一种3D气体传感器、传感器制备方法及检测方法与流程

本发明涉及微电子机械系统，尤其涉及一种3d气体传感器、传感器制备方法及检测方法。

背景技术：

1、二元混合气体检测，在氢能源设备、新能源汽车、空调制冷等领域广泛应用。目前，市场上气体传感器种类繁多，例如：激光、红外、光离子、电化学、催化、半导体、固体电解质和热导。不同气体介质的热导率系数存在差异，其中热导式气体传感器通过检测热能在不同气体组分下传播差异性进行气体检测。热导检测原理为纯物理的检测机制，此类气体传感器比电化学式、半导体式等更加可靠，在二元混合气体的检测方面优势显著。

2、传统的热导式气体传感器往往体积较大、功耗高、灵敏度较低、存在较大的温度漂移。因此，热导气体传感器的小型化、高可靠性和高灵敏度发展十分重要。论文《热导式气体传感器工作原理及检测方法改进》(杜彬贤，陈今润，尹军，重庆大学自动化学院，中国人民解放军，化学工程与装备)记载了传统热导气体传感器检测方式，将待测气体送入气室，气室中央是热敏元件如热敏电阻、铂丝或钨丝，对热敏元件加热到一定温度，当待测气体的导热系数较高时，将使热量更容易从热敏元件上散发，使其电阻减小，变化的电阻经过信号调理与转换电路转换成不平衡电压输出，输出电压的变化反映了被测气体导热系数的变化，从而实现对气体浓度的检测。由于该检测方式是通过热敏元件自身温度变化来检测气体，热敏元件结构上以固体传热为主，直接测量其电阻变化存在一定的响应时间延迟及噪声干扰，导致热信号传输慢，传感器的响应慢，灵敏度较低。

3、此外，在微电子机械系统领域，悬梁结构的传感器在二维平面已经达到物理极限，为了进一步提高气体传感器的可靠性和灵敏度，迫切需要制备出一款高性能的基于全新传感器制造技术的热导气体传感器。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于如何解决热导气体传感器使用传统检测方式时热信号传输慢，传感器响应慢的问题。

2、本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：一种3d气体传感器，包括硅衬底、下层绝缘介质层、下层敏感层、锚区、上层绝缘介质层和上层敏感层，所述下层绝缘介质层设置在硅衬底的上表面，所述下层敏感层设置在下层绝缘介质层的上表面，所述锚区设置在下层敏感层的上表面，所述上层绝缘介质层设置在锚区的上表面，所述上层敏感层设置在上层绝缘介质层的上表面，所述下层绝缘介质层和上层绝缘介质层均为悬臂梁结构且存在间距。

3、本发明通过气体介质传递热量，利用热量传递时间进行气体传感器信号提取，信号发生源温度散热为气体导热占主体，能够避免传统检测方式直接测量信号发生源时，固体导热存在响应时间延迟和噪声干扰的问题，从而解决热导气体传感器热信号传输慢，传感器响应慢的问题。信号发生源和信号接收源的敏感材料沉积在悬臂梁结构上，能够减少传感器的固体面积，从而降低传感器功耗，提高传感器的热量利用率。

4、优选的，所述上层绝缘介质层依靠锚区的高度和下层绝缘介质层拉开距离。

5、优选的，所述下层绝缘介质层和上层绝缘介质层呈上下平行正对的悬臂梁结构。

6、优选的，所述下层绝缘介质层和上层绝缘介质层呈上下交叉的悬臂梁结构。

7、优选的，所述下层绝缘介质层为单层或多层“层压板”结构。

8、优选的，所述下层敏感层和上层敏感层上沉积敏感材料，敏感材料为导电、发热的金属或半导体。

9、优选的，所述悬臂梁结构为多个下层悬臂梁和多个上层悬臂梁组成的阵列化结构。

10、优选的，所述下层敏感层作为信号发生源外接控制电路，上层敏感层作为信号接收源外接测量电路，或者所述上层敏感层作为信号发生源外接控制电路，下层敏感层作为信号接收源外接测量电路。

11、本发明还提供一种3d气体传感器的制备方法，包括以下步骤：

12、步骤1、在硅衬底的表面沉积一层下层绝缘介质层；

13、步骤2、在下层绝缘介质层的表面图形化光刻胶，并制备下层敏感层；

14、步骤3、rie技术在下层绝缘介质层上刻蚀出湿法释放窗口；

15、步骤4、在下层绝缘介质层的表面制作锚区；

16、步骤5、利用金属沉积技术沉积牺牲层；

17、步骤6、在锚区上表面沉积上层绝缘介质层；

18、步骤7、在上层绝缘介质层表面光刻图形化并沉积上层敏感层；

19、步骤8、rie刻蚀牺牲层释放窗口，rie刻蚀pad窗口和湿法释放窗口；

20、步骤9、腐蚀牺牲层，释放结构；

21、步骤10、湿法刻蚀，形成下层绝缘介质层的悬臂梁结构。

22、本发明还提供一种3d气体传感器的检测方法，包括以下步骤：

23、步骤1、使用标准气体对传感器进行标定，得出不同混合气体浓度的时间常数输出值，将数据存入测试电路的mcu中；

24、步骤2、对传感器的控制电路和测量电路进行供电，传感器的下层敏感层发出稳定的脉冲信号，测量电路输出上层敏感层的脉冲电压信号；

25、步骤3、对传感器测试腔体注入背景气体，接着按照0-100％的浓度比例依次注入待测气体；

26、步骤4、外围检测电路通过检测上层敏感层的时间位移即可检测出注入气体的浓度。

27、本发明提供的优点在于：

28、1、本发明通过气体介质传递热量，利用热量传递时间进行气体传感器信号提取，信号发生源温度散热为气体导热占主体，能够避免传统检测方式直接测量信号发生源时，固体导热存在响应时间延迟和噪声干扰的问题，从而解决热导气体传感器热信号传输慢，传感器响应慢的问题。

