CN104374886A - 一种渗b半导体加热温湿度自补偿气体集成传感器 - Google Patents

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Abstract

一种渗B半导体加热温湿度自补偿气体集成传感器，适用于多气体测量领域。本发明的目的是要解决现有的气体传感器检测参数单一、受环境温湿度影响较大、传感器工作温度随环境变化、精度低、体积大、成本高等问题。一种渗B半导体加热的温湿度自补偿气体集成传感器其特征在于：主要有硅基底、二氧化硅绝缘层、渗B半导体加热体，氧化铝绝缘层、镍铬合金膜传感器、连接线和凹槽构成。一种渗B半导体加热的温湿度自补偿气体集成传感器，内置渗B半导体加热体，可为传感器提供适应的工作温度，从而提高精度，悬臂梁式结构可大大减小热量的浪费，MEMS技术的应用，不仅实现多传感器的集成，还可使本传感器体积变小、成本降低。

Description

一种渗B半导体加热温湿度自补偿气体集成传感器
技术领域
本发明涉及气体传感器及其结构的领域。
背景技术
在现代社会的生产和生活中，不管是污染性气体还是有益性气体，人们离不开，也躲不过，随着工业化的不断发展，气体种类越来越多，有些有毒有害，有些易燃易爆，因此对气体的检测成为重中之重的话题。现有的气体传感器普遍存在交叉敏感，而且其响应受温度、湿度以及环境条件等因素的影响。气体集成传感器是在一片很小的基片上集成N个具有不同选择性的气敏单元，可同时检测M（M≤N）种不同的单一或者混合的气体。本文发明的一种镍铬合金膜加热的温湿度自补偿气体集成传感器不仅可实现多气体参数的测量，而且传感器本身集成环境温湿度传感器单元可进行温湿度自补偿，采用镍铬合金膜加热课为个传感器提供适宜的工作温度从而提高传感器精度，传感器悬臂梁式结构可大大减小热量的散失、降低功耗、提高能量利用率，采用MEMS技术，整个传感器结构体积小、重量轻、价格低。
发明内容
本发明是为了解决现有的气体传感器检测气体参数单一，受环境温、湿度影响较大、工作温度随环境变化、精度低、体积大、成本高等问题，而提出的一种渗B半导体加热温湿度自补偿气体集成传感器。
一种渗B半导体加热的温湿度自补偿气体集成传感器，其特征在于：它是由硅基底（1）、二氧化硅绝缘层（2）、渗B半导体加热体（3）、渗B半导体加热体焊盘（4）、气体传感器单元焊盘（5）、半导体加热电极（6）、氧化铝绝缘层（7）、气体传感器单元（8）、环境温湿度传感器（9）、加热体温度传感器单元（10）、连接线（11）和凹槽（12）组成；其结构特征为：先在硅基底（1）上表面氧化生成一层二氧化硅绝缘层（2），通过光刻、离子注入技术在硅基底（1）内生成一个正八边形的渗B半导体加热体（3-1），再通过“退火”氧化技术，形成渗B半导体加热体氧化层（3-2），在渗B半导体加热体（3）、二氧化硅绝缘层（2）上通过磁控溅射技术生成渗B半导体加热体焊盘（4）、气体传感器单元焊盘（5）和半导体加热电极（6），再次使用磁控溅射技术，在二氧化硅绝缘层（2）、渗B半导体加热体（3）和半导体加热电极（6）上生成氧化铝绝缘层（7），并露出渗B半导体加热体焊盘（4）和气体传感器单元焊盘（5），使用磁控溅射技术，在渗B半导体加热体焊盘（4）和气体传感器单元焊盘（5）上对应形成一定厚度的焊盘，使焊盘上表面和氧化铝绝缘层（7）上表面平齐，然后在渗B半导体加热体焊盘（4）、气体传感器单元焊盘（5）氧化铝绝缘层（7）上，使用磁控溅射技术形成渗B半导体加热体焊盘（4）、气体传感器单元焊盘（5）、气体传感器单元（8）、环境温、湿度传感器（9）、加热体温度传感器单元（10）和连接线（11），最后进行镂空处理，先对氧化铝绝缘层进行镂空形成凹槽（12-1）、（12-2）、（12-3）、（12-4），再对二氧化硅绝缘层进行镂空形成凹槽（12-5）、（12-6）、（12-7）、（12-8），然后对硅基底进行镂空形成凹槽（12-9）、（12-10）、（12-11）、（12-12），最后对硅的下表面进行镂空，形成凹槽（12-13），至此，一种渗B半导体加热的温湿度自补偿气体集成传感器就形成了。
本传感器主要通过以下步骤形成。
步骤一：准备晶向为（100）， 8000×8000×（200~300）（μm3）的硅片作为基底，清洁基底的表面。
