專利名稱：甲醛氣體傳感器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種氣體傳感器，尤其是涉及一種曱醛氣體傳感器。
背景技術：
由于甲醛(formaldehyde, HCHO )具有高化學活性、高純度及相當廉 價等優(yōu)點，因而被廣泛使用與應用在工業(yè)生產(chǎn)建筑物材料及多數(shù)家用產(chǎn) 品的化學原料。建筑物及家具涂料中的甲醛在長期的使用中會漸漸釋放 游離出曱醛于環(huán)境中，然而，人體如果接觸過量曱醛，可能會引發(fā)呼吸 道或皮膚發(fā)炎、刺激眼睛，甚至可能致癌。因此，有必要開發(fā)一種曱醛 氣體傳感器來檢測環(huán)境中的甲醛濃度。
現(xiàn)有的曱醛氣體傳感器，如中國臺灣專利第1239400號「有機揮發(fā)氣 體之微型傳感器及其制造方法」發(fā)明專利所述，其包含一懸置薄膜基座、 一微加熱器、 一感測層及一指叉電極組(interdigital electrodes),該懸置 薄膜基座形成一凹孔及數(shù)個橋接部，該橋接部在該凹孔上方設置一支撐 臺；該微加熱器形成在該支撐臺上；該感測層形成在該微加熱器上，并 可由該微加熱器快速加熱至一恒定高溫，且可依環(huán)境中的有機揮發(fā)氣體 的濃度值改變其電阻值；該指叉電極組設置于該感測層的上方，并用于 測量該感測層的電阻值，經(jīng)由數(shù)字處理成該有機揮發(fā)氣體的濃度值，以 供一使用者觀測。
一般而言，上述現(xiàn)有的曱醛氣體傳感器具有下列缺點，例如該指 叉電極組是設置于該感測層的上表面，使得該指叉電極組降低了該氣體 感測層與該有機揮發(fā)氣體的接觸面積，進而造成其靈敏度降低及最小檢 測極限較高；另外，由于該感測層的反應時間較長，使得該現(xiàn)有氣體傳 感器的測量時間較長，進而造成其檢測效率較低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的是提供一種曱醛氣體傳感器，其利用于一基板的 一側(cè)設置一電極層，再于該電極層的一側(cè)設置一氣體感測層，使該電極
層位于該基板及氣體感測層之間，且該氣體感測層至少由氧化鎳(NiO) 制成，使得本發(fā)明具有提高檢測靈敏度的效果。
本發(fā)明的次要目的是提供一種曱醛氣體傳感器，其中該氣體感測層的 厚度介于0.3至0.52pm之間，使得本發(fā)明具有降低最小檢測極限的效果。
本發(fā)明的再一目的是提供一種曱醛氣體傳感器，其中該氣體感測層 還包含有一個催化材料，以加速該氣體感測層催化欲感測氣體的催化效 率，使得本發(fā)明具有降低反應時間的效果。
本發(fā)明的另一目的是提供一種曱醛氣體傳感器，其中該催化材料另 形成一催化層，使得該催化層與由該氧化鎳所形成的氧化鎳層共同構成 該氣體感測層，且該氧化鎳層介于該電極層及催化層之間，使得本發(fā)明 具有提高檢測效率的效果。
為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用如下技術方案 一種曱醛氣體傳 感器，其包含一基板、 一電極層及一氣體感測層，該基板由絕緣材料制 成，該電極層設置于該基板的一側(cè)，該氣體感測層至少由氧化鎳(NiO) 制成，該氣體感測層設置于該電極層的一側(cè)，使該電極層介于該基板及 氣體感測層之間，該氣體感測層的厚度介于0.3至0.52pm。這樣，可有 效提高檢測靈敏度、降低最小檢測極限及反應時間。
