气体感测器的制作方法

1.本发明有关于一种气体感测器，且特别有关于一种具有多个感测单元的气体感测器。


背景技术：

2.现今，日益严重的空气污染已对人类的日常生活与健康造成影响。在空气污染逐渐增加的情况下，需要通过气体感测器来随时检测空气是否异常。气体感测器可用于检测特定气体存在，例如检测一氧化碳、二氧化硫及乙醇等气体。举例而言，在日常生活中常有一氧化碳产生，例如车辆或工厂所排放的废气等。一氧化碳为无色、无味且无刺激性的气体，无法观察而知。因此，需用使用气体感测器来进行检测。此外，气体感测器也可用于检测环境湿度。使用者可藉由使用气体感测器来检测环境湿度，以便能控制周边环境在适宜的湿度下。
3.因此，需要提升气体感测器的线性度与灵敏度，并增加精确度。


技术实现要素：

4.本发明提供一种气体感测器。上述气体感测器包括一半导体基底、一第一指状电极、一第二指状电极、一第三指状电极、一第一半导体层与一第二半导体层。上述第一指状电极形成在上述半导体基底上，并具有一第一主体部分以及多个第一延伸部分。上述第二指状电极形成在上述半导体基底上，并具有一第二主体部分以及多个第二延伸部分。上述第三指状电极形成在上述半导体基底上，且设置在上述第一指状电极以及上述第二指状电极之间，并具有一第三主体部分以及多个第三延伸部分以及多个第四延伸部分。上述第一半导体层形成在上述第一指状电极的上述第一延伸部分以及上述第三指状电极的上述第三延伸部分之间，且接触上述第一延伸部分以及上述第三延伸部分。上述第二半导体层形成在上述第二指状电极的上述第二延伸部分以及上述第三指状电极的上述第四延伸部分之间，且接触上述第二延伸部分以及上述第四延伸部分。上述第一半导体层与上述第二半导体层是由不同材料所形成。
5.再者，本发明提供一种气体感测器。上述气体感测器包括一半导体基底、一第一指状电极、一第二指状电极、一第一半导体层与一第二半导体层。上述第一指状电极形成在上述半导体基底上，并具有一第一主体部分、多个第一延伸部分以及多个第二延伸部分。上述第二指状电极形成在上述半导体基底上，并具有一第二主体部分以及多个第三延伸部分以及多个第四延伸部分。上述第一半导体层形成在上述第一指状电极的上述第一延伸部分以及上述第二指状电极的上述第三延伸部分之间，且接触上述第一延伸部分以及上述第三延伸部分。上述第二半导体层形成在上述第一指状电极的上述第二延伸部分以及上述第二指状电极的上述第四延伸部分之间，且接触上述第二延伸部分以及上述第四延伸部分。上述第一半导体层与上述第二半导体层是由不同材料所形成，以及上述第一半导体层是分离于上述第二半导体层。
6.再者，本发明提供一种气体感测器。上述气体感测器包括一n型气体感测元件、一p型气体感测元件、一开关以及一读取电路。上述n型气体感测元件耦接于一第一节点以及一接地端之间。上述p型气体感测元件耦接于上述第一节点以及上述接地端之间。上述开关耦接于上述第一节点以及上述n型气体感测元件之间。上述读取电路耦接于上述第一节点，并根据上述第一节点的电压或电流来控制上述开关是否导通。
附图说明
7.图1显示根据本发明一些实施例所述的整合式气体感测器的示意图。
8.图2a显示根据本发明一些实施例所述的图1中气体感测单元的结构。
9.图2b显示根据本发明一些实施例所述的图2a中气体感测单元的等效电路。
10.图3显示根据本发明一些实施例所述的气体感测单元的输出与相对湿度的关系。
11.图4显示根据本发明一些实施例所述的气体感测单元。
12.图5a显示根据本发明一些实施例所述的图4中气体感测单元的结构。
13.图5b显示根据本发明一些实施例所述的图5a中气体感测单元的等效电路。
14.图6a显示根据本发明一些实施例所述的气体感测器的示意图。
15.图6b显示根据本发明一些实施例所述的气体感测器的示意图。
16.图7显示根据本发明一些实施例所述的气体感测单元。
17.图8a显示根据本发明一些实施例所述的图7中气体感测单元的结构。
18.图8b显示根据本发明一些实施例所述的图8a中气体感测单元的等效电路图。
