體感測裝置的製作示意圖。
圖6為本發明之金屬氧化物薄膜層一實施例的剖面結構SEM圖。
圖7為本發明之氣體感測裝置於一氣體檢測系統的示意圖。
圖8為本發明通入不同壓力下氣體感測裝置對氫氣之反應訊號的示意圖。
圖9為本發明於壓力560torr下氣體感測裝置的響應速率的示意圖。
圖10A為圖9中區域A1之通入560torr氫氣後氣體感測裝置的反應瞬間的示意圖。
圖10B為圖9中區域A2之關閉560torr氫氣後氣體感測裝置的反應瞬間的示意圖。
以下結合附圖和實施例，對本發明的具體實施方式作進一步描述。以下實施例僅用於更加清楚地說明本發明的技術方案，而不能以此限制本發明的保護範圍。
圖1為本發明之氣體感測裝置的示意圖，請參閱圖1，本實施 例的氣體感測裝置1包括一基材(substrate)11、一金屬氧化物薄膜層(metal oxide thin film layer1)2、一催化層(catalytic layer)13以及一蛇狀電極(pattern electrode)14。
在本實施例中，基材11為矽基材，在另一實施例中，基板可為其他半導體材料製成之基板。金屬氧化物薄膜層12設置於基材11之上，金屬氧化物薄膜層12為柱狀結構122，且金屬氧化物薄膜層12的厚度D1為200nm，本實施例金屬氧化物薄膜層12的材料包括氧化鎳(NiO)，在另一實施例中，金屬氧化物薄膜層12的材料包括三氧化鎢(WO3)。
在本實施例中，金屬氧化物薄膜層12係以電弧電漿(Arc Plasma)方法形成，使得金屬氧化物薄膜層12具柱狀結構122。在本實施例中，柱狀結構122的形狀為柱狀體。
在本實施例中，催化層13設置於金屬氧化物薄膜層12上，且催化層13的厚度D2為10nm，本實施例催化層13的材料為鉑(Pt)，在另一實施例中，催化層13的材料為鉛(Pd)。蛇狀電極14設置在催化層13上，蛇狀電極14具有一蛇形迴路142，蛇形迴路142係自催化層13之表面凸出而形成，且蛇狀電極14的厚度D3為50nm。
圖2為本發明之氣體感測裝置製作方法的流程圖，圖3至圖5分別為本發明之氣體感測裝置的製作示意圖。需說明的是，為了使於說明，圖3至圖5為氣體感測裝置之局部結構。請先參閱圖2，在本實施例中，氣體感測裝置製作方法S100包括以下步驟S110~步驟S130。於步驟S110中，於氧氣(O2)及氬氣(Ar)之一混合氣體下，以電弧電漿(Arc Plasma)方法形成一金屬氧化物薄膜層12於一基材11上。本實施例金屬氧化物薄膜層12的材料採用 氧化鎳(NiO)，故所沉積出的金屬氧化物薄膜層為氧化鎳(NiO)薄膜。在另一實施例中，金屬氧化物薄膜層12的材料採用三氧化鎢(WO3)，金屬氧化物薄膜層為一三氧化鎢(WO3)薄膜。
如圖3所示，金屬氧化物薄膜層12設置於基材11之上。詳細而言，首先，提供基材11，基材11為矽基材，在另一實施例中，基板可為其他半導體材料製成之基板。接著，置入基材11至一腔體(未繪示)中，對腔體抽真空，使腔體內的真空度達2x10-5torr壓力以下。接著，通入混合氣體，混合氣體中的氧氣(O2)及氬氣(Ar)之氣體流量比例範圍介於1至2.5。
在本實施例中，透過電弧電漿(Arc Plasma)方法沉積金屬氧化物薄膜層12於基材11上，同時調整混合氣體中的氧氣(O2)及氬氣(Ar)之氣體流量比例範圍介於2.8至4，且控制金屬氧化物薄膜層12的厚度約為200nm，以沉積出一金屬氧化物薄膜層12，其中金屬氧化物薄膜層12為一柱狀結構122。
請復參閱圖2，於步驟S120中，形成一催化層13於金屬氧化物薄膜層12上，且控制催化層13的厚度約為10nm。本實施例係在金屬氧化物薄膜層12上沉積一層催化層13，使得催化層13設置於金屬氧化物薄膜層12上(如圖4所示)，且催化層13的厚度相對於金屬氧化物薄膜層12的厚度薄，本實施例催化層13的材料為鉑(Pt)，在另一實施例中，催化層13的材料為鉛(Pd)。
請復參閱圖2，於步驟S130中，形成一蛇狀電極14於催化層13上。本實施例係在催化層13上沉積一層蛇狀電極14，且控制蛇狀電極14的厚度約為50nm，使得蛇狀電極14設置在催化層13上(如圖5所示)，本實施 例蛇狀電極14具有一蛇形迴路142，蛇形迴路142係自催化層13之表面凸出。
