零加热器功率激活的基于半导体金属氧化物的气体传感器的制作方法

零加热器功率激活的基于半导体金属氧化物的气体传感器
1.相关申请
2.本技术要求于2022年1月25日提交的美国临时专利申请第63/302,667号的优先权，在法律允许的最大范围内通过引用以其整体并入本技术。
技术领域
3.本公开涉及用于测试空气中挥发性有机化合物的基于半导体金属氧化物的气体传感器领域，其中本文公开的气体传感器被设计成在不使用加热元件的情况下进行操作。


背景技术：

4.使用薄膜金属氧化物半导体层形成的气体传感器是已知的，并且用于各种用途，诸如在如房间或建筑物的封闭环境中测试室内空气质量。
5.在图1a中示出了这种气体传感器10的常见设计。气体传感器10包括薄膜金属氧化物半导体层11(气体感测层)，其正面暴露在待测空气中，其背面与导热电绝缘层12接触。加热器13与导热电绝缘层12接触。该气体传感器10执行电阻型感测，这意味着薄膜金属氧化物半导体层11的电阻与前表面处被检测气体的相对存在成反比例地变化。换言之，膜电阻对应于被检测气体量的增加而降低，并且相反的，膜电阻对应于被检测气体量的减少而增加。
6.更详细地，参考图1b至图1d。图1b所示的锡(iv)-氧化物(sno2)膜，气体感测层11可以由该氧化锡膜形成。sno2膜是由晶粒形成的多晶。在晶界处并且在表面处，存在起到还原剂作用的sno分子。如图1c所示，在一定温度下(加热器13提供热量并通过层12热传导至气体感测层11)，如图1d所示，大气中的氧气被sno分子内的锡吸收，形成sno2分子。因为这些电子用于在吸附的氧原子和锡之间形成键，因此这具有减少自由电子的作用，因此，随着施加热量和吸收氧气，气体感测层11的电导率降低，气体感测层11的电阻增加。
7.如果存在被检测气体，则气体感测层11表面上吸附的气体与被检测气体发生反应。在图1d，示出了甲烷的示例，甲烷与气体感测层11表面上吸附的气体之间的反应的副产物为二氧化碳(co2)、水(h2o)和电子，其被分以增加气体感测层11的导电性。因此，如上所述，当被检测气体存在于气体传感器10附近时，气体感测层11的电阻减小，层11的电阻降低的越大表示被检测气体的量越大。
8.气体感测层11的电阻通过在气体感测层11两端施加已知电压，然后感测所得电流的方式测量。电流将随着气体感测层11的电阻减小而增加，并且将随着气体感测层11的电阻增加而减小。
9.参考图1e描述了一种用于操作加热器13的技术，其中可以观察到，在测量模式之外(已知待检测气体存在于环境中的时间，例如在气体传感器10的校准期间)，加热器13以脉冲方式被激活。在测量模式之外的每个脉冲期间，气体感测层11的电阻由于大气中的氧气的吸附而增加(电导率降低)。在测量模式期间，一旦存在足够量的待检测气体并且加热器13被激活，则气体感测层11的电阻由于大气中的氧气的快速吸附而最初增加，但随时间
的推移而随着被检测气体与气体感测层11表面上的吸附气体发生反应而减小。
10.虽然这种现有技术的气体传感器10对于某些应用是有效的，但一个缺点在于使用加热器，因为操作加热器会消耗电力。需要降低功耗。因此，需要进一步改进。


