TWI729724B - 氣體感測器 - Google Patents

氣體感測器 Download PDF

Info

Publication number
TWI729724B
TWI729724B TW109107776A TW109107776A TWI729724B TW I729724 B TWI729724 B TW I729724B TW 109107776 A TW109107776 A TW 109107776A TW 109107776 A TW109107776 A TW 109107776A TW I729724 B TWI729724 B TW I729724B
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
finger electrode
semiconductor layer
extension
extension portion
sensing element
Prior art date
Application number
TW109107776A
Other languages
English (en)
Other versions
TW202135351A (zh
Inventor
駱玠錞
何羽軒
Original Assignee
新唐科技股份有限公司
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 新唐科技股份有限公司 filed Critical 新唐科技股份有限公司
Priority to TW109107776A priority Critical patent/TWI729724B/zh
Priority to CN202110108257.9A priority patent/CN113376220B/zh
Application granted granted Critical
Publication of TWI729724B publication Critical patent/TWI729724B/zh
Publication of TW202135351A publication Critical patent/TW202135351A/zh

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
    • G01N27/04—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance
    • G01N27/12—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of a solid body in dependence upon absorption of a fluid; of a solid body in dependence upon reaction with a fluid, for detecting components in the fluid
    • G01N27/121—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of a solid body in dependence upon absorption of a fluid; of a solid body in dependence upon reaction with a fluid, for detecting components in the fluid for determining moisture content, e.g. humidity, of the fluid

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Fluid Adsorption Or Reactions (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)

Abstract

本發明提供一種氣體感測器。上述氣體感測器包括一半導體基底、一第一指狀電極、一第二指狀電極、一第三指狀電極、一第一半導體層與一第二半導體層。上述第三指狀電極設置在上述第一指狀電極以及上述第二指狀電極之間。上述第一半導體層形成在上述第一指狀電極的複數第一延伸部分以及上述第三指狀電極的複數第三延伸部分之間。上述第二半導體層形成在上述第二指狀電極的複數第二延伸部分以及上述第三指狀電極的複數第四延伸部分之間。上述第一半導體層與上述第二半導體層是由不同材料所形成。

