專利名稱：一種氣敏傳感元件的電極部件及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及半導體技術，尤其涉及一種氣敏傳感元件的電極部件及其制造 方法和氣敏傳感元件。
背景技術：
現(xiàn)有技術中的氣敏傳感元件的電極部件以陶資管式、微珠式、平面式為主。 陶瓷管式和微珠式結構多采用手工制作完成，但手工制作的產品存在著制作效 率低、器件特性參數(shù)均一性較差、成品率受人為因素影響較大等問題。利用微加工工藝技術制備出來的平面式結構，具有參數(shù)統(tǒng)一、重復度高、 可自動化制備、成品率高等優(yōu)點，符合大批量生產的要求，能有效地降低傳感 器的制作成本。目前現(xiàn)有技術中的平面式氣敏傳感元件的電極部件包括加熱電 極、溫度傳感電極、氣敏信號讀取電極三部分。而其結構則是加熱電極、溫度 傳感電極位于部件基片的一個端面，氣敏信號讀取電極位于部件基片的另一個 端面。此結構的制作過程需要經過正反兩面的電極制備工藝，制作過程復雜、 成本高、且效率低。此外，還存在部件表面溫度均勻性差、加熱效率低，從而 導致氣敏傳感元件性能差的缺點。發(fā)明內容本發(fā)明的目的在于提供一種氣敏傳感元件的電極部件及其制造方法，以節(jié) 省制作成本和提高效率，又改善部件表面溫度均勻性及加熱效率，從而提高氣 敏傳感元件性能。為了實現(xiàn)上述技術目的，本發(fā)明一方面提供了一種氣敏傳感元件的電極部 件，包括基片和在該基片上形成的加熱電極及氣敏信號電極，加熱電極和氣敏 信號電極位于基片的同 一端面，加熱電極和氣敏信號電極之間不接觸。優(yōu)選地，加熱電極和氣敏信號電極線寬均為0.4 mm，加熱電極包圍氣敏信 號電極，氣敏信號電極與加熱電極間的距離為50jam。 優(yōu)選地，基片為絕緣基片。優(yōu)選地，基片上還形成有溫度傳感電極，溫度傳感電極與加熱電極和氣敏信號電極位于基片的同一端面，溫度傳感電極與加熱電極和氣敏信號電極之間 不接觸。本發(fā)明另 一方面提供了 一種氣敏傳感元件的電極部件的制造方法，包括以下步驟a、將基片進行前烘熱處理；b、在基片表面均勻旋涂上一層光刻膠；c、 將基片烘烤；d、采用預置電極圖形作為掩模對基片進行曝光；e、將基片進行 顯影；f、將基片刻蝕，以去除曝光區(qū)域上的殘余光刻膠；g、對基片進行鈦鍍 膜；h、對基片進行白金鍍膜；I、剝離光刻膠。優(yōu)選地，預置電極圖形是由加熱電極和氣敏信號電極組成的圖案。 本發(fā)明還提供了一種氣敏傳感元件，包括如上所述的電極部件以及氣敏材 料，氣敏材料覆蓋在氣敏傳感元件的電極部件上，且與所有電極相接觸。 實施本發(fā)明，具有如下有益效果本發(fā)明提供的這種氣敏傳感元件的電極部件，由于將加熱電極和氣敏信號 電極集成在基片的同一端面且彼此無接觸連接，不僅節(jié)省了另一面電極制備的 工藝，從而減少了制作成本和提高了效率，還能夠改善部件表面溫度的均勻性 和加熱效率，從而提高氣敏元件性能。在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例中，由于加熱電極和氣敏信號電極線寬均為0.4 im，加熱電極包圍氣敏信號電極，氣敏信號電極與加熱電極間的距離為50jLim, 不僅可以最大程度的改善部件表面溫度的均勻性和加熱效率，從而提高氣敏元 件性能，而且更適合該部件的應用。在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例中，由于基片為絕緣基片，避免了利用電流對 基片進行加熱時擊穿基片，毀壞電極。在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例中，由于基片上還形成有溫度傳感電極，溫度 傳感電極與加熱電極和氣敏信號電極位于基片的同 一端面，溫度傳感電極與加 熱電極和氣敏信號電極之間不接觸，該溫度傳感電極用于溫度測量和反饋，能 對部件性能的改善添加有益幫助。本發(fā)明提供的這種氣敏傳感元件的電極部件的制造方法，用于制造本發(fā)明 提供的上述氣敏傳感元件的電極部件，由于制造方法采用了預置圖形轉移法， 將預置的電極圖形轉移到基片上制造出電極部件，從而節(jié)省了制作成本且提高 了電極的參數(shù)統(tǒng)一性和制作效率。在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例中，由于預置電極圖形是由加熱電極和氣敏信 號電沖及組成的圖案，因此可以將預置的加熱電極和氣敏信號電極圖形轉移到基 片上制造出電極部件，從而節(jié)省了制作成本且提高了電極的參數(shù)統(tǒng)一性和制作 效率。本發(fā)明提供的這種氣敏傳感元件，氣敏材料感應到探測氣體后，利用氣敏信 號電極就能采集到材料的電特性變化信號，實現(xiàn)氣體濃度傳感。