29、2、本发明的信号发生源和信号接收源的敏感材料沉积在悬臂梁结构上，能够减少传感器的固体面积，从而降低传感器功耗，提高传感器的热量利用率，利用呈3d(三维)结构双层悬梁的正对效果进行温度值提取，在三维平面上进行气体检测，两层悬梁之间通过锚台传递的热量非常小，当把悬梁结构制作的足够细而长时，能够做到基本上杜绝信号发射源和信号接收源之间的固体无效传热，剩下的只有气体介质导热，能够显著提高热导气体传感器的可靠性和灵敏度。

30、3、本发明利用双层悬梁结构的同时，悬梁之间间距可控，当芯片信号发生源和信号接收源确定了，间距高度能够根据实际芯片的发热和仿真确定，能够实现很小的热量传输间距，大大减小热损失，传感器功耗更低。双层悬梁结构还可以制成多悬梁不同间距的阵列化气体传感器，传感器可靠性增加。

31、4、本发明利用脉冲激励源，传感器功耗更低。

32、5、本发明利用mems工艺技术制备传感器，传感器单片尺寸小，可以批量生产，单颗成本低。

技术特征：

1.一种3d气体传感器，其特征在于：包括硅衬底(1)、下层绝缘介质层(2)、下层敏感层(3)、锚区(4)、上层绝缘介质层(5)和上层敏感层(6)，所述下层绝缘介质层(2)设置在硅衬底(1)的上表面，所述下层敏感层(3)设置在下层绝缘介质层(2)的上表面，所述锚区(4)设置在下层敏感层(3)的上表面，所述上层绝缘介质层(5)设置在锚区(4)的上表面，所述上层敏感层(6)设置在上层绝缘介质层(5)的上表面，所述下层绝缘介质层(2)和上层绝缘介质层(5)均为悬臂梁结构且存在间距。

2.根据权利要求1所述的3d气体传感器，其特征在于：所述上层绝缘介质层(5)依靠锚区(4)的高度和下层绝缘介质层(2)拉开距离。

3.根据权利要求2所述的3d气体传感器，其特征在于：所述下层绝缘介质层(2)和上层绝缘介质层(5)呈上下平行正对的悬臂梁结构。

4.根据权利要求2所述的3d气体传感器，其特征在于：所述下层绝缘介质层(2)和上层绝缘介质层(5)呈上下交叉的悬臂梁结构。

5.根据权利要求1所述的3d气体传感器，其特征在于：所述下层绝缘介质层(2)为单层或多层“层压板”结构。

6.根据权利要求3或4所述的3d气体传感器，其特征在于：所述下层敏感层(3)和上层敏感层(6)上沉积敏感材料，敏感材料为导电、发热的金属或半导体。

7.根据权利要求6所述的3d气体传感器，其特征在于：所述悬臂梁结构为多个下层悬臂梁和多个上层悬臂梁组成的阵列化结构。

8.根据权利要求1所述的3d气体传感器，其特征在于：所述下层敏感层(3)作为信号发生源外接控制电路，上层敏感层(6)作为信号接收源外接测量电路，或者所述上层敏感层(6)作为信号发生源外接控制电路，下层敏感层(3)作为信号接收源外接测量电路。

9.一种如权利要求1-8任一项所述的3d气体传感器的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

10.一种如权利要求1-8任一项所述的3d气体传感器的检测方法，其特征在于：包括以下步骤：

技术总结
本发明提供了一种3D气体传感器，属于微电子机械系统领域，包括硅衬底、下层绝缘介质层、下层敏感层、锚区、上层绝缘介质层和上层敏感层，下层绝缘介质层设置在硅衬底的上表面，下层敏感层设置在下层绝缘介质层的上表面，锚区设置在下层敏感层的上表面，上层绝缘介质层设置在锚区的上表面，上层敏感层设置在上层绝缘介质层的上表面，下层绝缘介质层和上层绝缘介质层均为悬臂梁结构且存在间距，还提供一种3D气体传感器的制备方法及检测方法；通过气体介质传递热量，利用热量传递时间进行传感器信号提取，信号发生源温度散热为气体导热占主体，避免传统检测时固体导热响应时间延迟和噪声干扰，解决热导气体传感器热信号传输慢，传感器响应慢的问题。

技术研发人员：张岩,谢东成,许磊,陈栋梁,荣钱,吴秋菊,姚冬婷
受保护的技术使用者：微纳感知（合肥）技术有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/2/8