一种气体探测装置以及制备方法

本发明涉及光电器件领域，尤其涉及一种气体探测装置以及制备方法。

背景技术：

1、气体传感器是一种能够识别某种特定的气体分子并对其浓度进行检测的器件，能够将气体信号转化成电信号。由于气体与人类的日常生活以及劳动生产等行为息息相关，所以气体传感器的应用也十分广泛。利用气体传感器可以对室外环境污染进行监测，也可以对密闭环境以及室内的易燃易爆气体进行检测，例如矿井作业、燃气泄漏等。而人类生活水平的逐渐提升也让气体传感器的应用领域得到拓展，与日常生活结合更加紧密。例如对食品新鲜度的检测，生物医疗中对口臭、哮喘、糖尿病患者呼出气体的检测和分析，以及未来在可穿戴设备等智能装置中的应用可以让气体检测变得更为方便快捷。

2、气体传感器根据工作原理的不同可分为光学类、声学类、电化学类等，其中电化学气体传感器中的金属氧化物半导体(metal oxide semiconductor，mos)式气体传感器由于具有造价便宜、结构简单、灵敏度高、响应恢复速度快等优点，是目前研究应用最为广泛的气体传感器之一。气体传感器的智能化与便携化应用趋势对其在小体积、低功耗等方面提出了更高的要求，故引入微机电系统(micro electrical mechanical system，mems)技术是十分有必要的。mems是指使用尺寸在微米级的组件执行电子和机械功能的工程系统，具有微型化、集成化、可批量生产以及兼容性强等特点，将其与mos气体传感器的设计制作相结合，能够为气体传感器的进一步应用奠定坚实的基础。

3、mos气体传感器的主要结构包括微加热器与气敏材料两部分。工作时，微加热器提供高温以激活材料的气敏特性，通过检测金属氧化物气敏材料电阻的变化便可以检测出目标气体。由于其传感原理简单，因此低选择性是mos气体传感器的关键缺点与局限性。

4、典型的改善选择性的方法是合成高孔隙率材料、使用能够对特定气体呈现高响应的催化剂和过滤器等，但当其他气体的浓度高于特定目标气体的浓度时，催化剂的使用不能确保足够的选择性，并且使用过滤器也会牺牲传感器的传感性能，例如灵敏度和响应时间。因此现有技术中，缺少一种能够对多种气体进行探测及区分的多通道气体检测装置以及制备方法。

技术实现思路

1、有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何提供一种能够对多种气体进行探测及区分的多通道气体检测装置以及制备方法。

2、基于上述技术问题，本发明提供了一种气体探测装置包括若干温区，所述每一温区包括至少一个微加热器单元，所述微加热器单元中至少包括一个微加热器，所述微加热器上设置有至少一绝缘悬空薄膜，所述悬空薄膜上设置有与该温区对应的预设宽度的加热电极，所述加热电极设置在所述悬空薄膜的一侧，并沿所述悬空薄膜成往复状延伸，所述悬空薄膜另一侧设置有检测电极,以及气敏材料；

3、所述加热电极与所述检测电极共地连接。

4、较优的，所述悬空薄膜向外至少延伸两个支撑悬臂，包括第一支撑悬臂和第二支撑悬臂；

5、所述加热电极用于通电的电源连接端沿第一支撑悬臂引出形成电源引脚；另一端沿所述第二支撑悬臂与所述检测电极共同形成接地引脚；

6、较优的，所述不同温区的微加热器按照所述加热电极宽度，从小到大依次排列。

7、较优的，所述检测电极包括第一检测电极模块以及第二检测电极模块，所述第一电极模块与所述第二电极模块均呈叉指状设置，所述第一检测电极模块与所述第二检测电极模块之间设置有气敏材料。

8、较优的，不同温区中检测电极之间的气敏材料均相同。

9、较优的，所述气敏材料包括sno2层和pt层，所述pt层设置于两sno2层之间。

10、较优的，不同温区中微加热器的加热电极均采用同一电压。

11、本发明还提供一种气体探测装置制备方法，包括以下步骤：

12、1)对硅片衬底进行预处理；

13、2)在所述硅片上生长氮化硅薄膜作为支撑层；

14、3)在所述支撑层上采用光刻工艺制作加热电极；

15、4)在所述加热电极上沉积绝缘层；

16、5)在所述绝缘层上采用光刻工艺制作检测电极；

17、6)采用等离子刻蚀，形成氮化硅支撑层窗口，将部分硅片衬底进行暴露；

18、7)对硅片衬底上进行各向异性腐蚀，使得支撑层下方的硅片形成空腔；

19、8)采用磁控溅射方法在所述检测电极上生长气敏材料。

20、较优的，所述步骤1)中，采用如下步骤对所述硅片衬底进行预处理：

21、首先，浸泡nh3•h2o/h2o2溶液以去除硅片表面存在的颗粒物，冲洗干净后浸泡hcl/h2o2溶液以去除硅片表面上残留的金属元素，冲洗干净后使用气枪吹净表面水分并进行烘干；

