[发明专利]一种金属氧化物半导体气体传感器及其制备方法和应用

说明书

本发明属于气体传感器领域，尤其涉及一种金属氧化物半导体气体传感器及其制备方法和应用。本发明提供的气体传感器包括：导电纤芯；包覆在所述导电纤芯侧面的二氧化硅包层；缠绕固定于所述二氧化硅包层表面的两个气体检测电极；包覆在所述二氧化硅包层表面的金属氧化物半导体层，两个所述气体检测电极的自由端从所述金属氧化物半导体层穿出；和设置在所述导电纤芯两端的加热电极。本发明提供的气体传感器以导电纤芯作为热源，以二氧化硅作为绝缘基底，具有热源利用率高、体积小、制备工艺简单等优点，且该气体传感器还具有一定的柔韧性，使金属氧化物半导体气体传感器的柔性可穿戴应用成为可能。

技术领域

本发明属于气体传感器领域，尤其涉及一种金属氧化物半导体气体传感器及其制备方法和应用。

背景技术

气体传感器是一种能够检测目标气体的种类及浓度，并将其以电信号进行输出的器件。气体传感器可分为半导体气体传感器、固体电解质气体传感器、接触燃烧式气体传感器、电化学气体传感器、光学气体传感器等。其中金属氧化物半导体气体传感器是半导体气体传感器中的一种，具有响应快、灵敏度高、性能稳定、结构简单、成本低等特点，在所有种类气体传感器中占比约60％，目前获得广泛的研究和应用，如ZnO、SnO₂、Fe₂O₃、In₂O₃、WO₃、TiO₂、Co₃O₄等，已被开发为气体检测活性材料。金属氧化物半导体气体传感器的灵敏度与其工作温度相关，一般在200℃以上传感器具有最高的响应灵敏度。

目前，常见的金属氧化物半导体气体传感器通常是将气敏材料涂敷在陶瓷管和直接生长在MEMS等硬性基底上，具有以下缺点：

(1)对于陶瓷管结构的气体传感器而言，普遍是采用陶瓷管内置加热丝的工艺，但是这种方法做出的加热层由于空间较大，空气流动较快，也会造成热量散失较快，影响隔热效果，从而大大增加了功耗。

(2)对于MEMS传感器技术方案中，为降低功耗，实现结构保温普遍采用绝热槽。目前，基于MEMS加工技术制作的硅基气体传感器普遍采用的结构是：在单晶硅基底的上表面沉积一层氮化硅膜层作为下绝缘层，在单晶硅基底的下表面制备绝热槽。制备绝热槽时可使用背面湿法刻蚀工艺，也可先对下绝缘层蚀刻出悬臂梁，再往下湿法刻蚀出倒金字塔式绝热槽。两种绝热槽可以更好的防止热量的散失以降低功耗。下绝缘层上方通过剥离工艺(lift-off)加工出铂加热丝层，通过给加热丝通电即可产生热量，形成气体传感器工作所需要的温度。在铂加热丝表面上又沉积一层氮化硅层作为上绝缘层，最后沉积温度敏感层和气体敏感层。但是这种方法蚀刻出绝热槽后加热层与气体敏感层仅靠一层薄膜结构的氮化硅层支撑，而该薄膜仅在两端被悬臂结构的支撑衬底支撑，这种薄膜结构的绝缘层力学性能较差，在器件受到震动或者碰撞时易发生破裂导致器件失效。除此之外，由于隔热层与加热丝的热膨胀系数的差异，在高温下隔热层易翘曲使加热丝易从隔热层脱落，同样导致器件失效。其次，悬臂结构的绝热槽利用悬臂之间的空气隔热，由于空间较大，空气流动较快，也会造成热量散失较快，影响隔热效果。再次，该种绝热槽的制备工艺复杂，对控制条件要求较高，从而增加了加工难度。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种金属氧化物半导体气体传感器及其制备方法和应用，本发明提供的气体传感器热源利用率高，体积小。

本发明提供了一种金属氧化物半导体气体传感器，包括：

导电纤芯；

包覆在所述导电纤芯侧面的二氧化硅包层；

缠绕固定于所述二氧化硅包层表面的两个气体检测电极；

包覆在所述二氧化硅包层表面的金属氧化物半导体层，两个所述气体检测电极的自由端从所述金属氧化物半导体层穿出；

和设置在所述导电纤芯两端的加热电极。