基于MEMS技术的混成电位型气体传感器及其制备方法与流程

本发明涉及传感器，尤其涉及一种基于mems技术的混成电位型气体传感器及其制备方法。

背景技术：

1、电化学传感器以其独特的原理优势在市场上得以广发应用，目前使用的电化学气体传感器中多采用液体电解质，在高温低湿等受限环境的气体监测应用中具有较大局限性。固体电解质式的气体传感器作为近几年发展较快的技术方向之一，可以有效的扩展电化学传感器的应用范围，同时具有高温适用性、使用寿命长等多方面的优势，是气体传感器的技术发展的重要组成部分。另外，随着物联网的普及和各种新型高科技设备的出现，对气体传感器的微型化、集成化、模块化、智能化方向发展有了更高的要求。因此，基于微机电系统（mems）的电化学气体传感器的技术路径将成为接下来传感器的主要发展方向之一。

2、混成电位是一种常见的基于固体电解质的电化学气体传感器，在待测气体中敏感电极上会同时发生电化学氧化与还原两个电极反应。当电化学氧化反应与电化学还原反应的反应速率相等时，敏感电极上达到动态平衡，此时所形成的电势称为混成电位。混成电位型气体传感器结构一般主要包括固体电解质、加热器、绝缘层、敏感电极和参比电极。现有常见的混成电位传感器中的结构基板为非硅基材料，因此不可兼容集成电路（ic）生产工艺，难以实现集成化与微型化。并且，在含有加热器的混成电位传感器中，目前常采用将绝缘层通过粘合剂与固体电解质相结合，但此方法所得到的绝缘层厚度需在百微米级，致使传热效率较差且无机粘合剂在高温下不稳定，限制器件的耐久性，且因粘合操作工艺复杂，不易进行大批量生产。

3、公开日为2014-07-30、公告号为cn103954665a的中国发明公开了网状条纹结构ysz基板为导电层的混成电位型no2传感器及制备方法，依次由带有pt加热电极的al2o3陶瓷板、有网状条纹结构的ysz基板、参考电极和敏感电极组成；参考电极为条状pt，敏感电极为条状nicr2o4，两电极对称地制备在ysz基板上表面的两端，ysz基板的下表面与al2o3陶瓷板粘结在一起；网状条纹结构的条纹间距为130～240μm，深度10～25μm，单个条纹的宽度为50～80μm；在参考电极和敏感电极上制作有电极引线。但是由于该混成电位型气体传感器的结构基板为非硅基材料，因此不可兼容集成电路（ic）生产工艺，难以实现集成化与微型化。

技术实现思路

1、针对上述的技术问题，本发明提出一种基于mems技术的混成电位型气体传感器及其制备方法，用于解决现有技术中结构混成电位型气体传感器的结构基板为非硅基材料，因此不可兼容集成电路（ic）生产工艺，难以实现集成化与微型化的问题。

2、为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

3、基于mems技术的混成电位型气体传感器，包括硅基底、设置在硅基底上的固态电解质层，固态电解质层上设有敏感电极、对电极和若干个焊盘，敏感电极、对电极分别通过导线与相应的焊盘连接。

4、进一步地，还包括下层硅基底，下层硅基底通过阳极键合方式设置在所述的硅基底的下侧；所述下层硅基底内设有加热器，下层硅基底的下表面设有下焊盘，加热器通过tgv与下焊盘连接。

