半導體氣體傳感器及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明揭示了一種半導體氣體傳感器及其制備方法，其中該半導體氣體傳感器包括：基底，所述基底具有表面；設(shè)置在所述表面的加熱電極；位于所述加熱電極形成的熱場內(nèi)的信號感測電極，所述信號感測電極包括導電電極以及電性連接所述導電電極的氣敏材料；其中，所述加熱電極和所述信號感測電極之間設(shè)置有絕緣介質(zhì)層。本發(fā)明提供的半導體氣體傳感器通過采用噴墨印刷的方式制備絕緣介質(zhì)層，可以大大減少傳感器的生產(chǎn)成本，并且，噴墨印刷的分辨率高，可以精確定位印刷設(shè)計好的圖案，工藝流程簡單。
【專利說明】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、以及該半導體氣體傳感器的制備方法。
【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式、半導體式、熱傳導式和光學式等。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，借助于微電子工藝半導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。
[0004]目前，用微電子工藝制備的半導體氣體傳感器一般具有兩種結(jié)構(gòu)，第一種將加熱電極和信號感測電極設(shè)置于基底的兩側(cè)，加熱電極隔著基底為信號感測電極加熱，所需要的功耗較大；第二種將加熱電極和信號感測電極設(shè)置于基底的同側(cè)，此種結(jié)構(gòu)中，同側(cè)需要用一層絕緣介質(zhì)層將加熱 電極和信號感測電極隔開，這層絕緣介質(zhì)層采用物理氣相沉積的方式制備，需要昂貴的物理氣相沉積設(shè)備和掌握復雜的刻蝕工藝，提高了傳感器的生產(chǎn)成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的之一在于提供一種半導體氣體傳感器，其生產(chǎn)成本較低。
[0006]本發(fā)明的目的還在于提供提供一種半導體氣體傳感器的制備方法。
[0007]為實現(xiàn)上述發(fā)明目的之一，本發(fā)明提供一種半導體氣體傳感器，包括:
基底，所述基底具有表面；
設(shè)置在所述表面的加熱電極；
位于所述加熱電極形成的熱場內(nèi)的信號感測電極，所述信號感測電極包括導電電極以及電性連接所述導電電極的氣敏材料；其中，
所述加熱電極和所述信號感測電極之間設(shè)置有絕緣介質(zhì)層。
[0008]作為本發(fā)明的進一步改進，所述絕緣介質(zhì)層的材質(zhì)選自氧化鋁、二氧化硅、二氧化鉿中的一種或幾種。[0009]作為本發(fā)明的進一步改進，所述基底、加熱電極、以及信號感測電極之間分別設(shè)置
有粘結(jié)層。
[0010]作為本發(fā)明的進一步改進，所述粘結(jié)層為Ti金屬薄膜、或Cr金屬薄膜、或Ti/Cr合金薄膜。
[0011]作為本發(fā)明的進一步改進，所述基底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，所述基底的厚度為lOOunTlOOOum。
[0012]作為本發(fā)明的進一步改進，所述加熱電極的材質(zhì)選自金、銀、鉬、銅、鎢、鉬金合金、銀鈀合金、鎳鉻合金、鑰錳合金、氮化鈦、氧化釕中的一種，所述導電電極的材質(zhì)選自金、銀、鉬、銅、鎢中的一種。
[0013]作為本發(fā)明的進一步改進，所述加熱電極呈方波、或鋸齒波、或三角波、或正弦波、或蛇形。
[0014]作為本發(fā)明的進一步改進，所述絕緣介質(zhì)層通過噴墨印刷的方式制得。
[0015]為實現(xiàn)上述另一發(fā)明目的，本發(fā)明提供一種半導體氣體傳感器的制備方法，該方法包括以下步驟:
51、在基底上制作加熱電極；
52、在基底上噴墨印刷一層絕緣介質(zhì)層的如驅(qū)體墨水；
53、將經(jīng)過步驟S2處理的基底進行退火，得到形成在基底上的絕緣介質(zhì)層；
54、在所述絕緣介質(zhì)層上制作導電電極，并在所述導電電極上沉積氣敏材料，得到半導體氣體傳感器。
[0016]作為本發(fā)明的進一步改進，步驟S3中的退火溫度為500°C?1000°C，退火處理的時間為IOmin?24h。
[0017]作為本發(fā)明的進一步改進，步驟S3中形成的絕緣介質(zhì)層的厚度為200nnT2um。