本發(fā)明改進了現(xiàn)有技術存在的缺點，其利用于一基板的一側(cè)設置一 電極層，再于該電極層的一側(cè)設置一厚度介于0.3至0.52pm之間的氣體 感測層，使該電極層位于該基^反及氣體感測層之間，其中，該氣體感測 層至少由氧化鎳(NiO)制成，這樣一來，本發(fā)明可有效提高檢測靈敏度、 檢測效率、降低最小4企測極限及反應時間。


圖1:本發(fā)明優(yōu)選實施例的甲醛氣體傳感器的分解立體圖。
圖2A-2G:本發(fā)明優(yōu)選實施例的甲醛氣體傳感器的制作流程剖視圖。
圖3:本發(fā)明優(yōu)選實施例的曱醛氣體傳感器于不同操作溫度下的曱醛濃度
(ppb)對電阻值(kQ)的變化圖。 圖4:本發(fā)明優(yōu)選實施例的曱醛氣體傳感器于不同厚度的氣體感測層下的
曱醛濃度(ppm)對電阻值(kQ)的變化圖。 圖5:本發(fā)明優(yōu)選實施例的曱醛氣體傳感器于不同不同有機揮發(fā)氣體下的
濃度(ppb)對電阻值(Q)的變化圖。 圖6:本發(fā)明優(yōu)選實施例的曱醛氣體傳感器于一預定曱醛濃度下的時間(秒)
對電阻值(Q)的變化圖，且該氣體感測層是以氧化鎳濺鍍制成。 圖7:本發(fā)明優(yōu)選實施例的甲醛氣體傳感器于一預定曱醛濃度下的時間
(秒)對電阻值(Q)的變化圖，且該氣體感測層是以氧化鎳及氧化
鋁通過共濺鍍制成。 圖8:本發(fā)明優(yōu)選實施例的甲醛氣體傳感器曱醛濃度(ppm)對電阻值(n)
的變化圖。主要組件符號說明
1基板 11光阻 12光罩 13光阻圖案
2電極層 21感測電極組22加熱電才及組 3氣體感測層
具體實施例方式
為讓本發(fā)明的上述及其它目的、特征及優(yōu)點能更明顯易懂，下文通 過本發(fā)明的優(yōu)選實施例，并配合附圖，作詳細說明如下
請參照圖1所示，本發(fā)明優(yōu)選實施例公開的甲醛氣體傳感器包含一 基板1、 一電極層2及一氣體感測層3。該基才反1的一側(cè)設有該電極層2， 該氣體感測層3設置于該電極層2的一側(cè)，^使該電極層2介于該基板1
及氣體感測層3之間。該基板1用于支撐該電極層2及氣體感測層3。該 電極層2用于測量該氣體感測層3的電阻1直。該氣體感測層3為針對特 定欲感測氣體的催化劑，以催化該特定欲感測氣體氧化，進而造成該氣 體感測層3的電阻值改變。經(jīng)由該電極層2測量該氣體感測層3的電阻 值變化即可推算該欲感測氣體的濃度。該電才及層2優(yōu)選與一電性測量系 統(tǒng)(未繪示)電性連接，以便通過該電性量測系統(tǒng)輔助該電阻值的測量 及顯示。
請再參照圖i所示，本發(fā)明優(yōu)選實施例的基板1可選擇由硅、氮化 硅或二氧化硅(即玻璃或石英)等絕緣材料制成，且本實施例中的基板1 是選擇以石英制成。該基板1的外形優(yōu)選為一薄板狀體。為避免微粒子 (Particles )、金屬(Metal )、有機物(Organic)或氧化層(Native oxide ) 等污染物附著于該基板1的表面，因此，該基板1優(yōu)選先經(jīng)過清洗，以 避免上述的各種污染物影響后續(xù)電極層2的形成及附著。
請再參照圖1所示，本發(fā)明優(yōu)選實施例所述的電極層2可選4奪由濺 鍍或蒸鍍等沉積方式形成于該基板1的一側(cè)，且該電極層2覆蓋該基板1 于該側(cè)的部分表面。在本實施例中，該電才及層2選擇以電子束蒸鍍法 (Electron Beam Evaporation )寸吏金屬沉積形成于該基4反1的一側(cè)。
