TWI747223B - 氣體感測器 - Google Patents

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Abstract

一種氣體感測器，包括基板、數個電極以及至少一感測結構。電極設置於基板上並且彼此相隔一距離，其中每個電極具有一第一厚度。感測結構則是介於電極之間，且所述感測結構直接接觸電極，其中感測結構具有一第二厚度，且第二厚度是0.01倍~1.1倍的第一厚度。

Description

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靈敏度佳的氣體感測器。
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，以氣體感測器為例，一般會將感測材料透過整面地塗佈方式形成於電極結構上，而使電極在感測區域內完全被覆蓋。
然而，目前的氣體感測器在瞬態響應（transient response）雖有明顯的變化率（variation），但也存在不可忽視的誤差干擾，而影響感測器的靈敏度（sensitivity）。
本發明提供一種氣體感測器，能改善氣體感測器的靈敏度，並能大幅減少氣體感測器上感測材料的使用量。
本發明的一種氣體感測器，包括基板、數個電極以及至少一感測結構。電極設置於基板上並且彼此相隔一距離，其中每個電極具有一第一厚度。感測結構則是介於電極之間，且所述感測結構直接接觸電極，其中感測結構具有一第二厚度，且第二厚度是0.01倍~1.1倍的第一厚度。
在本發明的一實施例中，上述感測結構的第二厚度小於所述第一厚度。
在本發明的一實施例中，上述感測結構的第二厚度在所述第一厚度的一半以下。
在本發明的一實施例中，上述感測結構的第二厚度高於所述第一厚度。
在本發明的一實施例中，上述感測結構部分覆蓋所述數個電極。
在本發明的一實施例中，上述第一距離在1µm~1000µm之間。
在本發明的一實施例中，上述感測結構可為數個感測結構，且所述數個感測結構彼此相隔一第二距離，且第二距離小於等於每個電極的寬度。
在本發明的一實施例中，上述第二距離的變化率為±20%。
在本發明的一實施例中，上述電極包括指叉狀電極。
在本發明的一實施例中，上述基板包括印刷電路板（PCB），且上述電極為印刷電路板的電路。
基於上述，本發明藉由降低感測結構中不受氣體影響的區域的膜層厚度，換句話說，受氣體影響的區域的膜層相對增加，使氣體感測器的變化率提升，進而改善氣體感測器的靈敏度。而且，由於降低膜層厚度，與傳統整面覆蓋式的感測材料相比，還可大幅減少感測材料的使用量。
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。
以下內容提供一種以上的實驗例，用於實施本發明的不同特徵。元件與配置的特定範例之描述如下，以簡化本發明的揭示內容。當然這些僅為範例，並非用於限制本發明的範圍與應用。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元件或特徵的存在。
圖1是依照本發明的一實施例的一種氣體感測器的上視示意圖。
請參照圖1，氣體感測器100包括基板102、數個電極104以及至少一感測結構106。電極104設置於基板102上並且彼此相隔一第一距離d1，且所述感測結構106直接接觸電極104。氣體感測器100例如電阻式感測器或電容式感測器。電阻式感測器的感測原理主要是利用導電並與電極104連接的感測結構106在吸附氣體時，感測結構106的電阻會發生對應變化，從而進行量測；電容式感測器的感測原理則是利用感測結構106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。電極104例如是指叉狀電極，因此第一距離d1係表示不同的指叉狀電極的指狀部分之間的間距。在本實施例中，第一距離d1例如在1µm~1000µm之間。如果電極104是一般的塊狀電極，則兩個塊狀電極之間的間距即為第一距離d1，依此類推。在一實施例中，上述基板102可以是印刷電路板（PCB），且電極104為印刷電路板的電路。
圖2A是圖1的A-A’線段的一種氣體感測器的剖面示意圖。
在圖2A中，每個電極104具有一第一厚度t1，感測結構106則是介於電極104之間，且感測結構106具有一第二厚度t2，其中第二厚度t2小於第一厚度t1，且第二厚度t2例如是0.01倍以上的第一厚度t1。在一實施例中，第一厚度t1例如在100µm左右；第二厚度t2例如在1µm以上。由於感測結構106的材料會受到氣體影響電性的區域106a大致固定在其表面部位，而不受氣體影響的區域106b則在其下方，所以若是以電阻式感測器為例，兩個電極104之間的感測結構106如同是由Ra和Rb構成的等效電阻，其中Ra代表區域106a的電阻、Rb代表區域106b的電阻，所以總電阻R total= Ra×Rb/(Ra+Rb)。而Rb= Ra/t，t代表厚度參數，即t= tb/ta，其中ta代表區域106a的厚度、tb代表區域106b的厚度，因為ta幾乎是固定值，所以t正比於tb。
假設區域106b的厚度是10倍的區域106a的厚度（t=10）的情況，模擬得到的總變化率（total variation）對區域106a的變化率的趨勢如圖3A所示，其中Y軸（總變化率）的數值等於∆R total/R total× 100；X軸（區域106a的變化率）的數值等於∆Ra/Ra × 100。從圖3A可得到，當區域106a的變化率為10%，總變化率小於1。一旦t變小(即區域106b的厚度變小)，總變化率將如圖3B所示，區域106a的變化率一樣是10%，但總變化率可從小於1(t=10)增加到3以上(t=2)，足足提升400%。換句話說，區域106b的厚度愈薄，總變化率愈高。總變化率的提升能降低誤差干擾對感測結果的影響，進而提升氣體感測器100的靈敏度。在一實施例中，感測結構106可利用氣溶膠噴塗製程(Aerosol Jet Printing)之類的方式在電極104之間形成。由於感測結構106的厚度(第二厚度t2)明顯比傳統需求的要薄，所以材料用量也會隨之減少，而達到成本降低的效果。此外，本實施例不需另外增設加熱器在基板102底下，就能達到提升靈敏度的效果。
圖2B是圖1的A-A’線段的另一種氣體感測器的剖面示意圖，其中與圖2A的差異在於感測結構106的第二厚度t2在第一厚度t1的一半以下，譬如感測結構106的第二厚度t2相當於區域106a的厚度時，第二厚度t2可以是0.01倍以上的第一厚度t1。
圖4是依照本發明的另一實施例的一種氣體感測器的上視示意圖，其中使用圖1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。
在圖4中，氣體感測器400的感測結構402部分覆蓋電極104。從剖面圖(圖5)可得到，感測結構402的第二厚度t2略高於第一厚度t1，且第二厚度t2例如是1.1倍以下的第一厚度t1。在一實施例中，第一厚度t1例如在1µm以上，而第二厚度t2例如在1.1µm左右。此外，從A-A’線段的剖面來看，因為感測結構402部分覆蓋電極104，所以感測結構402之間的第二距離d2小於每個電極104的寬度w。在另一實施例中，當感測結構402的第二厚度t2與電極104的第一厚度t1等高(t2/t1= 1)，則第二距離d2就等於電極104的寬度w。
圖6是依照本發明的再一實施例的一種氣體感測器的上視示意圖，其中使用圖1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。
在圖6中，氣體感測器600具有部分覆蓋電極104的數個感測結構602。因此，感測結構602之間相隔的第二距離d2會小於(或等於)電極104的寬度w，其中第二距離d2的變化率例如±20%。
綜上所述，本發明藉由降低感測結構中不受氣體影響的區域的膜層厚度，維持受氣體影響的區域的厚度，可提升氣體感測器的總變化率，進而改善氣體感測器的靈敏度。而且，由於降低感測結構的厚度，因此與傳統整面覆蓋式的感測結構相比，還可大幅減少材料使用量，使成本降低。
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、400、600: 氣體感測器 102: 基板 104: 電極 106、402、602: 感測結構 106a、106b: 區域 d1: 第一距離 d2: 第二距離 t1: 第一厚度 t2: 第二厚度 ta、tb: 厚度 w: 寬度
圖1是依照本發明的一實施例的一種氣體感測器的上視示意圖。 圖2A是圖1的A-A’線段的一種氣體感測器的剖面示意圖。 圖2B是圖1的A-A’線段的另一種氣體感測器的剖面示意圖。 圖3A是總變化率（total variation）對受到氣體影響電性的區域的變化率的趨勢圖。 圖3B是總變化率對受到氣體影響電性的區域的變化率隨厚度參數變化的趨勢圖。 圖4是依照本發明的另一實施例的一種氣體感測器的上視示意圖。 圖5是圖4的A-A’線段的一種氣體感測器的剖面示意圖。 圖6是依照本發明的再一實施例的一種氣體感測器的上視示意圖。
100: 氣體感測器 102: 基板 104: 電極 106: 感測結構 106a、106b: 區域 d1: 第一距離 t1: 第一厚度 t2: 第二厚度 ta、tb: 厚度

