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半導(dǎo)體氣體傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明揭示了一種半導(dǎo)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、以及位于所述加熱電極形成的熱場中的信號感測電極，所述加熱電極和所述信號感測電極彼此絕緣，所述加熱電極包括鄰近所述信號感測電極主加熱部以及相對遠(yuǎn)離所述信號感測電極的次加熱部；其中，所述主加熱部的電阻大于所述次加熱部的電阻。本發(fā)明提供的半導(dǎo)體氣體傳感器通過將加熱電極中鄰近信號感測電極的主加熱部設(shè)置為相對遠(yuǎn)離信號感測電極的次加熱部具有更大的電阻，保證了加熱電極產(chǎn)生的熱量的更有效利用，降低了表面功耗損失，進(jìn)而降低了傳感器功耗。
【專利說明】半導(dǎo)體氣體傳感器【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(dǎo)體氣體傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著社會的發(fā)展和科技的進(jìn)步，工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模逐漸擴(kuò)大，但是由此導(dǎo)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(biāo)、泄漏，將嚴(yán)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(biāo)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(xué)式、半導(dǎo)體式、熱傳導(dǎo)式和光學(xué)式等。其中半導(dǎo)體傳感器因為檢測靈敏度高、響應(yīng)恢復(fù)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(jī)械加工技術(shù)的發(fā)展，半導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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氣體傳感器時，現(xiàn)有技術(shù)中氣體傳感器，大部分的功耗比較大，不節(jié)能，或者用一次昂貴的材料來完成低功耗，但是成本比較高；另一種通過將基底底部刻蝕成倒金字塔形的坑而達(dá)到降低功耗的目的，但這種結(jié)構(gòu)的傳感器雖然功耗很低，但制備過程需要經(jīng)過多次光刻工藝、刻蝕工藝和沉積工藝，工藝流程較為復(fù)雜，成本較高；還有就是加熱電極在基底表 面的溫度不均勻，區(qū)域性溫度不同。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種低功耗的半導(dǎo)體氣體傳感器。
[0006]為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供一種半導(dǎo)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、以及位于所述加熱電極形成的熱場中的信號感測電極，所述加熱電極和所述信號感測電極彼此絕緣，所述加熱電極包括鄰近所述信號感測電極主加熱部以及相對遠(yuǎn)離所述信號感測電極的次加熱部；其中，
所述主加熱部的電阻大于所述次加熱部的電阻。
[0007]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述主加熱部的寬度小于所述次加熱部的寬度。
[0008]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述主加熱部具有第一線寬，所述次加熱部具有第二線寬。
[0009]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述加熱電極在遠(yuǎn)離所述信號感測電極的方向上電阻逐漸減小。[0010]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述信號感測電極包括金屬氧化物薄膜、或至少兩個導(dǎo)電電極以及連接所述導(dǎo)電電極的功能層。
[0011]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述金屬氧化物薄膜選自Sn02、ZnO、ln203、W03、NiO、Ti02、Fe203、CoO、Co30、MnO 中的一種。
[0012]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述加熱電極環(huán)繞所述信號感測電極設(shè)置，所述主加熱部與所述信號感測電極縱長方向上延長線的相交段的電阻小于剩余部分主加熱部的電阻。
[0013]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述主加熱部與所述信號感測電極縱長方向上延長線的相交段的線寬大于剩余部分主加熱部的線寬。
[0014]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述加熱電極和所述導(dǎo)電電極由金屬或合金薄膜制得，所述金屬選自Pt、Au、Ag、Cu、Al、N1、W中的一種，所述合金薄膜選自Ni/Cr、Mo/Mn、Cu/Zn、Ag/Pd、Pt/Au、Fe/Co 中的一種。
[0015]上述發(fā)明目的還可以以下方法實現(xiàn)，提供一種半導(dǎo)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、以及位于所述加熱電極形成的熱場中的信號感測電極，所述加熱電極和所述信號感測電極彼此絕緣；其中，
與所述信號感測電極之間的距離大于預(yù)設(shè)間距的部分加熱電極的電阻小于與所述信號感測電極之間的距離小于預(yù)設(shè)間距的部分加熱電極的電阻。