請再參照圖1所示，該電極層2包含一感測電極組21及一加熱電極 組22。該感測電極組21可選擇為 一指叉電才及組(interdigital electrodes ) 或一非指叉電極組，且由于該指叉電極組較容易直接量測該氣體感測層3 的電性和電阻的改變，因此該感測電極組21 l尤選為該指叉電4 l組。該感 測電極組21選擇由導電性好的金屬或合金材料制成，例如金(Au)、 鉻(Cr)、鈦(Ti)、銀(Ag)、鉆(Al)、銅(Cu)、鉑(Pt)或其合金。 由于鉑的穩(wěn)定性高，因此該感測電極組21優(yōu)選由鉑制成。該感測電極組 21與該電性測量裝置電性連接以測量該氣體感測層3的電阻。該加熱電極組22可選捧由柏或多晶 硅制成，由于鉑的電阻溫度系數(shù)(Temperature Coe迅cient of Resistivity, TCR)呈常數(shù)，因此該力。熱電極組22優(yōu)選由鉑 制成。該加熱電極組22優(yōu)選另與一控溫裝置(未繪示)電性連接，以控 制該加熱電極組22提供實時和精確的溫度控制能力，進而活化反應、提 高靈敏度及去除濕氣。該加熱電才及組22優(yōu)選i殳計成S型回路，以增加加 熱面積的利用，進而均勻加熱該基玲反1 。
請再參照圖1所示，本發(fā)明優(yōu)選實施例所述的氣體感測層3至少由 氧化鎳(NiO )制成，且可選擇以濺鍍(Sputtering )或蒸鍍(Evaporation ) 的方式形成于該基板1設有該電極層2的一側(cè)。該氣體感測層3是用于 催化有機揮發(fā)氣體，由于該氣體感測層3選4奪以氧化鎳制成，因此該氣 體感測層3優(yōu)選用于感測甲醛氣體的濃度。當該氣體感測層3催化曱醛 氣體后，會改變該氣體感測層3本身的電導值，因此，我們可以從電性 方面的改變，求得曱醛氣體的濃度。本實施例是選擇檢測電阻值作為判 斷甲醛氣體濃度的標準。
另外，該氣體感測層3可另外包含一催化材料以加速該氣體感測層3 催化欲感測氣體的催化效率并降低最小檢測^l限。該催化材料可直接與 該氧化鎳共同形成該氣體感測層3，也可以選擇另外形成一催化層(未繪 示)，使該氧化鎳所形成的氧化鎳層位于該催化層及電極層之間。該催化 材料可選擇為氧化鋁(A1203 )、氧化鈦(Ti〇2)、氧化鋯(Zr02)或氧化 鎵(Ga203 )等化合物。本實施例的催化材料選擇為氧化鋁，且該氧化鋁 與該氧化鎳選擇以共濺鍍(co-sputtering)方式共同形成該氣體感測層3。
圖2A-2G是本發(fā)明優(yōu)選實施例公開的的曱醛氣體傳感器的制作過 程。請先參照圖2A所示，首先，該基板1的表面需經(jīng)過清洗，以避免各 種污染物附著于該基板1的表面，另外，清洗該基板1后，可選擇另外 以蒸氣附著的方式涂覆上一層六曱基乙硅氮(hexa-methyl-disilazane,
HMDS),并選擇靜置5分鐘后以110。C軟烤3分鐘，以提高后續(xù)光阻與 基板l之間的附著力；另外，請參照圖2B所示，接著于該基板l上涂布 一光阻ll,該光阻11可選4奪為一正光阻或一負光阻，且本實施例中選才奪 使用該正光阻涂布于該基板1的一側(cè)，并選4奪以100。C的溫度進行軟烤3 分鐘，以使該光阻11內(nèi)的溶劑揮發(fā)，進而增進該光阻11對該基板1的附 著力；接著，請參照圖2C所示，以一預制的光罩12對準放置于該基板1 上，接著以UV光進行曝光(Exposure),曝光的條件選擇以14mJ (毫焦 耳)的能量曝光20秒，以使該光阻11吸收適當能量后進行轉(zhuǎn)換；接著， 請參照圖2D所示，以一顯影液混合去離子水進行顯影一預定時間，再以 去離子水去除該顯影液，最后選擇于120。C的溫度下硬烤10分鐘，以增 加該光阻11的附著力及強度。如此，便可于該基^！ 1的一側(cè)形成一光阻 圖案13。
