半導(dǎo)體氣體傳感器的制造方法
【專利摘要】本實用新型揭示了一種半導(dǎo)體氣體傳感器，包括：基底，所述基底具有表面；設(shè)置在所述表面的信號感測電極，所述信號感測電極包括兩個導(dǎo)電電極、以及電性連接所述兩個導(dǎo)電電極的功能層；設(shè)置在所述表面的加熱電極，所述加熱電極與所述信號感測電極彼此絕緣，所述加熱電極環(huán)繞所述信號感測電極設(shè)置。本實用新型提供的半導(dǎo)體氣體傳感器，通過將加熱電極環(huán)繞信號感測電極設(shè)置，可以保證信號感測電極處于加熱電極產(chǎn)生的均勻熱場中，加熱效果穩(wěn)定，可以有效地提高傳感器的響應(yīng)速率。
【專利說明】半導(dǎo)體氣體傳感器【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型屬于電子器件制造【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種半導(dǎo)體氣體傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著社會的發(fā)展和科技的進步，工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模逐漸擴大，但是由此導(dǎo)致的事故也不斷發(fā)生，比如石油化工和煤礦行業(yè)所產(chǎn)生的易燃易爆、有毒有害的氣體，這些氣體一旦超標、泄漏，將嚴重影響生產(chǎn)人員及周圍生活居民的身體健康，如果引起爆炸將造成人員傷亡和財產(chǎn)損失。另外，隨著人們生活水平的提高及人們對家居環(huán)境裝飾要求的轉(zhuǎn)變，使得室內(nèi)空氣質(zhì)量問題日益突出，由于裝修后有毒超標造成的惡性病例更是時有報道。為了確保安全和防患于未然，人們研制了各種檢測方法和檢測儀器，其中氣體傳感器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各行業(yè)的生產(chǎn)和生活領(lǐng)域。
[0003]氣體傳感器主要分為電化學(xué)式、半導(dǎo)體式、熱傳導(dǎo)式和光學(xué)式等。其中半導(dǎo)體傳感器因為檢測靈敏度高、響應(yīng)恢復(fù)時間短、元件尺寸微小、壽命長、價格低廉而越來越受到人們的重視。尤其是近年來隨著微機械加工技術(shù)的發(fā)展，半導(dǎo)體氣體傳感器更是向著集成化、智能化方向發(fā)展。由于作為氣體敏感材料的金屬氧化物半導(dǎo)體需要加熱到較高溫度時才顯現(xiàn)出較好的敏感特性，因此在制備半導(dǎo)體氣敏傳感器時必須先制備氣敏材料的加熱電極，然后再制備信號感測電極，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工藝流程繁瑣，成本較高。并且，現(xiàn)有的一些氣體傳感器信號感測電極工作區(qū)域溫度不穩(wěn)定，加熱電極所產(chǎn)生的溫度不能很好的聚集在工作區(qū)域，向非工作區(qū)域散發(fā)較多，或者信號感測電極與加熱電極通過敏感材料導(dǎo)通，加熱電極的電信號會影響敏感材料的工作，進而影響傳感器的工作狀態(tài)。
實用新型內(nèi)容
[0004]本實用新型的目的在于提供一種半導(dǎo)體氣體傳感器，其可以對信號感測電極提供均勻的加熱熱場，提高傳感`器的響應(yīng)速率。
[0005]為解決上述實用新型目的，本實用新型提供一種半導(dǎo)體氣體傳感器，包括:
[0006]基底，所述基底具有表面；
[0007]設(shè)置在所述表面的信號感測電極，所述信號感測電極包括兩個導(dǎo)電電極、以及電性連接所述兩個導(dǎo)電電極的功能層；
[0008]設(shè)置在所述表面的加熱電極，所述加熱電極與所述信號感測電極彼此絕緣，所述加熱電極環(huán)繞所述信號感測電極設(shè)置。
[0009]作為本實用新型的進一步改進，所述加熱電極包括主加熱部以及與所述主加熱部連接的次加熱部，所述主加熱部包括對稱設(shè)置的第一主加熱段和第二主加熱段，所述信號感測電極位于所述第一主加熱段和所述第二主加熱段之間。
[0010]作為本實用新型的進一步改進，所述第一主加熱段和第二主加熱段產(chǎn)生的熱場溫差小于100°C。
[0011]作為本實用新型的進一步改進，所述第一主加熱段和第二主加熱段產(chǎn)生的熱場溫差小于50°C。
