TWI722860B

TWI722860B - 氣體感測材料與氣體感測器

Info

Publication number: TWI722860B
Application number: TW109111698A
Authority: TW
Inventors: 黃柏愷; 蔡明志; 簡志軒
Original assignee: 新唐科技股份有限公司
Priority date: 2020-04-08
Filing date: 2020-04-08
Publication date: 2021-03-21
Also published as: CN113495089A; CN113495089B; TW202138801A

Abstract

一種氣體感測材料與氣體感測器。所述氣體感測材料包括n型MoO _x基體與多個p型MoN _yO _z突起物，p型MoN _yO _z突起物分布在所述n型MoO _x基體的表面，其中0>x>3、0.01>y>2且0.01>z>2。所述氣體感測器則包括第一電極、第二電極以及介於第一與第二電極之間的至少一感測結構。所述感測結構是由多個上述的氣體感測材料組成。

Description

氣體感測材料與氣體感測器

本發明是有關於一種氣體感測技術，且特別是有關於一種氣體感測材料與氣體感測器。

由於近幾年科技與技術的精進，使得智慧型裝置普及化，而科技化後的產品則越來越趨向於三大方向，智慧化、自動化以及雲端化；小如一台基本的智慧型手機，內部卻已經有諸多的感測器整合其中，大至一輛電動車，可將感測器的效能發揮至極致，帶給人們的是全自動化駕駛的體驗。

各種類型的感測器已經被應用在不同的領域中，以半導體吸附式氣體感測器為例，是利用金屬化合物表面吸附氣體含量多寡時產生的電性變化，來監測氣體的濃度變化。

然而，這類的氣體感測器常見的缺點是對氣體的靈敏度（Sensitivity）、選擇性（Selectivity）及穩定性（Stability）不佳。習知氣體感測器在常溫下的對氣體的靈敏度不佳，因此需要另外設置加熱器，但因氣體感測器若長期處於高溫將容易發生故障失效，因此，氣體感測器需進一步改良，使其不需另外設置加熱器，也能具有對氣體良好的靈敏度、選擇性及穩定性。

本發明提供一種氣體感測材料，能有效提升導電性並且改善感測的反應速度與回復時間（response time）。

本發明另提供一種氣體感測器，具有上述氣體感測材料，因此具有靈敏度高、反應速度快與回復時間短的效果。

本發明的氣體感測材料包括n型MoO _x基體與多個p型MoN _yO _z突起物，所述多個p型MoN _yO _z突起物分布在所述n型MoO _x基體的表面，其中0>x>3、0.01>y>2且0.01>z>2。

在本發明的一實施例中，上述氣體感測材料可為線型（wire）結構、棒狀（rod）結構或一維結構。

在本發明的一實施例中，上述氣體感測材料的載體長度在1 µm~50 µm。

在本發明的一實施例中，上述多個p型MoN _yO _z突起物係均勻分布在上述n型MoO _x基體的整個表面。

在本發明的一實施例中，上述多個p型MoN _yO _z突起物在所述n型MoO _x基體的表面上的分布密度是20個/µm ²~200 個/µm ²。

在本發明的一實施例中，上述多個p型MoN _yO _z突起物在所述n型MoO _x基體的表面上的平均粒徑是1 nm~10 nm。

本發明的氣體感測器包括第一電極、與所述第一電極相隔一距離的第二電極以及至少一感測結構。所述感測結構是由多個上述氣體感測材料所組成。所述感測結構介於第一電極與第二電極之間，並與第一電極與第二電極直接接觸。

在本發明的另一實施例中，上述第一電極與上述第二電極之間的距離例如在1µm~1000µm之間。

在本發明的另一實施例中，上述第一電極與上述第二電極包括指叉狀電極。

在本發明的另一實施例中，上述氣體感測器包括電阻式感測器或電容式感測器。

在本發明的另一實施例中，上述氣體感測器的操作溫度為室溫。

基於上述，本發明使用具有氧缺陷的n型氧化鉬基體搭配氮原子置換鉬氧化物中之氧原子的p型氮氧化鉬的表面突起物，作為氣體感測材料。首先，由於氧缺陷可降低能隙，進而有效的提升材料的導電性。第二，由於氮原子的置入，使得鉬金屬的化學價態降低，狀態亦較為穩定，因而使得基礎電阻值相較於氧化鉬更為穩定。因此，具有上述氣體感測材料的氣體感測器對於氣體（如乙醇）的反應速度與回復時間可大幅提升。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