[0016]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的半導(dǎo)體氣體傳感器通過將加熱電極中鄰近信號感測電極的主加熱部設(shè)置為相對遠(yuǎn)離信號感測電極的次加熱部具有更大的電阻，保證了加熱電極產(chǎn)生的熱量的更有效利用，降低了表面功耗損失，進(jìn)而降低了傳感器功耗，且熱場均勻。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1是本發(fā)明半導(dǎo)體氣體傳感器一實施方式的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是與圖1具有相同加熱電極布線形式，但加熱電極各部分電阻均等的半導(dǎo)體氣體傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3和圖4分別是圖1和圖2所示的半導(dǎo)體氣體傳感器中的加熱電極產(chǎn)生熱場的軟件模擬圖；
圖5至圖7是本發(fā)明半導(dǎo)體氣體傳感器的三個實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖8至圖10分別是圖5至圖7所示的半導(dǎo)體氣體傳感器中的加熱電極產(chǎn)生熱場的軟件模擬圖；
圖11是本發(fā)明半導(dǎo)體氣體傳感器又一實施方式的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖12是本發(fā)明半導(dǎo)體氣體傳感器又一實施方式的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖13是鋸齒波狀加熱電極的形狀示意圖；
圖14是三角波狀加熱電極的形狀示意圖；
圖15和圖16是正弦波狀加熱電極的形狀示意圖。
【具體實施方式】[0018]以下將結(jié)合附圖所示的【具體實施方式】對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)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(hù)范圍內(nèi)。
[0019]需要說明的是，在不同的實施方式/實施例中，可能會用到相同的標(biāo)號或標(biāo)記，但這并不代表結(jié)構(gòu)上的相同或聯(lián)系，而僅僅是為了描述的方便。
[0020]參圖1，介紹本發(fā)明半導(dǎo)體氣體傳感器100的【具體實施方式】，該半導(dǎo)體氣體傳感器100包括基底10、信號感測電極30、以及加熱電極20。
[0021]基底10具有表面11,該表面11被相對確定以進(jìn)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，并和加熱電極20彼此絕緣。本實施方式中，加熱電極20大致呈方波狀。
[0022]這里所說的信號感測電極30位于加熱電極20形成的熱場中優(yōu)選地具有兩種布局形式。一種是，加熱電極20和信號感測電極30均設(shè)置于表面11上，加熱電極20和信號感測電極30彼此分離隔開以絕緣；另一種是，加熱電極20和信號感測電極30之間設(shè)置絕緣介質(zhì)層(圖未示)以起到絕緣作用。絕緣介質(zhì)層的材料可以選自氧化鋁、二氧化硅、二氧化鉿中的一種或幾種，由于絕緣介質(zhì)層的厚度相對于基底的厚度較薄，不會對加熱電極20的加熱效率提出過高的需求，并且，該絕緣介質(zhì)層可以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。
[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(dǎo)電電極31、以及電性連接兩個導(dǎo)電電極31的納米金屬氧化物功能化碳納米管材料。導(dǎo)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，又或者是采用合金薄膜，例如Ni/Cr、Mo/Mn、Cu/Zn、Ag/Pd、Pt/Au、Fe/Co中的一種制得。一個半導(dǎo)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30。這里示出的信號感測電極為直線型，在一些其它的實施方式中，信號感測電極也可以采用梳齒型。
[0025]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(jìn)一步的優(yōu)選為碳納米管和氧化鎳的質(zhì)量比為1:廣1:20，乃至更進(jìn)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(jī)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，使得半導(dǎo)體氣體傳感器的檢測效果更佳。
[0027]具體的制作過程中，為了保證上述“空隙”的有效成型，首先在基底上打印一層碳納米管，隨后在碳納米管區(qū)域沉積氫氧化鎳，經(jīng)過燒結(jié)，將沉積的氫氧化鎳轉(zhuǎn)化為氧化鎳，保證碳納米管之間搭接的隨機(jī)性，以及氧化鎳與碳納米管之間的結(jié)合關(guān)系的穩(wěn)定。[0028]在本實施方式中，加熱電極20環(huán)繞信號感測電極30，加熱電極20和信號感測電極30之間彼此不交錯，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30產(chǎn)生更好的加熱效果。
[0029]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鄰近信號感測電極30而次加熱部22相對遠(yuǎn)離信號感測電極30，主加熱部21的電阻大于次加熱部22的電阻。電阻值越大的加熱電極部分在相同的電壓下可以提供相對更高的加熱效率，將更加遠(yuǎn)離信號感測電極30的次加熱部22設(shè)置為具有相對較小的電阻可以降低此部分加熱電極所損失的表面功耗；同時，主加熱部21電阻值的相對增加，可以在不增加傳感器整體功耗的同時，提升傳感器對檢測氣體的響應(yīng)速率。
