半导体气体传感器及其制备方法
【专利摘要】本发明揭示了一种半导体气体传感器及其制备方法，其中该半导体气体传感器包括：基底，所述基底具有表面；设置在所述表面的加热电极；位于所述加热电极形成的热场内的信号感测电极，所述信号感测电极包括导电电极以及电性连接所述导电电极的气敏材料；其中，所述加热电极和所述信号感测电极之间设置有绝缘介质层。本发明提供的半导体气体传感器通过采用喷墨印刷的方式制备绝缘介质层，可以大大减少传感器的生产成本，并且，喷墨印刷的分辨率高，可以精确定位印刷设计好的图案，工艺流程简单。
【专利说明】半导体气体传感器及其制备方法【技术领域】
[0001]本发明属于电子器件制造【技术领域】，具体涉及一种半导体气体传感器、以及该半导体气体传感器的制备方法。
【背景技术】
[0002]随着社会的发展和科技的进步，工业生产规模逐渐扩大，但是由此导致的事故也不断发生，比如石油化工和煤矿行业所产生的易燃易爆、有毒有害的气体，这些气体一旦超标、泄漏，将严重影响生产人员及周围生活居民的身体健康，如果引起爆炸将造成人员伤亡和财产损失。另外，随着人们生活水平的提高及人们对家居环境装饰要求的转变，使得室内空气质量问题日益突出，由于装修后有毒超标造成的恶性病例更是时有报道。为了确保安全和防患于未然，人们研制了各种检测方法和检测仪器，其中气体传感器已经广泛应用于各行业的生产和生活领域。
[0003]气体传感器主要分为电化学式、半导体式、热传导式和光学式等。其中半导体传感器因为检测灵敏度高、响应恢复时间短、元件尺寸微小、寿命长、价格低廉而越来越受到人们的重视。尤其是近年来随着微机械加工技术的发展，借助于微电子工艺半导体气体传感器更是向着集成化、智能化方向发展。由于作为气体敏感材料的金属氧化物半导体需要加热到较高温度时才显现出较好的敏感特性，因此在制备半导体气敏传感器时必须先制备气敏材料的加热电极，然后再制备信号感测电极。
[0004]目前，用微电子工艺制备的半导体气体传感器一般具有两种结构，第一种将加热电极和信号感测电极设置于基底的两侧，加热电极隔着基底为信号感测电极加热，所需要的功耗较大；第二种将加热电极和信号感测电极设置于基底的同侧，此种结构中，同侧需要用一层绝缘介质层将加热 电极和信号感测电极隔开，这层绝缘介质层采用物理气相沉积的方式制备，需要昂贵的物理气相沉积设备和掌握复杂的刻蚀工艺，提高了传感器的生产成本。
【发明内容】
[0005]本发明的目的之一在于提供一种半导体气体传感器，其生产成本较低。
[0006]本发明的目的还在于提供提供一种半导体气体传感器的制备方法。
[0007]为实现上述发明目的之一，本发明提供一种半导体气体传感器，包括:
基底，所述基底具有表面；
设置在所述表面的加热电极；
位于所述加热电极形成的热场内的信号感测电极，所述信号感测电极包括导电电极以及电性连接所述导电电极的气敏材料；其中，
所述加热电极和所述信号感测电极之间设置有绝缘介质层。
[0008]作为本发明的进一步改进，所述绝缘介质层的材质选自氧化铝、二氧化硅、二氧化铪中的一种或几种。[0009]作为本发明的进一步改进，所述基底、加热电极、以及信号感测电极之间分别设置
有粘结层。
[0010]作为本发明的进一步改进，所述粘结层为Ti金属薄膜、或Cr金属薄膜、或Ti/Cr合金薄膜。
[0011]作为本发明的进一步改进，所述基底选自表面氧化的硅片、玻璃片、石英片、氧化铝陶瓷片、氮化铝陶瓷片、氧化锆陶瓷片、聚酰亚胺薄膜中的一种，所述基底的厚度为lOOunTlOOOum。
[0012]作为本发明的进一步改进，所述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、钥锰合金、氮化钛、氧化钌中的一种，所述导电电极的材质选自金、银、钼、铜、钨中的一种。
