TWI695168B - 氣體感測裝置及其製作方法 - Google Patents

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Abstract

本發明所提出的氣體感測裝置，包含一矽基板；一絕緣層，形成於該矽基板上；一電漿處理層，形成於該絕緣層上；一金屬電極，配置於該電漿處理層部分的表面上；以及一感測層，形成於該電漿處理層和該金屬電極的表面上。透過在基板上進行電漿處理，並轉印石墨烯薄膜至基板與電極上，以改善石墨烯對氣體的選擇比吸附特性，同時調變電漿處理時間來達到感測特性最佳化。

Description

氣體感測裝置及其製作方法
本發明係關於一種氣體感測裝置及其製作方法，尤指一種對基板進行電漿處理，以改善石墨烯對氣體選擇比吸附特性的氣體感測裝置及其製作方法。
空氣中存在了許多會傷害人體的不良氣體，如一氧化碳、二氧化碳、甲烷和氨氣等，目前已有許多相關石墨烯應用於氣體感測元件的研究，習知電阻式氣體感測器的製作步驟為先沉積感測薄膜在基板上，再製作金屬電極的結構；且為改善習知電阻式氣體感測器中感測薄膜（二維材料）選擇比的技術，大部分採用直接對感測薄膜進行改質與摻雜，而使薄膜產生許多缺陷，進而造成薄膜的電阻值提高。
除此之外，由於單一電阻式氣體感測器並不具有氣體選擇性；而傳統上為了達成氣體的選擇，還需要在感測器的前端加置氣體分離系統，如微流道等，以達成氣體種類的辨別。然而，此種感測器的體積過於龐大，不利於微型化的感測器的發展。
有鑑於此，本發明之目的在於提出一種氣體感測裝置，透過在基板上進行電漿處理，並轉印石墨烯薄膜至基板與電極上，以改善石墨烯對氣體的選擇比吸附特性，同時調變電漿處理時間來達到感測特性最佳化；同時，透過陣列化的結構設計，達到同時感測多種氣體的目的。
本發明所提出的氣體感測裝置，包含一矽基板；一絕緣層，形成於該矽基板上；一電漿處理層，形成於該絕緣層上；一金屬電極，配置於該電漿處理層部分的表面上；以及一感測層，形成於該電漿處理層和該金屬電極的表面上。
本發明所提出的另一氣體感測裝置，包含一矽基板；一絕緣層，沉積於該矽基板上；一陣列式電漿處理層，具有複數個電漿處理區，該陣列式電漿處理層形成於該絕緣層上，其中每一個電漿處理區包含：一金屬電極，配置於每一個電漿處理區部分的表面上；以及一感測層，形成於每一個電漿處理區和該金屬電極的表面上。
另外，本發明更提出一種氣體感測裝置的製作方法，包含以下步驟：（A）提供一矽基板；（B）沉積一絕緣材料於該矽基板上，以形成一絕緣層；（C）以表面電漿改質的方式對該矽基板進行一時間段的鹵化物電漿處理，以形成至少一電漿處理區於該絕緣層上；（D）沉積一金屬電極於每一個電漿處理區部分的表面上；（E）將一二維材料披覆於每一個電漿處理區和該金屬電極上，以形成至少一感測層；以及（F）製作出每一個感測層的一感測區域。
以上對本發明的簡述，目的在於對本發明之數種面向和技術特徵作一基本說明。發明簡述並非對本發明的詳細表述，因此其目的不在特別列舉本發明的關鍵性或重要元件，也不是用來界定本發明的範圍，僅為以簡明的方式呈現本發明的數種概念而已。
為能瞭解本發明的技術特徵及實用功效，並可依照說明書的內容來實施，茲進一步以如圖式所示的較佳實施例，詳細說明如後：
為克服前述欲解決的問題，改善氣體感測元件的感測特性，本發明提出了一種氣體感測裝置及其製作方法，透過於基板上進行電漿處理和改質，以改善感測層對氣體的選擇比吸附特性。
首先，請參照第一圖，其為本發明較佳實施例之氣體感測裝置的示意圖。如第一圖所示，該之氣體感測裝置100包含一基板110、一絕緣層120、一電漿處理層130、一金屬電極140以及一感測層150。具體而言，該絕緣層120形成於該基板110上，該電漿處理層130形成於該絕緣層120上，該金屬電極140配置於該電漿處理層130上，以及該感測層150披覆於該電漿處理層130和金屬電極上140，並以氧電漿（Oxygen plasma）定義出一感測區域。