19.图9显示根据本发明一些实施例所述的气体感测单元的输出与挥发性有机化合物(voc)浓度的关系。
20.图10显示根据本发明一些实施例所述的气体感测单元。
21.图11a显示根据本发明一些实施例所述的图10中气体感测单元的结构。
22.图11b显示根据本发明一些实施例所述的图11a中气体感测单元的等效电路图。
23.附图标记：
24.10，20，30，40，50，50a，60，60a：感测元件
25.100，300a，300b：气体感测器
26.105，205，406，505：半导体基底
27.110，210，310，410，510：气体感测单元
28.115，315：读取电路
29.122，124，126，222，224，422，424，522，524，526：指状电极
30.122a，124a，126a，222a，224a，422a，424a，522a，524a，526a：主体部分
31.122b，124b，124c，126b，222b，222c，224b，224c，422b，422c，424b，424c，522b，524b，526b，526c：延伸部分
32.131，133，231，233，431，433：半导体材料层
33.318：电流源
34.319：电压源
35.c1，c2：电容
36.ctrl：控制信号
ag nanoparticles)或氧化物/石墨烯复合材料(oxide/graphene hybrid nanocomposite)所形成。在一些实施例中，半导体材料层131是由对应于第一湿度范围的湿敏材料所形成，而半导体材料层133是由对应于第二湿度范围的湿敏材料所形成。在一些实施例中，第一湿度范围是部分地重叠于第二湿度范围。
51.在图2a中，半导体材料层131与133的厚度是大于指状电极122、124与126。值得注意的是，图2a的半导体材料层131与133的厚度与指状电极122、124与126的厚度仅是个例子。在一些实施例中，半导体材料层131与133以及指状电极122、124与126具有相同的厚度。在一些实施例中，半导体材料层131与133的厚度是小于指状电极122、124与126。具体而言，半导体材料层131与133的厚度以及指状电极122、124与126的厚度可根据不同工艺而决定。
52.图2b显示根据本发明一些实施例所述的图2a中气体感测单元110的等效电路。电容c1是表示感测元件10的等效电容，而电容c2是表示感测元件20的等效电容。因此，藉由串联电容c1与c2，可得到气体感测单元110的等效电容cs，如下列算式所显示：
[0053][0054]
假设气体感测单元110的感测元件10在低湿气环境下反应较弱(例如较不灵敏)，而气体感测单元110的感测元件20在任何环境下反应极强(例如较灵敏)。在一些实施例中，当气体感测单元110处在低湿气环境下时，感测元件10的反应较弱，则可视为常数c。因此，根据下列算式可知，气体感测单元110的等效电容cs会由感测元件20的等效电容c2所决定：
[0055][0056]
在一些实施例中，当气体感测单元110处在高湿气环境下时，感测元件20的等效电容c2会远大于感测元件10的等效电容c1。因此，根据下列算式可知，等效电容cs会由感测元件10的等效电容c1所决定：
[0057][0058]
图3显示根据本发明一些实施例所述的气体感测单元的输出与相对湿度的关系。在图3中，标号150是表示仅包括感测元件10的传统气体感测单元的感测输出、标号160是表示仅包括感测元件20的传统气体感测单元的感测输出以及标号170是表示图1的气体感测单元110(即包括串联的感测元件10与20)的感测输出。
[0059]
在低相对湿度时(如箭头180所显示)，感测元件10的感测输出(如标号150所显示)并没有明显的差异，因此在低湿度的环境下，不易分辨，且容易受杂讯影响。相似地，在高相对湿度时(如箭头185所显示)，感测元件20的感测输出(如标号160所显示)并没有明显的差异，因此在高湿度的环境下，不易分辨，且容易受杂讯影响。相较于单独使用感测元件10或20，在高湿度或是低湿度的环境下，具有串联的感测元件10和20的气体感测单元110是呈线性改变，因此可提高分辨率并降低杂讯影响。