Description

氣體感測器
本發明係有關於一種氣體感測器，且特別係有關於一種具有多個感測單元的氣體感測器。
現今，日益嚴重的空氣汙染已對人類的日常生活與健康造成影響。在空氣汙染逐漸增加的情況下，需要透過氣體感測器來隨時偵測空氣是否異常。氣體感測器可用於檢測特定氣體存在，例如檢測一氧化碳、二氧化硫及乙醇等氣體。舉例而言，在日常生活中常有一氧化碳產生，例如車輛或工廠所排放的廢氣等。一氧化碳為無色、無味且無刺激性之氣體，無法觀察而知。因此，需用使用氣體感測器來進行檢測。此外，氣體感測器也可用於檢測環境濕度。使用者可藉由使用氣體感測器來檢測環境濕度，以便能控制周邊環境在適宜的濕度下。
因此，需要提升氣體感測器的線性度與靈敏度，並增加精確度。
本發明提供一種氣體感測器。上述氣體感測器包括一半導體基底、一第一指狀電極、一第二指狀電極、一第三指狀電極、一第一半導體層與一第二半導體層。上述第一指狀電極形成在上述半導體基底上，並具有一第一主體部分以及複數第一延伸部分。上述第二指狀電極形成在上述半導體基底上，並具有一第二主體部分以及複數第二延伸部分。上述第三指狀電極形成在上述半導體基底上，且設置在上述第一指狀電極以及上述第二指狀電極之間，並具有一第三主體部分以及複數第三延伸部分以及複數第四延伸部分。上述第一半導體層形成在上述第一指狀電極的上述第一延伸部分以及上述第三指狀電極的上述第三延伸部分之間。上述第二半導體層形成在上述第二指狀電極的上述第二延伸部分以及上述第三指狀電極的上述第四延伸部分之間。上述第一半導體層與上述第二半導體層是由不同材料所形成。
再者，本發明提供一種氣體感測器。上述氣體感測器包括一半導體基底、一第一指狀電極、一第二指狀電極、一第一半導體層與一第二半導體層。上述第一指狀電極形成在上述半導體基底上，並具有一第一主體部分、複數第一延伸部分以及複數第二延伸部分。上述第二指狀電極形成在上述半導體基底上，並具有一第二主體部分以及複數第三延伸部分以及複數第四延伸部分。上述第一半導體層形成在上述第一指狀電極的上述第一延伸部分以及上述第二指狀電極的上述第三延伸部分之間。上述第二半導體層形成在上述第一指狀電極的上述第二延伸部分以及上述第二指狀電極的上述第四延伸部分之間。上述第一半導體層與上述第二半導體層是由不同材料所形成，以及上述第一半導體層是分離於上述第二半導體層。
再者，本發明提供一種氣體感測器。上述氣體感測器包括一N型氣體感測元件、一P型氣體感測元件、一開關以及一讀取電路。上述N型氣體感測元件耦接於一第一節點以及一接地端之間。上述P型氣體感測元件耦接於上述第一節點以及上述接地端之間。上述開關耦接於上述第一節點以及上述N型氣體感測元件之間。上述讀取電路耦接於上述第一節點，並根據上述第一節點的電壓或電流來控制上述開關是否導通。
為讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉出較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：
第1圖係顯示根據本發明一些實施例所述之整合式氣體感測器100的示意圖。氣體感測器100包括電壓源112、氣體感測單元110、讀取電路115以及被動元件116。氣體感測單元110耦接於節點n1與電壓源112之間而被動元件116是耦接於節點n1與接地端GND之間。讀取電路115是經由節點n1而耦接於氣體感測單元110。在一些實施例中，被動元件116可以是電容或電阻。
在一些實施例中，氣體感測器100是用以感測空氣中的相對濕度。氣體感測單元110包括多種濕敏材料。相應於空氣中的相對濕度，藉由電壓源112施加電壓，讀取電路115可根據氣體感測單元110的輸出(即節點n1上的電壓)而判斷出空氣中的濕度。
第2A圖係顯示根據本發明一些實施例所述之第1圖中氣體感測單元110之結構。氣體感測單元110包括感測元件10與感測元件20，其中感測元件10與感測元件20是由不同的濕敏材料所形成。因此，相應於空氣中的相同濕度，感測元件10的電容值是不同於感測元件20。感測元件10包括電極122與124以及半導體材料層131，而感測元件20包括電極124與126以及半導體材料層133。電極122、124與126是指狀電極並形成在半導體基底105上。指狀電極122包括主體部分122a與複數延伸部分122b。指狀電極124包括主體部分124a、複數延伸部分124b與124c。指狀電極126包括主體部分126a與複數延伸部分126b。
指狀電極122、124與126的主體部分122a、124a、126a是沿著第一方向D1而延伸。指狀電極122的延伸部分122b與指狀電極124的延伸部分124c是沿著第二方向D2而延伸，而第二方向D2是垂直於第一方向D1。此外，指狀電極124的延伸部分124b以及指狀電極126的延伸部分126b是沿著第三方向D3而延伸，而第三方向D3是相反於第二方向D2。此外，指狀電極122、124與126的材料包括導體材料。導體材料可以是金屬或是合金，例如是銀(Ag)、金(Au)、銅(Cu)、鉑(Pt)、鋁(Al)或其組合。