而第二圖為本發明較佳實施例之氣體感測裝置的製作方法流程圖。如第二圖所示，本實施例之氣體感測裝置的製作方法包含以下步驟：（A）提供一矽基板110；（B）沉積一絕緣材料於該矽基板110上，以形成一絕緣層120；（C）以表面電漿改質的方式對矽基板110和絕緣層120進行一時間段的鹵化物電漿處理，以形成至少一電漿處理區（層）130於該絕緣層120上；（D）沉積一金屬電極140於每一個電漿處理區（層）130部分的表面上；（E）將一二維材料披覆於每一個電漿處理區（層）130和該金屬電極140上，以形成至少一感測層150；以及（F）製作出每一個感測層150的一感測區域。
接續，請同時參照第三圖至第八圖，第三圖為本發明較佳實施例之基板的示意圖，第四圖為本發明較佳實施例之絕緣層的示意圖，第五圖為本發明較佳實施例之電漿處理層的示意圖，第六圖為本發明較佳實施例之金屬電極結構的示意圖，第七圖為本發明較佳實施例之感測層的示意圖，第八圖為本發明較佳實施例之氣體感測裝置的示意圖。
第三圖至第八圖進一步演示了本實施例之氣體感測裝置的製作流程，可配合第二圖之製作方法流程圖說明。首先如第三圖所示，亦即為流程圖中的步驟（A），提供一基板110，具體而言該基板110為矽基板110。
接續，如第四圖所示，亦即為流程圖中的步驟（B），於該矽基板110一端的表面上沉積一絕緣材料，形成一絕緣層120於該矽基板110的表面上。其中，該絕緣材料為氮化矽（Si 3N 4）。
如第五圖所示，亦即為流程圖中的步驟（C），以表面電漿改質的方式，對配置有絕緣層120的基板110進行一時間段的鹵化物電漿處理，以形成一電漿處理層130於該絕緣層120上。其中，該時間段可為三分鐘或六分鐘，該鹵化物的材料可選用四氟化碳（CF 4）。然而，實際電漿處理的時間以及鹵化物材料的選用，皆可依據待測氣體的不同或使用者的需求進行調整，本發明不應依此為限。
如第六圖所示，亦為流程圖中的步驟（D），於該電漿處理層130上透過黃光蒸鍍的方式沉積一金屬電極140。在本實施例中，該金屬電極140的配置為兩端式，且兩電極140之間的間距為1000至2000微米；在其他可能的實施例中，還可透過自行設計的金屬遮罩來定義該電極的圖案。金屬電極140的材料可以是金（Au）、銀（Ag）、銅（Cu）、鈦（Ti）或其合金，其中又以金（Au）或鈦（Ti）為最佳。
進一步而言，該電漿處理層130與該金屬電極14的交接處還可先沉積有一黏著層 （圖未示）。
如第七圖所示，亦即為流程圖中的步驟（E），將一感測層150披覆（例如轉印）於該金屬電極140和該電漿處理層130，感測層150的材料可選用矽、奈米碳管、石墨烯或石墨烯層氧化物等二維材料，其中又以薄膜狀之單層石墨烯為最佳。
最後，如第八圖所示，亦即為流程圖中的步驟（F），利用氧電漿（Oxygen plasma）去除多餘的感測層150（石墨烯）並定義出一感測區域，完成本實施例之氣體感測裝置100。
本實施例之氣體感測裝置中，披覆有氮化矽（Si 3N 4）材料的矽基板110，在經由四氟化碳（CF 4）電漿處理後，會使其表面形成F-N電偶以及負電荷累積的電漿處理層130，造成作為感測層150的石墨烯對氨氣（NH 3）的吸附能力增加，而對二氧化氮（NO 2）的吸附能力減少的現象。
請進一步參照第九圖及第十圖，第九圖為本發明之氣體感測裝置依據不同的電漿處理時間對不同氨氣濃度的量測比較圖，第十圖為本發明之氣體感測裝置依據不同的電漿處理時間對不同二氧化氮濃度的量測比較圖。首先如第九圖所示，在固定氨氣濃度（分別為20ppm、30ppm和40ppm）的條件下，隨著時間的增加，經四氟化碳（CF 4）電漿處理（三分鐘和六分鐘）後的氣體感測裝置，其對於氨氣響應（速度）的靈敏度也隨之增加。從第九圖中亦可以看出，相較於未經電漿處理時間的感測器，本實施例經電漿處理後的氣體感測裝置，其氨氣響應（速度）的靈敏度具有明顯增加，且響應的靈敏度更隨著電漿處理時間的拉長而有所提升。
