一種新型的半導體氣敏器件及其制作方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于半導體領域，尤其涉及一種新型的半導體氣敏器件及其制作方法。
【背景技術】
[0002]半導體氣敏傳感器是利用半導體氣敏元件同氣體接觸后，造成半導體性質的變化來檢測特定氣體的成分或者測量其濃度。
[0003]半導體氣敏傳感器大體上可以分為電阻式和非電阻式兩類。電阻式半導體氣敏倍感器是利用氣敏半導體材料，如氧化錫(Sn02)、氧化錳(Mn02)等金用氧化物制成敏感元件，當它們吸收了可燃氣體的煙霧，如氫、一氧化碳、烷、醚、醉、苯以及天然氣等時，會發生還原反應，放出熱量，使元件溫度相應增高，電阻發生變化。利用半導體材料的這種待性，將氣體的成分和濃度變換成電信號，進行監測和報警。
[0004]氣體與人類的日常生活密切相關，對氣體的檢測已經是保護和改善生態居住環境不可缺少手段，氣敏傳感器發揮著極其重要的作用。例如生活環境中的一氧化碳濃度達0.8?1.15ml/L時，就會出現呼吸急促，脈搏加快，甚至暈厥等狀態，達1.84ml/L時則有在幾分鐘內死亡的危險，因此對一氧化碳檢測必須快而準。如利用Sn02金屬氧化物半導體氣敏材料，通過顆粒超微細化和摻雜工藝制備Sn02納米顆粒，并以此為基體摻雜一定催化劑，經適當燒結工藝進行表面修飾，制成旁熱式燒結型CO敏感元件，能夠探測0.005%?0.5%范圍的CO氣體。此外，還有許多易爆可燃氣體、酒精氣體、汽車尾氣等有毒氣體的探測均用到半導體氣敏傳感器。因為半導體氣敏傳感器具有靈敏度高、響應快、穩定性好、使用簡單的特點，應用極其廣泛。
[0005]目前常見的半導體氣敏元件主要有2種類型:一種是直熱式燒結球型，元件由螺旋狀加熱絲和測量電極滲入到金屬氧化物內后燒結而成，工作溫度較低，加熱功率小，結構簡單；另一種是旁熱式厚膜瓷管型，元件以A1203陶瓷管為管芯，加熱線圈則插入絕緣管內，管外涂梳狀電極作為測量極，兩端焊上Pt絲作為電極引腳，瓷管外壁金電極外涂覆氣敏材料，經高溫燒結成器件，這種結構可以有效的避免測量極與加熱部分的互相干擾，但是具有功耗大，加熱溫度不好測量等缺點。
[0006]目前，不論是旁熱式的還是直熱式的氣敏元件，均在加熱的反應溫度重復差的問題，因為反應的溫度與施加的電壓、加熱絲的粗細、加熱絲纏繞的圈數、加熱絲纏繞的緊湊型、加熱絲纏繞的直徑等因素相關，存在重復性比較差的問題。
【發明內容】
[0007]為解決上述問題本發明提供了一種新型的半導體氣敏器件及其制作方法。本發明中的測量部分和加熱部分均設在陶瓷管的表面，實現了一體化，具有可靠性高的優點且本發明所消耗的功耗比旁熱式半導體元件更低。
[0008]為達到上述技術效果，本發明的技術方案是:
[0009]一種新型的半導體氣敏器件的制作方法，包括如下步驟:
[0010]步驟一)陶瓷管清洗:采用分步清洗的方法清洗用于制作傳感器的陶瓷管表面，先用丙酮清洗，再用酒精清洗，最后使用去離子水進行超聲清洗30min，最后烘干；
[0011]步驟二)氧化鎢納米材料制備:在一密閉容器上打兩個孔，孔內插入鎢桿作為反應電極，將鎢絲固定在鎢桿之間，然后反應電極之間加上35-45V的交流電壓，反應時，鎢絲發光的同時溢出黃色濃煙；待反應結束后，冷卻，即獲得氧化鎢納米材料；
[0012]步驟三)加熱環的制備:在陶瓷管的外表面噴涂感光銀漿，然后烘干，烘干溫度為90°C，烘干時間為10?15min;然后將軟菲林片覆蓋于陶瓷管的外表面上，然后將陶瓷管放入曝光機，曝光時間為Ils ;對曝光完成后的陶瓷管進行顯影，顯影液為質量分數為
