金属氧化物半导体气体传感器及其制备方法_2

文档序号:8255129阅读:来源:国知局
0上。这里,需要说明的是,基底10通常具有两相背的具有较大表面积的表面用于进行电路布局,而在基底10厚度方向上的侧壁由于限定了较小的面积,故通常被认为不适合电路元件的设置,故若非特殊说明,本实施方式中所提到的“设置在基底上”应当被理解为上述的较大表面,而非基底10的侧壁面。
[0029]加热层20和功能层30彼此绝缘。在本发明的一些实施方式中,所说的加热层20可以是指加热电极,加热电极的材质选自金、银、钼、铜、钨、钼金合金、银钯合金、镍铬合金、钼锰合金、氮化钛、氧化钌中的一种。
[0030]在本实施方式中,加热层20和功能层30分别设置于基底10的两相对表面,也即,这里利用基底10实现加热层20和功能层30彼此的绝缘。基底10上与功能层30对应的部分的粗糙度被制作为相对于其它部分基底更高,以使功能层30中气敏材料搭建时与基底10之间会形成较为理想的空隙,保证待检测气体可以通过这些空隙流通,也即增加了气敏材料的表面活性位点,提高了传感器的灵敏度和响应速率。
[0031]功能层30包括彼此电性连接的信号电极31和检测层32。这里所说的检测层32也即上文中所提到的“气敏材料”。信号电极31的材质可以采用金属,例如Pt、Au、Ag、Cu、Al、N1、W中的一种制得,又或者是采用合金薄膜,例如Ni/Cr、Mo/Mn、Cu/Zn、Ag/Pd、Pt/Au、Fe/Co中的一种制得。通常地,一个半导体气体传感器100中至少包括两个信号电极31。
[0032]检测层32包括依次形成于基底10上的第一薄膜层321和第二薄膜层322,并且,第一薄膜层321的比表面积小于第二薄膜层322的比表面积。通过在基底10上制作两层具有不同比表面的第一薄膜层321和第二薄膜层322,第一薄膜层321的比表面积较小,可以起到稳定检测层32的体电阻的作用,而第二薄膜层322的比表面积较大,可以保证对目标气体的较好吸附作用。需要说明的是,所说的“依次形成”是指第一薄膜层321相对第二薄膜层322更加邻近基底10,而并非限制第一薄膜层321和第二薄膜层322的制作流程或与彼此与基底10的连接关系。具体地,在本实施方式中,第一薄膜层321直接设置于基底10的一侧表面,第二薄膜层322直接设置于第一薄膜层321上;相应地,加热电极20直接设置于基底10上的另一相对侧的表面。当然,由于第一薄膜层321主要是起到稳定检测层32的电阻的作用,故在一些替换的实施方式中,第二薄膜层322也可以是与第一薄膜层321之间通过设置导电介质(图中未示)实现电性连接。
[0033]在具体的结构中,第一薄膜层321为金属氧化物薄膜,第二薄膜层322为具有纳米结构的金属氧化物层。一般地,该第二薄膜层322中形成有例如包括纳米线、纳米棒、纳米球、纳米片、纳米块、纳米墙、纳米柱等纳米结构,第二薄膜层322中可以是仅仅具有上述的纳米结构中的一种,也可以是同时具有上述的纳米结构中的多种。这里所说的“纳米结构”通常是指尺寸介于分子和微米尺度间的物体的结构,也就是以纳米尺度的物质单元为基础,按一定规律构筑或组装成的一种体系。
[0034]当然,在一些其它的实施例中,根据检测层32材料选用的差异,可以实现对针对性气体的有效检测,一实施例中,例如采用氧化镍功能化碳纳米管或氧化镍,可以实现对甲醛气体的良好检测。
[0035]继续参图1,在本实施方式中,第一薄膜层321的厚度为50ηπι~100μπι,第二薄膜层322的厚度为lnm~100 μπι。第一薄膜层321和第二薄膜层322可以由同种材料或者同种类型的半导体材料制得。这里的“同种类型的半导体”是指第一薄膜层321和第二薄膜层322可以都是由N型金属氧化物半导体、或P型金属氧化物半导体、或P、N双性金属氧化物半导体构成。上述的N型金属氧化物半导体可以是选自MgO、CaO、T12、ZrO2、V2O5、Nb2O5、Ta205、Mo03、W03、ZnO, Al2O3, Ga2O3, ln203、SnO2中的一种;P型金属氧化物半导体可以是选自Y 203、La203、CeO2, Mn203、Co3O4, N1、PdO、Ag2O, Bi2O3' Sb2O3, TeO2* 的一种;P、N 双性金属氧化物半导体可以是选自Hf02、Cr203、Fe2O3、CuO中的一种。当然,在一些实施方式中,第一薄膜层321和第二薄膜层322也可以是由不同类的半导体材料制得。
