金屬氧化物半導體氣體傳感器及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于電子器件制造技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種半導體氣體傳感器及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著工業(yè)的快速發(fā)展，環(huán)境的污染問題也越來越嚴重，例如，汽車尾氣中的CO、NOx, SOx等有害氣體，室內(nèi)裝修中存在的甲醛、甲苯等，煤礦中泄漏的甲烷氣體，化工生產(chǎn)中產(chǎn)生的易燃、易爆、毒害性氣體等，這些有毒氣體對人們的身體健康造成了嚴重的威脅。為了確保人身安全和防患于未然，人們研制了各種檢測方法和檢測儀器，其中，氣體傳感器在家居生活、排放監(jiān)測、航空、醫(yī)療、衛(wèi)生等領(lǐng)域發(fā)揮著重大的作用。
[0003]目前氣體傳感器種類繁多，應(yīng)用范圍廣泛，大致可分為半導體式、電化學式、接觸燃燒式、固體電解質(zhì)式和紅外線式等。其中半導體傳感器因為檢測靈敏度高、響應(yīng)恢復時間短、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，半導體氣體傳感器更是向著集成化、智能化方向發(fā)展。
[0004]半導體氣體傳感器中通常利用金屬氧化物作為敏感材料，通過在其表面吸附氣體及表面反應(yīng)而引起自身電阻的變化，進而監(jiān)測到目標氣體。對于敏感材料而言，其比表面積越大，也更容易吸附目標氣體?，F(xiàn)有技術(shù)中通常利用化學方法制作該敏感材料，例如溶膠-凝膠法、化學氣相沉積法、化學水浴沉積法、水熱法、熱注入法、靜電紡絲法、模板法等，制得的敏感材料中比表面積大，化學活性高，可以檢測到濃度非常低的目標氣體。但是，由于在化學制備過程中容易引入其它雜質(zhì)或者未完全反應(yīng)的其它晶相，敏感材料中可能存在空洞或其它缺陷，這些缺陷會進一步導致傳感器在長期服役時會發(fā)生體電阻的漂移，導致傳感器靈敏度下降，進而降低了傳感器的使用壽命。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種金屬氧化物半導體氣體傳感器，其可以提高傳感器的使用壽命。
[0006]本發(fā)明的目的還在于提供一種金屬氧化物半導體氣體傳感器的制備方法。
[0007]為解決上述發(fā)明目的之一，本發(fā)明提供一種金屬氧化物半導體氣體傳感器，包括:
基底；
加熱層；設(shè)置于所述基底上；
功能層，設(shè)置于所述基底上且與所述加熱層絕緣，所述功能層包括彼此電性連接的信號電極和檢測層；其中，
所述檢測層包括依次形成于所述基底上的第一薄膜層和第二薄膜層，所述第一薄膜層的比表面積小于第二薄膜層的比表面積。
[0008]作為本發(fā)明的進一步改進，所述加熱層和所述功能層設(shè)置于所述基底同側(cè)的表面，且所述加熱層環(huán)繞所述功能層設(shè)置。
[0009]作為本發(fā)明的進一步改進，所述加熱層和所述功能層設(shè)置于所述基底同側(cè)的表面，且所述加熱層和所述功能層之間設(shè)置有絕緣層。
[0010]作為本發(fā)明的進一步改進，所述加熱層和所述功能層設(shè)置于所述基底兩相對側(cè)的表面。
[0011]作為本發(fā)明的進一步改進，所述第一薄膜層的厚度為50nm~100ym。
[0012]作為本發(fā)明的進一步改進，所述第二薄膜層的厚度為lnm~100ym。
[0013]作為本發(fā)明的進一步改進，所述第一薄膜層和第二薄膜層由同種材料或同種類型的半導體材料制得。
[0014]作為本發(fā)明的進一步改進，所述第一薄膜層和第二薄膜層可以選自N型金屬氧化物半導體、或P型金屬氧化物半導體、或P、N雙性金屬氧化物半導體。
[0015]作為本發(fā)明的進一步改進，所述N型金屬氧化物半導體包括MgO、CaO、Ti02、Zr02、V2O5, Nb2O5, Ta2O5, MoO3, W03、ZnO, Al2O3, Ga2O3, In2O3, SnO2;所述 P 型金屬氧化物半導體包括Y203、La203、CeO2, Mn203、Co3O4, N1、PdO、Ag2O, Bi2O3' Sb2O3, TeO2;所述 P、N 雙性金屬氧化物半導體包括 HfO2, Cr203、Fe2O3> CuO0
[0016]作為本發(fā)明的進一步改進，所述第二薄膜層的納米結(jié)構(gòu)包括納米線、納米棒、納米球、納米片、納米塊、納米墻、納米柱中的至少一種。
[0017]為解決上述另一發(fā)明目的，本發(fā)明提供一種金屬氧化物半導體氣體傳感器的制備方法，所述方法包括以下步驟:
在基底上制作加熱層；
在所述基底上制作信號電極；
在所述基底上依次用物理氣相沉積法形成第一薄膜層和用化學方法形成與所述第一薄膜層電性連接的第二薄膜層；其中，
