CN103499617A - 一种单片微瓦斯传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种单片微瓦斯传感器及其制备方法，属于瓦斯传感器及其制备方法。该传感器的加热元件和测温元件通过固定端固定在硅框架支座上，在加热元件上设有催化剂载体，加热元件和测温元件是相互独立的，加热元件、测温元件不存在电气连接；采用加热元件单独加热催化剂载体，测温元件单独检测因瓦斯催化燃烧形成的温升；采用MEMS技术加工的用于煤矿井下检测瓦斯浓度的一种瓦斯传感器，其制备工艺与CMOS工艺兼容。优点：该传感器配置简单，操作容易，功耗低、灵敏度高。加热元件整体嵌入催化剂载体中，提高电致发热效率，高效利用加热器的热量，还可独立调控加热元件、检测测温元件。

Description

一种单片微瓦斯传感器及其制备方法

技术领域

    本发明涉及一种瓦斯传感器及其制备方法，特别是一种单片微瓦斯传感器及其制备方法。

背景技术

目前基于传统铂丝加热的催化燃烧式瓦斯传感器仍在煤矿井下广泛应用，但其功耗较大，不能很好的满足物联网对低功耗瓦斯传感器的应用需求。而其它的瓦斯传感器则较难适应煤矿井下高湿度的环境。以往报道的微瓦斯传感器，多采用金属铂电阻作为加热元件，该铂电阻同时也作为测温元件。由于加热元件、测温元件是同一个铂电阻，这使得对温度测量的诸多先进技术受同时施加在铂电阻上的加热电压或电流的制约而无法应用，限制了瓦斯检测技术的发展。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种单片微瓦斯传感器及其制备方法，解决现有催化燃烧式瓦斯传感器的铂丝电阻元件复用所带来的问题，即同一个铂丝电阻同时作为加热元件及测温元件在控制温度与测量温度时无法分别调控的问题。

技术方案：本发明的目的是这样实现的：该单片微瓦斯传感器包括催化剂载体、加热元件、测温元件、固定端与硅框架支座；所述硅框架支座包括硅衬底与设在硅衬底上的埋层氧化硅；所述固定端包括支撑硅层、设在支撑硅层外的氧化硅层，设在氧化硅层上的用作电引出焊盘Pad的金属层；所述固定端的支撑硅层内设有掺杂硅层；所述电引出焊盘Pad的金属层通过氧化硅层的窗口与固定端的掺杂硅层相接触构成欧姆接触；所述固定端设在硅框架支座上的埋层氧化硅上；所述加热元件、测温元件均包括支撑硅层、设在支撑硅层外的氧化硅层；加热元件设有硅加热器、两个对称设置的硅悬臂；所述硅加热器较佳为圆环形，圆环形硅加热器中间较佳设有两个对称内伸的散热-支撑硅块；所述硅悬臂的一端与硅加热器相连，另一端与硅框架支座上的固定端相连；所述加热元件的硅加热器上设有催化剂载体，加热元件的硅加热器完全嵌入在催化剂载体中，并且催化剂载体贯穿于硅加热器中，尤其是催化剂载体是一个整体结构；所述测温元件设有硅测温环、两个对称设置的硅连接臂，两个对称设置的硅支撑臂；所述硅测温环、硅连接臂、硅支撑臂、固定端依次相连；加热元件、测温元件分别与其各自的固定端构成独立的二端器件通路，并通过固定端固定在硅框架支座上的埋层氧化硅上； 

所述测温元件的硅测温环与加热元件的硅加热器的边缘距离为3um至100um；与测温元件相连的固定端以及与加热元件相连的固定端较佳设置在硅框架支座的相同一侧的位置；

加热元件独立加热催化剂载体，测温元件独立检测因瓦斯催化燃烧造成的温升，测温元件测量时不受加热元件所施加的电压或电流的影响。 

所述单片微瓦斯传感器的制备方法，

包括分立的硅器件的制备方法、引线键合方法与催化剂载体包裹硅加热器的方法：

分立的硅器件的制备方法的步骤为：

第一步，在SOI硅片上制备氧化硅层；图形化SOI顶层硅之上的氧化硅层，所述的SOI顶层硅为支撑硅层；掺杂或离子注入；淀积金属，图形化金属形成电引出焊盘的金属图形；