[0060]
图4显示根据本发明一些实施例所述的气体感测单元210。气体感测单元210包括感测元件30与40。感测元件30是耦接于节点n4与n5之间，而感测元件40是并联于感测元件30。根据不同的应用，读取电路(例如图1的读取电路115)可经由节点n4或n5而得到气体感测单元210的输出。感测元件30与感测元件40是由不同的湿敏材料所形成。因此，相应于空
气中的相同湿度，感测元件30的电阻值是不同于感测元件40。
[0061]
在一些实施例中，节点n4是耦接于供应电压vdd(未显示)而节点n5是经由电阻(未显示)而耦接于接地端gnd(未显示)。读取电路可经由节点n5耦接于气体感测单元210，以便得到气体感测单元210的输出。
[0062]
在一些实施例中，节点n4是经由电阻(未显示)而耦接于供应电压vdd(未显示)而节点n5是耦接于接地端gnd(未显示)。读取电路可经由节点n4耦接于气体感测单元210，以便得到气体感测单元210的输出。
[0063]
图5a显示根据本发明一些实施例所述的图4中气体感测单元210的结构。气体感测单元210包括感测元件30与感测元件40。感测元件30包括电极222与224以及半导体材料层231，而感测元件40包括电极222与224以及半导体材料层233。电极222与224是指状电极并形成在半导体基底205上。指状电极222包括主体部分222a与多个延伸部分222b和222c。指状电极224包括主体部分224a与多个延伸部分224b与224c。
[0064]
指状电极222与224的主体部分222a与224a是沿着第一方向d1而延伸。指状电极222的延伸部分222b与222c是沿着第二方向d2而延伸，而第二方向d2是垂直于第一方向d1。此外，指状电极224的延伸部分224b与224c是沿着第三方向d3而延伸，而第三方向d3是相反于第二方向d2。
[0065]
半导体材料层231设置在指状电极222的延伸部分222b与指状电极224的延伸部分224b之间，且接触指状电极222的延伸部分222b以及指状电极224的延伸部分224b。此外，半导体材料层233设置在指状电极222的延伸部分222c与指状电极224的延伸部分224c之间，且接触指状电极222的延伸部分222c以及指状电极224的延伸部分224c。在一些实施例中，半导体材料层231是由三氧化钼(moo3)、氧化铝(al2o3)、聚酰亚胺(polyimide)或石墨烯(graphene)所形成，而半导体材料层233是由氧化石墨烯(graphene oxide combined with ag nanoparticles)或氧化物/石墨烯复合材料(oxide/graphene hybrid nanocomposite)所形成。在一些实施例中，半导体材料层231是由对应于第一湿度范围的湿敏材料所形成，而半导体材料层233是由对应于第二湿度范围的湿敏材料所形成。在一些实施例中，第一湿度范围是部分地重叠于第二湿度范围。如先前所描述，半导体材料层231与233的厚度以及指状电极222与224的厚度可根据不同工艺而决定。
[0066]
图5b显示根据本发明一些实施例所述的图5a中气体感测单元210的等效电路。电阻r1是表示感测元件30的等效电阻，而电阻r2是表示感测元件40的等效电阻。因此，藉由并联电阻r1与r2，可得到气体感测单元210的等效电阻rp，如下列算式所显示：
[0067][0068]
假设气体感测单元210的感测元件30在低湿气环境下反应较弱(例如较不灵敏)，而气体感测单元210的感测元件40在任何环境下反应极强(例如较灵敏)。在一些实施例中，当气体感测单元210处在低湿气环境下时，感测元件30的反应较弱，则可视为常数r。因此，根据下列算式可知，等效电阻rp会由感测元件40的等效电阻r2所决定：
[0069]
[0070]