[0012]作為本實用新型的進一步改進，所述第一主加熱段與其相鄰的導(dǎo)電電極之間的距離等于所述第二主加熱段與其相鄰的導(dǎo)電電極之間的距離。
[0013]作為本實用新型的進一步改進，所述主加熱部相對所述次加熱部鄰近所述信號感測電極，所述主加熱部環(huán)繞所述信號感測電極設(shè)置。
[0014]作為本實用新型的進一步改進，所述次加熱部包括分別與所述第一主加熱段和第二主加熱段連接的第一次加熱段和第二次加熱段，所述第一次加熱段和第二次加熱段彼此對稱設(shè)置。
[0015]作為本實用新型的進一步改進，所述加熱電極具有定寬。
[0016]作為本實用新型的進一步改進，所述加熱電極呈方波、或鋸齒波、或三角波、或正弦波、或蛇形。
[0017]作為本實用新型的進一步改進，所述加熱電極和信號感測電極通過印刷的方式制作于所述基底上。
[0018]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型提供的半導(dǎo)體氣體傳感器，通過將加熱電極環(huán)繞信號感測電極設(shè)置，可以保證信號感測電極處于加熱電極產(chǎn)生的均勻熱場中，加熱效果穩(wěn)定，可以有效地提聞傳感器的響應(yīng)速率。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1是本實用新型半導(dǎo)體氣體傳感器一實施方式的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]圖2是本實用新型半導(dǎo)體氣體傳感器又一實施方式的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021]圖3是本實用新型半導(dǎo)體氣體傳感器又一實施方式的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖4是本實用新型半導(dǎo)體氣體傳感器又一實施方式的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖5是鋸齒波狀加熱電極的形狀示意圖；
[0024]圖6是三角波狀加熱電極的形狀示意圖；
[0025]圖7和圖8是正弦波狀加熱電極的形狀示意圖；
[0026]圖9是本實用新型半導(dǎo)體氣體傳感器制備方法中依次在基底上制作加熱電極、信號感測電極的示意圖；
[0027]圖10是本實用新型半導(dǎo)體氣體傳感器一實施例中，對于不同濃度甲醛氣體響應(yīng)的測試示意圖。
【具體實施方式】
[0028]以下將結(jié)合附圖所示的【具體實施方式】對本實用新型進行詳細描述。但這些實施方式并不限制本實用新型，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員根據(jù)這些實施方式所做出的結(jié)構(gòu)、方法、或功能上的變換均包含在本實用新型的保護范圍內(nèi)。
[0029]參圖1，介紹本實用新型半導(dǎo)體氣體傳感器的【具體實施方式】，該半導(dǎo)體氣體傳感器100包括基底10、信號感測電極30、以及加熱電極20。
[0030]基底10具有表面11，該表面11被相對確定以進行后續(xù)的電路布局，信號感測電極30和加熱電極20被制作于該表面11上。相對而言，如果將信號感測電極30和加熱電極20分別制作在基底10的表面11以及與該表面11相對的另一側(cè)表面，則需求加熱電極20具有更高的加熱功率，不必要地增加了傳感器的功耗，所以這里優(yōu)選地將信號感測電極30和加熱電極20制作于同一表面11。
[0031]基底10可以是選自表面氧化的硅片、玻璃片、石英片、氧化鋁陶瓷片、氮化鋁陶瓷片、氧化鋯陶瓷片、聚酰亞胺薄膜中的一種，基底10的厚度為lOOunTlOOOum。加熱電極20的材質(zhì)選自金、銀、鉬、銅、鶴、鉬金合金、銀IE合金、鎳鉻合金、鑰猛合金、氮化鈦、氧化釕中的一種。
[0032]信號感測電極30包括兩個導(dǎo)電電極31、以及電性連接兩個導(dǎo)電電極31的功能層。導(dǎo)電電極31可以采用金屬，例如Pt、Au、Ag、Cu、Al、N1、W中的一種制得，又或者是采用合金薄膜，例如Ni/Cr、Mo/Mn、Cu/Zn、Ag/Pd、Pt/Au、Fe/Co中的一種制得。一個半導(dǎo)體氣體傳感器100中至少包括兩個信號感測電極30，依據(jù)傳感器種類的不同，可以設(shè)置有需求個數(shù)的信號感測電極。