請參照圖2E所示，接著，本實施例優(yōu)選于該光阻圖案13形成后， 再于該基板1具有該光阻圖案13的一側(cè)形成一附著層(未繪示)，再于 該附著層上形成該電極層2，使得該附著層介于該基板1與該電極層2之 間，以增進該電極層2于該基板1上的附著力，于本實施例中，該附著 層優(yōu)選以鉻(Cr)制成，該附著層及電極層2都選擇以電子束蒸鍍法制 作，該附著層的厚度選擇為0.05|im,且該電才及層2的厚度選擇為0.2|im; 請參照圖2F所示，接著，通過一溶劑將該光阻圖案13剝離(lift-off)， 以同時形成該感測電4及組21及加熱電4及組22,且該溶劑選4奪為丙酮 (acetone),如此，便完成該電極層2的制作，且該電極層2是局部;￡蓋 于該基板1的表面。
請參照圖2G所示，該氣體感測層3是選I奪利用一射頻賊鍍系統(tǒng)(RF sputtering system)并以賊4度方式沉積形成于該電才及層2的一側(cè)，4吏得該 電極層2位于該基板1及氣體感測層3之間。該射頻賊鍍系統(tǒng)選擇以99.98%的氧化鎳(NiO)作為一靶材(未繪示)，該基板1與靶材的間距 選擇為11.4cm,工作壓力選擇為0.01陶爾(torr),射頻功率選擇為200 瓦(W),工作氣體選擇為氬氣(Ar)及氧氣，且工作氣體流量比選擇為 1:1。濺鍍前優(yōu)先選擇預濺鍍IO分鐘，以去除該靶材表面的氧化物及雜質(zhì)。 如此便可完成該氣體感測層3的制作。另外，還可通過前述的共濺鍍方 式使該氧化鎳及催化材料共同形成該氣體感測層3。該共濺鍍的操作條件 與該濺鍍的操作條件相同，差異在于濺鍍時僅設置一氧化鎳的靶材，而 于共濺鍍時，除該氧化鎳的靶材外，另外設置一由該催化材料制成的耙 材，如前述該催化材料選擇為氧化鋁。該電才及層2至少部分覆蓋該基板1 的一側(cè)表面，且該氣體感測層3對應完全^隻蓋該基板1具有該電極層2 的一側(cè)的表面。
為進一 步驗證本發(fā)明的曱醛氣體傳感器確實具有提高檢測靈敏度、 降低最小檢測極限及反應時間的效果，因此進行下列各項測試，其中， 該電阻的測量方式是先以一銅柱將該感測電招j且21及加熱電極組22粘 結(jié)，并與該電性測量系統(tǒng)電性連接，以通過該電性測量系統(tǒng)測得于一預 定有機氣體濃度下相對應的電阻值，于測量前，先以該加熱電極組22將 該曱醛氣體傳感器加熱至一預定的操作溫度，接著才進行電阻值的測量。 該操作溫度選擇介于100至300。C之間。
請參照圖3所示，其為本發(fā)明的曱醛氣體傳感器在不同操作溫度下 的甲醛氣體濃度(百萬分之一升，ppm)對電阻值(千奧姆，kQ)的變 化圖。其中，該曱醛氣體傳感器的操作溫度選擇為100、 200及300。C， 且于圖中分別以a ( 100°C )、 b (200°C )及c ( 300°C )三曲線表示結(jié)果。 由結(jié)果得知，分別于100、 200及30(TC的操作溫度下，該曱醛氣體傳感 器的靈敏度分別為0.028kQ/ppm、 0.1kQ/ppm及0.47kQ/ppm,因此可得知 該曱醛氣體傳感器的操作溫度優(yōu)先選擇為300°C，且同時該曱醛氣體傳感
器的靈敏度為最佳。由于操作溫度較高時，該氣體感測層3內(nèi)的粒子獲 得較大的能量，使該粒子有較大的動能可移動到能量較小的位置，有助
