一种气体传感器及传感器阵列的制作方法

本实用新型属于本实用新型属于微电子机械系统和气体检测技术领域，具体涉及一种气体传感器及传感器阵列。

背景技术：

基于微电子机械系统(MEMS)技术的气体传感器，由于其小尺寸、低功耗、高灵敏度和快速响应等特点，逐步显现出巨大的应用潜力，将有望取代基于传统技术的气体传感器，在物联网、移动端和人工智能等领域广泛应用。而在MEMS 气体传感器中，又因采用金属氧化物半导体(MOS)材料的传感器具有广泛的检测范围，在未来的大规模应用中具有更为广阔的市场空间。

目前MEMS MOS气体传感器中，主要以基于悬膜式微型加热器的研究居多，该结构的传感器具有较低的功耗，一般可低至20毫瓦，如专利号为 201520759054.6的实用新型专利提供了一种具有四支撑悬梁四层结构的电阻式气体传感器，其具有自下而上依次设置的硅衬底框架、加热膜层、加热电极层和敏感膜层，其中加热膜层包括加热膜区，该加热膜区通过四根悬梁与硅衬底框架连接。又如专利号为CN201520759055.0的实用新型专利提供了一种具有两支撑悬梁四层结构的电阻式气体传感器，该传感器也包括自下而上依次设置的硅衬底框架、加热膜层、加热电极层和敏感膜层，其中加热膜层包括加热膜区，该加热膜区通过两根悬梁与硅衬底框架连接。这些多悬梁式气体传感器功耗虽然较低，但随着移动端和物联网应用的高速发展，其已不能满足需要。同时多悬梁式气体传感器在制备时，存在工艺复杂、定位困难、效率低下的问题。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题在于：如何进一步降低悬梁式气体传感器的功耗。

本实用新型采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种气体传感器，具有基体结构和悬梁结构，包括自下而上依次层叠设置的如下各部分：

硅衬底；

检测电极，包括第一基部，所述第一基部的一侧边设有向上翘曲的第一悬臂，所述第一悬臂的自由端设有第一卷曲部；第一基部远离第一悬臂的一侧设有第一窗口，所述第一悬臂上设有第二窗口，该第二窗口沿第一悬臂延伸至第一卷曲部，并将第一卷曲部分割，第二窗口与第一窗口联通，将检测电极分割为两部分；第一基部位于第一窗口两侧的位置处分别设有第一引线；

第一隔离膜，为氮化硅层，包括第二基部，所述第二基部的一侧边设有向上翘曲的第二悬臂，所述第二悬臂的自由端设有第二卷曲部；第二基部对应于第一引线的位置设有第一透过孔，所述第一引线穿过第一透过孔暴露在外；

加热电阻，包括第三基部，所述第三基部的一侧边设有向上翘曲的第三悬臂，所述第三悬臂的自由端设有第三卷曲部；第三基部背离第三悬臂的一侧设有第三窗口，所述第三悬臂上设有第四窗口，该第四窗口沿第三悬臂延伸至第三卷曲部，第四窗口与第三窗口联通；第三基部位于第三窗口两侧的位置处分别设有第二引线；所述加热电阻的厚度小于第一隔离膜的厚度，且加热电阻不覆盖第一基部；

第二隔离膜，为氮化硅层，包括第四基部，所述第四基部的一侧边设有向上翘曲的第四悬臂，所述第四悬臂的自由端设有第四卷曲部；第四基部上对应于第二引线的位置设有第二透过孔；且第四基部不遮盖第一透过孔；

所述第一基部、第二基部、第三基部和第四基部对应设置形成所述基体结构；所述第一悬臂、第二悬臂、第三悬臂和第四悬臂对应设置，且所述第一卷曲部、第二卷曲部、第三卷曲部及第四卷曲部由内至外依次设置形成所述悬梁结构；

所述第一卷曲部外包裹有气敏材料。

优选地，本实用新型所述的一种气体传感器，所述第一悬臂、第二悬臂、第三悬臂和第四悬臂的水平投影呈矩形。

优选地，本实用新型所述的一种气体传感器，所述第一悬臂、第二悬臂、第三悬臂和第四悬臂的水平投影呈等腰梯形，且沿远离基体结构的方向，所述第一悬臂、第二悬臂、第三悬臂和第四悬臂的宽度逐渐增大。