相對於習用技術中採用磁控濺鍍系統沉積的方式，在上述的步驟之下，本實施例的氣體感測裝置製作方法S100以低成本、高量產速率之電弧電漿方式製作氣體感測裝置，電弧電漿設備價格低廉，且薄膜沉積速度快，可有效提升7倍沉積速率。
再者，氣體感測裝置製作方法S100所形成圖1的氣體感測裝置1，係以電弧電漿方法形成金屬氧化物薄膜層12，使得金屬氧化物薄膜層12表面具有微粒，藉此提升金屬氧化物薄膜層12之薄膜比表面積，並且更能透過柱狀結構122可有效提升金屬氧化物薄膜層12之薄膜比表面積，進而縮短與待測氣體產生化學反應時所需時程，進而提升氣體感測裝置1的響應速率。
此外，透過形成催化層13來增強因氣體之脫附與吸附反應造成的電阻值變化訊號，並且，透過形成蛇狀電極14來增強通入待測氣體後的電阻值變化訊號。
在本實施例中，藉由圖2之氣體感測裝置製作方法S100中以低成本的電弧電漿方法於矽基材形成金屬氧化物薄膜層12，金屬氧化物薄膜層為氧化鎳(NiO)薄膜，如圖6所示，圖6為本發明之金屬氧化物薄膜層一實施例的剖面結構SEM圖。可以發現氧化鎳(NiO)薄膜有明顯的柱狀結構，且柱狀結構為柱狀體，故可驗證本發明以低成本的電弧電漿方法所沉積出的金屬氧化物薄膜層具有柱狀結構。
圖7為本發明之氣體感測裝置於一氣體檢測系統的示意圖。請參閱圖7。本實施例的氣體檢測系統2包含一環境腔體22以及一檢測元件 24，其中檢測元件24例如為四點探針，氣體感測裝置1置放於環境腔體22之內。本實施例環境腔體22採用氫氣(H2)環境，然本發明不以此為限，在另一實施例中，環境腔體22內可為一真空環境或具不同氣氛環境。此外，在本實施例中，金屬氧化物薄膜層12為氧化鎳(NiO)薄膜，可做為氫氣(H2)之氣體感測裝置。如圖7所示，環境腔體22內具有氫氣(H2)，利用檢測元件24去量測氣體感測裝置1因氫氣(H2)在氧化鎳(NiO)薄膜上脫附及吸附反應造成的電阻值變化訊號。
圖8為本發明通入不同壓力下氣體感測裝置對氫氣之反應訊號的示意圖。請參閱圖8。圖8中的橫軸為時間，其以秒為單位，而圖8中的縱軸為電阻值(Induced resistance)，其以歐姆(ohm)為單位。將圖1中的氣體感測裝置1放置至如圖7所示的氣體檢測系統2中，通入不同壓力的氫氣(H2)，分別為560torr、360torr、160torr以及60torr，由圖8可看出這四種不同壓力的氫氣(H2)之氣體感測裝置之電阻值變化訊號均能被偵測。
圖9為本發明於壓力560torr氫氣下氣體感測裝置的響應速率的示意圖。請參閱圖9，圖9中的橫軸為時間，其以秒為單位，而圖9中的縱軸為電阻值(Induced resistance)，其以歐姆(ohm)為單位。將圖1中的氣體感測裝置1放置至如圖7所示的檢測系統2中，通入壓力為560torr的氫氣(H2)共計三次，每一次通入壓力時間為200秒，並於室溫下測量電阻值，可由圖9看出，每一次電阻值的變化訊號A~C均為方波(非正弦曲線的波形)訊號，代表氣體之脫附與吸附反應非常快速。
圖10A為圖9中區域A1之通入560torr氫氣後氣體感測裝置的反應瞬間的示意圖，圖10B為圖9中區域A2之關閉560torr氫氣後氣體感測 裝置的反應瞬間的示意圖，其中圖10A與圖10B中的橫軸為時間，其以秒為單位，而圖10A與圖10B中的縱軸為電阻值(Induced resistance)，其以歐姆(ohm)為單位。如圖10A所示，通入(gas on)560torr氫氣後氣體感測裝置的電阻值變化，其反應時間約為22秒，且反應前後的電阻值差異達20000歐姆(Ω)，非常容易判讀；如圖10B所示，關閉(gas off)560torr氫氣後氣體感測裝置的電阻值變化，約9秒後氣體感測裝置的電阻值降低20000歐姆(Ω)，因此，由圖10A與圖10B可知，本發明氣體感測裝置的電阻值可隨著通入氣氛快速改變。
綜上所述，本發明提出一種氣體感測裝置及其製作方法，係以低成本製程技術之電弧電漿方式製作氣體感測裝置，並藉由電弧電漿所具有的高沉積速率的特性，可有效提升7倍沉積速率，以進行高量產小體積之穿戴式氣體感測裝置，並有效降低製程所需時間，以達到節省成本的目的。