[0036]参图2,介绍本发明金属氧化物半导体气体传感器10a的第二【具体实施方式】。在本实施方式中,该半导体气体传感器10a包括基底10a、加热层20a、以及功能层30a。
[0037]与第一实施方式不同的是,在本实施方式中,加热层20a和功能层30a都设置于基底1a的同一侧表面上。具体地,加热层20a直接设置于基底1a的一侧表面上,该加热层20a上形成有一绝缘层40a,功能层30a设置于该绝缘层40a之上。也即,通过设置的绝缘层40a实现加热层20a和功能层30a彼此之间的绝缘。
[0038]与第一实施方式类似的是,功能层30a包括信号电极31a和检测层32a,检测层32a包括依次设置于绝缘层40a上的第一薄膜层321a和第二薄膜层322a。本实施方式中,关于功能层30a的具体设置可以参考第一实施方式中所述,在此不作赘述。
[0039]参图3,介绍本发明金属氧化物半导体气体传感器10b的第三【具体实施方式】。在本实施方式中,该半导体气体传感器10b包括基底10b、加热层20b、以及功能层30b。
[0040]与第一实施方式不同的是,在本实施方式中,加热层20b和功能层30b都设置于基底1a的同一侧表面上,但加热层20b环绕功能层30b设置。通过这样的设置,加热层20b和功能层30b实质上彼此错开布置,以实现彼此之间的绝缘。而通过设置环绕功能层30b的加热层20b,可以对功能层30b提供均匀的热场,并且,由于功能层20b和加热层20b之间并未设置有其它介质(例如第一实施方式中的基底10和第二实施方式中的绝缘层40a),故可以保证加热层20b更高的加热效率,降低传感器的功耗。需要说明的是,这里所说的环绕为“非封闭”式的,以便功能层30b与外部电路电性连接。
[0041]与第一实施方式类似的是,功能层30b包括信号电极31b和检测层32b,检测层32b包括依次设置于基底1b上且电性连接两个信号电极31b的第一薄膜层321a和第二薄膜层322a。本实施方式中,关于功能层30a的具体设置可以参考第一实施方式中所述,在此不作赘述。
[0042]参图4,介绍本发明金属氧化物半导体气体传感器制造方法的一【具体实施方式】。在本实施方式中,该方法包括以下步骤:
51、在基底上制作加热层;
52、在所述基底上制作信号电极;
53、在所述基底上依次用物理气相沉积法形成第一薄膜层和用化学方法形成与所述第一薄膜层电性连接的第二薄膜层。
[0043]其中,第一薄膜层和第二薄膜层构成与信号电极电性连接的检测层,该检测层与信号电极构成与加热层绝缘的功能层。
[0044]这里所说的“物理气相沉积法”包括磁控溅射法、热蒸镀法、电子束蒸镀法、激光脉冲沉积法、分子束外延法等;物理气相沉积一般是在高真空或者超高真空下制备薄膜,制备出的薄膜厚度均匀,表面平整致密无缺陷,故薄膜的质量较高,体电阻比较稳定,可以用于稳定检测层的体电阻。所说的“化学方法”包括溶胶-凝胶法、化学气相沉积法、化学水浴沉积法、水热法、热注入法、静电纺丝法、模板法等;化学方法在制备薄膜的过程中会发生多种的化学反应,利用这些化学方法以及晶体生长理论,可以制备出形态各异的纳米结构,例如纳米线、纳米棒、纳米球、纳米片、纳米块、纳米墙、纳米柱等,由这些纳米结构构成的第二薄膜层相对于由物理气相沉积法制得的第一薄膜层具有更大的比表面积,更易吸附大量的目标气体,可以使得检测层对目标气体有较高的检测精度。
[0045]特别需要说明的是,区别于本发明各实施方式中所述的“化学方法”,一些本领域中用于薄膜生长的工艺,例如滴涂法等不属于这里所说的“化学方法”之列。以滴涂法为例,其一般是将分散有目标薄膜成分的溶液滴涂在目标表面上,并例如通过烘干等得到形成在目标表面的薄膜层。这种类似的方法过程中并没有发生相关的化学反应,也并不能控制最终形成的薄膜层的纳米结构,故也不能起到控制薄膜层的比表面积的作用。而本发明中所提到的“化学方法”,能根据需要进行反应的调控,使得最终生成的第二薄膜层中生长出大量的纳米结构,进而实现增加第二薄膜层的比表面积的目的。
[0046]为了更好地解释本发明,以下介绍金属氧化物半导体气体传感器中检测层制备的一些具体实施例:
实施例一
用磁控溅射法制备氧化镍体电阻层作为第一薄膜层,控制镀膜时间和镀膜功率,使得氧化镍体电阻层的
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