此外，当气体感测单元210处在高湿气环境下时，感测元件40的等效电阻r2会远大于感测元件30的等效电阻r1。因此，根据下列算式可知，等效电阻rp会由感测元件30的等效电阻r1所决定：
[0071][0072]
在高湿度或是低湿度的环境下，相较于单独使用感测元件30或40，包括并联的感测元件30和40的气体感测单元210具有线性度，可提高分辨率并降低杂讯影响。
[0073]
图6a显示根据本发明一些实施例所述的气体感测器300a的示意图。气体感测器300a包括气体感测单元310、读取电路315与电流源318。电流源318用以提供固定电流至气体感测单元310。气体感测单元310耦接于电流源318以及接地端gnd之间。气体感测单元310是用以检测有机气体，而气体感测单元310的等效阻抗会随着有机气体的浓度而变化。在一些实施例中，读取电路315为电压感测器。于是，读取电路315可根据所量测到的电压而得到有机气体的浓度。在电流源318提供固定电流的情况下，气体感测单元310的输出电压会限定在一特定范围内，因此可提升检测有机气体的能力。
[0074]
图6b显示根据本发明一些实施例所述的气体感测器300b的示意图。气体感测器300b包括气体感测单元310、读取电路315以及电压源319。电压源319是经由读取电路315而提供固定电压至气体感测单元310。气体感测单元310耦接于读取电路315以及接地端gnd之间。气体感测单元310是用以检测有机气体，而气体感测单元310的等效阻抗会随着有机气体的浓度而变化。在一些实施例中，读取电路315为电流感测器(例如安培计)。于是，读取电路315可根据所量测到的电流而得到有机气体的浓度。在电压源319提供固定电压的情况下，假如气体感测单元310的等效阻抗下降，则可避免瞬间的大电流会流经气体感测单元310的情况。于是，可避免气体感测单元310的损坏。
[0075]
在一些实施例中，气体感测器300b更包括一电阻(未显示)，以及该电阻是耦接于气体感测单元310以及接地端gnd之间。藉由将电阻与气体感测单元310串接在一起，可降低流经气体感测单元310的电流。
[0076]
图7显示根据本发明一些实施例所述的气体感测单元410。气体感测单元410包括感测元件50与60。感测元件50是耦接于节点n6与n7之间，而感测元件60是并联于感测元件50。根据不同的应用，读取电路(例如图6a与图6b的读取电路315)可经由节点n6而得到气体感测单元410的输出。感测元件50为n型气体感测元件，而感测元件60为p型气体感测元件。感测元件50与60是分别由n型与p型材料所形成。因此，相应于空气中的相同有机气体，感测元件50的阻抗是不同于感测元件60。
[0077]
在一些实施例中，气体感测单元410可检测的气体例如是包括一氧化氮(no)、二氧化氮(no2)、氨(nh3)、氢(h2)、水(h2o)、二氧化硫(so2)、硫化氢(h2s)、氧(o2)、臭氧(o3)、一氧化碳(co)、甲烷(ch4)、乙烯(c2h4)、乙炔(c2h2)、氯(cl2)、挥发性有机化合物(volatile organic compounds，voc)常见如醇类中的甲醇(ch3oh)、乙醇(c2h5oh)、酮类中的丙酮(c2h6o)、醛类中的甲醛、苯类中的苯、甲苯、二甲苯、乙苯、苯乙烯或其组合。
[0078]
图8a显示根据本发明一些实施例所述的图7中气体感测单元410的结构。气体感测单元410包括感测元件50与感测元件60。感测元件50包括电极422与424以及半导体材料层431，而感测元件60包括电极422与424以及半导体材料层433。电极422与424是指状电极并形成在半导体基底405上。指状电极422包括主体部分422a与多个延伸部分422b和422c。指
状电极424包括主体部分424a与多个延伸部分424b与424c。
[0079]
指状电极422与424的主体部分422a与424a是沿着第一方向d1而延伸。指状电极422的延伸部分422b与422c是沿着第二方向d2而延伸，而第二方向d2是垂直于第一方向d1。此外，指状电极424的延伸部分424b与424c是沿着第三方向d3而延伸，而第三方向d3是相反于第二方向d2。
