[发明专利]气敏器件及其制造方法

说明书

本发明涉及一种薄膜半导体气敏器件及其制造方法。

作为用金属氧化物半导体的气敏器件，在陶瓷衬底上涂覆气敏材料的电阻型气敏器件被广泛使用。

这种电阻型气敏器件是一种厚膜敏感器件。图1是该气敏器件的剖面图，而图2a和2b是该气敏器件的电极和加热器的平面图。

如图1所示，在该厚膜气敏器件中，为读取电信号的电极1和能够对所检测的气体产生反应的气敏层2被形成在陶瓷衬底4的前表面上。而加热器3则被形成在陶瓷衬底4的背面上，该加热器用来加热气敏层2，使之达到一预定的温度，以增强气敏层2对检测气体的反应。此时，陶瓷衬底4通常是用厚度约为0.635mm的铝(Al₂O₃)基片或铝柱体制成。

图2a和2b是电极1和加热器3的平面视图，其电阻型气敏器件是形成在由铝制成的陶瓷衬底4的背面上，而加热器3是用丝网印刷方法通过涂覆导电材料并在高温下焙烧而形成。至于制造加热器的导电材料，则是采用RuO₂基材料、Ni-Cr基材料、W-Pt基材料等等。

电极1是采用丝网印刷方法在陶瓷衬底4的前表面上涂覆导电材料，例如Pt，然后在高温下焙烧形成。用为加热器或电极的导电材料应当具有适合丝网印刷方法的适当粘度，并且应当维持各种材料混合于其中的粘液状态，以便易于粘接到衬底上。

厚度约为几μm-几十μm的气敏层2是采用丝网印刷方法在陶瓷衬底4上以及这些电极2之间，涂覆用有机溶剂均匀混合的气敏材料和催化剂的混合型粉末的糊状物，然后在300～1000℃下焙烧形成，从而产生气敏器件。

作为气敏层2的气敏材料所用的粉末是由共沉淀获得，或是采用惯用粉末中细且均匀的粉末。通常，对气敏层2的气敏材料来说，常规所用的各种材料都能应用。例如，通常用SnO₂以检测易燃气体，WO₃用于检测酒精，金属氧化物半导体，如ZnO则用于检测各种气体。在气敏层2中加入催化剂是为了增强对气体检测的反应。各种状态的贵金属如Au、Pt、Pd等，能作为催化剂加入气敏层2中。

用于气敏层的糊状物是由研磨气敏材料并用有机溶剂混合由此获得的粉末制备而成的。用作气敏材料的粉末的制备过程如下。

首先，称适量的催化剂到气敏材料中，将该混合物进行球磨，使气敏材料和催化剂均匀地混合。也就是说，在将气敏材料与催化剂按恒定比例混合后，用酒精和适当尺寸的球将该混合物进行球磨。通过使被球磨的混合物过筛，使球与粉末分离。该粉末在红外干燥设备中被充分地干燥以使酒精蒸发。此时，应注意不使催化剂结块沉淀。

用玛瑙研钵将干燥过的粉末研磨到适当的粒度，然后该粉末与酒精和球混合进一步研磨该粉末使之更细。研磨过的粉末进行过筛，使其与球分离，然后用红外干燥器干燥使酒精蒸发。该干燥后的粉末再次在玛瑙钵中研磨，以获得含有催化剂的粉末成品。

气敏材料研磨到如此细的粉末的原因是为了增加在对检测气体反应期间的接触表面积，以及增加粘度。

在常规气敏器件中，氧化物如CuO被用来作为催化剂，当陶瓷衬底和气敏层粘附状态不佳时，SiO、Al₂O₃或其它被加到气敏材料中作为补偿。SiO₂、Al₂O₃或其它也能够以与催化剂加入到气敏材料相同的方法被加入到气敏材料中。

与各种材料混合的气敏材料，用有机溶剂构成糊状，以获得具有能容易地应用丝网印刷方法的合适粘度的气敏材料糊状物。至于所说溶剂，是在80℃下、在α-萜烯醇中溶解5～10％的乙基熔纤剂搅拌制备而成的溶液。

图3是常规烧结的气敏器件的透视图。

在图3所示的陶瓷柱型气敏器件中，气敏层不可能由丝网印刷方法形成。因此，气敏材料、如SnO₂糊状物是用刷子将其涂覆于柱形陶瓷管5的表面上来形成气敏层5。通过形成电极和加热器的顺序工艺制成的两个电极7-1和7-2以及加热器6在用导线将它们连接后进行使用。

由此获得的气敏器件如图1～3所示的，被称为电阻型半导体气敏器件，其工作机理如下所述。

所说气敏层对检测气体敏感的原理如下。

开始，各种气体，如在空气中的氧以化学的形式键合在气敏层的表面上。化学键合的气体通过半导体态气敏层中的电子而形成束缚。

因此，气敏层缺乏电子，从而使其导电率逐渐下降。这就是说，气敏层的电阻由于电阻的增加而明显增加。