0.1%?0.2%的碳酸鈉，顯影時間為15?30s，顯影后，加烘固化，加烘溫度為130°C，時間為 60min ；
[0013]步驟四)制備絕緣層:將制備好加熱環的陶瓷管的頭尾兩端使用高溫膠帶粘貼，然后將陶瓷片豎立和固定于原子層沉積設備中，沉積材料為AL203，沉積厚度為50nm ;
[0014]步驟五)制備測量電極:剝離陶瓷管上的高溫膠帶，在陶瓷管的首尾兩端涂敷銀漿漿料，銀漿漿料的寬度為2cm，晾干后，于550°C燒結30min ；
[0015]步驟六)敏感材料涂覆及燒結:將三氧化鎢粉末，進行研磨，先干磨一個小時，再摻入蒸餾水，繼續研磨一個小時，制得氣敏漿料；將漿料涂敷在步驟五)中制得的陶瓷管表面上，漿料涂敷覆蓋整個絕緣層及部分測量電極；然后自然干燥，干燥后燒結，燒結時，燒結溫度為600°C，燒結時間為2小時；
[0016]步驟七)焊接:將加熱極和電極引線分別焊結在燒結好的陶瓷管底座上；
[0017]步驟八)封裝和老化:將焊接好的陶瓷管用卡圈及雙層不銹鋼網罩封裝，即制得傳感器，然后將傳感器放入老化臺中于2.5V的加熱電壓下通電三天進行老化，改善元件性能，增加穩定性。
[0018]進一步的改進，步驟二)中的交流電壓為40V。
[0019]進一步的改進，所述雙層不銹鋼網罩的網口大小為100目。
[0020]一種新型的半導體氣敏器件，包括陶瓷管，所述陶瓷管為圓柱形；陶瓷管底部設有電極引線；陶瓷管外側面中部設有加熱環；陶瓷管外側面兩端設有測量電極；加熱環外部設有絕緣層；測量電極的部分外表面和絕緣層上涂有氣敏漿料。
[0021]進一步的改進，所述絕緣層的厚度為50nm。
[0022]進一步的改進，所述陶瓷管連接在底座上，底座上設有金屬外殼，金屬外殼頂部設有不銹鋼網，所述不銹鋼網為雙層不銹鋼網，不銹鋼網的網口大小為100目。
[0023]本發明的優點:
[0024]1、解決了氣敏器件加熱溫度定量問題，目前不管是直熱式的還是旁熱式的半導體器件，均是通過加熱絲纏繞而成，其加熱溫度是由兩端施加電壓、纏繞圈數及其直徑等因素決定的，存在不確定性，本發明通過在半導體工藝，直接在陶瓷管上制備加熱圈，可以精確的獲得其電阻等參數，也可以精確的獲取不同電壓下下溫度值。
[0025]2、降低了功耗，本發明是以陶瓷管為基底，直接在其管表面制備加熱圈，同時在加熱圈上，鍍一層50nm左右的絕緣層，敏感材料則直接涂覆于絕緣層和部分測量電極上，相比旁熱式加熱，可以降低功耗。
[0026]3、測量部分與加熱一體化、集成化，增加了器件的可靠性。
【附圖說明】
[0027]圖1為本發明的流程示意圖；
[0028]圖2為不同加熱電壓下元件的氣敏度對比圖；
[0029]圖3氣敏器件內部結構示意圖；
[0030]圖4氣敏器件內部結構層次示意圖；
[0031 ] 圖5氣敏器件外部示意圖。
【具體實施方式】
[0032]實施例1
[0033]如圖1所示的一種新型的半導體氣敏器件的制作方法，包括如下步驟:
[0034]1、陶瓷管清洗
[0035]用于制作傳感器的陶瓷管表面一般的污染物主要有油脂和塵埃，所采用的清洗劑主要是丙酮和酒精，采用分步清洗的方法，先用丙酮清洗，再用酒精清洗，最后使用去離子水進行超聲清洗30min，最后烘干。
[0036]2、氧化鎢納米材料制備
[0037]選擇一個密閉的容器，在容器打兩個孔，插入兩根鎢桿作為反應的電極，后鎢絲固定在兩根鎢桿之間，此時兩電極間加上40V左右交流電壓，這時可觀察到鎢絲發光的同時溢出黃色濃煙，待反應完后，冷