[0033]功能層為半導(dǎo)體氣體傳感器100 —關(guān)鍵構(gòu)成部分，其實質(zhì)上為對檢測氣體具有較好響應(yīng)的氣敏材料。進一步地，以提供一甲醛氣體傳感器為例，其中選用的功能層由納米金屬氧化物功能化碳納米管材料構(gòu)成，該納米金屬氧化物功能化碳納米管材料包括碳納米管和氧化鎳，碳納米管和氧化鎳的質(zhì)量比為1:0.f 1:30。并且，進一步的優(yōu)選為碳納米管和氧化鎳的質(zhì)量比為1:廣1:20，乃至更進一步，碳納米管和氧化鎳的質(zhì)量比為1:1.7?1:18。碳納米管表面帶有羥基鍵，以吸附氧化鎳，并可更佳地對氧化鎳產(chǎn)生保持作用。
[0034]所提供的納米金屬氧化物功能化碳納米管材料中的微觀碳納米管之間為隨機搭接，彼此之間存在較多的空隙，氧化鎳不僅吸附于功能層的表面，在整個碳納米管材料區(qū)域的上述空隙中，都會吸附有氧化鎳，這樣，待檢測氣體可以在碳納米管搭接形成的空隙間流動，使得半導(dǎo)體氣體傳感器100的檢測效果更佳。
[0035]在具體的制作過程中，為了保證上述“空隙”的有效成型，首先在基底10上打印一層碳納米管，隨后在碳納米管區(qū)域沉積氫氧化鎳，經(jīng)過燒結(jié)，將沉積的氫氧化鎳轉(zhuǎn)化為氧化鎳，保證碳納米管之間搭接的隨機性，以及氧化鎳與碳納米管之間的結(jié)合關(guān)系的穩(wěn)定。
[0036]當(dāng)然，在對于更多不同種類的目標氣體的檢測應(yīng)用中，該信號感測電極30也可以是對應(yīng)包括金屬氧化物薄膜，通常，該金屬氧化物薄膜選自Sn02、ZnO、In2O3> WO3> NiO、TiO2,Fe2O3、CoO、Co3O、MnO 中的一種。
[0037]加熱電極20與信號感測電極30之間彼此絕緣，在本實施方式中，加熱電極20環(huán)繞信號感測電極30，加熱電極20和信號感測電極30之間彼此不交錯，環(huán)繞設(shè)置的加熱電極20可以提供均勻的熱場，以對信號感測電極30產(chǎn)生更好的加熱效果。本實施方式中，這種環(huán)繞為“非封閉”式的，以便信號感測電極30與外部電路的電性連接。
[0038]加熱電極20包括主加熱部21以及與主加熱部21連接的次加熱部22，主加熱部21包括對稱設(shè)置的第一主加熱段211和第二主加熱段212，信號感測電極30位于第一主加熱段211和第二主加熱段212之間。主加熱部21在位置上相對于次加熱部22更加鄰近信號感測電極30，應(yīng)當(dāng)理解的是，所說的“主加熱部21”、“次加熱部22”僅僅是為了申請描述的方便而定義，并非代表其在制作加工工藝或結(jié)構(gòu)上存在根本上的區(qū)分關(guān)系。
[0039]在主加熱部21中，第一主加熱段211和第二主加熱段212產(chǎn)生的熱場溫差小于100°C，進一步地，該熱場溫差控制為小于50°C，以保證半導(dǎo)體氣體傳感器對目標氣體檢測的靈敏可靠。當(dāng)然，在最理想的替換實施方式中，第一主加熱段211和第二主加熱段212的電阻值相等，以保證第一主加熱段211和第二主加熱段212產(chǎn)生的熱場溫度相同。
[0040]第一主加熱段211與其相鄰的導(dǎo)電電極31之間的距離等于第二主加熱段212與其相鄰的導(dǎo)電電極31之間的距離以保證導(dǎo)電電極的受熱均勻，次加熱部22包括分別與第一主加熱段211和第二主加熱段212連接的第一次加熱段221和第二次加熱段222，且該第一次加熱段221和第二次加熱段222的電阻值也優(yōu)選地為相等。
[0041]在俯視的方向上，第一次加熱段221和第二次加熱段222所構(gòu)成的圖案全等，同時，更加優(yōu)選地，該第一次加熱段221和第二次加熱段222彼此對稱設(shè)置。
[0042]在滿足上述對加熱電極20中全部或部分特征的限定下，可以設(shè)計有多種的具體的加熱電極的形狀，以下?lián)駜?yōu)地選取一些具體的實施例做示范性的說明。
[0043]參圖1的實施例，主加熱部21呈一平底U形，并環(huán)繞信號感測電極30，加熱電極20整體呈方波形，其整體沿信號感測電極31呈鏡像對稱設(shè)置。加熱電極20的線寬為10unT200um,加熱電極20中各部分的間距在IOunTIOOum之間變化。
[0044]參圖2的實施例，與圖1不同的是，本實施例中，主加熱部21a兩側(cè)的第一次加熱段221a和第二次加熱段222a設(shè)置為更多次的方波狀的延伸，以提供更大功率的加熱效果以及更均勻的熱場。加熱電極20a的線寬為10unT200um，加熱電極中各部分的間距在IOunTIOOum之間變化。