[0018]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的半導體氣體傳感器通過采用噴墨印刷的方式制備絕緣介質(zhì)層，可以大大減少傳感器的生產(chǎn)成本，并且，噴墨印刷的分辨率高，可以精確定位印刷設(shè)計好的圖案，工藝流程簡單。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1是本發(fā)明半導體氣體傳感器一實施方式的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2圖1所示的半導體氣體傳感器未制作信號感測電極時的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3是圖1所示的半導體氣體傳感器中，基底上制作有加熱電極的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖4是本發(fā)明半導體氣體傳感器又一實施方式的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖5是本發(fā)明半導體氣體傳感器又一實施方式的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖6是本發(fā)明半導體氣體傳感器又一實施方式的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖7是本發(fā)明半導體氣體傳感器又一實施方式的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖8是鋸齒波狀加熱電極的形狀示意圖；
圖9是二角波狀加熱電極的形狀不意圖；
圖10和圖11是正弦波狀加熱電極的形狀示意圖；
圖12是本發(fā)明半導體氣體傳感器的制備方式的流程圖?！揪唧w實施方式】
[0020]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)。
[0021]參圖1至圖3，介紹本發(fā)明半導體氣體傳感器的【具體實施方式】，該半導體氣體傳感器100包括基底10、信號感測電極30、加熱電極20、以及絕緣介質(zhì)層40。
[0022]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，加熱電極20被制作于該表面11上，信號感測電極30位于加熱電極20形成的熱場中，絕緣介質(zhì)層40設(shè)置于加熱電極20和信號感測電極30之間以將加熱電極20和信號感測電極30彼此絕緣。
[0023]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。
[0024]信號感測電極30包括兩個導電電極31、以及電性連接兩個導電電極的氣敏材料(圖未示)。導電電極31可以采用金屬，例如Pt、Au、Ag、Cu、Al、N1、W中的一種制得，一個半導體氣體傳感器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)置有更多個的信號感測電極。
[0025]氣敏材料為半導體氣體傳感器一關(guān)鍵構(gòu)成部分，以提供一半導體氣體傳感器為例，其中選用的氣敏材料為納米金屬氧化物功能化碳納米管材料，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: f 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。
[0026]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，使得傳感器的檢測效果更佳。
[0027]絕緣介質(zhì)層的材料選自氧化鋁、二氧化硅、二氧化鉿中的一種或幾種。絕緣介質(zhì)層的厚度相對于基底的厚度較薄，不會對加熱電極的加熱效率提出過高的需求，且絕緣效果較好。該絕緣介質(zhì)層通過噴墨印刷的方式制得，噴墨印刷分辨率高，能精確到幾微米，可以精確定位印刷設(shè)計好的圖案，且工藝流程簡單，操作方便，成本較低。
[0028]為了提高基底10、加熱電極20、信號感測電極30之間的結(jié)合強度，在三者之間設(shè)置有粘結(jié)層(圖未示)。粘結(jié)層可以為Ti金屬薄膜、或Cr金屬薄膜、或Ti/Cr合金薄膜。
[0029]加熱電極20環(huán)繞信號感測電極30設(shè)置，以提供均勻的熱場。這里所說的“環(huán)繞”可以是封閉或者非封閉式的，環(huán)繞設(shè)置的加熱電極20可以提供均勻的熱場，以對信號感測電極產(chǎn)生更好的加熱效果。并且，由于絕緣介質(zhì)層40的存在，加熱20和信號感測電極30彼此可以存在交錯的部分。
[0030]參圖4，示出半導體氣體傳感器100的一實施方式中，需要說明的是，這里為了清楚地示出一優(yōu)選的實施方式，圖中將加熱電極20和信號感測電極30之間的絕緣介質(zhì)層40省去。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。并且，雖然圖中所示的信號感測電極30是位于第一主加熱段211和第二主加熱段212之間，但由于絕緣介質(zhì)層的存在，實質(zhì)上信號感測電極30和加熱電極間可以有交錯。