第二步，刻蚀SOI硅片顶层硅，即支撑硅层，刻蚀停止于埋层氧化硅，形成固定端、加热元件、测温元件的结构；

第三步，湿法刻蚀或干法刻蚀SOI硅片底层硅，即硅衬底，刻蚀停止于埋层氧化硅，在SOI硅片背面形成硅杯；

第四步，湿法或干法刻蚀硅杯形成之后所暴露出的埋层氧化硅，释放出加热元件与测温元件；

第五步，按照划线槽路径划片，得到所述微瓦斯传感器的分立的硅器件；

引线键合方法：

将分立的硅器件或负载有催化剂载体及催化剂的分立的硅器件固定于支撑板上；支撑板有2种，一种其内部设有通孔，另一种不设通孔，支撑板上设有金属电极；固定所述分立的硅器件或负载有催化剂载体及催化剂的分立的硅器件于支撑板时，如果加热元件、测温元件的固定端在同一侧，则将加热元件、测温元件定位伸出支撑板外；如果固定加热元件、测温元件的固定端不在同一侧，则选用有通孔的支撑板，并将加热元件、测温元件定位于支撑板的通孔上方；用金属引线连接支撑板上的金属电极与所述分立的硅器件或负载有催化剂载体及催化剂的分立的硅器件的电引出焊盘Pad的金属层；

催化剂载体包裹硅加热器的方法：即催化剂载体包裹加热元件的硅加热器的方法，将微喷印设备的喷嘴对准硅加热器，先单面对准并喷印或滴注液态或胶态催化剂载体，使催化剂载体饱满得上下贯穿于硅加热器的圆环中，加热元件的硅加热器及其内伸的两个散热-支撑块支撑负担催化剂载体；之后对准翻转过来的硅加热器的另一面并喷印或滴注催化剂载体，使硅加热器正反两面上的催化剂载体形成一个整体并完整包裹硅加热器，得到整体式包裹硅加热器的催化剂载体的元件，之后干燥；根据需要在得到的催化剂载体上制作催化剂并干燥；

所述单片微瓦斯传感器的制备次序为先采用分立的硅器件的制备方法制备得到分立的硅器件；之后再依次采用引线键合方法、催化剂载体包裹硅加热器的方法，或依次采用催化剂载体包裹硅加热器的方法再采用引线键合方法完成制备。

有益效果，由于采用了上述方案，本发明的单片硅微瓦斯传感器采用MEMS工艺加工，加热元件与测温元件从SOI硅片中释放出来、悬在空气中，很大程度上降低了通过SOI硅片的热量损失，因此可有效的降低加热元件的功耗；加热元件与测温元件没有直接接触，加热元件及其在在瓦斯催化燃烧时所释放的热量主要通过空气的热传导及热辐射的方式被其一侧的测温元件检测。其制备方法可与CMOS工艺兼容，批量制作可降低成本、并提高一致性。传感器功耗低、灵敏度高，能够满足煤矿井下环境物联网对瓦斯传感器的需求。

优点：本发明提供的单片微瓦斯传感器，其加热元件与测温元件都通过固定端固定在同一个器件上，实现瓦斯的单片检测；加热元件与测温元件相互独立，不再受传统的单一元件加热与测温功能复用的限制，可单独调控加热元件、单独对测温元件进行检测。分别对加热元件与测温元件进行调控，可为传感器提供多样性的工作模式，且配置简单、工作灵活、因此提高了传感器的综合性能。

