CN101329291B - 一种气敏传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及微机电系统技术领域，公开了一种气敏传感器，包括单晶硅衬底，起支撑作用的二氧化硅/氮化硅层，加热测温电极、叉指电极，加热测温电极和叉指电极之间的电绝缘层，叉指电极引出线压焊点、加热测温电极引出线压焊点和气体敏感层；所述电绝缘层在所述加热测温电极形成后淀积在所述加热测温电极上，所述叉指电极形成于所述电绝缘层上，所述气体敏感层淀积在所述叉指电极上。利用本发明，提高了器件被加热的工作区域部分与周围的热绝缘，降低了器件功耗，简化了器件中加热和测温部分的结构，有利于器件的大量生产以及和信号采集处理电路的集成。
Description
技术领域
本发明涉及微机电系统(MEMS)技术领域，尤其涉及一种气敏传感器。
背景技术
气体传感器技术有着关阔的应用前景，可用于工厂、车间和矿山的各种易燃易爆或有害气体的检测、家庭可燃性气体泄漏的监控检测等。
二氧化锡气敏传感器由于结构简单，制作方便，寿命长等特点而得到广泛应用。但是传统结构的二氧化锡气敏传感器具有体积大、功耗大、响应慢和一致性差等不可避免的弱点。
近年来，随着硅加工技术的发展，特别是微机械加工技术带来了制造加工技术的根本性变革。采用微电子、微机械加工和薄膜加工技术制备的微结构气敏传感器具有以下诸多独特优点：
(1)微型化；(2)低功耗；(3)工作精度可精确测定和控制；(4)批量生产，成本低，一致性、可靠性好；(5)易于与信号采集处理电路集成。
已有报道的利用微加工技术制作的结构如图1所示，图1为目前利用微加工技术制作的气敏传感器的结构示意图。其中，(1)为叉指电极，(2)为加热电极，(3)为测温电极。这种结构使用加热电极(2)对叉指电极上面的气体敏感层进行加热，由测温电极(3)对温度进行监控。
这种结构的最大问题是器件没有与周围热绝缘，导致热量通过电绝缘层向四周扩散，增大了器件功耗。而且采用测温电极和加热电极分别制作的方法，增加了器件引出线和制作的复杂度。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种气敏传感器，以提高器件被加热的工作区域部分与周围的热绝缘，降低器件功耗，简化器件中加热和测温部分的结构，进而有利于器件的大量生产以及和信号采集处理电路的集成。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种气敏传感器，该气敏传感器包括单晶硅衬底1，起支撑作用的二氧化硅/氮化硅层2，加热测温电极9、叉指电极8，加热测温电极9和叉指电极8之间的电绝缘层，叉指电极引出线压焊点6、加热测温电极引出线压焊点7和气体敏感层10；
所述加热测温电极9由二氧化硅/氮化硅层2形成的支撑臂11固定在单晶硅衬底1上，支撑臂11下方为空腔结构；
所述支撑臂11上淀积有金属引线，加热测温电极9和叉指电极8通过各自的金属引线分别与加热测温电极引出线压焊点7和叉指电极引出线压焊点6相连接；
所述电绝缘层在所述加热测温电极9形成后依次淀积在所述加热测温电极9上，所述叉指电极8形成于所述电绝缘层上，所述气体敏感层10淀积在所述叉指电极8上。
上述方案中，所述加热测温电极9采用剥离法在支撑臂11形成，由Pt/Ti构成，Pt厚度为
Ti厚度为
所述加热测温电极的宽度为5～10μm，间隔为5～10μm。
上述方案中，所述支撑臂11的宽度为5～30μm，厚度为
上述方案中，所述空腔结构用于增大器件与周围的热绝缘，是利用KOH对硅进行各向异性腐蚀，将器件下方的硅腐蚀掉而形成的。
上述方案中，所述支撑臂11上的金属引线宽度分别为所述加热测温电极9和叉指电极8宽度的1.4～3倍。
上述方案中，所述电绝缘层为二氧化硅电绝缘层3，或为氮化硅电绝缘层4，或为二氧化硅电绝缘层3和氮化硅电绝缘层4。
上述方案中，所述二氧化硅电绝缘层3或氮化硅电绝缘层4采用溅射法淀积在所述加热测温电极9上，厚度分别为