[0013]作为本发明的进一步改进，所述加热电极呈方波、或锯齿波、或三角波、或正弦波、或蛇形。
[0014]作为本发明的进一步改进，所述绝缘介质层通过喷墨印刷的方式制得。
[0015]为实现上述另一发明目的，本发明提供一种半导体气体传感器的制备方法，该方法包括以下步骤:
51、在基底上制作加热电极；
52、在基底上喷墨印刷一层绝缘介质层的如驱体墨水；
53、将经过步骤S2处理的基底进行退火，得到形成在基底上的绝缘介质层；
54、在所述绝缘介质层上制作导电电极，并在所述导电电极上沉积气敏材料，得到半导体气体传感器。
[0016]作为本发明的进一步改进，步骤S3中的退火温度为500°C?1000°C，退火处理的时间为IOmin?24h。
[0017]作为本发明的进一步改进，步骤S3中形成的绝缘介质层的厚度为200nnT2um。
[0018]与现有技术相比，本发明提供的半导体气体传感器通过采用喷墨印刷的方式制备绝缘介质层，可以大大减少传感器的生产成本，并且，喷墨印刷的分辨率高，可以精确定位印刷设计好的图案，工艺流程简单。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1是本发明半导体气体传感器一实施方式的结构示意图；
图2图1所示的半导体气体传感器未制作信号感测电极时的结构示意图；
图3是图1所示的半导体气体传感器中，基底上制作有加热电极的结构示意图；
图4是本发明半导体气体传感器又一实施方式的结构示意图；
图5是本发明半导体气体传感器又一实施方式的结构示意图；
图6是本发明半导体气体传感器又一实施方式的结构示意图；
图7是本发明半导体气体传感器又一实施方式的结构示意图；
图8是锯齿波状加热电极的形状示意图；
图9是二角波状加热电极的形状不意图；
图10和图11是正弦波状加热电极的形状示意图；
图12是本发明半导体气体传感器的制备方式的流程图。【具体实施方式】
[0020]以下将结合附图所示的【具体实施方式】对本发明进行详细描述。但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。
[0021]参图1至图3，介绍本发明半导体气体传感器的【具体实施方式】，该半导体气体传感器100包括基底10、信号感测电极30、加热电极20、以及绝缘介质层40。
[0022]基底10具有表面11，该表面11被相对确定以进行后续的电路布局，加热电极20被制作于该表面11上，信号感测电极30位于加热电极20形成的热场中，绝缘介质层40设置于加热电极20和信号感测电极30之间以将加热电极20和信号感测电极30彼此绝缘。
[0023]基底10可以是选自表面氧化的硅片、玻璃片、石英片、氧化铝陶瓷片、氮化铝陶瓷片、氧化锆陶瓷片、聚酰亚胺薄膜中的一种，基底10的厚度为lOOunTlOOOum。加热电极20的材质选自金、银、钼、铜、鹤、钼金合金、银IE合金、镍铬合金、钥猛合金、氮化钛、氧化钌中的一种。
[0024]信号感测电极30包括两个导电电极31、以及电性连接两个导电电极的气敏材料(图未示)。导电电极31可以采用金属，例如Pt、Au、Ag、Cu、Al、N1、W中的一种制得，一个半导体气体传感器100中至少包括两个信号感测电极30，依据传感器种类的不同，可以设置有更多个的信号感测电极。
[0025]气敏材料为半导体气体传感器一关键构成部分，以提供一半导体气体传感器为例，其中选用的气敏材料为纳米金属氧化物功能化碳纳米管材料，该纳米金属氧化物功能化碳纳米管材料包括碳纳米管和氧化镍，碳纳米管和氧化镍的质量比为1:0.f 1:30。并且，进一步的优选为碳纳米管和氧化镍的质量比为1: f 1:20，乃至更进一步，碳纳米管和氧化镍的质量比为1:1.7?1:18。碳纳米管表面带有羟基键，以吸附氧化镍，并可更佳地对氧化镍产生保持作用。