优选地，本实用新型所述的一种气体传感器，所述第一隔离膜上设有第一孔，所述第一孔自第二悬臂靠近第二基部的一端延伸至第二卷曲部。

优选地，本实用新型所述的一种气体传感器，所述第二隔离膜上设有第二孔，所述第二孔自第四悬臂靠近第四基部的一端延伸至第四卷曲部，并与第一孔对应设置。

优选地，本实用新型所述的一种气体传感器，所述第三基部位、第四基部于第一透过孔朝向第二悬臂的一侧；或第三基部位于第一透过孔背离第二悬臂的一侧，第三悬臂位于两个第一透过孔之间，且第四基部上对应于第一透过孔的位置设有第三透过孔。

优选地，本实用新型所述的一种气体传感器，所检测电极、第一隔离膜、加热电阻、第二隔离膜的厚度均为

本实用新型提供了一种气体传感器阵列，其特征在于，其由多个如上述的气体传感器构成。

本实用新型技术有益效果：

本发明技术方案采用单悬梁式结构，将有效区设置在悬梁端部，通过减小有效区面积和降低悬梁数量使得传感器的功耗降至1毫瓦；该传感器的卷曲结构比同等面积的平面型结构加载更多的敏感材料，有利于提供传感器的灵敏度和稳定性；加热电阻位于卷曲结构的内部，由内而外进行加热，有利于提高加热效率和温度均匀性；检测电极位于卷曲结构的外部，直接检测附着在电极外部的气敏材料，与气体的接触面积大，有利于提高灵敏度和响应速度；卷曲的单悬梁式的传感器尺寸更小、集成度更高，集成度较现有多悬梁式结构提高一个数量级；

本实用新型提出的卷曲的单悬梁式气体传感器的制备方法工艺简单、易于定位，有效提高了生产效率，同时也更易于制备具有气质材料的复合结构的气敏材料。

附图说明

图1为本实用新型实施例一所述的一种气体传感器的结构示意图，

图2为图1的爆炸示意图；

图3为图2中A处放大示意图；

图4为图2中B处放大示意图；

图5为本实用新型实施例二所述的一种气体传感器的爆炸示意图；

图6为本实用新型实施例三所述的一种气体传感器的爆炸示意图；

图7为本实用新型实施例四所述的一种气体传感器阵列的结构示意图。

具体实施方式

为便于本领域技术人员理解本实用新型技术方案，现结合说明书附图对本实用新型技术方案做进一步的说明。

实施例一

参阅图1至图4，本实施例提供的一种气体传感器，包括硅衬底1、检测电极2、第一隔离膜3、加热电阻4、第二隔离膜5和气敏材料6。

该传感器具有基体结构和悬梁结构，一般情况下，基体结构呈矩形，悬梁结构设置在基体结构一长边的中部，因而，该传感器的水平投影呈“T”型。所述硅衬底1、检测电极2、第一隔离膜3、加热电阻4及第二隔离膜5自下而上依次层叠设置，该传感器的具体结构如下：

硅衬底1，其上、下端面均呈矩形；

所述检测电极2一般为贵金属材料电极，如金属铂或金。该检测电极2包括外形呈矩形的第一基部21，所述第一基部21的一长边的中部设有向上翘曲的第一悬臂22，所述第一悬臂22的自由端设有第一卷曲部23；第一基部21远离第一悬臂22的一侧设有第一窗口24，所述第一悬臂22上设有第二窗口25，该第二窗口25沿第一悬臂22延伸至第一卷曲部23，并将第一卷曲部23分割，第二窗口25与第一窗口24联通，将检测电极2分割为两部分；第一基部21位于第一窗口24两侧的位置处分别设有第一引线(图中未示出)。