和
上述方案中，所述叉指电极8采用剥离法形成于所述电绝缘层上，由Pt/Ti构成，Pt厚度为
Ti厚度为
，所述叉指电极8的宽度为5～20μm，间隔为5～20μm。
上述方案中，所述气体敏感层10采用溅射法淀积在所述叉指电极8上，厚度为
上述方案中，所述气体敏感层10为半导体气体敏感材料，至少包括二氧化锡、氧化锌、三氧化二铟和三氧化钨。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供的这种气敏传感器，与利用微加工技术制作的气敏传感器相比，具有更好的热绝缘效果，降低了器件功耗，而且采用Pt/Ti电极同时作为加热电极和测温电极，简化了器件设计和制作复杂度。
2、本发明提供的这种气敏传感器，使用成熟可行的MEMS工艺制造，可以实现器件的大规模制造，降低单个器件的制造成本，提高器件性能的可靠性和一致性。
附图说明
图1为目前利用微加工技术制作的气敏传感器的结构示意图；
图2为本发明提供的气敏传感器的剖面结构示意图；
图3为本发明提供的气敏传感器的俯视图；
图4为本发明提供的气敏传感器中加热测温电极的俯视图；
图5为本发明提供的气敏传感器中叉指电极的俯视图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
如图2和图3所示，图2为本发明提供的气敏传感器的剖面结构示意图，图3为本发明提供的气敏传感器的俯视图。该气敏传感器包括单晶硅衬底1，起支撑作用的二氧化硅/氮化硅层2，加热测温电极9、叉指电极8，加热测温电极9和叉指电极8之间的电绝缘层，叉指电极引出线压焊点6、加热测温电极引出线压焊点7和气体敏感层10。
其中，加热测温电极9由二氧化硅/氮化硅层2形成的支撑臂11固定在单晶硅衬底1上，支撑臂11下方为空腔结构。支撑臂11上淀积有金属引线，加热测温电极9和叉指电极8通过各自的金属引线分别与加热测温电极引出线压焊点7和叉指电极引出线压焊点6相连接。所述电绝缘层可以为二氧化硅电绝缘层3，也可以为氮化硅电绝缘层，或者为二氧化硅电绝缘层3和氮化硅电绝缘层4。电绝缘层在所述加热测温电极9形成后依次淀积在所述加热测温电极9上，所述叉指电极8形成于所述电绝缘层上，所述气体敏感层10淀积在所述叉指电极8上。
如图4所示，图4为本发明提供的气敏传感器中加热测温电极的俯视图。加热测温电极9采用剥离法在支撑臂11形成，由Pt/Ti构成，Pt厚度为
Ti厚度为
所述加热测温电极的宽度为5～10μm，间隔为5～10μm。支撑臂11的宽度为5～30μm，厚度为300～1000
上述空腔结构用于增大器件与周围的热绝缘，是利用KOH对硅进行各向异性腐蚀，将器件下方的硅腐蚀掉而形成的。支撑臂11上的金属引线宽度分别为所述加热测温电极9和叉指电极8宽度的1.4～3倍。二氧化硅电绝缘层3或氮化硅电绝缘层4采用溅射法淀积在所述加热测温电极9上，厚度分别为
和
如图5所示，图5为本发明提供的气敏传感器中叉指电极的俯视图。叉指电极8采用剥离法形成于所述电绝缘层上，由Pt/Ti构成，Pt厚度为1000～2000
，Ti厚度为100～200
所述叉指电极8的宽度为5～20μm，间隔为5～20μm。叉指电极和加热测温电极通过支撑臂与电源和信号采集处理电路相连接。气体敏感层10采用溅射法淀积在所述叉指电极8上，厚度为2000
气体敏感层10为半导体气体敏感材料，至少包括二氧化锡、氧化锌、三氧化二铟和三氧化钨。各种不同的半导体气体敏感材料，能够实现对不同气体探测目标的探测。当敏感层吸附了待探测的气体之后，敏感层的电阻发生变化，敏感层的电阻变化通过叉指电极输出到测试电路。
实施例
再参照图2、3、4和5，器件主要由硅衬底(1)、二氧化硅/氮化硅层(2)、二氧化硅电绝缘层(3)、氮化硅电绝缘层(4)、二氧化硅层(5)、叉指电极引出线Au/Cr层(6)、加热测温电极引出线Au/Cr层(7)、叉指电极Pt/Ti层(8)、加热测温电极(9)和二氧化锡气体敏感层(10)十个部分构成。