技术实现要素：

11.本发明公开了一种气体传感器，由通过薄膜半导体金属氧化物材料形成的气体感测层构成，具有导热电绝缘层，该导热电绝缘层与气体感测层的背面直接物理接触，从而支撑气体感测层。感测电路系统被配置为向气体感测层施加电压并且测量流过气体感测层的所得电流。流过气体感测层的电流指示被检测气体是否已经被气体感测层检测到，并且用于自加热气体感测层。支撑结构围绕导热且电绝缘层的背面的周界承载且直接物理接触导热电绝缘层，其中支撑结构被形成为使得在导热电绝缘层的背面与支撑结构之间形成气隙层。
12.气体感测层的电导率在存在被检测气体时增加，并且在不存在被检测气体时减小。
13.薄膜半导体金属氧化物材料可以由锡(iv)-氧化物(sno2)、钨(iii)-氧化物(w2o3)和/或氧化锌(zno)形成。
14.薄膜半导体金属氧化物材料可以包括诸如铂或钯的掺杂剂。
15.气体感测层可以具有介于50nm与60nm之间的厚度。
16.支撑结构可以从衬底延伸，并且可以在导热、电绝缘层的背面和衬底的正面之间形成气隙。
17.本发明还公开了一种方法，将电压施加到由导热电绝缘层承载的气体感测层，导热电绝缘层本身被支撑结构承载，以及使用由于施加的电压而流过气体感测层的电流自加热气体感测层，施加的电压还导致被限定在支撑结构与导热电绝缘层之间的气隙内的空气的加热。该方法还包括通过测量流过气体感测层的电流来检测被检测气体，其中电流的增加表示存在被检测气体，电流的减少表示不存在被检测气体。
18.该方法还可以包括由薄膜半导体金属氧化物材料形成气体感测层，其中薄膜半导体金属氧化物材料是锡(iv)-氧化物(sno2)、钨(iii)-氧化物(w2o3)的至少一项。
19.该方法还可以包括用掺杂剂掺杂薄膜半导体金属氧化物材料，掺杂剂是铂和钯中的至少一项。
20.气体感测层可以形成为具有介于50nm与60nm之间的厚度。
21.本发明还公开了一种气体传感器，包括：气体感测层；导热、电绝缘层，与气体感测层的背面直接物理接触，从而支撑气体感测层；感测电路系统，被配置为确定气体感测层是否检测到被检测气体，同时引起气体感测层的自加热；以及支撑结构，围绕导热、电绝缘层的背面的周界承载该导热电绝缘层，其中支撑结构被形成为使得在导热且电绝缘层的背面与支撑结构之间形成气隙。
22.气体感测层的电导率可以在存在被检测气体时增大，并且在不存在被检测气体时减小。
23.气体感测层的厚度可以具有介于50nm与60nm之间的厚度。
24.气体传感器可以包括衬底，该衬底从支撑结构延伸，并且气隙可以形成在导热、绝
缘层的背面和衬底的正面之间。
25.气体感测层可以由掺杂薄膜半导体金属氧化物材料构成。
26.掺杂薄膜半导体金属氧化物材料可以由锡(iv)-氧化物(sno2)、钨(iii)-氧化物(w2o3)和氧化锌(zno)中的至少一项形成。
27.掺杂薄膜半导体金属氧化物材料可以掺杂有铂和钯中的至少一项。
附图说明
28.图1a是已知现有技术的气体传感器的截面图。
29.图1b示意性地描绘了图1a的现有技术的气体传感器的气体感测层的晶粒结构。
30.图1c示意性地描绘了在图1的现有技术的气体传感器的气体感测层表面处的大气中的氧气的吸附。
31.图1d示意性地描绘了被检测气体与气体感测层表面之间的反应。
32.图1e示出了图1的现有技术的气体传感器在存在被检测气体的情况下的响应的曲线图。
33.图2是本文公开的气体传感器的截面图。
34.图3a至图3c示意性地示出了图2的气体传感器的气体感测层的自加热过程，以及由图2的气体传感器的气体感测层感测被检测气体的过程。
35.图4a至图4c示意性地示出了当气体感测层包括掺杂剂时图2的气体传感器的气体感测层的自加热过程，以及由该气体感测层感测被检测气体的过程。
36.图5示出了当暴露于包含挥发性有机化合物的气体时图2的气体传感器响应的曲线图。
37.图6是本文公开的气体传感器的替代实施例的截面图。
具体实施方式