[0080]
半导体材料层431设置在指状电极422的延伸部分422b与指状电极424的延伸部分424b之间，且接触指状电极422的延伸部分422b以及指状电极424的延伸部分424b。此外，半导体材料层433设置在指状电极422的延伸部分422c与指状电极424的延伸部分424c之间，且接触指状电极422的延伸部分422c以及指状电极424的延伸部分424c。半导体材料层431包括n型半导体材料，而半导体材料层433包括p型半导体材料。如先前所描述，半导体材料层431与433的厚度以及指状电极422与424的厚度可根据不同工艺而决定。
[0081]
在一些实施例中，n型半导体材料可例如是氧化锌(zno)、二氧化钛(tio2)、二氧化锆(zro2)、二氧化铪(hfo2)、二氧化锡(sno2)、氧化铁(fe2o3)、三氧化钨(wo3)、三氧化钼(moo3)、五氧化二钒(v2o5)或其组合。p型半导体材料可例如是氧化镍(nio)、氧化铜(cuo)、氧化钴(coo)或其组合。
[0082]
图8b显示根据本发明一些实施例所述的图8a中气体感测单元410的等效电路图。电阻rn是表示感测元件50的等效电阻，而电阻rp是表示感测元件60的等效电阻。因此，藉由并联电阻rn与rp，可得到气体感测单元410的等效电阻rs。对具有n型半导体材料的感测元件50而言，当挥发性有机化合物(volatile organic compound，voc)的浓度增加时，电阻rn的阻抗会减少。此外，对具有p型半导体材料的感测元件60而言，当挥发性有机化合物的浓度增加时，电阻rp的阻抗会增加。
[0083]
图9显示根据本发明一些实施例所述的气体感测单元410的输出与挥发性有机化合物(voc)浓度的关系。在图9中，标号450是表示仅包括感测元件50的传统气体感测单元的等效阻抗、标号460是表示仅包括感测元件60的传统气体感测单元的等效阻抗以及标号470是表示图7的气体感测单元410(即包括感测元件50与60)的等效阻抗。
[0084]
在低voc气体浓度时，传统气体感测单元450具有较高的阻抗。在高voc气体浓度时，传统气体感测单元460具有较高的阻抗。当读取电路(例如图6a与图6b的读取电路315)将来自气体感测单元的电压进行放大时，放大电路的增益会限制气体感测单元的检测能力。例如，当在低浓度时，传统气体感测单元450的高阻抗值会超过放大电路所能进行放大的增益范围av。此外，当在高浓度时，传统气体感测单元460的高阻抗值会超过放大电路所能进行放大的增益范围av。因此，放大后的信号将会失真。
[0085]
在低voc气体浓度时，具有并联的感测元件50与60的气体感测单元410(如标号470所显示)的等效阻抗是由感测元件60所决定。此外，在高voc气体浓度时，具有并联的感测元件50与60的气体感测单元410(如标号470所显示)的等效阻抗是由感测元件50所决定。因此，相较于传统气体感测单元450与460，经由放大电路所放大的气体感测单元410的信号不会失真。此外，在放大电路为相同放大增益的情况下，气体感测单元410可以检测出更高浓度的气体。此外，当读取电路315是通过电流源提供电流至气体感测单元410来量测气体感测单元410的电压时，在相同的电流下，读取电路315可检测更高浓度的气体。因此，当使用具有并联的感测元件50和60的气体感测单元410来进行感测，可提高分辨率，并降低杂讯影
响。此外，藉由检测气体感测单元410的阻抗的变化，读取电路315可判断出voc气体浓度的变化。
[0086]
图10显示根据本发明一些实施例所述的气体感测单元510。气体感测单元510包括感测元件50a与60a以及开关sw。感测元件50a是耦接于节点n9以及开关sw之间。感测元件60a是耦接于节点n8和n9之间。开关sw是耦接于节点n8和感测元件50a之间。根据不同的应用，读取电路(例如图6a与图6b的读取电路315)可经由节点n8而得到气体感测单元510的输出。感测元件50a为n型气体感测元件，而感测元件60a为p型气体感测元件。感测元件50a与60a是分别由n型与p型材料所形成。因此，相应于空气中的相同有机气体，感测元件50a的阻抗是不同于感测元件60a。在一些实施例中，气体感测单元510可检测的气体是相同于图7的气体感测单元410。此外，感测元件50a的材料是相同于图7的感测元件50，以及感测元件60a的材料是相同于图7的感测元件60。