硅衬底主要作为支撑结构，器件通过支撑臂(11)固定在硅衬底上，利用KOH对硅的各向异性腐蚀，把器件下方的硅腐蚀掉形成空腔，以增大器件与周围的热绝缘，叉指电极和加热测温电极通过支撑臂与电源和信号采集处理电路相连接。支撑臂宽度为5～30μm。加热测温电极宽度为5～10μm，间隔为5～10μm，加热区域面积为40×40、60×60、80×80、120×120μm2。加热测温电极下面为起支撑作用的二氧化硅/氮化硅层(2)，厚度为300～
使用剥离法形成加热测温电极之后，使用溅射法淀积二氧化硅和氮化硅作为电绝缘层，厚度分别为4500和1500
加热测温电极通过两根支撑梁上面的导线和电源以及测试电路连接。
使用剥离法在氮化硅电绝缘层(4)上面制作叉指电极Pt/Ti层(8)，叉指电极Pt/Ti层(8)的宽度为5～20μm，间隔为5～20μm，叉指电极Pt/Ti层(8)通过两根支撑梁上面的电极的导线与测试电路连接。通过溅射法在叉指电极Pt/Ti层(8)上淀积二氧化锡气体敏感层，厚度2000
也可以溅射其它敏感材料，包括氧化锌、三氧化二铟、三氧化钨等半导体气体敏感材料，实现对不同气体探测目标的探测。当敏感层吸附了待探测的气体之后，敏感层的电阻发生变化，敏感层的电阻变化通过叉指电极输出到测试电路。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种气敏传感器，其特征在于，该气敏传感器包括单晶硅衬底(1)，起支撑作用的二氧化硅/氮化硅层(2)，加热测温电极(9)，叉指电极(8)，加热测温电极(9)和叉指电极(8)之间的电绝缘层，叉指电极引出线压焊点(6)、加热测温电极引出线压焊点(7)和气体敏感层(10)；
所述加热测温电极(9)由二氧化硅/氮化硅层(2)形成的支撑臂(11)固定在单晶硅衬底(1)上，支撑臂(11)下方为空腔结构，该空腔结构用于增大器件与周围的热绝缘，是利用KOH对硅进行各向异性腐蚀，将器件下方的硅腐蚀掉而形成的；
所述支撑臂(11)上淀积有金属引线，加热测温电极(9)和叉指电极(8)通过各自的金属引线分别与加热测温电极引出线压焊点(7)和叉指电极引出线压焊点(6)相连接；
所述电绝缘层为二氧化硅电绝缘层(3)，或为氮化硅电绝缘层(4)，或为二氧化硅电绝缘层(3)和氮化硅电绝缘层(4)；所述电绝缘层在所述加热测温电极(9)形成后依次淀积在所述加热测温电极(9)上，所述叉指电极(8)形成于所述电绝缘层上，所述气体敏感层(10)淀积在所述叉指电极(8)上。
2.根据权利要求1所述的气敏传感器，其特征在于，所述加热测温电极(9)采用剥离法在支撑臂(11)形成，由Pt/Ti构成，Pt厚度为1000～Ti厚度为
所述加热测温电极的宽度为5～10μm，间隔为5～10μm。
3.根据权利要求1所述的气敏传感器，其特征在于，所述支撑臂(11)的宽度为5～30μm，厚度为
4.根据权利要求1所述的气敏传感器，其特征在于，所述支撑臂(11)上的金属引线宽度分别为所述加热测温电极(9)和叉指电极(8)宽度的1.4～3倍。
5.根据权利要求1所述的气敏传感器，其特征在于，所述二氧化硅电绝缘层(3)或氮化硅电绝缘层(4)采用溅射法淀积在所述加热测温电极(9)上，厚度分别为和
6.根据权利要求1所述的气敏传感器，其特征在于，所述叉指电极(8)采用剥离法形成于所述电绝缘层上，由Pt/Ti构成，Pt厚度为1000～
Ti厚度为
所述叉指电极(8)的宽度为5～20μm，间隔为5～20μm。
7.根据权利要求1所述的气敏传感器，其特征在于，所述气体敏感层(10)采用溅射法淀积在所述叉指电极(8)上，厚度为
8.根据权利要求1所述的气敏传感器，其特征在于，所述气体敏感层(10)为半导体气体敏感材料，至少包括二氧化锡、氧化锌、三氧化二铟和三氧化钨。
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