22、所述步骤2)中，采用lpcvd方法在硅片表面生长1μm的低应力氮化硅层作为支撑层；

23、所述步骤3)中，采用以下步骤制作加热电极：

24、31)将光刻掩膜版上的加热电极的图形转移到硅衬底上；

25、32)采取电子束蒸发沉积15nm的ti或ta作为黏附层；

26、33)采取电子束蒸发沉积200nm的pt层作为加热电极；

27、34)进行正胶剥离，形成加热电极。

28、较优的，所述步骤8)中，采用以下步骤完成气敏材料的生长：

29、使用磁控溅射方法在mems微加热器阵列上交替生长sno2和pt层，实现贵金属的掺杂以提高sno2气敏材料的灵敏度，sno2层厚度约为200～300nm，pt层厚度约为3～5nm。

30、本发明的有益效果是：

31、(1)将多个加热电极宽度不同的微加热器集成在同一阵列中形成多个微加热器单元，并且施加同一电压值可形成多温区，使同种气敏材料对不同气体的每个气体浓度得到不同的响应值，从而在一定程度上实现气体的区分；

32、(2)采用磁控溅射方法将气敏材料与微加热器阵列结合，可以得到更为均匀一致的气体传感器，进一步保证传感器的均一性和可靠性。

33、(3)加热电极与检测电极的共地设计有益于后续封装，可以减少引脚的使用，而无需定制特殊的封装壳。此设计也对之后2×2阵列拓展为3×3阵列、4×4阵列提供减少封装难度的思路。

技术特征：

1.一种气体探测装置，其特征是：包括若干温区，所述每一温区包括至少一个微加热器单元，所述微加热器单元中至少包括一个微加热器，所述微加热器上设置有至少一绝缘悬空薄膜，所述悬空薄膜上设置有与该温区对应的预设宽度的加热电极，所述加热电极设置在所述悬空薄膜的一侧，并沿所述悬空薄膜成往复状延伸，所述悬空薄膜另一侧设置有检测电极,以及气敏材料；

2.如权利要求1所述的气体探测装置，其特征是：所述悬空薄膜向外至少延伸两个支撑悬臂，包括第一支撑悬臂和第二支撑悬臂；

3.如权利要求1所述的气体探测装置，其特征是：所述不同温区的微加热器按照所述加热电极宽度，从小到大依次排列。

4.如权利要求1所述的气体探测装置，其特征是：所述检测电极包括第一检测电极模块以及第二检测电极模块，所述第一电极模块与所述第二电极模块均呈叉指状设置，所述第一检测电极模块与所述第二检测电极模块之间设置有气敏材料。

5.如权利要求4所述的气体探测装置，其特征是：不同温区中检测电极之间的气敏材料均相同。

6.如权利要求1所述的气体探测装置，其特征是：所述气敏材料包括sno2层和pt层，所述pt层设置于两sno2层之间。

7.如权利要求1所述的气体探测装置，其特征是，不同温区中微加热器的加热电极均采用同一电压。

8.一种气体探测装置制备方法，其特征是，包括以下步骤：

9.如权利要求8所述的气体探测装置制备方法，其特征是：所述步骤1)中，采用如下步骤对所述硅片衬底进行预处理：

10.如权利要求8所述的气体探测装置制备方法，其特征是：所述步骤8)中，采用以下步骤完成气敏材料的生长：

技术总结
本发明公开了一种气体探测装置包括若干温区，所述每一温区包括至少一个微加热器单元，所述微加热器单元中至少包括一个微加热器，所述微加热器上设置有至少一绝缘悬空薄膜，所述悬空薄膜上设置有与该温区对应的预设宽度的加热电极，所述加热电极设置在所述悬空薄膜的一侧，并沿所述悬空薄膜成往复状延伸，所述悬空薄膜另一侧设置有检测电极,以及气敏材料；所述加热电极与所述检测电极共地连接。将多个加热电极宽度不同的微加热器集成在同一阵列中形成多个微加热器单元，并且施加同一电压值可形成多温区，使同种气敏材料对不同气体的每个气体浓度得到不同的响应值，从而在一定程度上实现气体的区分。

技术研发人员：程鑫,罗芹,刘荣跃,詹绍虎
受保护的技术使用者：南方科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15