[0045]參圖3的實施例，主加熱部21b呈聯(lián)接的疊U形，次加熱部22b聯(lián)接主加熱部21b，信號感測電極30b兩側(cè)的加熱電極20b的長度大致相等，以提供均勻的熱場。加熱電極20b的線寬為10unT200um，加熱電極20b中各部分的間距在IOunTIOOum之間變化。
[0046]參圖4的實施例，加熱電極20c整體呈蛇形，信號感測電極30c兩側(cè)的加熱電極的長度大致相等，以提供均勻的熱場`。加熱電極20c的線寬為10unT200um，加熱電極20c中各部分的間距在lOunTlOOum之間變化。
[0047]加熱電極還可以呈如圖5所示的鋸齒波形，圖6所示的三角波形，圖7、圖8所示的正弦波形。
[0048]繼續(xù)參圖1，在本實施方式中，加熱電極20具有定寬，由于制作的加熱電極20的厚度相等，故加熱電極20在其有效發(fā)熱區(qū)域內(nèi)，提供有各部分均等的發(fā)熱量。并且，加熱電極20與基底10之間以及信號感測電極30與基底10之間都分別設(shè)置有粘結(jié)層(圖未示)，以提高之間的結(jié)合強度。
[0049]米用Comsol Multiphysics 4.3a 多場物理f禹合軟件中的 Thermal Stress (ts)，Electric Currents Shell (ecs), Shell (Shell)三個模塊分別對圖1至圖4四種不同的
加熱電極所產(chǎn)生的熱場進行了模擬。其中，具體材料特性如下:
[0050]
【權(quán)利要求】
1.一種半導(dǎo)體氣體傳感器，其特征在于，包括: 基底，所述基底具有表面； 設(shè)置在所述表面的信號感測電極，所述信號感測電極包括兩個導(dǎo)電電極、以及電性連接所述兩個導(dǎo)電電極的功能層； 設(shè)置在所述表面的加熱電極，所述加熱電極與所述信號感測電極彼此絕緣，所述加熱電極環(huán)繞所述信號感測電極設(shè)置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體氣體傳感器,其特征在于,所述加熱電極包括主加熱部以及與所述主加熱部連接的次加熱部，所述主加熱部包括對稱設(shè)置的第一主加熱段和第二主加熱段，所述信號感測電極位于所述第一主加熱段和所述第二主加熱段之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體氣體傳感器，其特征在于，所述第一主加熱段和第二主加熱段產(chǎn)生的熱場溫差小于100°c。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的半導(dǎo)體氣體傳感器，其特征在于，所述第一主加熱段和第二主加熱段產(chǎn)生的熱場溫差小于50 °C。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體氣體傳感器，其特征在于，所述第一主加熱段與其相鄰的導(dǎo)電電極之間的距離等于所述第二主加熱段與其相鄰的導(dǎo)電電極之間的距離。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體氣體傳感器，其特征在于，所述主加熱部相對所述次加熱部鄰近所述信號感測電極，所述主加熱部環(huán)繞所述信號感測電極設(shè)置。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體氣體傳感器，其特征在于，所述次加熱部包括分別與所述第一主加熱段和第二主加熱段連接的第一次加熱段和第二次加熱段，所述第一次加熱段和第二次加熱段彼此對稱設(shè)置。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體氣體傳感器，其特征在于，所述加熱電極具有定寬。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體氣體傳感器，其特征在于，所述加熱電極呈方波、或鋸齒波、或三角波、或正弦波、或蛇形。
10.根據(jù)如上任意一項所述的半導(dǎo)體氣體傳感器，其特征在于，所述加熱電極和信號感測電極通過印刷的方式制作于所述基底上。
【文檔編號】G01N27/00GK203630074SQ201320822801
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2013年12月13日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月13日
【發(fā)明者】張克棟, 徐紅艷, 崔錚 申請人:蘇州納格光電科技有限公司