半導體材料層131設置在指狀電極122的延伸部分122b與指狀電極124的延伸部分124b之間。此外，半導體材料層133設置在指狀電極124的延伸部分124c與指狀電極126的延伸部分126b之間。在一些實施例中，半導體材料層131是由三氧化鉬(MoO 3)、氧化鋁(Al 2O 3)、聚醯亞胺(polyimide)或石墨烯(Graphene)所形成，而半導體材料層133是由氧化石墨烯(Graphene oxide combined with Ag nanoparticles)或氧化物/石墨烯複合材料(Oxide/graphene hybrid nanocomposite)所形成。在一些實施例中，半導體材料層131是由對應於第一濕度範圍的濕敏材料所形成，而半導體材料層133是由對應於第二濕度範圍的濕敏材料所形成。在一些實施例中，第一濕度範圍是部分地重疊於第二濕度範圍。
在第2A圖中，半導體材料層131與133的厚度是大於指狀電極122、124與126。值得注意的是，第2A圖之半導體材料層131與133的厚度與指狀電極122、124與126的厚度僅是個例子。在一些實施例中，半導體材料層131與133以及指狀電極122、124與126具有相同的厚度。在一些實施例中，半導體材料層131與133的厚度是小於指狀電極122、124與126。具體而言，半導體材料層131與133的厚度以及指狀電極122、124與126的厚度可根據不同製程而決定。
第2B圖係顯示根據本發明一些實施例所述之第2A圖中氣體感測單元110之等效電路。電容C1是表示感測元件10的等效電容，而電容C2是表示感測元件20的等效電容。因此，藉由串聯電容C1與C2，可得到氣體感測單元110的等效電容Cs，如下列算式所顯示：
Figure 02_image001
。
假設氣體感測單元110的感測元件10在低濕氣環境下反應較弱(例如較不靈敏)，而氣體感測單元110的感測元件20在任何環境下反應極強(例如較靈敏)。在一些實施例中，當氣體感測單元110處在低濕氣環境下時，感測元件10的反應較弱，則可視為常數C。因此，根據下列算式可知，氣體感測單元110的等效電容Cs會由感測元件20的等效電容C2所決定：
Figure 02_image003
。
在一些實施例中，當氣體感測單元110處在高濕氣環境下時，感測元件20的等效電容C2會遠大於感測元件10的等效電容C1。因此，根據下列算式可知，等效電容Cs會由感測元件10的等效電容C1所決定：
Figure 02_image005
。
第3圖係顯示根據本發明一些實施例所述之氣體感測單元的輸出與相對濕度的關係。在第3圖中，標號150是表示僅包括感測元件10之傳統氣體感測單元的感測輸出、標號160是表示僅包括感測元件20之傳統氣體感測單元的感測輸出以及標號170是表示第1圖之氣體感測單元110(即包括串聯之感測元件10與20)的感測輸出。
在低相對濕度時(如箭頭180所顯示)，感測元件10的感測輸出(如標號150所顯示)並沒有明顯的差異，因此在低濕度的環境下，不易分辨，且容易受雜訊影響。相似地，在高相對濕度時(如箭頭185所顯示)，感測元件20的感測輸出(如標號160所顯示)並沒有明顯的差異，因此在高濕度的環境下，不易分辨，且容易受雜訊影響。相較於單獨使用感測元件10或20，在高濕度或是低濕度的環境下，具有串聯之感測元件10和20的氣體感測單元110是呈線性改變，因此可提高分辨率並降低雜訊影響。
第4圖係顯示根據本發明一些實施例所述之氣體感測單元210。氣體感測單元210包括感測元件30與40。感測元件30是耦接於節點n4與n5之間，而感測元件40是並聯於感測元件30。根據不同的應用，讀取電路(例如第1圖的讀取電路115)可經由節點n4或n5而得到氣體感測單元210的輸出。感測元件30與感測元件40是由不同的濕敏材料所形成。因此，相應於空氣中的相同濕度，感測元件30的電阻值是不同於感測元件40。
在一些實施例中，節點n4是耦接於供應電壓VDD(未顯示)而節點n5是經由電阻(未顯示)而耦接於接地端GND(未顯示)。讀取電路可經由節點n5耦接於氣體感測單元210，以便得到氣體感測單元210的輸出。
在一些實施例中，節點n4是經由電阻(未顯示)而耦接於供應電壓VDD(未顯示)而節點n5是耦接於接地端GND(未顯示)。讀取電路可經由節點n4耦接於氣體感測單元210，以便得到氣體感測單元210的輸出。
第5A圖係顯示根據本發明一些實施例所述之第4圖中氣體感測單元210之結構。氣體感測單元210包括感測元件30與感測元件40。感測元件30包括電極222與224以及半導體材料層231，而感測元件40包括電極222與224以及半導體材料層233。電極222與224是指狀電極並形成在半導體基底205上。指狀電極222包括主體部分222a與複數延伸部分222b和222c。指狀電極224包括主體部分224a與複數延伸部分224b與224c。
指狀電極222與224的主體部分222a與224a是沿著第一方向D1而延伸。指狀電極222的延伸部分222b與222c是沿著第二方向D2而延伸，而第二方向D2是垂直於第一方向D1。此外，指狀電極224的延伸部分224b與224c是沿著第三方向D3而延伸，而第三方向D3是相反於第二方向D2。