于改善該氣體感測層3的結(jié)晶性，而結(jié)晶性的提高可降低該氣體感測層3
的電阻率，進而提高該甲醛氣體傳感器的靈敏度。
請參照圖4所示，其為本發(fā)明的甲醛氣體傳感器在不同厚度的氣體 感測層3下的曱醛氣體濃度(ppm)對電阻值(kQ)的變化圖。該氣體 感測層3的厚度分別選擇為0.26、 0.34、 0.42及0.52|im，且于圖中分別 以d (0-26(im)、 e (0.34pm)、 f ( 0.42pm )及g ( 0.52^mi)四曲線表示結(jié) 果。由結(jié)果得知，當厚度為0.26pm時，由曲線d可看出沒有明顯的變化； 當厚度為0.34pm時，靈敏度為470n/ppm,最小檢測極限為800ppm;厚 度為0.42jim時，靈敏度為350Q/ppm,最小4企測極限為1400ppb (十億分 之一升)；當厚度為0.52|im時，靈敏度為320Q/ppm,最小檢測極限為 1800ppb。因此，可得知該氣體感側(cè)層3的厚度優(yōu)先選擇為0.34pm,以獲 得較高的靈敏度及較低的偵側(cè)極限。這是由于該氣體感測層較薄，該晶 粒的尺寸較小，因此載子濃度較多且電阻率較低，因而能提高該甲醛氣 體傳感器的靈敏度。進一步相比較于中國臺灣專利第1239400號「有機揮 發(fā)氣體之微型傳感器及其制造方法」發(fā)明專利的說明書第14頁第24行
至第15頁第l行所述，該現(xiàn)有曱醛氣體傳導器的靈敏度在最佳狀態(tài)下僅 達10.74Q/ppm,因此，可驗證本發(fā)明的厚度介于0.3至0.52pm間的氣體 感測層3確實具有提高靈敏度及降低最小檢測極限的效果。此外，通過 上述的測試結(jié)果，后續(xù)的測試中，該曱醛氣體傳感器的操作溫度都是選 擇為300°C，且該氣體感測層3的厚度都是選擇為0.34|im，以得到較好 的測試結(jié)果。
請參照圖所示，其為本發(fā)明的甲醛氣體傳感器在各種有機揮發(fā)氣 體下的氣體濃度(卯m)對電阻值(Q)的變化圖。該有機揮發(fā)氣體選擇
為曱醛、曱醇、乙醇及苯，且于圖中分別以h (曱醛)、i (曱醇)、j (乙
醇)及k (苯)四曲線表示結(jié)果。由結(jié)果可得知，曱醛曲線h的靈敏度為 470Q/ppm，最小檢測極限約為800卯b;曱醇曲線i的靈敏度為200Q/ppm, 最小檢測極限約為1300ppb;乙醇曲線j的靈敏度為150Q/ppm,最小檢 測極限約為1300ppb;苯曲線k的電阻值并無明顯的變化。因此，可得知 本發(fā)明相對曱醛具有較好的感測效果，同樣有較好的選擇性。
請參照圖6、 7所示，圖6為本發(fā)明的甲醛氣體傳感器于一預定曱醛 濃度下的時間(秒)對電阻值(Q)的的變化圖，且該氣體感測層3選擇 以氧化鎳通過賊鍍制成。圖7為本發(fā)明的曱醛氣體傳感器于一預定曱醛 濃度下的電阻值(Q)對時間(秒)的變化圖，且該氣體感測層3選擇以 氧化鎳及氧化鋁通過共濺鍍制成。結(jié)果顯示，圖6的曱醛氣體傳感器的 反應時間約為7秒；而圖7的曱醛氣體傳感器的反應時間約為6秒，因 此可得知于該氣體感測層3內(nèi)加入該氧化鋁的催化材料可有效降^氐反應 時間。這是由于氧化鋁具有氣孔形狀規(guī)則、孔徑適當及分布均勻等特性， 因此可改善該氣體感測層3的性質(zhì)，以得到較強的結(jié)構，進而降低該甲 酉妄氣體傳感器的反應時間。