圖1為本發(fā)明提供的氣敏傳感元件的一個具體實施例的電極部件結構平面圖；圖2為本發(fā)明提供的氣敏傳感元件的電極部件的一個具體實施例的實物圖；圖3為本發(fā)明提供的氣敏傳感元件的電極部件的制造方法的流程圖；圖4為本發(fā)明提供的氣敏傳感元件的電極部件的加熱電極上外加電流強度與基片表面溫度的關系曲線圖；圖5為本發(fā)明提供的氣敏傳感元件的電極部件在固定外加電壓下，溫度傳感電極上電流強度隨基片表面溫度變化的關系曲線圖；圖6為本發(fā)明提供的氣敏傳感元件的電極部件在覆蓋Zn0納米線陣列后，通過加熱電極進行加熱，并采用溫度傳感電極探測到溫度為270。C時，測量得到的氣敏材料感應380 ppm乙醇氣體前后電阻的變化曲線圖。
具體實施方式
下面結合附圖和優(yōu)選實施例來對本發(fā)明做進一步的說明。 參考圖1，本發(fā)明所述的氣敏傳感元件的電極部件，包括基片l和在該基片 1上形成的加熱電極10、溫度傳感電極11及氣敏信號電極12。其中加熱電極 10、溫度傳感電極11及氣敏信號電極12集成在基片1的同一端面上，并相互 間隔一較小的間隙。其中，所述加熱電極10具有引腳101和102;溫度傳感電 極11具有引腳111和112;氣敏信號電極12具有引腳121。其中溫度傳感電極 11是一個附加功能的電極，用于溫度測量和反饋，能對部件性能的改善添加有 益幫助。參考圖2,圖示了本發(fā)明提供的氣敏傳感元件的電極部件的實物圖，如圖所 示，上述三個電極被集成在基片的同一端面上。
參考圖3，為本發(fā)明提供的氣敏傳感元件的電極部件的制造方法的流程圖。 本發(fā)明中，采用表面覆蓋有Si02絕緣層的2英寸硅片作為基片。該制造方法包 括下列步驟a. 將基片在熱板上進行30分鐘的前烘熱處理，前烘溫度為120 。C,目的 是去除基片表面的水氣，增加基片的表面li附能力。如圖3所示的301。b. 利用Karl Suss R8涂膠機在基片表面均勻旋涂上一層瑞紅(RZJ-390PG) 正性光刻月交，涂4交轉速為3000 rpm,時間為60秒。如圖3所示的302。c. 涂膠完畢，將基片置于熱板上進行烘烤，熱板的溫度為120°C，烘烤時 間為120秒。如圖3所示的303。d. 烘烤完畢，利用Karl Suss MA45光刻機對樣品進行15秒的紫外曝光， 曝光過程中采用如圖1所示的電極圖形作為掩模。電極圖形尺寸如下電極引 腳0. 75X0. 6 mm2，加熱電極、氣敏信號電極線寬均為0. 4 mm，溫度傳感電極線 寬為O. 2min,氣敏信號電極與加熱電極間的距離為50 um。曝光方式為硬接觸。 電極圖形的結構為加熱電極、溫度傳感電極和氣敏信號電極位于同一端面，彼 此無接觸連接。如圖3所示的304。e. 將曝光完畢的基片放入濃度為3. 33%。的NaOH溶液中進行顯影，顯影時 間為40秒。將圖1所示的電極圖形轉化到光刻膠上。如圖3所示的305。f. 去殘膠，將顯影完畢后的基片放置到等離子刻蝕(RIE)系統(tǒng)中刻蝕， 目的是去除曝光區(qū)域上的殘余光刻膠?？涛g采用的氣體為氧氣，其流量為40 sccm,刻蝕功率為100 W，刻蝕時間為40秒。如圖3所示的306。g. 刻蝕處理完畢后，采用磁控濺射鍍膜機對基片進行鍍膜，濺鍍金屬為鈦 (Ti),用作金屬過渡層。濺射功率為300 W,濺射用的氣體為氬氣，流量控制在 60 sccm。濺鍍時間為40分鐘。鈦膜的厚度約為150 nm。如圖3所示的307。h. 賊鍍完鈦膜后，將基片放置于離子賊射儀中鍍膜，濺鍍金屬為白金(Pt)。 賊射儀的電流為2 mA，濺射電壓為1000 V，濺射用氣體為空氣，濺鍍時間為60 分鐘。白金膜的厚度為150 nm。如圖3所示的308。i. 剝離，將鍍膜完畢的基片浸泡到丙酮中，超聲震蕩，使光刻膠剝離。超 聲時間為l分鐘。獲得如圖2所示的平面集成金屬電極結構。如圖3所示的309。節(jié)時的實現(xiàn)、工作溫度的傳感測量及氣敏特性的表征如下