半導體材料層231設置在指狀電極222的延伸部分222b與指狀電極224的延伸部分224b之間。此外，半導體材料層233設置在指狀電極222的延伸部分222c與指狀電極224的延伸部分224c之間。在一些實施例中，半導體材料層231是由三氧化鉬(MoO 3)、氧化鋁(Al 2O 3)、聚醯亞胺(polyimide)或石墨烯(Graphene )所形成，而半導體材料層233是由氧化石墨烯(Graphene oxide combined with Ag nanoparticles)或氧化物/石墨烯複合材料(Oxide/graphene hybrid nanocomposite)所形成。在一些實施例中，半導體材料層231是由對應於第一濕度範圍的濕敏材料所形成，而半導體材料層233是由對應於第二濕度範圍的濕敏材料所形成。在一些實施例中，第一濕度範圍是部分地重疊於第二濕度範圍。如先前所描述，半導體材料層231與233的厚度以及指狀電極222與224的厚度可根據不同製程而決定。
第5B圖係顯示根據本發明一些實施例所述之第5A圖中氣體感測單元210之等效電路。電阻R1是表示感測元件30的等效電阻，而電阻R2是表示感測元件40的等效電阻。因此，藉由並聯電阻R1與R2，可得到氣體感測單元210的等效電阻Rp，如下列算式所顯示：
Figure 02_image007
。
假設氣體感測單元210的感測元件30在低濕氣環境下反應較弱(例如較不靈敏)，而氣體感測單元210的感測元件40在任何環境下反應極強(例如較靈敏)。在一些實施例中，當氣體感測單元210處在低濕氣環境下時，感測元件30的反應較弱，則可視為常數R。因此，根據下列算式可知，等效電阻Rp會由感測元件40的等效電阻R2所決定：
Figure 02_image009
。
此外，當氣體感測單元210處在高濕氣環境下時，感測元件40的等效電阻R2會遠大於感測元件30的等效電阻R1。因此，根據下列算式可知，等效電阻Rp會由感測元件30的等效電阻R1所決定：
Figure 02_image011
。
在高濕度或是低濕度的環境下，相較於單獨使用感測元件30或40，包括並聯之感測元件30和40的氣體感測單元210具有線性度，可提高分辨率並降低雜訊影響。
第6A圖係顯示根據本發明一些實施例所述之氣體感測器300A的示意圖。氣體感測器300A包括氣體感測單元310、讀取電路315與電流源318。電流源318用以提供固定電流至氣體感測單元310。氣體感測單元310耦接於電流源318以及接地端GND之間。氣體感測單元310是用以偵測有機氣體，而氣體感測單元310的等效阻抗會隨著有機氣體的濃度而變化。在一些實施例中，讀取電路315為電壓感測器。於是，讀取電路315可根據所量測到的電壓而得到有機氣體的濃度。在電流源318提供固定電流的情況下，氣體感測單元310的輸出電壓會限定在一特定範圍內，因此可提升偵測有機氣體的能力。
第6B圖係顯示根據本發明一些實施例所述之氣體感測器300B的示意圖。氣體感測器300B包括氣體感測單元310、讀取電路315以及電壓源319。電壓源319是經由讀取電路315而提供固定電壓至氣體感測單元310。氣體感測單元310耦接於讀取電路315以及接地端GND之間。氣體感測單元310是用以偵測有機氣體，而氣體感測單元310的等效阻抗會隨著有機氣體的濃度而變化。在一些實施例中，讀取電路315為電流感測器(例如安培計)。於是，讀取電路315可根據所量測到的電流而得到有機氣體的濃度。在電壓源319提供固定電壓的情況下，假如氣體感測單元310的等效阻抗下降，則可避免瞬間的大電流會流經氣體感測單元310的情況。於是，可避免氣體感測單元310的損壞。
在一些實施例中，氣體感測器300B更包括一電阻(未顯示)，以及該電阻是耦接於氣體感測單元310以及接地端GND之間。藉由將電阻與氣體感測單元310串接在一起，可降低流經氣體感測單元310的電流。
第7圖係顯示根據本發明一些實施例所述之氣體感測單元410。氣體感測單元410包括感測元件50與60。感測元件50是耦接於節點n6與n7之間，而感測元件60是並聯於感測元件50。根據不同的應用，讀取電路(例如第6A與6B圖的讀取電路315)可經由節點n6而得到氣體感測單元410的輸出。感測元件50為N型氣體感測元件，而感測元件60為P型氣體感測元件。感測元件50與60是分別由N型與P型材料所形成。因此，相應於空氣中的相同有機氣體，感測元件50的阻抗是不同於感測元件60。
在一些實施例中，氣體感測單元410可偵測的氣體例如是包括一氧化氮(NO)、二氧化氮(NO 2)、氨(NH 3)、氫(H 2)、水(H 2O)、二氧化硫(SO 2)、硫化氫(H 2S)、氧(O 2)、臭氧(O 3)、一氧化碳(CO)、甲烷(CH 4)、乙烯(C 2H 4)、乙炔(C 2H 2)、氯(Cl 2)、揮發性有機化合物(Volatile Organic Compounds, VOC)常見如醇類中的甲醇(CH 3OH)、乙醇(C 2H 5OH)、酮類中的丙酮(C 2H 6O)、醛類中的甲醛、苯類中的苯、甲苯、二甲苯、乙苯、苯乙烯或其組合。
第8A圖係顯示根據本發明一些實施例所述之第7圖中氣體感測單元410之結構。氣體感測單元410包括感測元件50與感測元件60。感測元件50包括電極422與424以及半導體材料層431，而感測元件60包括電極422與424以及半導體材料層433。電極422與424是指狀電極並形成在半導體基底405上。指狀電極422包括主體部分422a與複數延伸部分422b和422c。指狀電極424包括主體部分424a與複數延伸部分424b與424c。
指狀電極422與424的主體部分422a與424a是沿著第一方向D1而延伸。指狀電極422的延伸部分422b與422c是沿著第二方向D2而延伸，而第二方向D2是垂直於第一方向D1。此外，指狀電極424的延伸部分424b與424c是沿著第三方向D3而延伸，而第三方向D3是相反於第二方向D2。