請參照圖8所示，其為本發(fā)明的曱醛氣體傳感器的曱醛濃度(ppm) 對電阻值(Q)的變化圖，且該氣體感測層3選擇以氧化鎳及氧化鋁通過 共濺鍍制成。結(jié)果顯示其最小檢測極限系為40ppb，與僅由氧化鎳形成的 氣體感測層3的最小檢測極限相較(參照圖4的e曲線)，含有該氧化鋁 組成的氣體感測層3能明顯大幅降低該曱醛氣體傳感器的最小檢測極限， 也證實本發(fā)明確實具有降低最小檢測極限的效果。
綜上所述，相較于現(xiàn)有的曱醛氣體傳感器，由于該指叉電極組是設 置于該感測層的上表面，使得該指叉電極組降低了該氣體感測層與該有 機揮發(fā)氣體的接觸面積，進而造成其具有靈^:度較低及最小檢測極限較
高的缺點；另外，由于該感測層的反應時間較長，使得該現(xiàn)有氣體傳感
器的測量時間較長，進而造成其具有檢測效率低落的缺點。相反的，本
發(fā)明利用于該基板1的一側(cè)設置該電極層2,再于該電極層2的一側(cè)設置 一厚度介于0.3至0.52pm之間的氣體感測層3,該氣體感測層3至少由 氧化鎳制成，使得該電極層2位于該基板1及氣體感測層3之間，這樣， 本發(fā)明確實可有效提高檢測靈敏度、檢測效率、降低最小檢測極限及反 應時間。
權利要求
1、一種甲醛氣體傳感器，其特征在于，其包含一個基板，其由絕緣材料制成；一個電極層，其設置于該基板的一側(cè)；及一個氣體感測層，其至少由氧化鎳制成，該氣體感測層設置于該電極層的一側(cè)，使該電極層介于該基板及氣體感測層之間，該氣體感測層的厚度介于0.3至0.52μm之間。
2、 根據(jù)權利要求1所述的甲醛氣體傳感器，其特征在于，該氣體感 測層的厚度為0.34pm。
3、 根據(jù)權利要求1所述的曱醛氣體傳感器，其特征在于，該氣體感 測層還包含有一個催化材料，以加速該氣體感測層催化欲感測氣體的催 化效率。
4、 根據(jù)權利要求3所述的甲醛氣體傳感器，其特征在于，該催化材 料另外形成了 一個催化層，使得該催化層與由該氧化鎳所形成的氧化鎳 層共同構成該氣體感測層，且該氧化鎳層介于該電極層及催化層之間。
5、 根據(jù)權利要求1所述的曱醛氣體傳感器，其特征在于，該電極層 包含一個感測電極組及一個加熱電極組，以分別催化有機揮發(fā)氣體及加 熱該氣體感測層。
6、 根據(jù)權利要求5所述的曱醛氣體傳感器，其特征在于，該感測電 極組為一個指叉電極組或一個非指叉電極組。
7、 根據(jù)權利要求1所述的曱醛氣體傳感器，其特征在于，該甲醛氣 體傳感器的操作溫度介于100至30(TC之間。
8、 根據(jù)權利要求1所述的甲醛氣體傳感器，其特征在于，該曱醛氣 體傳感器的操作溫度為300°C。
9、 根據(jù)權利要求3所述的曱酪氣體傳感器，其特征在于，該催化材 料為氧化鋁、氧化鈦、氧化鋯或氧化鎵之一。
10、根據(jù)權利要求1所述的曱醛氣體傳感器，其特征在于，該電極 層至少部分覆蓋該基板的一側(cè)表面，且該氣體感測層對應完全覆蓋該基 板具有該電極層的 一側(cè)的表面。
全文摘要
一種甲醛氣體傳感器，其包含一基板、一電極層及一氣體感測層，該基板由絕緣材料制成，該電極層設置于該基板的一側(cè)，該氣體感測層至少由氧化鎳(NiO)制成，該氣體感測層設置于該電極層的一側(cè)，使該電極層介于該基板及氣體感測層之間，該氣體感測層的厚度介于0.3至0.52μm。這樣，可以有效提高檢測靈敏度、檢測效率、降低最小檢測極限及反應時間。
文檔編號G01N27/407GK101349669SQ20071013071
公開日2009年1月21日 申請日期2007年7月19日 優(yōu)先權日2007年7月19日
發(fā)明者傅龍銘, 周伯丞, 李佳言, 林哲信, 江哲銘, 王禹翔 申請人:張薰予;江哲銘;李佳言