集成MEMS-CMOS的气体传感器芯片及制备方法与流程

本公开的实施例属于气体传感器，具体涉及一种集成mems-cmos的气体传感器芯片及制备方法。

背景技术：

1、非分散红外（ndir）气体传感器是一种利用红外线吸收原理，通过检测环境空气中特定气体分子对特定波长的红外辐射的吸收来实现气体成分检测的一种传感器。ndir气体传感器主要由光源、样品室、光谱滤波器、探测器等组成。传感器将环境空气通过样品室，样品室中经过红外光源照射的气体分子会对特定波长的红外辐射进行吸收，被吸收的红外辐射量与气体浓度成正比。随后，传感器使用光谱滤波器选择出感兴趣波长，使其只能到达探测器。探测器可以测量到被吸收的红外辐射强度，进而反映出气体浓度值。

2、ndir红外气体传感器是利用不同气体具有自己独特的分子结构，对红外光具有特定吸收谱这一特性来实现的，也即是不同的气体对某一特定波段的红外光具有吸收能力。而这个特定波段红外光就称为该气体的红外吸收峰，不同的气体的红外吸收峰是不一样的，即使在混合气体环境中各气体之间的红外吸收也不会相互干扰。这种性质不会因外界条件的改变而改变，某一待测气体吸收的能量大小与该气体在红外光区内的浓度有关，浓度越大吸收能量越多。当红外光通过气体时，在相应频率处就会产生能量衰减，而能量的衰减程度又与气体浓度大小有关，通过分析红外光的衰减程度即可推算出待测气体浓度。待测气体对红外光的吸收服从朗伯-比尔定律。ndir气体传感器就是利用这一特性来对特定气体浓度进行定性和定量分析。

3、相比于其他传感器，ndir气体传感器具有检测精度高、响应速度快、稳定性好、抗干扰性强等优点，并且可以检测多种气体成分。因此，ndir气体传感器广泛应用于空气质量检测、工业排放监测、医疗诊断等领域。

4、行业内ndir气体传感器探测器中的芯片一般需要配合外购的特定波段的滤光片进行特征气体的检测，但其存在如下问题：1、检测灵敏度低的问题；2、外购的滤光片需要与气体芯片进行to封装，导致传感器尺寸大，不方便客户安装使用，且器件的一致性不可控；3、不能对不同种类气体浓度的检测；4、气体浓度检测的抗干扰性差。

5、因此，如何解决上述问题成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、本公开的实施例旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种集成mems-cmos的气体传感器芯片及制备方法。

2、本公开的实施例的第一个方面，提供一种集成mems-cmos的气体传感器芯片，包括：

3、所述芯片包括芯片本体；所述芯片本体包括半导体结构层及集成于所述半导体结构层内的cmos器件结构和mems器件结构；

4、所述mems器件结构包括形成于所述半导体结构层的若干热电偶对，所述热电偶对包括冷端热电偶对和热端热电偶对；所述热端热电偶对设置于所述芯片本体中心热端处；

5、所述冷端热电偶对一冷端热电偶作为正极与所述cmos器件结构的漏极连接，所述冷端热电偶对另一冷端热电偶作为负极与所述cmos器件结构的p+接触gnd端连接；所述cmos器件结构的栅极与外围电路的多路复选器连接；其中，利用所述导线层分别将所述负极和所述p+接触gnd端连接，及将所述栅极与外围电路的多路复选器连接。

6、可选的，所述半导体结构层包括衬底和层叠于所述衬底上的支撑层、氧化层和钝化层；

7、所述cmos器件结构包括形成于所述衬底的p-well结构，及源极、栅极、漏极和p+接触gnd端。

8、可选的，所述氧化层厚度范围为0.01~10um，其材质包括氧化硅。

9、可选的，所述钝化层厚度范围为0.01~10um，其材质包括氮化硅。

10、可选的，所述导线层的材质包括铝。

11、进一步的，还包括：

12、硅透镜阵列结构，具有透镜阵列；所述硅透镜阵列结构与所述芯片本体上表面集成连接。

13、进一步的，还包括：

14、谐振腔式阵列结构，设置于所述芯片本体的下表面；所述谐振腔式阵列结构形成有凹坑阵列；

15、所述芯片本体的衬底形成有背腔；其中，所述凹坑表面设有反射层；所述凹坑与所述背腔对应设置，且所述凹坑与所述背腔共同构成谐振腔。

16、可选的，所述背腔呈凸型；所述背腔与所述凹坑共同构成凹凸谐振腔。

17、可选的，所述支撑层包括依次层叠于所述衬底第一支撑层、第二支撑层和第三支撑层；其中，所述第一支撑层用于作为所述栅极的氧化层；所述第三支撑层作为场氧湿氧层，用于所述cmos器件结构间的电隔离。

18、本公开的实施例的第二个方面，提供一种集成mems-cmos的气体传感器芯片制备方法，用于制备上述芯片，包括：

19、提供衬底；

20、在所述衬底上依次形成支撑层、氧化层和钝化层，以制备半导体结构层；

21、在所述半导体结构层上制作cmos器件结构和mems器件结构。

22、本公开的实施例的有益效果，包括：

23、本公开中，将热电堆气体芯片进行cmos-mems工艺集成，所设计的cmos器件与热电堆工艺进行集成，可以创新的利用cmos器件对mems热电堆气体芯片进行选择调控，进而实现阵列中不同单体对不同种类气体浓度的检测。

技术特征：

1.一种集成mems-cmos的气体传感器芯片，其特征在于，所述芯片包括芯片本体；所述芯片本体包括半导体结构层及集成于所述半导体结构层内的cmos器件结构和mems器件结构；

2.根据权利要求1所述的集成mems-cmos的气体传感器芯片，其特征在于，

3.根据权利要求2所述的集成mems-cmos的气体传感器芯片，其特征在于，

4.根据权利要求2所述的集成mems-cmos的气体传感器芯片，其特征在于，

5.根据权利要求1所述的集成mems-cmos的气体传感器芯片，其特征在于，

6.根据权利要求1所述的集成mems-cmos的气体传感器芯片，其特征在于，还包括：

7.根据权利要求1所述的集成mems-cmos的气体传感器芯片，其特征在于，还包括：

8.根据权利要求7所述的集成mems-cmos的气体传感器芯片，其特征在于，

9.根据权利要求2所述的集成mems-cmos的气体传感器芯片，其特征在于，

10.一种集成mems-cmos的气体传感器芯片制备方法，用于制备权利要求1-9任一项所述的集成mems-cmos的气体传感器芯片，其特征在于，包括：

技术总结
本公开的实施例提供一种集成MEMS‑CMOS的气体传感器芯片及制备方法，包括：芯片包括芯片本体；芯片本体包括半导体结构层及集成于半导体结构层内的CMOS器件结构和MEMS器件结构；MEMS器件结构包括形成于半导体结构层的若干热电偶对，热电偶对包括冷端热电偶对和热端热电偶对；热端热电偶对设置于芯片本体中心热端处；冷端热电偶对一冷端热电偶作为正极与CMOS器件结构的漏极连接，冷端热电偶对另一冷端热电偶作为负极与CMOS器件结构的P+接触GND端连接；CMOS器件结构的栅极与外围电路的多路复选器连接；其中，利用导线层分别将负极和P+接触GND端连接，及将栅极与外围电路的多路复选器连接。

技术研发人员：杨绍松,刘同庆
受保护的技术使用者：无锡芯感智半导体有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/2/6