[0026]所提供的纳米金属氧化物功能化碳纳米管材料中的微观碳纳米管之间为随机搭接，彼此之间存在较多的空隙，氧化镍不仅吸附于功能层的表面，在整个碳纳米管材料区域的上述空隙中，都会吸附有氧化镍，这样，待检测气体可以在碳纳米管搭接形成的空隙间流动，使得传感器的检测效果更佳。
[0027]绝缘介质层的材料选自氧化铝、二氧化硅、二氧化铪中的一种或几种。绝缘介质层的厚度相对于基底的厚度较薄，不会对加热电极的加热效率提出过高的需求，且绝缘效果较好。该绝缘介质层通过喷墨印刷的方式制得，喷墨印刷分辨率高，能精确到几微米，可以精确定位印刷设计好的图案，且工艺流程简单，操作方便，成本较低。
[0028]为了提高基底10、加热电极20、信号感测电极30之间的结合强度，在三者之间设置有粘结层(图未示)。粘结层可以为Ti金属薄膜、或Cr金属薄膜、或Ti/Cr合金薄膜。
[0029]加热电极20环绕信号感测电极30设置，以提供均匀的热场。这里所说的“环绕”可以是封闭或者非封闭式的，环绕设置的加热电极20可以提供均匀的热场，以对信号感测电极产生更好的加热效果。并且，由于绝缘介质层40的存在，加热20和信号感测电极30彼此可以存在交错的部分。
[0030]参图4，示出半导体气体传感器100的一实施方式中，需要说明的是，这里为了清楚地示出一优选的实施方式，图中将加热电极20和信号感测电极30之间的绝缘介质层40省去。加热电极20包括主加热部21以及与主加热部21连接的次加热部22，主加热部21包括对称设置的第一主加热段211和第二主加热段212，信号感测电极30位于第一主加热段211和第二主加热段212之间。主加热部21在位置上相对于次加热部22更加邻近信号感测电极30，应当理解的是，所说的“主加热部21”、“次加热部22”仅仅是为了申请描述的方便而定义，并非代表其在制作加工工艺或结构上存在根本上的区分关系。并且，虽然图中所示的信号感测电极30是位于第一主加热段211和第二主加热段212之间，但由于绝缘介质层的存在，实质上信号感测电极30和加热电极间可以有交错。
[0031]在主加热部21中，第一主加热段211和第二主加热段212产生的热场温差小于100°C，进一步地，该热场温差控制为小于50°C，以保证半导体气体传感器对目标气体检测的灵敏可靠。当然，在最理想的替换实施方式中，第一主加热段211和第二主加热段212的电阻值相等，以保证第一主加热段211和第二主加热段212产生的热场温度相同。
[0032]第一主加热段211与其相邻的导电电极31之间的距离等于第二主加热段212与其相邻的导电电极31之间的距离以保证导电电极的受热均匀，次加热部22包括分别与第一主加热段211和第二主加热段212连接的第一次加热段221和第二次加热段222，且该第一次加热段221和第二次加热段222的电阻值也优选地为相等。
[0033]在俯视的方向上，第一次加热段221和第二次加热段222所构成的图案全等，同时，更加优选地，该第一次加热段221和第二次加热段222彼此对称设置。
[0034]在满足上述对加热电极20中全部或部分特征的限定下，可以设计有多种的具体的加热电极的形状，以下择优地选取一些具体的实施例做示范性的说明，同样的，这些实施例中的绝缘介质层也被省去，并且，由于设置了绝缘介质层40，这些实施例中的加热电极和信号感测电极也可以存在彼此交错的部分，而并非限制性地如图中所示。
[0035]参图4的实施例，主加热部21呈一平底U形，并环绕信号感测电极30，加热电极20整体呈方波形，其整体沿信号感测电极31呈镜像对称设置。加热电极20的线宽为10unT200um,加热电极20中各部分的间距在IOunTIOOum之间变化。