所述第一隔离膜3为氮化硅层，其设置目的是对检测电极2及加热电极4 进行电隔离。第一隔离膜3包括第二基部31，所述第二基部31的一长边中部设有向上翘曲的第二悬臂32，所述第二悬臂32的自由端设有第二卷曲部33；第二基部32对应于第一引线的位置设有第一透过孔34，所述第一引线穿过第一透过孔34暴露在外；

所述加热电阻4有金属材料构成，一般为金属铂，用以对检测电极2进行加热获得工作所需的温度。加热电阻4包括第三基部41，所述第三基部41的一长边中部设有向上翘曲的第三悬臂42，所述第三悬臂42的自由端设有第三卷曲部 43；第三基部41背离第三悬臂42的一侧设有第三窗口44，所述第三悬臂42上设有第四窗口45，该第四窗口45沿第三悬臂42延伸至第三卷曲部43，第四窗口45与第三窗口44联通；第三基部41位于第三窗口44两侧的位置处分别设有第二引线(图中未示出)；所述加热电阻4的厚度小于第一隔离膜3的厚度，且加热电阻4不覆盖第一基部21；

所述第二隔离膜5为氮化硅层，其覆盖在加热电阻4上，以避免加热电阻4 与外界接触而受影响。第二隔离膜包括第四基部51，所述第四基部51的一长边中部设有向上翘曲的第四悬臂52，所述第四悬臂52的自由端设有第四卷曲部53；第四基部51上对应于第二引线的位置设有第二透过孔54；且第四基部51不遮盖第一透过孔34；

所述第一基部21、第二基部31、第三基部41和第四基部51对应设置形成所述基体结构；所述第一悬臂22、第二悬臂32、第三悬臂42和第四悬臂52对应设置，且所述第一卷曲部23、第二卷曲部33、第三卷曲部43及第四卷曲部 53由内至外依次设置形成所述悬梁结构；

所述气敏材料6由纳米尺度下的金属氧化物半导体材料构成，如二氧化锡、氧化锌或其他氧化物等。其包裹在第一卷曲部23外，由此与检测电极2电性连接。当气敏材料6吸附特定气体分子后，其电阻会发生变化，从而达到检测气体的目的。

该气体传感器的核心部分为具有卷曲结构的悬梁结构，用于加载气敏材料的有效区域也仅在悬梁结构远离基部机构的端部。一方面，通过减小有效区的面积降低因热对流和热辐射引起的热量散失，另一方面悬梁结构细而长，并向上翘曲，避免了与硅衬底1的接触，可以大幅降低热传导过程中的热量损失，因而该传感器具有极低的功耗；再一方面，加热电阻4位于传感器内部，在降低热量散失的同时，对检测电极的加热更加均匀，且检测电极2位于传感器外部，气敏材料6 包裹在第一卷曲部23上，与待检测气体及检测电极2的接触面积大，具有更快的响应速度。

需要说明的是，本实施例中以基体结构呈矩形、悬梁结构设置在矩形基体结构长边中部处为例进行介绍，但这并不是严格的规定，在实际生产过程中，其基体结构具体形状及悬梁结构的设置位置根据需要进行设置。

本实施例中，所述第一悬臂22、第二悬臂32、第三悬臂42和第四悬臂52 的水平投影呈矩形。

进一步地，所述第一隔离膜3上设有第一孔35，所述第一孔35自第二悬臂 32靠近第二基部31的一端延伸至第二卷曲部33。所述第二隔离膜5上设有第二孔55，所述第二孔55自第四悬臂52靠近第四基部51的一端延伸至第四卷曲部 53。传感器上可以只设置第一孔35，或只设置第二孔55，也可同时设置第一孔 35和第二孔55。需要注意的是，第一孔35、第二孔55、第二窗口24及第四窗口45的位置应对应。通过设置狭长的第一孔35和/或第二孔55来进一步降低热传导过程中的热量损失。

本实施例中，所述第三基部41、第四基部41位均于第一透过孔34朝向第二悬臂32的一侧。

此外，本实施例所述的检测电极2、第一隔离膜3、加热电阻4、第二隔离膜5的厚度均为

本实施例中第一窗口24可以为对称结构，通过设置第一窗口24和第二窗口25将检测电极2分割成为对称的两部分；第三窗口44为对称结构，通过第三窗口44和第四窗口45使加热电阻4形成为一对称结构。需要说明的是，实际生产时，根据需要，第一窗口24和第三窗口44也可以是不对称的结构，此时检测电极2及加热电阻4也为非对称结构。