半導體材料層431設置在指狀電極422的延伸部分422b與指狀電極424的延伸部分424b之間。此外，半導體材料層433設置在指狀電極422的延伸部分422c與指狀電極424的延伸部分424c之間。半導體材料層431包括N型半導體材料，而半導體材料層433包括P型半導體材料。如先前所描述，半導體材料層431與433的厚度以及指狀電極422與424的厚度可根據不同製程而決定。
在一些實施例中，N型半導體材料可例如是氧化鋅(ZnO)、二氧化鈦(TiO 2)、二氧化鋯(ZrO 2)、二氧化鉿(HfO 2)、二氧化錫(SnO 2)、氧化鐵(Fe 2O 3)、三氧化鎢(WO 3)、三氧化鉬(MoO 3)、五氧化二釩(V 2O 5)或其組合。P型半導體材料可例如是氧化鎳(NiO)、氧化銅(CuO)、氧化鈷(CoO)或其組合。
第8B圖係顯示根據本發明一些實施例所述之第8A圖中氣體感測單元410之等效電路圖。電阻Rn是表示感測元件50的等效電阻，而電阻Rp是表示感測元件60的等效電阻。因此，藉由並聯電阻Rn與Rp，可得到氣體感測單元410的等效電阻Rs。對具有N型半導體材料的感測元件50而言，當揮發性有機化合物(volatile organic compound，VOC)的濃度增加時，電阻Rn的阻抗會減少。此外，對具有P型半導體材料的感測元件60而言，當揮發性有機化合物的濃度增加時，電阻Rp的阻抗會增加。
第9圖係顯示根據本發明一些實施例所述之氣體感測單元410的輸出與揮發性有機化合物(VOC)濃度的關係。在第9圖中，標號450是表示僅包括感測元件50之傳統氣體感測單元的等效阻抗、標號460是表示僅包括感測元件60之傳統氣體感測單元的等效阻抗以及標號470是表示第7圖之氣體感測單元410(即包括感測元件50與60)的等效阻抗。
在低VOC氣體濃度時，傳統氣體感測單元450具有較高的阻抗。在高VOC氣體濃度時，傳統氣體感測單元460具有較高的阻抗。當讀取電路(例如第6A與6B圖的讀取電路315)將來自氣體感測單元的電壓進行放大時，放大電路的增益會限制氣體感測單元的偵測能力。例如，當在低濃度時，傳統氣體感測單元450的高阻抗值會超過放大電路所能進行放大的增益範圍Av。此外，當在高濃度時，傳統氣體感測單元460的高阻抗值會超過放大電路所能進行放大的增益範圍Av。因此，放大後的信號將會失真。
在低VOC氣體濃度時，具有並聯之感測元件50與60的氣體感測單元410(如標號470所顯示)的等效阻抗是由感測元件60所決定。此外，在高VOC氣體濃度時，具有並聯之感測元件50與60的氣體感測單元410(如標號470所顯示)的等效阻抗是由感測元件50所決定。因此，相較於傳統氣體感測單元450與460，經由放大電路所放大之氣體感測單元410的信號不會失真。此外，在放大電路為相同放大增益的情況下，氣體感測單元410可以檢測出更高濃度的氣體。此外，當讀取電路315是透過電流源提供電流至氣體感測單元410來量測氣體感測單元410的電壓時，在相同的電流下，讀取電路315可檢測更高濃度的氣體。因此，當使用具有並聯之感測元件50和60的氣體感測單元410來進行感測，可提高分辨率，並降低雜訊影響。此外，藉由偵測氣體感測單元410之阻抗的變化，讀取電路315可判斷出VOC氣體濃度的變化。
第10圖係顯示根據本發明一些實施例所述之氣體感測單元510。氣體感測單元510包括感測元件50A與60A以及開關SW。感測元件50A是耦接於節點n9以及開關SW之間。感測元件60A是耦接於節點n8和n9之間。開關SW是耦接於節點n8和感測元件50A之間。根據不同的應用，讀取電路(例如第6A與6B圖的讀取電路315)可經由節點n8而得到氣體感測單元510的輸出。感測元件50A為N型氣體感測元件，而感測元件60A為P型氣體感測元件。感測元件50A與60A是分別由N型與P型材料所形成。因此，相應於空氣中的相同有機氣體，感測元件50A的阻抗是不同於感測元件60A。在一些實施例中，氣體感測單元510可偵測的氣體是相同於第7圖之氣體感測單元410。此外，感測元件50A的材料是相同於第7圖之感測元件50，以及感測元件60A的材料是相同於第7圖之感測元件60。
在氣體感測單元510中，開關SW是由控制信號CTRL所控制。在一些實施例中，開關SW在初始狀態為不導通。因此，氣體感測單元510的輸出是由感測元件60A所決定。如先前所描述，對具有P型半導體材料的感測元件60A而言，當揮發性有機化合物的濃度增加時，電阻Rp的阻抗會增加，如第9圖所顯示。當電阻Rp的阻抗超過或等於一特定電阻值時，控制器(未顯示)或讀取電路(例如第6A與6B圖的讀取電路315)會提供控制信號CTRL至開關SW，以便導通開關SW。因此，當揮發性有機化合物的濃度繼續增加時，並聯電阻Rp與電阻Rn的等效阻抗會減少，如第9圖所顯示。此外，當揮發性有機化合物的濃度下降時，電阻Rp並聯電阻Rn的等效阻抗會增加。當電阻Rp並聯電阻Rn的等效阻抗超過或等於該特定電阻值時，控制器(未顯示)或讀取電路(例如第6A與6B圖的讀取電路315)會提供控制信號CTRL至開關SW，以使開關SW為不導通。因此，相較於第7圖的氣體感測單元410，氣體感測單元510可避免不容易辨別出單一阻抗值對應於低或高氣體濃度的狀況。根據阻抗的增加或是降低，可有效地判斷有機氣體的濃度，增加準確度。