[0036]参图5的实施例，与图4不同的是，本实施例中，主加热部21a两侧的第一次加热段221a和第二次加热段222a设置为更多次的方波状的延伸，以提供更大功率的加热效果以及更均匀的热场。加热电极20a的线宽为10unT200um，加热电极中各部分的间距在IOunTIOOum之间变化。
[0037]参图6的实施例，主加热部21b呈联接的叠U形，次加热部22b联接主加热部21b，信号感测电极30b两侧的加热电极20b的长度大致相等，以提供均匀的热场。加热电极20b的线宽为10unT200um，加热电极20b中各部分的间距在IOunTIOOum之间变化。
[0038]参图7的实施例，加热电极20c整体呈蛇形，信号感测电极30c两侧的加热电极的长度大致相等，以提供均匀的热场。加热电极20c的线宽为10unT200um，加热电极20c中各部分的间距在lOunTlOOum之间变化。
[0039]加热电极还可以呈如图8所示的锯齿波形，图9所示的三角波形，图10、图11所示的正弦波形。
[0040]继续参图1，在本实施方式中，加热电极20具有定宽，由于制作的加热电极20的厚度相等，故加热电极20在其有效发热区域内，提供有各部分均等的发热量。[0041]参图12，以下提供本发明半导体气体传感器的制备方法的一【具体实施方式】。在本实施方式中，该方法包括以下步骤:
S1、在基底上制作加热电极。
[0042]加热电极可以采用物理气相沉积或者印刷的方法制备，加热电极的形状优选地可以采用方片状或蛇形。
[0043]S2、在基底上喷墨印刷一层绝缘介质层的前驱体墨水。
[0044]前驱体墨水为氧化铝墨水、二氧化硅墨水、二氧化铪墨水中的一种或几种的组合。
[0045]S3、将经过步骤S2处理的基底进行退火，得到形成在基底上的绝缘介质层。
[0046]退火温度为500°C?1000°C，退火时间为10mirT24h，最终形成的绝缘介质层控制在 200nm?2um。
[0047]S4、在所述绝缘介质层上制作导电电极，并在所述导电电极上沉积气敏材料，得到半导体气体传感器。
[0048]以下介绍一些制作本发明半导体气体传感器的具体实施例。
[0049]实施例1
在钠钙玻璃基底上旋涂一层光刻胶，经曝光和显影后将蛇形加热电极图案转移到玻璃上，并用磁控溅射方法溅射一层500nm厚的镍铬合金形成加热电极，用喷墨打印机在溅射形成有加热电极的钠钙玻璃基底上打印一层200nm厚氧化铝绝缘介质层，并在500°C下退火10h，最后在绝缘介质层上以磁控溅射方法溅射一层金作为导电电极，在导电电极上沉积气敏材料得到半导体气体传感器芯片。
[0050]实施例2
在氧化铝陶瓷基底上旋涂一层光刻胶，经曝光和显影后将蛇形加热电极图案转移到玻璃上，并用磁控溅射方法溅射一层SOOnm厚的银钯合金形成加热电极，用喷墨打印机在溅射形成有加热电极的氧化铝陶瓷基底上打印一层800nm厚氧化硅绝缘介质层，并在1000°C下退火lOmin，最后在绝缘介质层上以磁控溅射方法溅射一层金作为导电电极，在导电电极上沉积气敏材料得到半导体气体传感器芯片。
[0051]实施例3
在氧化铝陶瓷基底上用丝网印刷方法印刷一层5um厚的银钯合金蛇形加热电极，用喷墨打印机在形成有加热电极的基底上打印一层Ium厚的氧化铝绝缘介质层，并在1000°C下退火5h，最后在绝缘介质层上以磁控溅射方法溅射一层钼作为导电电极，在导电电极上沉积气敏材料得到半导体气体传感器芯片。
[0052]实施例4
在石英玻璃基底上用丝网印刷方法印刷一层2um厚的二氧化钌方块形加热电极，用喷墨打印机在形成有加热电极的基底上打印一层2um厚的氧化铪绝缘介质层，并在700°C下退火10h，最后在绝缘介质层上以磁控溅射方法溅射一层银为导电电极，在导电电极上沉积气敏材料得到半导体气体传感器芯片。
[0053]实施例5
在氮化铝陶瓷基底上用丝网印刷方法印刷一层IOum厚的银钯方块形加热电极，用喷墨打印机在形成有加热电极的基底上打印一层800nm厚的氧化铝绝缘介质层，并在700°C下退火24h，最后在绝缘介质层上用丝网印刷方法印刷一层银作为导电电极电极，在导电电极上沉积气敏材料得到半导体气体传感器芯片。