以下實施例中所附的圖式是為了能更完整地描述本發明的實施例，然而本發明仍可使用許多不同的形式來實施，不限於所記載的實施例。此外，為了清楚起見，各個區域或膜層的相對厚度、距離及位置可能縮小或放大。另外，在圖式中使用相似或相同的元件符號表示相似或相同的部位或特徵的存在。

圖1是依照本發明的一實施例的一種氣體感測材料的剖面示意圖。

請參照圖1，本實施例的氣體感測材料100包括n型MoO _x基體102與多個p型MoN _yO _z突起物104，其中0>x>3、0.01>y>2且0.01>z>2。p型MoN _yO _z突起物是分布在n型MoO _x基體102的表面102a，在本實施例中的p型MoN _yO _z突起物104係均勻分布在n型MoO _x基體102的整個表面102a，然而本發明並不限於此；在另一實施例中，p型MoN _yO _z突起物104可分布在n型MoO _x基體102的局部表面102a。由於n型MoO _x基體102的x小於3表示氧化鉬（MoO ₃）具有氧缺陷，可使得材料的能隙降低，能使電子從價電態更易於跳到導電態，導致n型MoO _x基體102具有比氧化鉬更高的導電性，且x的數值可根據待測氣體的種類而調整。

在一實施例中，上述多個p型MoN _yO _z突起物104在n型MoO _x基體102的表面102a上的分布密度例如是2個/µm ²~ 200個/µm ²。另外，p型MoN _yO _z突起物104在n型MoO _x基體102的表面102a上的平均粒徑d可為1 nm ~ 10 nm。p型MoN _yO _z突起物104是將氮原子置入有氧缺陷的氧化鉬，使得鉬金屬的化學價態降低，狀態亦較為穩定，因而使得基礎電阻值相較於MoO _x更為穩定，且氮的比例決定了氣體感測材料100表面可接多少氧，所以也可根據待測氣體的種類而調整y和z的數值。

在一實施例中，氣體感測材料100可為線型（wire）結構、棒狀（rod）結構或者一維結構。雖然氣體感測材料100的空間結構是三維的，但是文中的「一維結構」應理解為氣體感測材料100在單一方向上的長度遠大於其在一正交方向（orthogonal direction）上的尺寸。在一實施例中，氣體感測材料100的載體長度L例如在1 µm~ 50 µm之間。

圖2A是圖1的氣體感測材料在未吸附氣體時的電特性示意圖；圖2B是圖1的氣體感測材料在吸附氣體後的電特性示意圖。

請先參照圖2A，當圖1的氣體感測材料100暴露於空氣中時，n型MoO _x基體102內部會形成電子傳輸通道（Conduction channel）200並於n型MoO _x基體102表面102a形成空乏層202，且p型MoN _yO _z突起物104的存在會使其下上方的空乏層202往下方擴大，導致電子傳輸通道200與空乏層202之間的界面呈現雲朵狀。

請參照圖2B，當圖1的氣體感測材料100暴露於待測氣體（如乙醇氣體）時，乙醇中的氧會快速與電洞結合，因而造成空乏層202快速地縮小，使得電子傳輸通道200瞬間增大，而導致電阻快速降低、阻值下降，進而提升氣體感測的靈敏度，且不需要加熱即可在室溫進行感測。

圖3是依照本發明的另一實施例的一種氣體感測器的剖面示意圖，其中使用上一實施例的元件符號來表示相同或類似的構件，且相同的構件的說明可參照上述的相關內容，於此不再贅述。

請參照圖3，本實施例的氣體感測器可製作在一個基板300上，包括第一電極302、與第一電極302相隔一距離S的第二電極304以及感測結構306，其中感測結構306是由多個上述氣體感測材料100所組成，且氣體感測器的操作溫度可為室溫。所述感測結構306介於第一電極302與第二電極304之間，並與第一電極302與第二電極304直接接觸。而感測結構306的製作例如（但不限於）先將預定量的氣體感測材料100與分散劑或/及溶劑混合成塗料，再藉由例如噴塗法、旋塗法、網印法等方式塗佈於第一電極302與第二電極304之間或其表面，然後高溫下去除溶劑，而得到感測結構306。在一實施例中，第一電極302與第二電極304之間的距離S例如在1µm~1000µm之間。第一電極302與第二電極304例如指叉狀電極或直條式電極。上述基板300可以是印刷電路板（PCB），且第一電極302與第二電極304可為印刷電路板的電路，然而本發明並不限於此，基板300也可以是矽基板或陶瓷基板。另外，本實施例的氣體感測器可以是電阻式感測器或是電容式感測器。電阻式感測器的感測原理主要是利用與第一電極302以及第二電極304接觸的感測結構306在吸附氣體時，感測結構306的電阻所發生的對應變化而進行量測；電容式感測器的感測原理則是利用感測結構306吸附到氣體分子時，介電係數會發生改變而改變其電容值以進行量測。