相對而言，如第十圖所示，在固定二氧化氮濃度（分別為2ppm、4ppm和6ppm）的條件下，隨著時間的增加，經四氟化碳（CF 4）電漿處理（三分鐘和六分鐘）後的氣體感測裝置，其對於二氧化氮響應（速度）的靈敏度也隨之降低。從第十圖中亦可以看出，相較於未經電漿處理時間的感測器，本實施例經電漿處理後的氣體感測裝置，其二氧化氮響應（速度）的靈敏度具有明顯減少，且響應的靈敏度更隨著電漿處理時間的拉長而有所降低。
綜上而論，請同時參照第十一圖，其為本發明之氣體感測裝置針對四氟化碳（CF 4）電漿處理時間對氨氣與二氧化氮感測的響應比較圖。如第十一圖所示，本實施例製作氣體感測裝置的過程中，四氟化碳（CF 4）電漿處理的時間越長，對氨氣（NH 3）的響應越大，而對二氧化氮（NO 2）的響應則越小。由此可知，採用表面電漿改質的方式，對配置有絕緣層的基板進行四氟化碳（CF 4）電漿處理的氣體感測裝置，具有相當優良的氨氣結合能力，產生不錯的反應，其感測層能偵測的氣體為氨氣。
第十二圖則為不同的電漿處理時間對感測層（石墨烯）影響的拉曼分析圖。由第十二圖的拉曼分析圖中可以看出，經表面電漿改質後的矽基板對於感測層的石墨烯薄膜結構，不論電漿改質的時間為何，皆不會造成缺陷的產生以及結構上的變化。
雖本實施方式中僅提及二氧化氮（NO 2）以及氨氣（NH 3）之實施例，惟依照本發明所述改變表面電漿改質的材料，包含本實施例在內，本發明之氣體感測裝置還可感測的氣體分子包含有NO（一氧化氮）、H 2（氫氣）、O 2（氧氣）、CO 2（二氧化碳）、CO（一氧化碳）、NH 3（氨氣）、CH 3OCH 3（二甲醚）、C 3H 9O 3P（甲基膦酸二甲酯）、C 2H 5OH（乙醇）、CH 3OH（甲醇）、（CH 2） 4O（四氫呋喃）、CHCl 3（氯仿）、H 2S（硫化氫）或C 3H 6O（丙酮）等，僅依照使用者需求而設計，本發明不應以此為限。
除此之外，請再同時參照第十三圖及第十四圖。十三圖為本發明另一較佳實施例之氣體感測裝置的上視圖，第十四圖為本發明另一較佳實施例之氣體感測裝置的剖視圖（沿第十三圖之虛線）。
如第十三圖及第十四圖所示，本發明另一較佳實施例所提出的氣體感測裝置200包含一基板210、一絕緣層220以及一陣列式電漿處理層230。具體而言，該絕緣層220形成於該基板210上，該陣列式電漿處理層230形成於該絕緣層220上，且具有複數個電漿處理區（230a、230b、230c、230d）。其中，每一個電漿處理區（230a、230b、230c、230d）包含一金屬電極240，配置於每一個電漿處理區（230a、230b、230c、230d）部分的表面上，以及一感測層250，形成於每一個電漿處理區（230a、230b、230c、230d）和該金屬電極240的表面上。
同樣地，以下將進一步說明另一實施例之氣體感測裝置的製作流程。首先，提供一基板210，具體而言該基板為矽基板210。
接續，於該矽基板210一端的表面上沉積一絕緣材料，形成一絕緣層220於該矽基板210的表面上。其中，該絕緣材料為氮化矽（Si 3N 4）。
接續，以表面電漿改質的方式，對配置有絕緣層的基板210進行一時間段的鹵化物或其他材料的電漿處理，以形成一陣列式電漿處理層230於該絕緣層上。值得注意的是，該一陣列式電漿處理層230具有複數個以陣列排列的電漿處理區（230a、230b、230c、230d），且每一個電漿處理區（230a、230b、230c、230d）彼此分離不接觸，並使用不同的鹵化物（如四氟化碳）或其他材料進行一時間段的表面電漿改質處理，形成複數個具有不同材料的電漿處理區（230a、230b、230c、230d），以感測多種待測氣體；換言之，當電漿處理區（230a、230b、230c、230d）的數量愈多，則可感測的氣體種類也越多，且電漿處理區（230a、230b、230c、230d）的數量可大於或等於待測物的種類。