[0054]实施例6
在氧化铪陶瓷基底上旋涂一层光刻胶，经曝光和显影后将蛇形加热电极图案转移到氧化铪陶瓷基底上，用磁控溅射方法溅射一层SOOnm厚的金作为加热电极，用喷墨打印机在溅射形成有加热电极的基底上打印一层500nm厚的氧化铪绝缘介质层，并在800°C下退火lh，最后用丝网印刷方法印刷一层金作为导电电极，在导电电极上沉积气敏材料得到半导体气体传感器芯片。
[0055]本发明通过上述实施方式，具有以下有益效果:本发明提供的半导体气体传感器通过采用喷墨印刷的方式制备绝缘介质层，可以大大减少传感器的生产成本，并且，喷墨印刷的分辨率高，可以精确定位印刷设计好的图案，工艺流程简单。
[0056]应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
[0057]上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种半导体气体传感器，其特征在于，包括: 基底，所述基底具有表面； 设置在所述表面的加热电极； 位于所述加热电极形成的热场内的信号感测电极，所述信号感测电极包括导电电极以及电性连接所述导电电极的气敏材料；其中， 所述加热电极和所述信号感测电极之间设置有绝缘介质层。
2.根据权利要求1所述的半导体气体传感器，其特征在于，所述绝缘介质层的材质选自氧化铝、二氧化硅、二氧化铪中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的半导体气体传感器，其特征在于，所述基底、加热电极、以及信号感测电极之间分别设置有粘结层。
4.根据权利要求1所述的半导体气体传感器，其特征在于，所述粘结层为Ti金属薄膜、或Cr金属薄膜、或Ti/Cr合金薄膜。
5.根据权利要求1所述的半导体气体传感器，其特征在于，所述基底选自表面氧化的硅片、玻璃片、石英片、氧化铝陶瓷片、氮化铝陶瓷片、氧化锆陶瓷片、聚酰亚胺薄膜中的一种，所述基底的厚度为lOOunTlOOOum。
6.根据权利要求1所述的半导体气体传感器，其特征在于，所述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、钥锰合金、氮化钛、氧化钌中的一种，所述导电电极的材质选自金、银、钼、铜、鹤中的一种。
7.根据权利要求1所述`的半导体气体传感器，其特征在于，所述加热电极呈方波、或锯齿波、或三角波、或正弦波、或蛇形。
8.根据权利要求1所述的半导体气体传感器，其特征在于，所述绝缘介质层通过喷墨印刷的方式制得。
9.一种半导体气体传感器的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤: 51、在基底上制作加热电极； 52、在基底上喷墨印刷一层绝缘介质层的如驱体墨水； 53、将经过步骤S2处理的基底进行退火，得到形成在基底上的绝缘介质层； 54、在所述绝缘介质层上制作导电电极，并在所述导电电极上沉积气敏材料，得到半导体气体传感器。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，步骤S3中的退火温度为500°C^lOOO0C,退火处理的时间为IOmin~24h,形成的绝缘介质层的厚度为200nnT2um。
【文档编号】G01N27/00GK103675028SQ201310677638
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年12月13日 优先权日:2013年12月13日
【发明者】张克栋, 徐红艳, 崔铮 申请人:苏州纳格光电科技有限公司