38.以下公开使本领域技术人员能够制造和使用本文公开的技术方案。在不脱离本公开的精神和范围的情况下，本文描述的一般原理可以应用于除上述详述的实施例和应用之外的其他实施例和应用。本发明不限于所示的实施例，而是要符合与本文公开或建议的原理和特征一致的最宽范围。注意，在以下说明中，除非有相反说明，否则任何描述的电阻器或电阻都是分立设备，并且简单地是两点之间的电引线。因此，耦合在两点之间的任何描述的电阻器或电阻具有比该两点之间的导线更大的电阻，并且这样的电阻器或电阻不能被解释为引线。类似地，除非有相反说明，否则任何描述的电容器或电容都是分立设备，并且除非有相反说明，否则均为非寄生。此外，除非有相反说明，否则任何描述的电感器或电感均为分立设备，并且除非另有说明，否则均为非寄生。
39.现在首先参考图2描述气体传感器20，并且其可以用于检测诸如乙醇、甲醛、甲苯、苯等挥发性有机化合物(voc)。气体传感器20包括薄膜金属氧化物半导体层21(气体感测层)，其可以是例如，锡(iv)-氧化物(sno2)膜、钨(iii)-氧化物(w2o3)膜、氧化锌(zno)膜等，具有介于50nm-60nm范围内的厚度。气体感测层21的正面暴露在待测空气中，并且气体感测层21的背面与导热电绝缘层22(例如氮化硅、氮氧化硅、二氧化硅等)接触。支撑件23承载导热电绝缘层22，在导热电绝缘层22的背面下方形成气隙26。
40.气体传感器20执行电阻型感测，其中如果在气体传感器20附近存在被检测气体，则气体感测层21的电阻减小，并且如果在气体传感器20附近不存在被检测气体，则气体感测层21的电阻增大。感测电路系统25在气体感测层21两端施加已知的感测电压vs，并且测量流过气体感测层21的电流is作为结果。电流越高，气体感测层21的电阻越低，并且因此检测到的气体量越大。
41.注意，在导热电绝缘层22和气隙26之间没有加热器或加热层，并且事实上，气体传感器20没有加热器或加热层，其中气体传感器20中的热量仅由气体感测层21内的功率消耗提供。
42.作为施加感测电压vs的结果，电流流过气体感测层21，并且因为层21是电阻性的，因此一些能量以热的形式被消耗。在图3a中所示的是气体感测层21的多晶结构的两个晶粒和在启动条件期间流过其中的电流。还示出了跨越晶粒势垒的电势梯度很小。
43.如图3b所示，随着由电流生成的热量开始加热气体感测层21，大气中的氧气开始被晶粒吸收。由于存在被吸附的氧，在晶粒势垒处形成空间电荷区，因此跨越晶粒势垒的电势梯度增加。
44.如图3c所示，当被检测气体(例如voc)在气体传感器20附近时，被检测气体与气体感测层21表面上被吸附的气体发生反应，产生作为产物中的一种的自由电子，其减小空间电荷区域并且降低跨越晶粒势垒的电势梯度，从而增加气体感测层21的电导率(增加电阻)。
45.气体感测层21可以掺杂有催化剂(例如，铂或钯)，其具有由于自加热而进一步降低跨越晶粒势垒的电势梯度的效果，从而降低功耗，如图4a-4c中可以观察到的那样。
46.可以在图5的曲线图中看到气体感测层21的响应(电阻变化)，可以观察到当启动时，随着大气中的氧气被气体感测层21吸附，电阻最初增加，但是一旦气体感测层21暴露于诸如voc的被检测气体，气体感测层21的电阻由于吸附的大气中的氧气与被检测气体之间的反应而急剧下降。同样如图所示，一旦去除voc的供应并供应新鲜空气，气体感测层21的电阻再次增加，然后一旦再次引入voc，气体感测层21的电阻再次急剧下降，说明气体传感器20的操作的可重复性。
47.这种气体传感器设计20的好处包括省电，因为除了气体感测层21之外没有其他热源消耗功率，以及由于气体感测层21的薄度而具有快速响应时间，以及使用气隙26加热和捕获空气，以保持由气体感测层21生成的热量中的尽可能多的热量不被辐射到导热电绝缘层22之外，这有助于将其吸收的热量均匀地施加到气体感测层21。
48.最后，清楚的是，可以在不脱离如所附权利要求中所限定的本发明的范围的情况下对本公开所描述和例示的内容进行修改和变化。
49.虽然已经关于有限数量的实施例描述了本公开，但是受益于本发明的本领域技术人员将理解，可以设想不脱离本发明公开的本发明的范围的其他实施例。作为示例，支撑件23可以从衬底24延伸以承载导热电绝缘层22，从而在导热电绝缘层22和衬底24之间产生气隙26。因此，本发明的范围应仅受所附权利要求的限制。

