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TWI743985B - 氣體感測器製造方法 - Google Patents

氣體感測器製造方法 Download PDF

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Abstract

一種氣體感測器製造方法，用以解決習知氣體感測器的靈敏度受環境濕度影響且隨時間衰退的問題。係包含：一沉積製程，以沉積方法在一基板上堆疊一加熱元件、一感測層及二電極；及一摻雜製程，在沉積該感測層時，導入一摻雜氣體。

Description

氣體感測器製造方法
本發明係關於一種環境監測技術，尤其是一種提升感測能力及降低環境濕度干擾的氣體感測器製造方法。
氣體感測技術普遍用於監控空氣品質、偵測危險工業氣體外洩及酒精濃度測試防治酒後駕車等與生活息息相關的事物上，而氣體感測的操作機制可概略區分為半導體、紅外光及電化學等技術，其中，透過微機電系統(Micro Electro Mechanical System,MEMS)製程可以生產半導體晶片型氣體感測器，能夠達到微型化、低耗能及量產等優勢；而透過印刷式製程可以生產軟性可撓的電化學氣體感測器，上述不同的感測技術係可以分別應用於偵測不同成分的氣體，及安裝於各種裝置。
上述習知的氣體感測器，如：電化學型呼氣酒精測試儀，係藉由氣敏材料製成的感測元件與待測氣體反應，而產生與氣體濃度相關的電流訊號，惟，習知的氣體感測器在長時間使用後，感測元件的靈敏度大幅衰減，將導致量測結果失去穩定性及準確性，而增加感測失效及讀值錯誤的發生機率，又，習知的氣體感測器在老化後，更容易受到環境濕度干擾，而降低對於目標氣體的感測能力。
有鑑於此，習知的氣體感測器製造方法確實仍有加以改善之必要。
為解決上述問題，本發明的目的是提供一種氣體感測器製造方法，係可以增加對目標氣體的感測靈敏度。
本發明的次一目的是提供一種氣體感測器製造方法，係可以減少環境濕度對氣體感測的影響。
本發明的又一目的是提供一種氣體感測器製造方法，係可以恢復氣體感測器的靈敏度及延長使用壽命。
本發明的再一目的是提供一種氣體感測器製造方法，係可以簡化製程及降低成本。
本發明全文所記載的元件及構件使用「一」或「一個」之量詞，僅是為了方便使用且提供本發明範圍的通常意義；於本發明中應被解讀為包括一個或至少一個，且單一的概念也包括複數的情況，除非其明顯意指其他意思。
本發明的氣體感測器製造方法，包含：一沉積製程，以沉積方法在一基板上堆疊一加熱元件、一感測層及二電極；及一摻雜製程，在沉積該感測層時，導入一摻雜氣體，該摻雜氣體係含有一摻雜元素，該摻雜元素的電負度值大於2。
據此，本發明的氣體感測器製造方法，藉由在該感測層摻雜高電負度的元素，係可以改善該感測層與待測氣體之間的反應靈敏度，又，透過摻雜改質的方式，係可以使氣體感測器在長時間使用後，可以恢復氣體感測器原有的測量穩定性及準確性，且還能夠減少環境濕度對氣體感測靈敏度的影響，係具有提升氣體感測器的感測能力及延長使用壽命的功效。
其中，該基板具有一空腔，該空腔位於該基板用於承載該加熱 元件之表面的另一側。如此，該空腔可以作為隔熱空間，係具有避免熱能傳遞至感測器外部的功效。
其中，該加熱元件電性連接一電源，該加熱元件將該電源之電能轉換為熱能，該加熱元件將熱能傳遞至該感測層。如此，係可以由該加熱元件提升該感測層的溫度，係具有提供氣體感測所需要的高溫狀態的功效。
其中，該摻雜元素是氟、氯、硫或氧。如此，該摻雜元素的電負度大且容易取得，係具有簡化製程及降低成本的功效。
其中，該摻雜元素在該感測層中的原子百分比為1%~10%。如此，該感測層可以保有表面特性及增加對電子的吸引能力，係具有提升感測靈敏度的功效。
其中，該二電極與該加熱元件電氣隔離。如此，係可以避免該加熱元件之電源干擾該二電極測量的電流值，係具有提升測量準確度的功效。
本發明另包含一絕緣膜，該絕緣膜位於該基板與該加熱元件之間。如此，該絕緣膜係可以承受高溫及減少電氣干擾，係具有維持使用安全及降低誤判機率的功效。
其中，該摻雜氣體是氧氣、氯氣、氟碳化合物、氨、硫化氫、硒化氫、氯化氫、溴化氫、碘化氫、氯化銨、碳酰二胺或選自上述氣體之組合。如此，該摻雜氣體係可以常溫供應，且適用於原本的沉積製程條件，係具有簡化製程及降低成本的功效。
其中，該摻雜製程用於對製造完成之氣體感測器進行改質，及修復長時間使用而耗損之氣體感測器。如此，該感測層係可以透過該摻雜製程重複加工處理，係具有恢復感測靈敏度及延長使用壽命的功效。
1:基板
2:加熱元件
3:感測層
4:電極
5:絕緣膜
C:空腔
〔第1圖〕本發明較佳實施例的分解立體圖。
〔第2圖〕本發明較佳實施例與習知技術對酒精濃度感測結果之比較圖。
〔第3圖〕本發明較佳實施例與習知技術受濕度影響的感測結果之比較圖。
為讓本發明之上述及其他目的、特徵及優點能更明顯易懂，下文特舉本發明之較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：請參照第1圖所示，其係本發明氣體感測器的較佳實施例，係包含一基板1、一加熱元件2、一感測層3及二電極4，該加熱元件2位於該基板1上，該感測層3覆蓋於該加熱元件2上，該二電極4分別電性連接該感測層3。