5、进一步地，所述下层硅基底内设有绝缘层，且绝缘层位于加热器与所述的硅基底之间。

6、进一步地，所述硅基底上设有加热器。

7、进一步地，所述硅基底上设有凹槽，所述加热器设置在凹槽中。

8、进一步地，所述硅基底上设有绝缘层，所述加热器设置在绝缘层上。

9、进一步地，所述加热器为蛇形或回形或者方形。

10、进一步地，所述硅基底采用硅或二氧化硅或氮化硅。

11、一种基于mems技术的混成电位型气体传感器的制备方法，包括所述的基于mems技术的混成电位型气体传感器，还包括如下步骤：

12、s1、通过磁控溅射在硅基底表面沉积一层固态电解质层；

13、s2、通过光刻或溅射或剥离工艺在固态电解质层表面加工导线，在导线端部通过磁控溅射或蒸发镀膜的方式加工出焊盘；

14、s3、通过光刻或溅射或剥离工艺在固态电解质层表面加工对电极；

15、s4、通过光刻或喷涂或者滴涂或剥离工艺在固态电解质层表面加工敏感电极；

16、s5、在下层硅基底表面通过光刻加工出刻蚀图形，使用koh溶液湿法刻蚀下层硅基底，并通过镀膜方式沉积获得加热器；

17、s6、在步骤s5中的加热器末端使用激光诱导加湿法腐蚀的方式或者激光加工方式形成微孔，再镀铜填充微孔，填孔后使用cmp方式去除玻璃表面的铜，只留下孔中的铜；

18、s7、在下层硅基底背面的铜处，在导线另一端部通过磁控溅射或蒸发镀膜等方式加工出焊盘；

19、s8、通过阳极键合方式将加工完的下层硅基底和硅基底键合在一起，完成晶圆加工，再通过切割方式将整个晶圆分割成若干个传感器。

20、一种基于mems技术的混成电位型气体传感器的制备方法，包括所述的基于mems技术的混成电位型气体传感器，还包括如下步骤：还包括如下步骤：

21、s1、在硅基底表面通过光刻加工出刻蚀图形，使用koh溶液湿法刻蚀硅基底获得加热器的凹槽，并通过镀膜方式沉积获得加热器；

22、s2、在凹槽内加热器的表面加工一层绝缘层；

23、s3、通过磁控溅射在硅基底表面沉积一层固态电解质层；

24、s4、通过光刻或溅射或剥离工艺在固态电解质层表面加工导线，在导线端部通过磁控溅射或蒸发镀膜的方式加工出焊盘；

25、s5、通过光刻或溅射或剥离工艺在固态电解质层表面加工对电极；

26、s6、通过光刻或喷涂或者滴涂或剥离工艺在固态电解质层表面加工敏感电极；

27、s7、在硅基底的背面且在步骤s1中的加热器凹槽的末端加工tgv；

28、s8、在硅基底背面的tgv处，且在导线另一端部通过磁控溅射或蒸发镀膜等方式加工出焊盘；

29、s9、通过切割方式将整个晶圆分割成若干个传感器。

30、本发明的有益效果：

31、1、本发明采用mems工艺制备混成电位型气体传感器的技术，使得混成电位传感器结构发生更新，尺寸可微小化为亚毫米级；

32、2、本发明引入纳米级绝缘层，降低发热功耗；

33、3、本发明通过硅基底，引入ic生产工艺，引入芯片集成化并拓展使用环境；

34、4、本发明的传感器尺寸可控制在亚毫米级，便于微型化，可使其应用于移动终端等设备；

35、5、本发明包括含有超薄电解质层的硅材料基板，含有工作电极、参比电极的固态电解质层，含有加热器的下芯片，此结构可减少器件厚度，保证器件的微型化；

36、6、本发明绝缘层厚度控制为纳米级，降低发热功耗；可将多个芯片进行集成化，以便拓展其使用环境

37、7、本发明设计的mems高温型混成电位型传感器将绝缘层厚度控制于50~1000nm，可有效减少热传递路径，且提出将加热电极与传感电极集成于同一界面，可缩短热传递过程中的热量散失，从而缩短加热功耗；

38、8、本发明设计的mems混成电位型传感器通过mems方法得到敏感电极、参比电极与加热电极，可精确控制尺寸至200~2000μm，提高电极尺寸与传感器信号的一致性；

39、9、本发明设计的mems混成电位型传感器可将多个传感器集成于一个基片内组成传感器阵列，以实现对实际环境中多种气体的准确响应；

40、10、本发明设计的mems混成电位传感器可通过在基片上同一种混成电位传感器进行串联的方法以便对响应信号进行增强。