[0087]
在气体感测单元510中，开关sw是由控制信号ctrl所控制。在一些实施例中，开关sw在初始状态为不导通。因此，气体感测单元510的输出是由感测元件60a所决定。如先前所描述，对具有p型半导体材料的感测元件60a而言，当挥发性有机化合物的浓度增加时，电阻rp的阻抗会增加，如图9所显示。当电阻rp的阻抗超过或等于一特定电阻值时，控制器(未显示)或读取电路(例如图6a与图6b的读取电路315)会提供控制信号ctrl至开关sw，以便导通开关sw。因此，当挥发性有机化合物的浓度继续增加时，并联电阻rp与电阻rn的等效阻抗会减少，如图9所显示。此外，当挥发性有机化合物的浓度下降时，电阻rp并联电阻rn的等效阻抗会增加。当电阻rp并联电阻rn的等效阻抗超过或等于该特定电阻值时，控制器(未显示)或读取电路(例如图6a与图6b的读取电路315)会提供控制信号ctrl至开关sw，以使开关sw为不导通。因此，相较于图7的气体感测单元410，气体感测单元510可避免不容易辨别出单一阻抗值对应于低或高气体浓度的状况。根据阻抗的增加或是降低，可有效地判断有机气体的浓度，增加准确度。
[0088]
图11a显示根据本发明一些实施例所述的图10中气体感测单元510的结构。气体感测单元510包括感测元件50a与60a以及开关sw。感测元件50a包括电极522与526以及半导体材料层531，而感测元件60a包括电极524与526以及半导体材料层433。电极522、524与526是指状电极并形成在半导体基底505上。指状电极522包括主体部分522a与多个延伸部分522b。指状电极524包括主体部分524a与多个延伸部分524b。指状电极526包括主体部分526a与多个延伸部分526b与526c。
[0089]
指状电极522、524和526的主体部分522a、524a和526a是沿着第一方向d1而延伸。指状电极522的延伸部分522b以及指状电极524的延伸部分524b是沿着第二方向d2而延伸，而第二方向d2是垂直于第一方向d1。此外，指状电极526的延伸部分526b与526c是沿着第三方向d3而延伸，而第三方向d3是相反于第二方向d2。
[0090]
半导体材料层531设置在指状电极522的延伸部分522b与指状电极526的延伸部分526b之间。此外，半导体材料层533设置在指状电极524的延伸部分524c与指状电极526的延伸部分526c之间。半导体材料层531包括n型半导体材料，而半导体材料层533包括p型半导体材料。如先前所描述，半导体材料层531与533的厚度以及指状电极522、524与526的厚度可根据不同工艺而决定。
[0091]
在一些实施例中，n型半导体材料可例如是氧化锌(zno)、二氧化钛(tio2)、二氧化
锆(zro2)、二氧化铪(hfo2)、二氧化锡(sno2)、氧化铁(fe2o3)、三氧化钨(wo3)、三氧化钼(moo3)、五氧化二钒(v2o5)或其组合。p型半导体材料可例如是氧化镍(nio)、氧化铜(cuo)、氧化钴(coo)或其组合。
[0092]
图11b显示根据本发明一些实施例所述的图11a中气体感测单元510的等效电路图。电阻rn是表示感测元件50a的等效电阻，而电阻rp是表示感测元件60a的等效电阻。因此，当开关sw为不导通时，气体感测单元510的等效电阻rs是由电阻rp所决定。此外，当开关sw为导通时，气体感测单元510的等效电阻rs是由并联的电阻rn与rp所决定。
[0093]
虽然本发明已以较佳实施例发明如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视前附的权利要求书所界定者为准。