該基板1用於承載各種電子元件、線路，係可以藉由濺射、蒸鍍、化學氣相沉積及離子佈值等半導體製程技術，將金屬、半導體及絕緣體等材料成形於該基板1上。該基板1可以具有一空腔C作為隔熱空間，該空腔C較佳位於該基板1用於承載該加熱元件2之表面的另一側，係可以使該加熱元件2產生的熱能散抑於該空腔C，且還可以避免熱能傳遞至感測器外部。該基板1可以是矽基板(Silicon Substrate)，以具有良好的導熱性及熱穩定性，係可以在高溫工作環境下操作電訊號。
該加熱元件2電性連接一電源(未繪示)，係可以將該電源之電能轉換為熱能，以提供氣體感測所需要的高溫狀態，該加熱元件2係可以由金屬材料形成盤繞線路，使加熱元件2與其它元件的接觸面積增加，以提 高熱能傳遞的效率。
該感測層3的主要材料係金屬氧化物半導體(Metal Oxide Semiconductor,MOS)材料，例如：二氧化錫(SnO2)、氧化鋅(ZnO)、氧化鎳(NiO)、氧化鐵(Fe2O3)等，係可以依據不同的待測氣體選擇對應的材料作為該感測層3，且該感測層3含有一摻雜元素，該摻雜元素的電負度(Electronegativity,EN)值大於2，該摻雜元素可以是氟(F)、氯(Cl)、硫(S)、氧(O)等，該摻雜元素對電子的吸引力強，係可以提升該感測層3表面捕捉游離電子的能力，該摻雜元素在該感測層3中的原子百分比(Atom%)較佳為1%~10%。該感測層3在200℃~400℃的工作溫度下，其金屬氧化物半導體的表面與待測氣體發生氧化或還原反應，而改變該感測層3之電阻值。
該二電極4係用於測量通過該感測層3表面的電流值，係可以記錄該感測層3的電阻值變化，該二電極4還可以是交叉排列的叉狀電極，由該二電極4可以同時收集該感測層3表面不同位置的電流值，係具有提高測量靈敏度及準確度的作用。另外，該二電極4較佳與該加熱元件2電氣隔離，以避免該加熱元件2之電源干擾該二電極4測量的電流值。
本發明氣體感測器還可以具有一絕緣膜5，該絕緣膜5位於該基板1與該加熱元件2之間，該絕緣膜5的材料可以是二氧化矽(SO2)，係具有耐高溫及電絕緣的特性，該絕緣膜5係可以承受感測時的高溫及減少電氣干擾對測量的影響。
本發明氣體感測器係可以透過該加熱元件2以提升該感測層3的溫度，並對應於不同的待測氣體可以設定不同的工作溫度，再由該感測層3接觸待測氣體而發生反應形成游離電子，使該感測層3表面的導電率上升，再透過測量通過該二電極4之間的電流，可以得知該感測層3表面的電阻值大小及其對應的待測氣體濃度。
本發明氣體感測器製造方法的較佳實施例，係包含一沉積製程，以沉積方法在該基板1上堆疊該加熱元件2、該感測層3、該二電極4及該絕緣膜5；及一摻雜製程，在沉積該感測層3時，導入一摻雜氣體，該摻雜氣體係含有該摻雜元素，使該摻雜元素在該感測層3中的原子百分比為1%~10%。
沉積該加熱元件2、該二電極4及該絕緣膜5時，係可以導入氬(Ar)氣體，並使用各層所對應的靶材，例如：該加熱元件2可以使用鉑(Pt)、該二電極4使用銅或銀等導電材料，惟，本發明不以此為限。
沉積該感測層3時，係同時導入氬氣及該摻雜氣體，並依據不同的待測氣體使用對應的材料作為靶材，例如：二氧化錫、氧化鋅、氧化鎳、氧化鐵等，其中，氬氣的工作壓力可以是8毫托(mTorr)，該摻雜氣體的工作壓力可以是4毫托，該摻雜氣體可以是氧氣(O2)、氯氣(Cl2)、氟碳化合物(CnFn，n為大於0之整數)、氨(NH3)、硫化氫(H2S)、硒化氫(H2Se)、氯化氫(HCl)、溴化氫(HBr)、碘化氫(HI)、氯化銨(NH4Cl)、碳酰二胺(CO(NH2)2，尿素)或選自上述氣體之組合，係分別含有氧、氯、氟、硫等元素。
請參照第2圖所示，其係未摻雜硫與摻雜硫之氣體感測器對不同濃度酒精的感測結果比較，摻雜硫之氣體感測器所測量到的電阻值較高，尤其是低於10ppm之酒精濃度，摻雜硫之氣體感測器的電阻值變化率大幅提升，係可以增加酒精感測的靈敏度。
請參照第3圖所示，其係未摻雜硫與摻雜硫之氣體感測器在不同濕度環境的感測結果比較，未摻雜硫之氣體感測器所測量的電阻值隨著濕度增加而下降，而摻雜硫之氣體感測器所測量的電阻值對應於濕度變化的改變較小，係可以減少環境濕度對氣體感測器之靈敏度的影響。
該摻雜製程除了可以在沉積該感測層3的過程中進行摻雜，還可以對製造完成之氣體感測器進行改質，及修復長時間使用而耗損之氣體感測器，係具有恢復感測靈敏度及延長使用壽命的作用。
綜上所述，本發明的氣體感測器製造方法，藉由在該感測層摻雜高電負度的元素，係可以改善該感測層與待測氣體之間的反應靈敏度，又，透過摻雜改質的方式，係可以使氣體感測器在長時間使用後，可以恢復氣體感測器原有的測量穩定性及準確性，且還能夠減少環境濕度對氣體感測靈敏度的影響，係具有提升氣體感測器的感測能力及延長使用壽命的功效。
雖然本發明已利用上述較佳實施例揭示，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者在不脫離本發明之精神和範圍之內，相對上述實施例進行各種更動與修改仍屬本發明所保護之技術範疇，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
1:基板
2:加熱元件
3:感測層
4:電極
5:絕緣膜
C:空腔