[0031]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，以保證半導體氣體傳感器對目標氣體檢測的靈敏可靠。當然，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。
[0032]第一主加熱段211與其相鄰的導電電極31之間的距離等于第二主加熱段212與其相鄰的導電電極31之間的距離以保證導電電極的受熱均勻，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。
[0033]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。
[0034]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，同樣的，這些實施例中的絕緣介質(zhì)層也被省去，并且，由于設(shè)置了絕緣介質(zhì)層40，這些實施例中的加熱電極和信號感測電極也可以存在彼此交錯的部分，而并非限制性地如圖中所示。
[0035]參圖4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。
[0036]參圖5的實施例，與圖4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。
[0037]參圖6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。
[0038]參圖7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。
[0039]加熱電極還可以呈如圖8所示的鋸齒波形，圖9所示的三角波形，圖10、圖11所示的正弦波形。
[0040]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。[0041]參圖12，以下提供本發(fā)明半導體氣體傳感器的制備方法的一【具體實施方式】。在本實施方式中，該方法包括以下步驟:
S1、在基底上制作加熱電極。
[0042]加熱電極可以采用物理氣相沉積或者印刷的方法制備，加熱電極的形狀優(yōu)選地可以采用方片狀或蛇形。
[0043]S2、在基底上噴墨印刷一層絕緣介質(zhì)層的前驅(qū)體墨水。
[0044]前驅(qū)體墨水為氧化鋁墨水、二氧化硅墨水、二氧化鉿墨水中的一種或幾種的組合。
[0045]S3、將經(jīng)過步驟S2處理的基底進行退火，得到形成在基底上的絕緣介質(zhì)層。
[0046]退火溫度為500°C?1000°C，退火時間為10mirT24h，最終形成的絕緣介質(zhì)層控制在 200nm?2um。
[0047]S4、在所述絕緣介質(zhì)層上制作導電電極，并在所述導電電極上沉積氣敏材料，得到半導體氣體傳感器。
[0048]以下介紹一些制作本發(fā)明半導體氣體傳感器的具體實施例。
[0049]實施例1
在鈉鈣玻璃基底上旋涂一層光刻膠，經(jīng)曝光和顯影后將蛇形加熱電極圖案轉(zhuǎn)移到玻璃上，并用磁控濺射方法濺射一層500nm厚的鎳鉻合金形成加熱電極，用噴墨打印機在濺射形成有加熱電極的鈉鈣玻璃基底上打印一層200nm厚氧化鋁絕緣介質(zhì)層，并在500°C下退火10h，最后在絕緣介質(zhì)層上以磁控濺射方法濺射一層金作為導電電極，在導電電極上沉積氣敏材料得到半導體氣體傳感器芯片。
[0050]實施例2
在氧化鋁陶瓷基底上旋涂一層光刻膠，經(jīng)曝光和顯影后將蛇形加熱電極圖案轉(zhuǎn)移到玻璃上，并用磁控濺射方法濺射一層SOOnm厚的銀鈀合金形成加熱電極，用噴墨打印機在濺射形成有加熱電極的氧化鋁陶瓷基底上打印一層800nm厚氧化硅絕緣介質(zhì)層，并在1000°C下退火lOmin，最后在絕緣介質(zhì)層上以磁控濺射方法濺射一層金作為導電電極，在導電電極上沉積氣敏材料得到半導體氣體傳感器芯片。
[0051]實施例3
在氧化鋁陶瓷基底上用絲網(wǎng)印刷方法印刷一層5um厚的銀鈀合金蛇形加熱電極，用噴墨打印機在形成有加熱電極的基底上打印一層Ium厚的氧化鋁絕緣介質(zhì)層，并在1000°C下退火5h，最后在絕緣介質(zhì)層上以磁控濺射方法濺射一層鉬作為導電電極，在導電電極上沉積氣敏材料得到半導體氣體傳感器芯片。
[0052]實施例4
在石英玻璃基底上用絲網(wǎng)印刷方法印刷一層2um厚的二氧化釕方塊形加熱電極，用噴墨打印機在形成有加熱電極的基底上打印一層2um厚的氧化鉿絕緣介質(zhì)層，并在700°C下退火10h，最后在絕緣介質(zhì)層上以磁控濺射方法濺射一層銀為導電電極，在導電電極上沉積氣敏材料得到半導體氣體傳感器芯片。
[0053]實施例5
在氮化鋁陶瓷基底上用絲網(wǎng)印刷方法印刷一層IOum厚的銀鈀方塊形加熱電極，用噴墨打印機在形成有加熱電極的基底上打印一層800nm厚的氧化鋁絕緣介質(zhì)層，并在700°C下退火24h，最后在絕緣介質(zhì)層上用絲網(wǎng)印刷方法印刷一層銀作為導電電極電極，在導電電極上沉積氣敏材料得到半導體氣體傳感器芯片。