Claims (10)

  1. 一種氣體感測器，包括：基板；多數個電極，設置於所述基板上，所述多數個電極彼此相隔一第一距離，且每個所述電極具有一第一厚度；以及至少一感測結構，介於所述多數個電極之間，且所述感測結構直接接觸所述多數個電極而不完全覆蓋所述多數個電極，其中所述感測結構具有一第二厚度，且所述第二厚度為0.01倍~1.1倍的所述第一厚度。
  2. 如請求項1所述的氣體感測器，其中所述感測結構的所述第二厚度小於所述第一厚度。
  3. 如請求項2所述的氣體感測器，其中所述感測結構的所述第二厚度在所述第一厚度的一半以下。
  4. 如請求項1所述的氣體感測器，其中所述感測結構的所述第二厚度高於所述第一厚度。
  5. 如請求項4所述的氣體感測器，其中所述感測結構部分覆蓋所述多數個電極。
  6. 如請求項1所述的氣體感測器，其中所述第一距離在1μm~1000μm之間。
  7. 如請求項1所述的氣體感測器，其中所述至少一感測結構為多數個感測結構，且所述多數個感測結構彼此相隔一第二距離，且所述第二距離小於等於每個所述電極的寬度。
  8. 如請求項7所述的氣體感測器，其中所述第二距離的變化率為±20%。
  9. 如請求項1所述的氣體感測器，其中所述多數個電極包括指叉狀電極。
  10. 如請求項1所述的氣體感測器，其中所述基板包括印刷電路板(PCB)，且所述多數個電極為所述印刷電路板的電路。
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