Claims (9)

  1. 一種氣體感測器製造方法，包含：一沉積製程，以沉積方法在一基板上堆疊一加熱元件、一感測層及二電極；及一摻雜製程，在沉積該感測層時，導入一摻雜氣體，該摻雜氣體係含有一摻雜元素，該摻雜元素的電負度值大於2。
  2. 如請求項1之氣體感測器製造方法，其中，該基板具有一空腔，該空腔位於該基板用於承載該加熱元件之表面的另一側。
  3. 如請求項1之氣體感測器製造方法，其中，該加熱元件電性連接一電源，該加熱元件將該電源之電能轉換為熱能，該加熱元件將熱能傳遞至該感測層。
  4. 如請求項1之氣體感測器製造方法，其中，該摻雜元素是氟、氯、硫或氧。
  5. 如請求項1之氣體感測器製造方法，其中，該摻雜元素在該感測層中的原子百分比為1%~10%。
  6. 如請求項1之氣體感測器製造方法，其中，該二電極與該加熱元件電氣隔離。
  7. 如請求項1至6中任一項之氣體感測器製造方法，另包含一絕緣膜，該絕緣膜位於該基板與該加熱元件之間。
  8. 如請求項1之氣體感測器製造方法，其中，該摻雜氣體是氧氣、氯氣、氟碳化合物、氨、硫化氫、硒化氫、氯化氫、溴化氫、碘化氫、氯化銨、碳酰二胺或選自上述氣體之組合。
  9. 如請求項1之氣體感測器製造方法，其中，該摻雜製程用於對製造完成之氣體感測器進行改質，及修復長時間使用而耗損之氣體感測 器。
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