本实施例所述的气体传感器通过下述方法制备：

(1)取一N型单抛(100)面单抛硅片作为衬底，通过热氧化的方法，制作一层厚度为的氧化硅层作为牺牲层；

(2)制作检测电极2：采用剥离工艺制备金电极，厚度为

(3)制作第一隔离膜3：采用等离子增强化学气相沉积法制备氮化硅层，层厚为然后利用反应离子刻蚀或离子束刻蚀刻蚀隔离膜，形成第一透过孔34露出检测电极2；

(4)制作加热电阻4：采用剥离工艺制作铂电阻的加热电阻丝，厚度为

(5)制备第二隔离膜5：采用等离子采用等离子增强化学气相沉积法制备氮化硅层，层厚为然后利用反应离子刻蚀或离子束刻蚀刻蚀隔离膜，露出加热电阻4；

(6)释放薄膜：先利用反应离子刻蚀或离子束刻蚀彻底刻蚀，露出硅衬底 1形成薄膜释放窗口，然后利用湿法腐蚀工艺刻蚀牺牲层，由于氮化硅层张应力的作用，悬梁结构的翘曲，且其自由端弯曲；

(7)气敏材料6的加载：在所述悬梁结构的端部沾取二氧化锡气敏材料，烧结后使其包裹第一卷曲部23，即获得翘曲的单悬梁式气体传感器，再在对应位置处设置第一引线、第二引线即可。

需要说明的是，本实施例中的硅衬底1还可以选择双抛硅片，且其晶向也无严格要求，也可以选择SOI硅片作为衬底，此时牺牲层为顶层硅，其厚度为2um；所述检测电极2、第一隔离膜3、加热电阻4及第二隔离膜5的厚度根据需要在在的范围内调整。

实施例二

参阅图5，本实施例与实施例一的区别在于，所述第一悬臂22、第二悬臂 32、第三悬臂42和第四悬臂52的水平投影呈等腰梯形，且沿远离基体结构的方向，所述第一悬臂22、第二悬臂32、第三悬臂42和第四悬臂52的宽度逐渐增大。通过加宽悬梁结构与基体结构的连接宽度，在保留单悬梁式结构所具有的低功耗特点的同时，还提高了整个传感器的机械强度。

本实施例中气体传感器的制备方法与实施例一中方法相同，仅需调控刻蚀条件即可。

实施例三

参阅图6，本实施例与实施例二的区别在于，所述第三基部41位于第一透过孔34背离第二悬臂32的一侧，第三悬臂42位于两个第一透过孔34之间，所述第四基部51上对应于第一透过孔34的位置开设有第三透过孔56，以供第一引线穿出。

实施例四

在气味识别应用中，往往需要将众多的传感器集成在一起工作，由于上述实施例一至实施例三中所述的具有卷曲结构的单悬梁式传感器因其结构的独特性，极易实现多个传感器的集成而构成传感器阵列。如图7所示，本实施例提供了一种传感器阵列，其由上述的具有卷曲结构的单悬梁式传感器平铺而成，其中各个传感器的悬梁结构均位于基体结构的同一侧。当然，也可以根据需要，将各个传感器的悬梁结构分布于基体结构的两侧或采用其他排布方式。

将传感器制备成传感器阵列的方法与实施例一中所述气体传感器制备过程基本相同，其只需要在步骤(6)中，通过设置刻蚀条件，使得释放薄膜之后形成多个基体结构依次连接，每一基体结构上具有一悬梁结构的传感器阵列；然后在每一悬梁结构的端部根据需要分别沾取相同或不同配方的二氧化物气敏材料，形成气体传感器阵列。

本实用新型技术方案在上面结合附图对实用新型进行了示例性描述，显然本实用新型具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本实用新型的方法构思和技术方案进行的各种非实质性改进，或未经改进将实用新型的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本实用新型的保护范围之内。