第11A圖係顯示根據本發明一些實施例所述之第10圖中氣體感測單元510之結構。氣體感測單元510包括感測元件50A與60A以及開關SW。感測元件50A包括電極522與526以及半導體材料層531，而感測元件60A包括電極524與526以及半導體材料層433。電極522、524與526是指狀電極並形成在半導體基底505上。指狀電極522包括主體部分522a與複數延伸部分522b。指狀電極524包括主體部分524a與複數延伸部分524b。指狀電極526包括主體部分526a與複數延伸部分526b與526c。
指狀電極522、524和526的主體部分522a、524a和526a是沿著第一方向D1而延伸。指狀電極522的延伸部分522b以及指狀電極524的延伸部分524b是沿著第二方向D2而延伸，而第二方向D2是垂直於第一方向D1。此外，指狀電極526的延伸部分526b與526c是沿著第三方向D3而延伸，而第三方向D3是相反於第二方向D2。
半導體材料層531設置在指狀電極522的延伸部分522b與指狀電極526的延伸部分526b之間。此外，半導體材料層533設置在指狀電極524的延伸部分524c與指狀電極526的延伸部分526c之間。半導體材料層531包括N型半導體材料，而半導體材料層533包括P型半導體材料。如先前所描述，半導體材料層531與533的厚度以及指狀電極522、524與526的厚度可根據不同製程而決定。
在一些實施例中，N型半導體材料可例如是氧化鋅(ZnO)、二氧化鈦(TiO 2)、二氧化鋯(ZrO 2)、二氧化鉿(HfO 2)、二氧化錫(SnO 2)、氧化鐵(Fe 2O 3)、三氧化鎢(WO 3)、三氧化鉬(MoO 3)、五氧化二釩(V 2O 5)或其組合。P型半導體材料可例如是氧化鎳(NiO)、氧化銅(CuO)、氧化鈷(CoO)或其組合。
第11B圖係顯示根據本發明一些實施例所述之第11A圖中氣體感測單元510之等效電路圖。電阻Rn是表示感測元件50A的等效電阻，而電阻Rp是表示感測元件60A的等效電阻。因此，當開關SW為不導通時，氣體感測單元510的等效電阻Rs是由電阻Rp所決定。此外，當開關SW為導通時，氣體感測單元510的等效電阻Rs是由並聯之電阻Rn與Rp所決定。
雖然本發明已以較佳實施例發明如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中包括通常知識者，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，因此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。
10,20,30,40,50,50A,60,60A:感測元件 100,300A,300B:氣體感測器 105,205,406,505:半導體基底 110,210,310,410,510:氣體感測單元 115,315:讀取電路 122,124,126,222,224,422,424,522,524,526:指狀電極 122a,124a,126a,222a,224a,422a,424a,522a,524a,526a:主體部分 122b,124b,124c,126b,222b,222c,224b,224c,422b,422c,424b,424c,522b,524b,526b,526c:延伸部分 131,133,231,233,431,433:半導體材料層 318:電流源 319:電壓源 C1,C2:電容 CTRL:控制信號 D1:第一方向 D2:第二方向 D3:第三方向 GND:接地端 n1,n2,n3,n4,n5,n6,n7,n8,n9:節點 R1,R2,Rn,Rp:電阻 SW:開關 V1,V2:電壓
第1圖係顯示根據本發明一些實施例所述之整合式氣體感測器的示意圖。 第2A圖係顯示根據本發明一些實施例所述之第1圖中氣體感測單元之結構。 第2B圖係顯示根據本發明一些實施例所述之第2A圖中氣體感測單元之等效電路。 第3圖係顯示根據本發明一些實施例所述之氣體感測單元的輸出與相對濕度的關係。 第4圖係顯示根據本發明一些實施例所述之氣體感測單元。 5A圖係顯示根據本發明一些實施例所述之第4圖中氣體感測單元之結構。 第5B圖係顯示根據本發明一些實施例所述之第5A圖中氣體感測單元之等效電路。 第6A圖係顯示根據本發明一些實施例所述之氣體感測器的示意圖。 第6B圖係顯示根據本發明一些實施例所述之氣體感測器的示意圖。 第7圖係顯示根據本發明一些實施例所述之氣體感測單元。 第8A圖係顯示根據本發明一些實施例所述之第7圖中氣體感測單元之結構。 第8B圖係顯示根據本發明一些實施例所述之第8A圖中氣體感測單元之等效電路圖。 第9圖係顯示根據本發明一些實施例所述之氣體感測單元的輸出與揮發性有機化合物(VOC)濃度的關係。 第10圖係顯示根據本發明一些實施例所述之氣體感測單元。 第11A圖係顯示根據本發明一些實施例所述之第10圖中氣體感測單元之結構。 第11B圖係顯示根據本發明一些實施例所述之第11A圖中氣體感測單元之等效電路圖。
10,20:感測元件
105:半導體基底
110:氣體感測單元
122,124,126:指狀電極
122a,124a,126a:主體部分
122b,124b,124c,126b:延伸部分
131,133:半導體材料層
D1:第一方向
D2:第二方向
D3:第三方向