除此之外，雖然第十二圖中僅繪示2×2的陣列排列（亦即共四個對同一基板進行不同鹵化物或其他材料的電漿改質處理，所形成的四個電漿處理區（230a、230b、230c、230d）），但在其他實施例中，電漿處理區（230a、230b、230c、230d）的數量可依使用者需求來調整，本發明不以此為限。
再者，於每一個電漿處理區（230a、230b、230c、230d）上透過黃光蒸鍍的方式沉積一金屬電極240。在本實施例中，金屬電極240的配置為兩端式，且兩電極之間的間距為1000至2000微米；在其他可能的實施例中，還可透過自行設計的金屬遮罩來定義該電極的圖案。金屬電極240的材料可以是金（Au）、銀（Ag）、銅（Cu）、鈦（Ti）或其合金，其中又以金（Au）或鈦（Ti）為最佳。進一步而言，每一個電漿處理區（230a、230b、230c、230d）與該金屬電極240的交接處還可先沉積有一黏著層（圖未示）。
再者，於金屬電極240和每一個電漿處理區（230a、230b、230c、230d）上披覆（例如轉印）有一感測層250，感測層250的材料可選用矽、奈米碳管、石墨烯或石墨烯層氧化物等二維材料，其中又以薄膜狀之單層石墨烯為最佳。
最後，利用氧電漿（Oxygen plasma）去除多餘的感測層250（石墨烯）並定義出每一個感測層250的一感測區域，完成本實施例具有陣列式感測區域（陣列式的電漿處理區（230a、230b、230c、230d））的氣體感測裝置200，可依此感測不同種類的氣體。舉例而言，當待測氣體為具有四種氣體的混合氣體時，該混合氣體會與氣體感測裝置200中四個不同的感測區域進行反應，使得感測層250的電容值或電阻值等電特性改變。如此一來，本實施例之氣體感測裝置200便可同時感測四種不同的氣體，以達到氣體選擇性，而不需要額外加裝氣體分離系統。
上述兩個實施例的氣體感測裝置可依照用途安裝在各種感測器設備中，其連接方式可為將電流/電阻數據讀取器與兩個實施例氣體感測裝置的各電極連接，偵測感測層電容值或電阻值之變化，以進行後續的資料處理。
綜上所述，本發明之氣體感測裝置對基板進行電漿摻雜與改質後，轉印石墨烯薄膜的感測層至基板與電極上，並藉由感測層受到下方改質後基板的影響，改善石墨烯對待測氣體的響應與選擇比。除此之外，本發明還可對基板同時進行不同材料的電漿摻雜與改質，使得複數個感測層受到下方改質後基板的影響，與不同的待測氣體反應，進而達到單一體感測裝置偵測少量且多種的待測氣體的特性。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即依本發明申請專利範圍及說明內容所作之簡單變化與修飾，皆仍屬本發明涵蓋之範圍內。
100:氣體感測裝置 110:基板 120:絕緣層 130:電漿處理層 140:金屬電極 150:感測層 200:氣體感測裝置 210:基板 220:絕緣層 230:陣列式電漿處理層 230a、230b、230c、230d:電漿處理區 240:金屬電極 250:感測層 （A）-（F）:步驟
第一圖為本發明較佳實施例之氣體感測裝置的示意圖。
第二圖為本發明較佳實施例之氣體感測裝置的製作方法流程圖。
第三圖為本發明較佳實施例之基板的示意圖。
第四圖為本發明較佳實施例之絕緣層的示意圖。
第五圖為本發明較佳實施例之電漿處理層的示意圖。
第六圖為本發明較佳實施例之金屬電極結構的示意圖。
第七圖為本發明較佳實施例之感測層的示意圖。
第八圖為本發明較佳實施例之氣體感測裝置的示意圖。
