一种多像素气体传感器的制作方法

1.本实用新型涉及气体传感器技术领域，尤其涉及一种多像素气体传感器。


背景技术：

2.现有的气敏传感器需要单独设计加热线圈和温度传感器，即通过加热金属电极或者多晶硅电极加热气敏层，通过温度传感器检测气敏层的温度，这种气敏传感器存在加热不均匀、金属原子迁移、出现膜裂纹或者需要考虑多层金属加工工艺等问题，使得现有的气敏传感器的性能不稳定或工艺步骤复杂，此外，现有的气体传感器只能检测一种敏感气体的含量，无法同时检测多种敏感气体的浓度，适用场景有限。


技术实现要素：

3.基于以上所述，本实用新型的目的在于提供一种多像素气体传感器，能够同时检测多种敏感气体的浓度，解决了现有的气体传感器存在的上述问题，拓宽了气体传感器的适用范围。
4.为达上述目的，本实用新型采用以下技术方案：
5.一种多像素气体传感器，包括：衬底，其上设有隔热腔室，所述隔热腔室内设有硅岛，所述硅岛与所述衬底间隔设置；绝缘层，设置在所述硅岛和所述衬底的同一侧；fet加热组件，包括源极、栅极及漏极，所述源极和所述漏极间隔形成在所述硅岛内，所述栅极位于所述绝缘层内且位于所述源极和所述漏极之间，所述源极和所述漏极导通时能够产生热量；至少两个插指敏感电极，每个所述插指敏感电极均形成在所述绝缘层上；至少两个气敏层，每个所述气敏层均覆盖在一个所述插指敏感电极上，每个所述气敏层的电阻率变化均能够通过一个所述插指敏感电极输出，至少两个所述气敏层包括至少两种气敏材料，每个所述气敏层均包括一种所述气敏材料；温度检测单元，用于检测每个所述气敏层的温度。
6.作为一种多像素气体传感器的优选方案，所述fet加热组件包括若干个fet加热单元，每个所述fet加热单元均正对一个所述气敏层，每个所述fet加热单元均包括所述源极、所述漏极及所述栅极。
7.作为一种多像素气体传感器的优选方案，每个所述fet加热单元的所述源极和所述漏极的个数均为至少一个，所述源极和所述漏极依次间隔排布在所述硅岛上。
8.作为一种多像素气体传感器的优选方案，所述气敏材料为二氧化锡、三氧化钨或氧化锌。
9.作为一种多像素气体传感器的优选方案，所述栅极位于所述硅岛和所述绝缘层之间且为多晶硅电极。
10.作为一种多像素气体传感器的优选方案，所述插指敏感电极为铂电极、金电极或者氮化钛电极。
11.作为一种多像素气体传感器的优选方案，所述温度检测单元为热电极，所述热电极位于所述绝缘层内。
12.作为一种多像素气体传感器的优选方案，所述隔热腔室沿所述衬底的轴向贯穿所述衬底。
13.作为一种多像素气体传感器的优选方案，所述隔热腔室为隔热槽，所述隔热槽的开口朝向所述绝缘层，所述隔热槽的深度小于所述衬底的厚度。
14.作为一种多像素气体传感器的优选方案，所述衬底为p型硅，在所述p型硅上形成的所述硅岛为n阱硅岛，所述n阱硅岛上形成有所述源极和所述漏极。
15.本实用新型的有益效果为：
16.本实用新型公开的多像素气体传感器，能够同时检测至少两种敏感气体，增加了气体传感器的适用范围，集成了温度检测单元，使用fet加热组件替代现有的加热线圈，能够简化气体传感器的加工工艺，利用场效应晶体管的焦耳热对气敏层进行加热，加热更加均匀，便于数字加热，降低fet气敏传感器出现膜裂纹的概率，促进fet气敏传感器的小型化和集成。
附图说明
17.为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对本实用新型实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据本实用新型实施例的内容和这些附图获得其他的附图。
18.图1是本实用新型具体实施例提供的多像素气体传感器的部分结构的俯视图；
19.图2是图1沿a-a的剖视图；
20.图3是本实用新型具体实施例提供的多像素气体传感器的绝缘层的俯视图；
21.图4是本实用新型其他实施例提供的多像素气体传感器的剖视图。
22.图中：
23.1、衬底；10、隔热腔室；11、硅岛；
24.2、绝缘层；21、绝缘层本体；22、连接层；
25.3、fet加热单元；31、源极；32、漏极；33、栅极；
26.4、插指敏感电极；
27.5、气敏层；
28.6、温度检测单元；
29.71、第一金属pad；72、第二金属pad。
具体实施方式
