[发明专利]电阻式金属氧化物气体传感器及其制造方法和操作该传感器的方法

说明书

电阻式金属氧化物气体传感器包含支撑结构和布置在支撑结构上或部分地容纳在支撑结构中的多孔传感层(1)。电极(2)与多孔传感层(1)电连通，并且加热器(3)与多孔传感层(1)热连通。可操作加热器(3)以加热多孔传感层(1)至目标温度从而允许基于经由电极(2)提供的传感信号来测定目标气体即臭氧的存在或浓度。多孔传感层(1)包含相互连接的单晶金属氧化物纳米颗粒(14)的网络和该网络的气体选择性涂层(12)。多孔传感层(1)的厚度(t1)为至多10pm。涂层(12)包含氧化硅和氮化硅中的一种或多种，并具有小于5nm的厚度(t12)。

技术领域

本发明涉及电阻式金属氧化物气体传感器的领域，涉及操作电阻式金属氧化物气体传感器的方法，并涉及制造电阻式金属氧化物气体传感器的方法。

背景技术

气体传感器包括对一种或多种气体的存在或浓度敏感的传感(或活性)层或膜。一类气体传感器包括化敏电阻器，即电阻响应于其直接化学环境的改变而改变的材料。

化敏电阻器有时被定义为依赖于在传感材料和气态分析物(一种或多种)之间的直接化学相互作用。然而，化敏电阻器的更通常的定义包括电阻响应于其直接环境中任何类型的相互作用(化学的、氢键、范德华等)而改变的材料。在每种情况下，传感材料可含有金属氧化物材料。

在金属氧化物传感器中，气态分析物与加热的金属氧化物层相互作用。作为相互作用的结果，敏感层或膜的传导率可改变，并且可测量所述改变。这样的气体传感器还被称作“高温化敏电阻器”，因为在敏感膜的高温下分析物的化学性质转化成电阻。

这样的敏感层或膜需要加热器以加热传感材料。它因此可集成在半导体衬底上，在该情况下将加热器有利地布置在半导体衬底中开口上方的桥或悬臂上，由此与将加热器布置在衬底材料本体上方的器件相比减小热损失。将加热器布置在膜上具有若干优势，例如减小功率消耗和减小启动装置所需的时间。

WO 2018/053655 A1涉及电阻式金属氧化物气体传感器，具有支撑结构和布置在支撑结构上或部分地容纳在支撑结构中的传感材料片。所述片包含金属氧化物材料。电极与所述片电连通。传感器还包含与所述片热连通的加热器，和选择性气体渗透过滤器。选择性气体渗透过滤器包含含氟聚合物。

US 2019/033243 A1涉及微型的气体传感装置，其包括嵌有一个或多个加热元件的基于硅的基材。将一个或多个电极布置在基材上，并且将半导体气体传感层沉积在基材上方，包括在一个或多个电极上方。半导体气体传感层包括形成多孔基体的传感颗粒，和在传感颗粒上方沉积的纳米级阻隔氧化物层。阻隔层将气体吸附与传感颗粒的表面分开，并使从传感颗粒至阻隔氧化物层的基于电子隧穿的电荷转移过程成为可能。通过有利于检测强氧化和/或还原气体物质优先于较低反应性气体物质，阻隔氧化物层增强传感器稳定性并促进信号选择性。

US 2017/167999 A1涉及用于检测CO2气体的半导体型气体传感器，包括：气体敏感体，在该气体敏感体中氧化锡表面涂覆有稀土氧化物薄膜；在气体敏感体上紧密形成的一对正电极和负电极；和经构造以加热气体敏感体的微加热器。

US 5,624,640 A涉及检测测试气体中的氮氧化物(NO、NO2、N2O4)的传感器，具有在陶瓷基材上沉积的半导体金属氧化物层并且其电阻提供关于测试气体中氮氧化物(NO、NO2、N2O4)浓度的信息。传感器的主要组分是转化器层，其沉积在金属氧化物层上并由引起测试气体的易燃组分氧化并将测试气体中含有的一氧化氮(NO)转化成二氧化氮(NO2)或四氧化二氮(N2O4)并然后到达金属氧化物层的材料制成，以及加热金属氧化物层和转化器层的加热装置。转化器层由二氧化钛(TiO2)和/或氧化锆(ZrO2)和/或氧化硅(SiO2)和/或氧化铝(Al2O3)适当构成并具有0.01-20重量％的铂含量。

发明内容

本发明要解决的问题是提供对臭氧敏感并显示改进的选择性和/或改进长期稳定性的金属氧化物气体传感器。