圖4是本發明的一實施例的氣體感測器的靈敏度曲線圖，其是在不加熱（室溫）的情況下，每次間隔100秒進行100秒的不同乙醇氣體濃度（400ppm、500ppm、600ppm、800ppm、1000ppm）的感測結果。從圖4可得到，回復時間極短，幾乎通入氣體的同時∆R/R就直接往下掉，且靈敏度（∆R/R）隨氣體濃度增加可達到-10%左右。相較下，若是使用氧化鉬（MoO ₃）作為氣體感測材料，在同樣感測條件下的靈敏度頂多接近-1%，因此以上本發明的氣體感測器的實施例確實具有優異的感測靈敏度。

綜上所述，本發明的氣體感測材料是使用具有氧缺陷的n型氧化鉬基體搭配表面的p型氮氧化鉬的表面突起物，因為氧缺陷能改善材料導電性，且以氮原子部分置換鉬氧化物中的氧原子的p型氮氧化鉬也能提升氣體吸附能力，進而大幅增進靈敏度，而不需要另外加熱即可達到氣體感測的效果。

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，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

100:氣體感測材料 102:n型MoO _x基體 102a:表面 104:p型MoN _yO _z突起物 200:電子傳輸通道 202:空乏層 300:基板 302:第一電極 304:第二電極 306:感測結構 d:粒徑 L:載體長度 S:距離

圖1是依照本發明的一實施例的一種氣體感測材料的剖面示意圖。圖2A是圖1的氣體感測材料在未吸附氣體時的電特性示意圖。圖2B是圖1的氣體感測材料在吸附氣體後的電特性示意圖。圖3是依照本發明的另一實施例的一種氣體感測器的剖面示意圖。圖4是本發明的一實施例的氣體感測器的靈敏度曲線圖。

100:氣體感測材料

102:n型MoO_x基體

102a:表面

104:p型MoN_yO_z突起物

d:粒徑

L:載體長度

Claims

一種氣體感測材料，包括：一n型MoO _x基體，0>x>3；以及多數個p型MoN _yO _z突起物，分布在所述n型MoO _x基體的表面，其中0.01>y>2且0.01>z>2。
如請求項1所述的氣體感測材料，其中所述氣體感測材料為線型（wire）結構、棒狀（rod）結構或一維結構。
如請求項1所述的氣體感測材料，其中所述氣體感測材料的載體長度在1 µm~ 50 µm之間。
如請求項1所述的氣體感測材料，其中所述多數個p型MoN _yO _z突起物係均勻分布在所述n型MoO _x基體的整個所述表面。
如請求項1所述的氣體感測材料，其中所述多數個p型MoN _yO _z突起物在所述n型MoO _x基體的表面上的分布密度是2個/µm ²~ 200個/µm ²。
如請求項1所述的氣體感測材料，其中所述多數個p型MoN _yO _z突起物在所述n型MoO _x基體的表面上的平均粒徑是1 nm ~ 10 nm。
一種氣體感測器，包括：第一電極；第二電極，與所述第一電極相隔一距離；以及至少一感測結構，介於所述第一電極與所述第二電極之間，並與所述第一電極與所述第二電極直接接觸，其中所述感測結構是由多數個如請求項1~6中任一項所述的氣體感測材料組成。
如請求項7所述的氣體感測器，其中所述第一電極與所述第二電極之間的所述距離在1µm~1000µm之間。
如請求項7所述的氣體感測器，其中所述第一電極與所述第二電極包括指叉狀電極。
如請求項7所述的氣體感測器，其中所述氣體感測器包括電阻式感測器或電容式感測器。
如請求項7所述的氣體感測器，其中所述氣體感測器的操作溫度為室溫。