所述加热元件、测温元件等构件的图形根据MEMS加工实际情况可能不同于本发明的描述，仍属本发明所主张的权利要求。

附图说明

图1为本发明的分立的硅器件的俯视示意图。

图2为本发明的分立的硅器件负载催化剂载体后的俯视示意图。

图3为本发明的分立的硅器件或负载有催化剂载体及催化剂的分立的硅器件的固定端的剖视图，即图2中的A-A截面剖视图。

图4为本发明的分立的硅器件负载催化剂载体后的剖视图，即图2中的B-B截面剖视图。

图5为本发明的分立的硅器件划片示意图。

图6为本发明的分立的硅器件或负载有催化剂载体及催化剂的分立的硅器件的加热元件、测温元件的固定端不在同侧时的引线键合示意图。

图7为本发明的加热元件、测温元件的固定端在同侧时的俯视图示意图。

图8为本发明的加热元件-测温元件为图7的布置时的划片槽示意图。

图9为本发明的加热元件、测温元件的固定端在同侧时的引线键合示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步的描述：

实施例1：在图1、图2中，该单片微瓦斯传感器包括催化剂载体105、加热元件103、测温元件104、固定端102与硅框架支座101；所述硅框架支座101包括硅衬底11与设在硅衬底11上的埋层氧化硅12；所述固定端102如图3所示，包括支撑硅层21、设在支撑硅层21外的氧化硅层23，设在氧化硅层23上的用作电引出焊盘Pad的金属层22；所述固定端102的支撑硅层21内设有掺杂硅层24；所述电引出焊盘Pad的金属层22通过氧化硅层23的窗口与固定端102的掺杂硅层24相接触构成欧姆接触；所述固定端102设在硅框架支座101上的埋层氧化硅12上；所述加热元件103、测温元件104均包括支撑硅层21、设在支撑硅层21外的氧化硅层23；加热元件103设有硅加热器1031、两个对称设置的硅悬臂1032；所述硅加热器1031较佳为圆环形，圆环形硅加热器1031中间较佳设有两个对称内伸的散热-支撑硅块1033；所述硅悬臂1032的一端与硅加热器1031相连，另一端与硅框架支座101上的固定端102相连；所述加热元件103的硅加热器1031上设有催化剂载体105，加热元件103的硅加热器1031完全嵌入在催化剂载体105中，并且催化剂载体105贯穿于硅加热器1031中，尤其是催化剂载体105是一个整体结构，如图4所示；所述测温元件104设有硅测温环1041、两个对称设置的硅连接臂1042，两个对称设置的硅支撑臂1043；所述硅测温环1041、硅连接臂1042、硅支撑臂1043、固定端102依次相连；加热元件103、测温元件104分别与其各自的固定端102构成独立的二端器件通路，并通过固定端102固定在硅框架支座101上的埋层氧化硅12上； 

所述测温元件104的硅测温环1041与加热元件103的硅加热器1031的边缘距离为3um至100um；与测温元件104相连的固定端102以及与加热元件103相连的固定端102较佳设置在硅框架支座101的相同一侧的位置；

加热元件103独立加热催化剂载体105，测温元件104独立检测因瓦斯催化燃烧造成的温升，测温元件104测量时不受加热元件103所施加的电压或电流的影响。 

所述单片微瓦斯传感器的制备方法，包括分立的硅器件的制备方法、引线键合方法与催化剂载体包裹硅加热器的方法：其步骤为：

第一步，在SOI硅片上制备氧化硅层23；图形化SOI顶层硅之上的氧化硅层23，所述的SOI顶层硅为支撑硅层21；掺杂或离子注入；淀积金属，图形化金属形成电引出焊盘的金属22图形；

第二步，刻蚀SOI硅片顶层硅，即支撑硅层21，刻蚀停止于埋层氧化硅12，形成固定端102、加热元件103、测温元件104的结构；

第三步，湿法刻蚀或干法刻蚀SOI硅片底层硅，即硅衬底11，刻蚀停止于埋层氧化硅12，在SOI硅片背面形成硅杯；

第四步，湿法或干法刻蚀硅杯形成之后所暴露出的埋层氧化硅12，释放出加热元件103与测温元件104；

第五步，如果加热元件103、测温元件104的固定端102在同一侧，如图7所示，则按照第一划线槽601划片，如图8所示；如果加热元件103、测温元件104的固定端102在不同一侧，则按照第二划线槽601划片，如图5所示；均得到所述微瓦斯传感器的分立的硅器件110；