第九圖為本發明之氣體感測裝置依據不同的電漿處理時間對不同氨氣濃度的量測比較圖。
第十圖為本發明之氣體感測裝置依據不同的電漿處理時間對不同二氧化氮濃度的量測比較圖。
第十一圖為本發明之氣體感測裝置針對四氟化碳（CF 4）電漿處理時間對氨氣與二氧化氮感測的響應比較圖。
第十二圖為不同的電漿處理時間對感測層（石墨烯）影響的拉曼分析圖。
第十三圖為本發明另一較佳實施例之氣體感測裝置的上視圖。
第十四圖為本發明另一較佳實施例之氣體感測裝置的剖視圖。
100:氣體感測裝置
110:基板
120:絕緣層
130:電漿處理層
140:金屬電極
150:感測層

Claims (21)

  1. 一種氣體感測裝置，包含：一矽基板；一絕緣層，形成於該矽基板上；一電漿處理層，形成於該絕緣層上；一金屬電極，配置於該電漿處理層的表面上；以及一感測層，形成於該電漿處理層和該金屬電極的表面上。
  2. 如請求項1所述之氣體感測裝置，其中該電漿處理層係對含有該絕緣層的該矽基板進行一鹵化物的電漿處理。
  3. 如請求項2所述之氣體感測裝置，其中該鹵化物為四氟化碳(CF4)。
  4. 如請求項1所述之氣體感測裝置，其中該感測層的材料為二維材料。
  5. 如請求項4所述之氣體感測裝置，其中該二維材料為石墨烯。
  6. 如請求項1所述之氣體感測裝置，其中該電漿處理層和該金屬電極之間還沉積有一黏著層。
  7. 如請求項1所述之氣體感測裝置，其中該絕緣層的材料為氮化矽(Si3N4)。
  8. 一種氣體感測裝置，包含：一矽基板；一絕緣層，形成於該矽基板上；一陣列式電漿處理層，具有複數個電漿處理區，該陣列式電漿處理層形成於該絕緣層上，其中每一個電漿處理區包含： 一金屬電極，配置於每一個電漿處理區的表面上；以及一感測層，形成於每一個電漿處理區和該金屬電極的表面上。
  9. 如請求項8所述之氣體感測裝置，其中該複數個電漿處理區係對含有該絕緣層的該矽基板進行一鹵化物的電漿處理。
  10. 如請求項9所述之氣體感測裝置，其中該鹵化物為四氟化碳(CF4)。
  11. 如請求項8所述之氣體感測裝置，其中該感測層的材料為二維材料。
  12. 如請求項11所述之氣體感測裝置，其中該二維材料為石墨烯。
  13. 如請求項8所述之氣體感測裝置，其中每一個電漿處理區和該金屬電極之間還沉積有一黏著層。
  14. 如請求項8所述之氣體感測裝置，其中該絕緣層的材料為氮化矽(Si3N4)。
  15. 一種氣體感測裝置的製作方法，包含：(A)提供一矽基板；(B)沉積一絕緣材料於該矽基板上，以形成一絕緣層；(C)以表面電漿改質的方式對該矽基板進行一時間段的鹵化物電漿處理，以形成至少一電漿處理區於該絕緣層上；(D)沉積一金屬電極於每一個電漿處理區部分的表面上；(E)將一二維材料披覆於每一個電漿處理區和該金屬電極上，以形成至少一感測層；以及(F)製作出每一個感測層的一感測區域。
  16. 如請求項15所述之氣體感測裝置的製作方法，其中在步驟(B)中，該絕緣材料為氮化矽(Si3N4)。
  17. 如請求項15所述之氣體感測裝置的製作方法，其中在步驟(C)中，該鹵化物為四氟化碳(CF4)。
  18. 如請求項15所述之氣體感測裝置的製作方法，其中在步驟(C)中，該時間段為三分鐘或六分鐘。
  19. 如請求項15所述之氣體感測裝置的製作方法，其中在步驟(D)中，還可沉積有一黏著層於該每一個電漿處理區和該金屬電極之間。
  20. 如請求項15所述之氣體感測裝置的製作方法，其中在步驟(E)中，該二維材料為石墨烯。
  21. 如請求項15所述之氣體感測裝置的製作方法，其中在步驟(F)中，是以氧電漿(Oxygen plasma)製作出該感測區域。
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