[0054]實施例6
在氧化鉿陶瓷基底上旋涂一層光刻膠，經(jīng)曝光和顯影后將蛇形加熱電極圖案轉(zhuǎn)移到氧化鉿陶瓷基底上，用磁控濺射方法濺射一層SOOnm厚的金作為加熱電極，用噴墨打印機在濺射形成有加熱電極的基底上打印一層500nm厚的氧化鉿絕緣介質(zhì)層，并在800°C下退火lh，最后用絲網(wǎng)印刷方法印刷一層金作為導電電極，在導電電極上沉積氣敏材料得到半導體氣體傳感器芯片。
[0055]本發(fā)明通過上述實施方式，具有以下有益效果:本發(fā)明提供的半導體氣體傳感器通過采用噴墨印刷的方式制備絕緣介質(zhì)層，可以大大減少傳感器的生產(chǎn)成本，并且，噴墨印刷的分辨率高，可以精確定位印刷設(shè)計好的圖案，工藝流程簡單。
[0056]應(yīng)當理解，雖然本說明書按照實施方式加以描述，但并非每個實施方式僅包含一個獨立的技術(shù)方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當將說明書作為一個整體，各實施方式中的技術(shù)方案也可以經(jīng)適當組合，形成本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的其他實施方式。
[0057]上文所列出的一系列的詳細說明僅僅是針對本發(fā)明的可行性實施方式的具體說明，它們并非用以限制本發(fā)明的保護范圍，凡未脫離本發(fā)明技藝精神所作的等效實施方式或變更均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種半導體氣體傳感器，其特征在于，包括: 基底，所述基底具有表面； 設(shè)置在所述表面的加熱電極； 位于所述加熱電極形成的熱場內(nèi)的信號感測電極，所述信號感測電極包括導電電極以及電性連接所述導電電極的氣敏材料；其中， 所述加熱電極和所述信號感測電極之間設(shè)置有絕緣介質(zhì)層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導體氣體傳感器，其特征在于，所述絕緣介質(zhì)層的材質(zhì)選自氧化鋁、二氧化硅、二氧化鉿中的一種或幾種。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導體氣體傳感器，其特征在于，所述基底、加熱電極、以及信號感測電極之間分別設(shè)置有粘結(jié)層。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導體氣體傳感器，其特征在于，所述粘結(jié)層為Ti金屬薄膜、或Cr金屬薄膜、或Ti/Cr合金薄膜。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導體氣體傳感器，其特征在于，所述基底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，所述基底的厚度為lOOunTlOOOum。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導體氣體傳感器，其特征在于，所述加熱電極的材質(zhì)選自金、銀、鉬、銅、鎢、鉬金合金、銀鈀合金、鎳鉻合金、鑰錳合金、氮化鈦、氧化釕中的一種，所述導電電極的材質(zhì)選自金、銀、鉬、銅、鶴中的一種。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述`的半導體氣體傳感器，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。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導體氣體傳感器，其特征在于，所述絕緣介質(zhì)層通過噴墨印刷的方式制得。
9.一種半導體氣體傳感器的制備方法，其特征在于，該方法包括以下步驟: 51、在基底上制作加熱電極； 52、在基底上噴墨印刷一層絕緣介質(zhì)層的如驅(qū)體墨水； 53、將經(jīng)過步驟S2處理的基底進行退火，得到形成在基底上的絕緣介質(zhì)層； 54、在所述絕緣介質(zhì)層上制作導電電極，并在所述導電電極上沉積氣敏材料，得到半導體氣體傳感器。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，步驟S3中的退火溫度為500°C^lOOO0C,退火處理的時間為IOmin~24h,形成的絕緣介質(zhì)層的厚度為200nnT2um。
【文檔編號】G01N27/00GK103675028SQ201310677638
【公開日】2014年3月26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