引线键合方法：将分立的硅器件110固定于支撑板107上；支撑板107有2种，一种其内部设有通孔，另一种不设通孔；支撑板107上设有金属电极108；固定所述分立的硅器件110于支撑板107时，如果加热元件103、测温元件104的固定端102在同一侧，如图7所示，则将加热元件103、测温元件104定位伸出无通孔的支撑板107外，如图9所示；如果固定加热元件103、测温元件104的固定端102不在同一侧，则选用有通孔的支撑板107，并将加热元件103、测温元件104定位于支撑板107的通孔上方，如图6所示；用金属引线108连接支撑板107上的金属电极108与所述分立的硅器件110的电引出焊盘Pad的金属层22，如图6、图9所示；

催化剂载体包裹硅加热器的方法，即催化剂载体105包裹加热元件103的硅加热器1031的方法，将微喷印设备的喷嘴对准硅加热器1031，先单面对准并喷印或滴注液态或胶态催化剂载体105，使催化剂载体105饱满得上下贯穿于硅加热器1031的圆环中，如图4所示，加热元件103的硅加热器1031及其内伸的两个散热-支撑块1033支撑负担催化剂载体105；之后180度翻转硅器件，再次对准翻转过来的硅加热器1031的另一面喷印或滴注催化剂载体105，得到整体式包裹硅加热器的催化剂载体的元件，如图4所示，之后干燥；根据需要在得到的催化剂载体105上制作催化剂并干燥。

所述单片微瓦斯传感器的制备次序为先采用分立的硅器件的制备方法制备得到分立的硅器件；之后再先后采用引线键合方法、催化剂载体包裹硅加热器的方法完成制备。

实施例2：所述的引线键合方法：将负载有催化剂载体及催化剂的分立的硅器件110固定于支撑板107上；支撑板107有2种，一种其内部设有通孔，另一种不设通孔；支撑板107上设有金属电极108；固定所述负载有催化剂载体及催化剂的分立的硅器件110于支撑板107时，如果加热元件103、测温元件104的固定端102在同一侧，如图7所示，则将加热元件103、测温元件104定位伸出无通孔的支撑板107外，如图9所示；如果固定加热元件103、测温元件104的固定端102不在同一侧，则选用有通孔的支撑板107，并将加热元件103、测温元件104定位于支撑板107的通孔上方，如图6所示；用金属引线108连接支撑板107上的金属电极108与所述负载有催化剂载体及催化剂的分立的硅器件110的电引出焊盘Pad的金属层22，如图6、图9所示。

所述单片微瓦斯传感器的制备次序为先采用催化剂载体包裹硅加热器的方法再采用引线键合方法完成制备。

其它与实施例1同。

Claims (2)

1.一种单片微瓦斯传感器，其特征在于：该单片微瓦斯传感器包括催化剂载体（105）、加热元件（103）、测温元件（104）、固定端（102）与硅框架支座（101）；所述硅框架支座（101）包括硅衬底（11）与设在硅衬底（11）上的埋层氧化硅（12）；所述固定端（102）包括支撑硅层（21）、设在支撑硅层（21）外的氧化硅层（23），设在氧化硅层（23）上的用作电引出焊盘Pad的金属层（22）；所述固定端（102）的支撑硅层（21）内设有掺杂硅层（24）；所述电引出焊盘Pad的金属层（22）通过氧化硅层（23）的窗口与固定端（102）的掺杂硅层（24）相接触构成欧姆接触；所述固定端（102）设在硅框架支座（101）上的埋层氧化硅（12）上；所述加热元件（103）、测温元件（104）均包括支撑硅层（21）、设在支撑硅层（21）外的氧化硅层（23）；加热元件（103）设有硅加热器（1031）、两个对称设置的硅悬臂（1032）；所述硅加热器（1031）较佳为圆环形，圆环形硅加热器（1031）中间较佳设有两个对称内伸的散热-支撑硅块（1033）；所述硅悬臂（1032）的一端与硅加热器（1031）相连，另一端与硅框架支座（101）上的固定端（102）相连；所述加热元件（103）的硅加热器（1031）上设有催化剂载体（105），加热元件（103）的硅加热器（1031）完全嵌入在催化剂载体（105）中，并且催化剂载体（105）贯穿于硅加热器（1031）中，尤其是催化剂载体（105）是一个整体结构；所述测温元件（104）设有硅测温环（1041）、两个对称设置的硅连接臂（1042），两个对称设置的硅支撑臂（1043）；所述硅测温环（1041）、硅连接臂（1042）、硅支撑臂（1043）、固定端（102）依次相连；加热元件（103）、测温元件（104）分别与其各自的固定端（102）构成独立的二端器件通路，并通过固定端（102）固定在硅框架支座（101）上的埋层氧化硅（12）上； 