采用一臺可調直流電壓源(0-32 V)，在如圖1所示的加熱電極的引腳101 和102間施加直流電壓，產生電流，通過調節(jié)在加熱電極兩端所施加的電壓的 大小，改變加熱電流，實現(xiàn)調節(jié)基片表面溫度的目的。圖4為測量得到的加熱 電極的外加電流(0-190mA)與基片表面溫度(室溫-400。C)的曲線關系圖，其中I 表示加熱電極的電流，T表示基片的表面溫度。這一實驗結果證明了上述加熱電 極可以實現(xiàn)基片表面溫度的控制，為氣敏元件提供合適的工作溫度。如圖1和圖2所示，溫度傳感電極11圍繞在加熱電極10的四周，由于金 屬的電阻率與其溫度成正比，通過測量它的電流或電阻，就可得到基片的表面 溫度。實驗中將溫度傳感電極的引腳111和112與另一獨立的直流電壓源相連， 測量不同溫度下溫度傳感電極的電流。圖5為固定電壓下，溫度傳感電極的電 流隨基片表面溫度變化的T-I曲線關系圖，其中I表示溫度傳感電極的電流，T 表示平面的表面溫度。這一實驗結果證明了利用上述溫度傳感電極可以實現(xiàn)基 片表面溫度的探測，用于表征氣敏元件的工作溫度。利用化學溶液法，在電極部件的整個平面上直接生長一層氣敏材料，例如 ZnO敏感材料，ZnO材料覆蓋在加熱電極10、溫度傳感電極11和氣敏信號電41 12上。實驗中將氣敏信號電極引腳121與第三個獨立可調直流電壓源的正極相 連，其中串聯(lián)有電流表，用于讀取氣敏材料的電流值。氣敏信號電極與加熱電 極所用的直流電壓源的負極需要相連共地，因此，敏感材料間的供壓由氣敏信 號電極與加熱電極之間的電勢差決定。由于這兩極之間的電勢差保持不變，氣 敏元件的氣敏變化信號將由電流變化信號來反映。圖6為材料在270。C的工作溫 度下對380 ppm乙醇氣體的電流信號響應I - t曲線圖，其中I表示流經氣敏信 號電極的電流，t表示時間。這一實驗結果證明了氣敏信號電極可以實現(xiàn)探測敏 感材料的電特性變化，實現(xiàn)氣體濃度傳感功能。以上所揭露的僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，不能以此來限定本發(fā)明之權 利范圍，因此依本發(fā)明權利要求所作的等同變化，仍屬本發(fā)明所涵蓋的范圍。
權利要求
1、一種氣敏傳感元件的電極部件，包括基片和在該基片上形成的加熱電極和氣敏信號電極，其特征在于，所述加熱電極和所述氣敏信號電極位于所述基片的同一端面，所述加熱電極和所述氣敏信號電極之間不接觸。
2、 如權利要求1所述的氣敏傳感元件的電極部件，其特征在于，所述加熱 電極和所述氣敏信號電極線寬均為0.4 mm，所述加熱電極包圍氣敏信號電極， 所述氣敏信號電極與加熱電極間的距離為50 jjm。
3、 如權利要求l所述的氣敏傳感元件的電極部件，其特征在于，所述基片 為絕緣基片。
4、 如權利要求l所述的氣敏傳感元件的電極部件，其特征在于，所述基片 上還形成有溫度傳感電極，所述溫度傳感電極與所述加熱電極和所述氣敏信號 電極位于所述基片的同一端面，所述溫度傳感電極與所述加熱電極和所述氣敏 信號電極之間不接觸。
5、 一種氣敏傳感元件的電極部件的制造方法，包括以下步驟a、 將基片進行前烘熱處理；b、 在基片表面均勻旋涂上一層光刻膠；c、 將基片烘烤；d、 采用預置電極圖形作為掩模對基片進行曝光；e、 將基片進行顯影；f、 將基片刻蝕，以去除曝光區(qū)域上的殘余光刻膠；g、 對基片進行鈥鍍膜；h、 對基片進行白金鍍膜； I、剝離光刻膠。
6、 如權利要求5所述的一種氣敏傳感元件的電極部件的制造方法，其特征 在于，步驟d中所述預置電極圖形是由加熱電極和氣敏信號電極組成的圖案。
7、 一種氣敏傳感元件，包括權利要求l、 2、 3、或4所述的電極部件和氣 敏材料，其特征在于，氣敏材料覆蓋在所述氣敏傳感元件的電極部件上，且與 所有電極相接觸。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種氣敏傳感元件的電極部件，包括基片和在該基片上形成的加熱電極和氣敏信號電極，加熱電極和氣敏信號電極位于基片的同一端面，加熱電極和氣敏信號電極之間不接觸。該部件可應用于氣敏傳感元件上，制作成本低且制造效率高，且部件表面溫度均勻性及加熱效率高，從而可提高氣敏傳感元件性能。本發(fā)明同時還公開了該電極部件的制造方法及使用該電極部件的氣敏傳感元件。
文檔編號H01L21/00GK101126730SQ20071002632
公開日2008年2月20日 申請日期2007年1月10日 優(yōu)先權日2007年1月10日
發(fā)明者佘峻聰, 朱聯(lián)烽, 許寧生, 鄧少芝, 軍 陳 申請人:中山大學