Claims (12)

  1. 一種氣體感測器，包括：一半導體基底；一第一指狀電極，形成在上述半導體基底上，具有一第一主體部分以及複數第一延伸部分；一第二指狀電極，形成在上述半導體基底上，具有一第二主體部分以及複數第二延伸部分；一第三指狀電極，形成在上述半導體基底上，設置在上述第一指狀電極以及上述第二指狀電極之間，具有一第三主體部分以及複數第三延伸部分以及複數第四延伸部分；一第一半導體層，形成在上述第一指狀電極的上述第一延伸部分以及上述第三指狀電極的上述第三延伸部分之間，且接觸上述第一延伸部分以及上述第三延伸部分；以及一第二半導體層，形成在上述第二指狀電極的上述第二延伸部分以及上述第三指狀電極的上述第四延伸部分之間，且接觸上述第二延伸部分以及上述第四延伸部分；其中上述第一半導體層與上述第二半導體層是由不同材料所形成。
  2. 如請求項1之氣體感測器，其中上述第一指狀電極的上述第一延伸部分與上述第三指狀電極的上述第四延伸部分是沿著相同方向而延伸，以及上述第二指狀電極的上述第二延伸部分與上述第三指狀電極的上述第三延伸部分是沿著相同方向而延伸。
  3. 如請求項1之氣體感測器，其中上述第一半導體層是 由一第一濕敏材料所形成，而上述第二半導體層是由一第二濕敏材料所形成，其中該第一濕敏材料不同於該第二濕敏材料。
  4. 如請求項1之氣體感測器，其中形成上述第一半導體層的材料包括三氧化鉬、氧化鋁、聚醯亞胺或石墨烯，以及形成上述第二半導體層的材料包括氧化石墨烯或氧化物/石墨烯複合材料。
  5. 一種氣體感測器，包括：一半導體基底；一第一指狀電極，形成在上述半導體基底上，具有一第一主體部分、複數第一延伸部分以及複數第二延伸部分；一第二指狀電極，形成在上述半導體基底上，具有一第二主體部分以及複數第三延伸部分以及複數第四延伸部分；一第一半導體層，形成在上述第一指狀電極的上述第一延伸部分以及上述第二指狀電極的上述第三延伸部分之間，且接觸上述第一延伸部分以及上述第三延伸部分；以及一第二半導體層，形成在上述第一指狀電極的上述第二延伸部分以及上述第二指狀電極的上述第四延伸部分之間，且接觸上述第二延伸部分以及上述第四延伸部分；其中上述第一半導體層與上述第二半導體層是由不同材料所形成，以及上述第一半導體層是分離於上述第二半導體層。
  6. 如請求項5之氣體感測器，其中上述第一指狀電極的上述第一延伸部分與上述第二延伸部分是沿著相同方向而延伸，以及上述第二指狀電極的上述第三延伸部分與上述第四延伸部分是沿著相同方向而延伸。
  7. 如請求項5之氣體感測器，其中上述第一半導體層是 由一第一濕敏材料所形成，而上述第二半導體層是由一第二濕敏材料所形成。
  8. 如請求項5之氣體感測器，其中上述第一半導體層是N型半導體材料，而上述第二半導體層是P型半導體材料。
  9. 一種氣體感測器，包括：一N型氣體感測元件，耦接於一第一節點以及一接地端之間；一P型氣體感測元件，耦接於上述第一節點以及上述接地端之間；一開關，耦接於上述第一節點以及上述N型氣體感測元件之間；以及一讀取電路，耦接於上述第一節點，用以根據上述第一節點的電壓或電流來控制上述開關是否導通。
  10. 如請求項9之氣體感測器，其中當上述開關為不導通且上述第一節點的電壓或電流是指示上述P型氣體感測元件的等效阻抗大於或等於一特定電阻值時，上述控制電路控制上述開關為導通。
  11. 如請求項9之氣體感測器，其中當上述開關為導通且上述第一節點的電壓或電流是指示上述P型氣體感測元件和上述N型氣體感測元件的等效阻抗大於或等於一特定電阻值時，上述控制電路控制上述開關為不導通。
  12. 如請求項9之氣體感測器，其中上述P型氣體感測元件包括：一第一指狀電極，具有一第一主體部分、複數第一延伸部分；一第二指狀電極，具有一第二主體部分以及複數第二延伸部分；以及一第一半導體層，形成在上述第一指狀電極的上述第一延伸部分 以及上述第二指狀電極的上述第二延伸部分之間；其中上述N型氣體感測元件包括：一第三指狀電極，具有一第三主體部分、複數第三延伸部分；上述第二指狀電極，更具有複數第四延伸部分；以及一第二半導體層，形成在上述第三指狀電極的上述第三延伸部分以及上述第二指狀電極的上述第四延伸部分之間；其中上述第一半導體層與上述第二半導體層是由不同材料所形成。
TW109107776A 2020-03-10 2020-03-10 氣體感測器 TWI729724B (zh)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
TW109107776A TWI729724B (zh) 2020-03-10 2020-03-10 氣體感測器
CN202110108257.9A CN113376220B (zh) 2020-03-10 2021-01-27 气体感测器