所述测温元件（104）的硅测温环（1041）与加热元件（103）的硅加热器（1031）的边缘距离为3um至100um；与测温元件（104）相连的固定端（102）以及与加热元件（103）相连的固定端（102）较佳设置在硅框架支座（101）的相同一侧的位置；

加热元件（103）独立加热催化剂载体（105），测温元件（104）独立检测因瓦斯催化燃烧造成的温升，测温元件（104）测量时不受加热元件（103）所施加的电压或电流的影响。

2. 一种权利要求1所述的单片微瓦斯传感器的制备方法，其特征在于：包括分立的硅器件的制备方法、引线键合方法与催化剂载体包裹硅加热器的方法：

分立的硅器件的制备方法的步骤为：

第一步，在SOI硅片上制备氧化硅层（23）；图形化SOI顶层硅之上的氧化硅层（23），所述的SOI顶层硅为支撑硅层（21）；掺杂或离子注入；淀积金属，图形化金属形成电引出焊盘的金属（22）图形；

第二步，刻蚀SOI硅片顶层硅，即支撑硅层（21），刻蚀停止于埋层氧化硅（12），形成固定端（102）、加热元件（103）、测温元件（104）的结构；

第三步，湿法刻蚀或干法刻蚀SOI硅片底层硅，即硅衬底（11），刻蚀停止于埋层氧化硅（12），在SOI硅片背面形成硅杯；

第四步，湿法或干法刻蚀硅杯形成之后所暴露出的埋层氧化硅（12），释放出加热元件（103）与测温元件（104）；

第五步，按照划线槽（601）路径划片，得到所述微瓦斯传感器的分立的硅器件（110）；

引线键合方法：将所述微瓦斯传感器或分立的硅器件（110）固定于支撑板（107）上；支撑板（107）有2种，一种其内部设有通孔，另一种不设通孔，支撑板（107）上设有金属电极（108）；固定所述微瓦斯传感器或分立的硅器件（110）于支撑板（107）时，如果加热元件（103）、测温元件（104）的固定端（102）在同一侧，则将加热元件（103）、测温元件（104）定位伸出支撑板（107）外；如果固定加热元件（103）、测温元件（104）的固定端（102）不在同一侧，则选用有通孔的支撑板（107），并将加热元件（103）、测温元件（104）定位于支撑板（107）的通孔上方；用金属引线（108）连接支撑板（107）上的金属电极（108）与所述微瓦斯传感器或分立的硅器件（110）的电引出焊盘Pad的金属层（22）；

催化剂载体包裹硅加热器的方法：即催化剂载体（105）包裹加热元件（103）的硅加热器（1031）的方法，将微喷印设备的喷嘴对准硅加热器（1031），先单面对准并喷印或滴注液态或胶态催化剂载体（105），使催化剂载体（105）饱满得上下贯穿于硅加热器（1031）的圆环中，加热元件（103）的硅加热器（1031）及其内伸的两个散热-支撑块（1033）支撑负担催化剂载体（105）；之后对准硅加热器（1031）的另一面并喷印或滴注催化剂载体（105），使硅加热器正反两面上的催化剂载体形成一个整体并完整包裹硅加热器，得到整体式包裹硅加热器的催化剂载体的元件，之后干燥；根据需要在得到的催化剂载体（105）上制作催化剂并干燥；

所述单片微瓦斯传感器的制备次序为先采用分立的硅器件的制备方法制备得到分立的硅器件；之后依次采用引线键合方法、催化剂载体包裹硅加热器的方法，或依次采用催化剂载体包裹硅加热器的方法、引线键合方法完成制备。

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