[0030]優(yōu)選地，在遠(yuǎn)離信號感測電極30的方向上，加熱電極20的電阻逐漸減小，均勻的遞減的電阻可以提供更優(yōu)的熱場，進(jìn)一步降低傳感器的表面功耗。
[0031]加熱電極20電阻的改變可以是通過例如材質(zhì)的變化等多種方式實現(xiàn)。本實施方式中，擇優(yōu)地，通過改變加熱電極20的截面面積來實現(xiàn)其電阻值的改變，由于加熱電極20在制作時被設(shè)計為具有相同的厚度，故，在本實施方式中，其主加熱部21的寬度小于次加熱部22的寬度，更優(yōu)選地，在遠(yuǎn)離信號感測電極30的方向上，加熱電極20的寬度逐漸增加。
[0032]在一些替換的實施例中，主加熱部21和次加熱部22也可以是分別具有一定的第一線寬和第二線寬；又或者，主加熱部21和次加熱部22的線寬是多級的，每級主加熱部21或次加熱部22的線寬一定，并在總體上呈現(xiàn)電阻逐漸變小的趨勢。
[0033]主加熱部21與信號感測電極30縱長方向上延長線的相交段211的電阻小于剩余部分212的電阻。相應(yīng)地，主加熱部21與信號感測電極30縱長方向上延長線的相交段211的線寬大于剩余部分212的線寬。這樣的設(shè)計保證了主加熱部產(chǎn)生的熱場的均勻性。相對于具有固定線寬的加熱電極，本發(fā)明提供的加熱電極20可以在相同功耗的情況下，減少表面功耗損失，提升傳感器的響應(yīng)速率。
[0034]以下的對比說明用于更好的解釋本發(fā)明，提供如圖2的半導(dǎo)體氣體傳感器中100’中，控制其加熱電極20’的電阻與圖1中加熱電極20的電阻相等，所不同的是，圖2中的加熱電極20’具有定寬，也即加熱電極20’各處的單位電阻相等。圖1和圖2所示的加熱電極在相同的電壓下產(chǎn)生的功耗相同。
[0035]圖3?4分別是對圖2和圖1中加熱電極產(chǎn)生熱場的模擬圖，從圖中可以看出，圖1中的信號感測電極處溫度受熱均勻，滿足氣敏材料加熱的要求，經(jīng)過調(diào)控后溫度下降了20K,但是仍然在氣敏材料的響應(yīng)范圍內(nèi)。并且，經(jīng)Comsol Multiphysics 4.3a計算后，圖2中加熱電極表面損失功耗是5.2024W，圖1中加熱電極表面損失功耗是5.08237W，本發(fā)明提供的半導(dǎo)體氣體傳感器的功耗減小了 0.12003W，功耗降低。
[0036]參圖5?7,為本發(fā)明半導(dǎo)體氣體傳感器的三個實施例，采用Comsol Multiphysics
4.3a 多場物理f禹合軟件中的 Thermal Stress (ts), Electric Currents Shell (ecs),Shell (Shell)三個模塊分別對圖5?7中加熱電極所產(chǎn)生的熱場進(jìn)行模擬。其中，具體材料特性如下:
【權(quán)利要求】
1.一種半導(dǎo)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、以及位于所述加熱電極形成的熱場中的信號感測電極，所述加熱電極和所述信號感測電極彼此絕緣，所述加熱電極包括鄰近所述信號感測電極主加熱部以及相對遠(yuǎn)離所述信號感測電極的次加熱部；其中，所述主加熱部的電阻大于所述次加熱部的電阻。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體氣體傳感器，其特征在于，所述主加熱部的寬度小于所述次加熱部的寬度。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體氣體傳感器，其特征在于，所述主加熱部具有第一線寬，所述次加熱部具有第二線寬。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體氣體傳感器，其特征在于，所述加熱電極在遠(yuǎn)離所述信號感測電極的方向上電阻逐漸減小。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體氣體傳感器，其特征在于，所述信號感測電極包括金屬氧化物薄膜、或至少兩個導(dǎo)電電極以及連接所述導(dǎo)電電極的功能層。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的半導(dǎo)體氣體傳感器，其特征在于，所述金屬氧化物薄膜選自Sn02、ZnO、ln203、W03> Ni0、Ti02、Fe203、CoO、Co30、MnO 中的一種。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體氣體傳感器，其特征在于，所述加熱電極環(huán)繞所述信號感測電極設(shè)置，所述主加熱部與所述信號感測電極縱長方向上延長線的相交段的電阻小于剩余部分主加熱部的電阻。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的半導(dǎo)體氣體傳感器，其特征在于，所述主加熱部與所述信號感測電極縱長方向上延長線的相交段的線寬大于剩余部分主加熱部的線寬。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體氣體傳感器，其特征在于，所述加熱電極和所述導(dǎo)電電極由金屬或合金薄膜制得，所述金屬選自Pt、Au、Ag、Cu、Al、N1、W中的一種,所述合金薄膜選自 Ni/Cr、Mo/Mn、Cu/Zn、Ag/Pd、Pt/Au、Fe/Co 中的一種。
10.一種半導(dǎo)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、以及位于所述加熱電極形成的熱場中的信號感測電極，所述加熱電極和所述信號感測電極彼此絕緣；其中，與所述信號感測電極之間的距離大于預(yù)設(shè)間距的部分加熱電極的電阻小于與所述信號感測電極之間的距離小于預(yù)設(shè)間距的部分加熱電極的電阻。
【文檔編號】G01N27/00GK103698359SQ201310677656
【公開日】2014年4月2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