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
TW109107776A TWI729724B (zh) 2020-03-10 2020-03-10 氣體感測器

Publications (2)

Publication Number Publication Date
TWI729724B true TWI729724B (zh) 2021-06-01
TW202135351A TW202135351A (zh) 2021-09-16

Family

ID=77517383

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
TW109107776A TWI729724B (zh) 2020-03-10 2020-03-10 氣體感測器

Country Status (2)

Country Link
CN (1) CN113376220B (zh)
TW (1) TWI729724B (zh)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20040196119A1 (en) * 2003-02-24 2004-10-07 Teruhisa Shibahara Surface acoustic wave filter and communication apparatus
US20150200348A1 (en) * 2014-01-13 2015-07-16 National Taiwan University Photo detector
US20170214381A1 (en) * 2016-01-22 2017-07-27 Rf Micro Devices, Inc. Guided wave devices with selectively thinned piezoelectric layers

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4414839A (en) * 1979-04-12 1983-11-15 Board Of Trustees, A Constitutional Corporation Operating Michigan State University Gas sensing apparatus and method
WO1993014396A1 (en) * 1992-01-10 1993-07-22 Mikuni Corporation Gas sensor and its manufacture
EP0646791B1 (en) * 1993-09-30 2001-09-05 Nittan Company, Limited Sensor device, and electronic equipment each having sensor device incorporated therein
JP4455286B2 (ja) * 2004-11-09 2010-04-21 株式会社日本自動車部品総合研究所 静電容量式湿度センサ
JP4770530B2 (ja) * 2006-03-13 2011-09-14 株式会社デンソー 容量式湿度センサ
JP4807199B2 (ja) * 2006-09-13 2011-11-02 株式会社デンソー 湿度センサ装置
JP2013134078A (ja) * 2011-12-26 2013-07-08 Denso Corp 容量式物理量検出装置
US9170225B2 (en) * 2012-02-29 2015-10-27 Ohio State Innovation Foundation Obtaining selectivity in gas sensors via a sensor array system composed of P and N type material
GB2545038A (en) * 2015-12-02 2017-06-07 Ohio State Innovation Foundation Sensors employing a P-N semiconducting oxide heterostructure and methods of using thereof
CN107966478A (zh) * 2016-10-19 2018-04-27 华邦电子股份有限公司 感测器阵列、其制造方法及感测方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20040196119A1 (en) * 2003-02-24 2004-10-07 Teruhisa Shibahara Surface acoustic wave filter and communication apparatus
US20150200348A1 (en) * 2014-01-13 2015-07-16 National Taiwan University Photo detector
US20170214381A1 (en) * 2016-01-22 2017-07-27 Rf Micro Devices, Inc. Guided wave devices with selectively thinned piezoelectric layers

Also Published As

Publication number Publication date
TW202135351A (zh) 2021-09-16
CN113376220A (zh) 2021-09-10
CN113376220B (zh) 2024-01-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5424794B2 (ja) 薄膜型センシング部材を利用した化学センサ
CN106124095B (zh) 压力传感器
US8079272B2 (en) Tactile sensor
Kuo et al. A novel low unity-gain frequency and low power consumption instrumentation amplifier design for RuO₂ uric acid biosensor measurement
JP6161027B2 (ja) 有機薄膜トランジスタを用いたセンサーデバイス
JP2011506940A (ja) 改善された選択性を有するガスセンサ
TWI729724B (zh) 氣體感測器
Yoo et al. Low-noise resistive bridge sensor analog front-end using chopper-stabilized multipath current feedback instrumentation amplifier and automatic offset cancellation loop
CN115420788A (zh) 用于多种气体识别的碳基薄膜晶体管型传感器阵列及其制备方法
JP6027625B2 (ja) 多重センサー配列のための電流検出装置
JP6383358B2 (ja) 遮蔽層を有するナノワイヤセンサを備えた集積回路、センシング装置、測定方法、及び製造方法
Mu et al. CMOS monolithic nanoparticle-coated chemiresistor array for micro-scale gas chromatography
JP2016075597A (ja) 薄膜型水素ガスセンサ
TW201830008A (zh) 氣體感測器
Ma et al. A review of electrochemical electrodes and readout interface designs for biosensors
Beniwal et al. Room Temperature Operated PEDOT: PSS Based Flexible and Disposable NO 2 Gas Sensor
JP4205601B2 (ja) 一酸化炭素ガスセンサ、及びｐ型半導体の製造方法
US20090108380A1 (en) Fet-based gas sensor system
CN112928115B (zh) 一种自补偿的气敏集成场效应管结构
Rairigh et al. Baseline resistance cancellation circuit for high resolution thiolate-monolayer-protected gold nanoparticle vapor sensor arrays
US10551336B2 (en) Sensing device for measuring a level of an analyte, method of fabrication thereof
KR101111669B1 (ko) 검출 장치
Ravipati et al. A ZnO Humidity Sensor integrated with a-IGZO TFT based Preamplifier
Rao et al. Metal oxide based nanoparticles use for pressure sensor
CN218512355U (zh) 用于多种气体识别的碳基薄膜晶体管型传感器阵列