30.为使本实用新型解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本实用新型实施例的技术方案作进一步的详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
31.在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是
为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。其中，术语“第一位置”和“第二位置”为两个不同的位置。
32.在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
33.本实施例提供一种多像素气体传感器，如图1和图2所示，包括衬底1、绝缘层2、fet加热组件、两个插指敏感电极4、两个气敏层5及温度检测单元6，衬底1上设有隔热腔室10，隔热腔室10内设有硅岛11，硅岛11与衬底1间隔设置，绝缘层2设置在硅岛11和衬底1的同一侧，fet加热组件包括源极31、栅极33及漏极32，源极31和漏极32间隔形成在硅岛11内，栅极33位于绝缘层2内且位于源极31和漏极32之间，源极31和漏极32导通时能够产生热量，每个插指敏感电极4均形成在绝缘层2上，每个气敏层5均覆盖在一个插指敏感电极4上，每个气敏层5的电阻率变化均能够通过一个插指敏感电极4输出，两个气敏层5包括两种气敏材料，气敏材料为二氧化锡、三氧化钨、氧化锌，每个气敏层5均包括一种气敏材料，温度检测单元6用于检测每个气敏层5的温度。
34.本实施例提供的多像素气体传感器，能够同时检测两种敏感气体，增加了气体传感器的适用范围，集成了温度检测单元6，使用fet加热组件替代现有的加热线圈，能够简化气体传感器的加工工艺，利用场效应晶体管的焦耳热对气敏层5进行加热，加热更加均匀，便于数字加热，降低了fet气敏传感器出现膜裂纹的概率，促进了fet气敏传感器的小型化和集成。
35.如图1所示，本实施例的fet加热组件包括两个fet加热单元3，每个fet加热单元3均正对一个气敏层5，如图2所示，每个fet加热单元3均包括源极31、漏极32及栅极33。在其他实施例中，fet加热组件所包括的fet加热单元3的个数也并不限于本实施例的两个，还可以为三个或者多于三个，这些fet加热单元3包括至少两种气敏材料，例如，fet加热组件所包括的fet加热单元3的个数为四个，四个fet加热单元3对称分布，每个fet加热单元3均包括一种气敏材料，四个fet加热单元3包括至少两种气敏材料，气敏材料为二氧化锡、三氧化钨、氧化锌或者其他材料，具体根据实际需要设置。
36.每个fet加热单元3的源极31和漏极32的个数均为一个，如图2所示，源极31和漏极32依次间隔排布在硅岛11上，源极31和漏极32之间设有一个栅极33。本实施例的栅极33位于硅岛11和绝缘层2之间且为多晶硅电极，温度检测单元6为热电极，热电极位于绝缘层2内。多晶硅电极和热电极位于绝缘层2的相同厚度内，加工时，首先气相淀积一层较薄的第一绝缘子层，然后加工出多晶硅电极和热电极，最后再气相淀积一层第二绝缘子层，第二绝缘子层和第一绝缘子层形成绝缘层2，使得多晶硅电极和热电极均位于绝缘层2内。
37.本实施例的插指敏感电极4为铂电极、金电极或者氮化钛电极。加工时，首先在绝缘层2上加工出与插指敏感电极4形状对应的电极槽，然后在电极槽内形成插指敏感电极4。
38.具体的，本实施例的绝缘层2的形状如图3所示，绝缘层2包括绝缘层本体21和连接
层22，绝缘层本体21为长方形，连接层22沿绝缘层本体21的一端向外延伸，连接层22的延长线经过绝缘层本体21的中心，隔热腔室10沿衬底1的轴向贯穿衬底1。加工时，加工出气敏层5之后，将气敏层5利用保护层进行保护，并在衬底1背离气敏层5的一侧进行刻蚀，形成沿衬底1的轴向延伸的隔热腔室10。在其他实施例中，隔热腔室10还可以为隔热槽，隔热槽的开口朝向绝缘层2，隔热槽的深度小于衬底1的厚度，如图4所示，此时隔热腔室10是在绝缘层2形成之后、气敏层5形成之前加工而成。
39.如图1所示，本实施例的绝缘层2上设有两个第一金属pad 71和两个第二金属pad 72，每个第一金属pad 71均与一个插指敏感电极4通过贯穿连接层22上的电线电连接，通过第一金属pad 71能够将插指敏感电极4与电源相连，使得插指敏感电极4能够通电，每个第二金属pad 72均与温度检测单元6和fet加热单元3通过贯穿连接层22上的电线电连接，使得温度检测单元6和fet加热单元3与电源相连。