再者，本發明以電弧電漿方法形成金屬氧化物薄膜層，使得金屬氧化物薄膜層表面具有微粒，藉此提升金屬氧化物薄膜層之薄膜比表面積，並且更能透過柱狀結構可有效提升金屬氧化物薄膜層之薄膜比表面積，進而縮短與待測氣體產生化學反應時所需時程，進而提升氣體感測裝置的響應速率。
此外，透過形成催化層來增強因氣體之脫附與吸附反應造成的電阻值變化訊號，並且，透過形成蛇狀電極來增強通入待測氣體後的電阻值變化訊號。
另外，本發明氣體感測裝置之電阻值變化訊號均為方波訊 號，代表氣體之脫附與吸附反應非常快速，並且，本發明氣體感測裝置於通入氣體反應前後的電阻值差異達20000歐姆(Ω)，非常容易判讀；關閉氣體後電阻值可快速降低回到初始值，故本發明之氣體感測裝置的電阻值可隨著通入氣氛快速改變。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

Claims (14)

  1. 一種氣體感測裝置製作方法，包括以下步驟：於氧氣及氬氣之一混合氣體下，以電弧電漿方法形成一金屬氧化物薄膜層於一基材上，其中該金屬氧化物薄膜層為一柱狀結構；形成一催化層於該金屬氧化物薄膜層上；以及形成一蛇狀電極於該催化層上，該蛇狀電極具有一蛇形迴路，該蛇形迴路係自該催化層之表面凸出。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之氣體感測裝置製作方法，其中形成該金屬氧化物薄膜層之前，包括以下步驟：提供該基材；置入該基材至一腔體中；對該腔體抽真空；以及通入氧氣及氬氣之該混合氣體。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之氣體感測裝置製作方法，其中對該腔體抽真空的步驟中，包括以下步驟：使該腔體內的真空度達2x10-5torr壓力以下。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之氣體感測裝置製作方法，其中該混合氣體中的該氧氣及該氬氣之氣體流量比例範圍介於1至2.5。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之氣體感測裝置製作方法，其中所述以電弧電漿方法形成該金屬氧化物薄膜層於該基材上的步驟中，包括以下步驟：使該混合氣體中的該氧氣及該氬氣之氣體流量比例範圍介於2.8至4。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之氣體感測裝置製作方法，其中該金屬氧化物薄膜層為氧化鎳(NiO)薄膜。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之氣體感測裝置製作方法，其中該金屬氧化物薄膜層為三氧化鎢(WO3)薄膜。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之氣體感測裝置製作方法，其中該催化層的材料為鉑(Pt)或鉛(Pd)。
  9. 一種氣體感測裝置，包括：一基材；一金屬氧化物薄膜層，設置於該基材之上，其中該金屬氧化物薄膜層係以電弧電漿方法形成，且該金屬氧化物薄膜層為一柱狀結構；一催化層，設置於該金屬氧化物薄膜層上；以及一蛇狀電極，設置在該催化層上，該蛇狀電極具有一蛇形迴路，該蛇形迴路係自該催化層之表面凸出。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之氣體感測裝置，其中該金屬氧化物薄膜層的材料包括氧化鎳(NiO)或三氧化鎢(WO3)。
  11. 如申請專利範圍第9項所述之氣體感測裝置，其中該催化層的材料為鉑(Pt)或鉛(Pd)。
  12. 如申請專利範圍第9項所述之氣體感測裝置，其中該金屬氧化物薄膜層的厚度為200nm。
  13. 如申請專利範圍第9項所述之氣體感測裝置，其中該催化層的厚度為10nm。
  14. 如申請專利範圍第9項所述之氣體感測裝置，其中該蛇狀電極的厚度為50nm。
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