所述第一薄膜層和第二薄膜層構(gòu)成與所述信號電極電性連接的檢測層，所述檢測層與所述信號電極構(gòu)成與所述加熱層絕緣的功能層。
[0018]作為本發(fā)明的進一步改進，所述物理氣相沉積法包括磁控濺射法、熱蒸鍍法、電子束蒸鍍法、激光脈沖沉積法、分子束外延法。
[0019]作為本發(fā)明的進一步改進，所述化學方法包括溶膠-凝膠法、化學氣相沉積法、化學水浴沉積法、水熱法、熱注入法、靜電紡絲法、模板法。
[0020]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的金屬氧化物半導體氣體傳感器，通過將檢測層設(shè)置為包括不同比表面積的第一薄膜層和第二薄膜層，比表面積較小的第一薄膜層作為體電阻層以穩(wěn)定體電阻，防止檢測層的體電阻發(fā)生漂移，比表面積較大的第二薄膜層作為氣體敏感層以檢測目標氣體，提高了金屬氧化物半導體氣體傳感器的使用壽命，且保證了較高的檢測精度。
【附圖說明】
[0021]圖1是本發(fā)明金屬氧化物半導體氣體傳感器第一實施方式的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是本發(fā)明金屬氧化物半導體氣體傳感器第二實施方式的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3是本發(fā)明金屬氧化物半導體氣體傳感器第三實施方式的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4是本發(fā)明金屬氧化物半導體氣體傳感器的制備方法的流程圖；
圖5是本發(fā)明金屬氧化物半導體氣體傳感器的檢測層制備方法的實施例一中形成的氧化鎳體電阻層的截面電鏡圖；
圖6是本發(fā)明金屬氧化物半導體氣體傳感器的檢測層制備方法的實施例一中形成的氧化鎳體電阻層的表面電鏡圖；
圖7是本發(fā)明金屬氧化物半導體氣體傳感器的制備方法的實施例一中相應(yīng)制得的氣體傳感器對甲醛氣體的響應(yīng)特性圖；
圖8是本發(fā)明金屬氧化物半導體氣體傳感器的檢測層制備方法的實施例二中形成的檢測層的截面電鏡圖；
圖9是本發(fā)明金屬氧化物半導體氣體傳感器的檢測層制備方法的實施例二中形成的檢測層的表面電鏡圖；
圖10是本發(fā)明金屬氧化物半導體氣體傳感器的檢測層制備方法的實施例三中，在檢測層中未制備第二薄膜層時，制得的氣體傳感器對甲醛氣體的響應(yīng)特性圖。
【具體實施方式】
[0022]以下將結(jié)合附圖所示的【具體實施方式】對本發(fā)明進行詳細描述。但這些實施方式并不限制本發(fā)明，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發(fā)明的保護范圍內(nèi)。
[0023]在本申請的各個圖示中，為了便于圖示，結(jié)構(gòu)或部分的某些尺寸會相對于其它結(jié)構(gòu)或部分夸大，因此，僅用于圖示本申請的主題的基本結(jié)構(gòu)。
[0024]本文使用的例如“上”、“上方”、“下”、“下方”等表示空間相對位置的術(shù)語是出于便于說明的目的來描述如附圖中所示的一個單元或特征相對于另一個單元或特征的關(guān)系?？臻g相對位置的術(shù)語可以旨在包括結(jié)構(gòu)在示出時除了圖中所示方位以外的不同方位。例如，如果將圖中的結(jié)構(gòu)翻轉(zhuǎn)，則被描述為位于其它單元或特征“下方”或“之下”的單元將位于其它單元或特征“上方”或“之上”。因此，示例性術(shù)語“下方”可以囊括上方和下方這兩種方位。結(jié)構(gòu)可以以其他方式被定向(旋轉(zhuǎn)90度或其他朝向)，并相應(yīng)地解釋本文使用的與空間相關(guān)的描述語。
[0025]當元件或?qū)颖环Q為在另一部件或?qū)印吧稀薄⑴c另一部件或?qū)印斑B接”時，其可以直接在該另一部件或?qū)由?、連接到該另一部件或?qū)樱蛘呖梢源嬖谥虚g元件或?qū)?。相反，當部件被稱為“直接在另一部件或?qū)由稀?、“直接連接在另一部件或?qū)由稀睍r，不能存在中間部件或?qū)覱
[0026]并且，應(yīng)當理解的是盡管術(shù)語第一、第二等在本文中可以被用于描述各種元件或結(jié)構(gòu)，但是這些被描述對象不應(yīng)受到這些術(shù)語的限制。這些術(shù)語僅用于將這些描述對象彼此區(qū)分開。例如，第一薄膜層可以被稱為第二薄膜層，并且類似地第二薄膜層也可以被稱為第一薄膜層，這并不背離本申請的保護范圍。
[0027]參圖1，介紹本發(fā)明金屬氧化物半導體氣體傳感器100的第一【具體實施方式】。在本實施方式中，該半導體氣體傳感器100包括基底10、加熱層20、以及功能層30。
[0028]基底10可以是例如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。加熱層20和功能層30設(shè)置在基底1