40.具体地，本实施例的衬底1为掺杂有硼的p型硅，硅岛11为掺杂有浓磷的n阱硅岛，n阱硅岛绝缘且导热，能够将fet加热单元3产生的热量传输至对应的气敏层5，利于气敏层5对敏感气体浓度的监测，向n阱硅岛上注入浓硼离子形成源极31和漏极32。
41.加工本实施例的多像素气体传感器时，采用以下步骤：
42.s1、在衬底1的上表面涂覆光刻胶，形成第一光刻胶层；
43.s2、图形化第一光刻胶层，在第一光刻胶层上形成第一开口区域；
44.s3、通过第一开口区域向衬底1上渗入磷离子，掺杂有磷离子的部分衬底1即为n阱硅岛；
45.s4、去除图形化后的第一光刻胶层；
46.s5、在衬底1和硅岛11的上表面涂覆光刻胶，形成第二光刻胶层；
47.s6、图形化第二光刻胶层，在第二光刻胶层上形成第二开口区域；
48.s7、通过第二开口区域向硅岛11上渗入硼离子，掺杂有硼离子的部分硅岛11即为每个fet加热单元3的源极31和漏极32；
49.s8、去除图形化后的第二光刻胶层；
50.s9、在硅岛11和衬底1上形成第一子绝缘层2；
51.s10、在第一子绝缘层2上形成多晶硅层；
52.s10、在多晶硅层上形成第三光刻胶层；
53.s11、图形化第三光刻胶层，形成第三开口区域；
54.s12、刻蚀正对第三开口区域的多晶硅层，去除图形化后的第三光刻胶层，剩余的多晶硅层形成两个fet加热单元3的栅极33；
55.s13、在第一绝缘子层和栅极33上形成第四光刻胶层；
56.s14、图形化第四光刻胶层，形成第四开口区域；
57.s15、在第四开口区域和第四光刻胶层上形成温度检测层；
58.s16、去除图形化后的第四光刻胶层，剩余的温度检测层即为温度检测单元6；
59.s17、在衬底1、温度检测单元6、栅极33及硅岛11上淀积绝缘材料形成第二绝缘子层，第二绝缘子层与第一绝缘子层组成绝缘层2；
60.s18、在绝缘层2上形成第五光刻胶层；
61.s19、图形化第五光刻胶层，形成第五开口区域；
62.s20、刻蚀正对第五开口区域的绝缘层2，形成电极槽；
63.s21、向电极槽内溅射或者化学气相淀积导电材料；
64.s22、去除图形化后的第五光刻胶层，填充在电极槽内的导电材料形成插指敏感电极4；
65.s23、在不同的插指敏感电极4上分别滴涂或者喷墨打印两种敏感材料，形成两种用于检测敏感气体含量的气敏层5；
66.s24、在气敏层5上涂覆保护层；
67.s25、在衬底1上化学淀积绝缘材料，形成硬掩膜；
68.s26、在硬掩膜上涂覆第六光刻胶层；
69.s27、图形化第六光刻胶层，形成第六开口区域；
70.s28、刻蚀正对第六开口区域的硬掩膜，形成隔热孔；
71.s29、深硅刻蚀正对隔热孔的衬底1，形成隔热腔室10；
72.s30、去掉图形化的第六光刻胶层和硬掩膜；
73.s31、在衬底1、绝缘层2及硅岛11的下表面涂覆光刻胶，形成第七光刻胶层；
74.s32、图形化第七光刻胶层，形成第七开口区域；
75.s33、刻蚀正对第七开口区域的绝缘层2，形成连通孔，使得绝缘层2的形状形成如图3所示；
76.s33、去掉图形化的第七光刻胶层和保护层，形成半成品；
77.s34、将半成品进行退火并冷却，形成多像素气体传感器。
78.采用上述步骤加工多像素气体传感器，加工工艺简单，加工而成的多像素气体传感器集成了fet加热单元3和温度检测单元6，体积小，集成化程度高，采用fet加热单元3进行加热，具有加热均匀、便于数字化加热及出现膜裂纹的概率低的优点，两种气敏材料制成的气敏层5能够同时检测出两种敏感气体的浓度，增加了多像素气体传感器的适用范围。
79.注意，上述仅为本实用新型的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本实用新型不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本实用新型的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本实用新型进行了较为详细的说明，但是本实用新型不仅仅限于以上实施例，在不脱离本实用新型构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本实用新型的范围由所附的权利要求范围决定。