技术特征：
1.一种气体传感器，包括：气体感测层，由薄膜半导体金属氧化物材料制成；导热且电绝缘层，与所述气体感测层的背面直接物理接触，从而支撑所述气体感测层；感测电路系统，被配置为向所述气体感测层施加电压并且测量流所述过气体感测层的所得电流；其中流过所述气体感测层的所述电流指示被检测气体是否已经被所述气体感测层检测到，并且用于自加热所述气体感测层；以及支撑结构，围绕所述导热且电绝缘层的背面的周界承载且直接物理接触所述导热且电绝缘层，其中所述支撑结构被形成为使得在所述导热且电绝缘层的所述背面与所述支撑结构之间形成气隙，从而捕获由所述气体感测层生成的空气和热量，使所述空气和热量不被辐射到所述导热且电绝缘层以外的地方。2.根据权利要求1所述的气体传感器，其中所述气体感测层的电导率在存在所述被检测气体时增加，并且在不存在所述被检测气体时减小。3.根据权利要求1所述的气体传感器，其中所述薄膜半导体金属氧化物材料包括以下中的至少一项：锡iv-氧化物sno2、钨iii-氧化物w2o3以及氧化锌zno。4.根据权利要求1所述的气体传感器，其中所述薄膜半导体金属氧化物材料包括掺杂剂。5.根据权利要求4所述的气体传感器，其中所述掺杂剂包括铂和钯中的至少一项。6.根据权利要求1所述的气体传感器，其中所述气体感测层具有介于50nm与60nm之间的厚度。7.根据权利要求1所述的气体传感器，还包括衬底，所述支撑结构从所述衬底延伸，并且其中所述气隙形成在所述导热、绝缘层的背面和所述衬底的正面之间。8.一种方法，包括：将电压施加到由导热且电绝缘层承载的气体感测层，所述导热且电绝缘层本身被支撑结构承载；使用由于施加的电压而流过所述气体感测层的电流自加热所述气体感测层，施加的电压还导致被限定在所述支撑结构与所述导热且电绝缘层之间的气隙内的空气的加热；以及通过测量流过所述气体感测层的所述电流来感测被检测气体，其中所述电流增加表示存在所述被检测气体，并且所述电流减小表示不存在所述被检测气体。9.根据权利要求8所述的方法，还包括由薄膜半导体金属氧化物材料形成所述气体感测层。10.根据权利要求9所述的方法，其中所述薄膜半导体金属氧化物材料包括以下中的至少一项：锡iv-氧化物sno2、钨iii-氧化物w2o3和氧化锌zno。11.根据权利要求9所述的方法，还包括用掺杂剂掺杂所述薄膜半导体金属氧化物材料。12.根据权利要求11所述的方法，其中所述掺杂剂包括铂和钯中的至少一项。13.根据权利要求8所述的方法，其中所述气体感测层形成为具有介于50nm与60nm之间的厚度。14.一种气体传感器，包括：
气体感测层；导热且电绝缘层，与所述气体感测层的背面直接物理接触，从而支撑所述气体感测层；感测电路系统，被配置为确定被检测气体是否已经被所述气体感测层检测到，同时引起所述气体感测层的自加热；以及支撑结构，围绕所述导热且电绝缘层的背面的周界承载所述导热且电绝缘层，其中所述支撑结构被形成为使得在所述导热且电绝缘层的所述背面与所述支撑结构之间形成气隙。15.根据权利要求14所述的气体传感器，其中所述气体感测层的电导率在存在所述被检测气体时增增加，并且在不存在所述被检测气体时减小。16.根据权利要求14所述的气体传感器，其中所述气体感测层具有介于50nm与60nm之间的厚度。17.根据权利要求14所述的气体传感器，还包括衬底，所述支撑结构从所述衬底延伸，并且其中所述气隙形成在所述导热、绝缘层的背面和所述衬底的正面之间。18.根据权利要求14所述的气体传感器，其中所述气体感测层由掺杂薄膜半导体金属氧化物材料构成。19.根据权利要求18所述的气体传感器，其中所述掺杂薄膜半导体金属氧化物材料包括以下中的至少一项：锡iv-氧化物sno2、钨iii-氧化物w2o3和氧化锌zno。20.根据权利要求18所述的气体传感器，其中所述掺杂薄膜半导体金属氧化物材料掺杂有铂和钯中的至少一项。

技术总结
本公开的实施例涉及零加热器功率激活的基于半导体金属氧化物的气体传感器。气体传感器由薄膜半导体金属氧化物气体感测层形成，具有导热且电绝缘层，该导热且电绝缘层与气体感测层的背部直接物理接触以承载气体感测层。感测电路系统向气体感测层施加电压并且测量流过气体感测层的电流。流过气体感测层的电流被检测气体是否已经被气体感测层检测到，并且用于自加热气体感测层。支撑结构从衬底延伸以围绕导热且电绝缘层的背面承载且直接物理接触导热且电绝缘层，其中支撑结构被形成为在衬底的正面和导热且电绝缘层的背部之间形成气隙。的正面和导热且电绝缘层的背部之间形成气隙。的正面和导热且电绝缘层的背部之间形成气隙。


技术研发人员：R
受保护的技术使用者：意法半导体有限公司
技术研发日：2023.01.20
技术公布日：2023/8/1