步骤二：在硅的上表面通过干氧-湿氧-干氧交替氧化的方法，生长一层二氧化硅绝缘层，尺寸为8000×8000×（2~5）（μm3）。
步骤三：在二氧化硅绝缘层上通过光刻和等离子体技术，形成边长为2000（μm）的正八边形渗B半导体加热体并通过“退火”氧化技术，形成一层氧化层。
步骤四：上述步骤完成后，通过磁控溅射技术，在二氧化硅绝缘层和渗B半导体加热体上溅射生成渗B半导体加热体焊盘、气体传感器单元焊盘、半导体加热电极，厚度均等，为2~4（μm），并露出渗B半导体加热体焊盘、气体传感器单元焊盘。
步骤五：在通过上述步骤形成的整个结构中，再通过磁控溅射技术，溅射一层铝，经氧化后形成一层厚度为5~6（μm）氧化铝绝缘层，并露出渗B半导体加热体焊盘和气体传感器单元焊盘。
步骤六：氧化铝绝缘层上，再次采用磁控溅射技术，先生成厚度为5~6（μm）的渗B半导体加热体焊盘和气体传感器单元焊盘，再溅射生成厚度为2~4（μm）的渗B半导体加热体焊盘、气体传感器单元焊盘、气体传感器单元、环境温湿度传感器、加热温度传感器单元和连接线。
步骤七：整体结构形成后，分别用盐酸、HF酸和EPW腐蚀剂对氧化铝绝缘层、二氧化硅绝缘层和硅基底从正面对结构进行腐蚀，再用EPW腐蚀剂从背面对硅基底进行腐蚀，凹槽就可以形成，得到一种渗B半导体加热的温湿度自补偿气体集成传感器。
本发明的优点为：一种渗B半导体加热的温湿度自补偿气体集成传感器，可通过渗B半导体加热体对传感器进行加热，这种用半导体元件将电能转换为热能的技术是20世纪80年代发展起来的一项新的加热技术，相比于传统的加热方式具有加热均匀、没有局部过热现象、加热速度快、加热速度容易控制、能量利用率高等优势；中间加热体温度传感器可实时检测传感器工作温度，便于实时控制，为各个传感器单元提供适宜的工作温度，提高本传感器的精度；一种悬臂梁式结构可大大减小热量的散失，降低功耗、节约能源；传感器的对称设计，可减小外界环境带来的误差，提高测量的准确度；温湿度传感器的添加，可为后续数据处理电路提供测量参数，进行温湿度自补偿计算；借助MEMS技术，在传感器单元上涂上相应的气敏材料，可同时对氧气、二氧化碳、一氧化碳、氮氧化物、硫化氢、二氧化硫、甲醛和苯类这8种气体进行实时检测，也可使本传感器体积减小、重量减轻、价格降低、集成度变高。
附图说明
图1为一种渗B半导体加热的气体集成传感器的拼装图。
图2为一种渗B半导体加热的气体集成传感器的制备流程示意图。
图3为图2(f)的A-A’剖面图。
图4为图2(f)的底面示意图。
图5为一种渗B半导体加热的气体集成传感器中传感器单元在绝缘层上分布的俯视图。
图6为一种渗B半导体加热的气体集成传感器中传感器单元、连接线、焊盘在绝缘层上分布的俯视图。
图7为一种渗B半导体加热的气体集成传感器焊盘和加热电极的俯视图。
具体实施方式
具体实施方式一：本传感器中的渗B半导体加热体焊盘（4）由（4-1）、（4-2）、（4-3）、（4-4）四部分组成，半导体加热电极（6）由（6-1）、（6-2）、（6-3）、（6-4）四部分组成，渗B半导体加热体焊盘（4-1）与半导体加热电极（6-1）相连，（4-2）与（6-2）相连，（4-3）与（6-3）相连，（4-4）与（6-4）相连，半导体加热电极（6）与渗B半导体加热体（3）相连，气体传感器单元焊盘（5）由（5-1）、（5-2）、（5-3）、（5-4）、（5-5）、（5-6）、（5-7）、（5-8）、（5-9）、（5-10）、（5-11）、（5-12）、（5-13）、（5-14）、（5-15）和（5-16）十六个传感器单元焊盘组成，气体传感器单元（8）由（8-1）、（8-2）、（8-3）、（8-4）、（8-5）、（8-6）、（8-7）、（8-8）八个气体传感器单元构成，环境温湿度传感器（9）由环境湿度传感器单元（9-1）和环境温度传感器单元（9-2）两部分构成，（5-2）和（5-15）分别与气体传感器单元的（8-1）的两端相连并为之提供工作电压，（5-2）和（5-3）分别与气体传感器单元（8-2）的两端相连并为之提供工作电压，（5-3）和（5-4）分别与气体传感器单元（8-3）的两端相连并为之提供工作电压，（5-6）和（5-7）分别与气体传感器单元（8-4）的两端相连并为之提供工作电压，（5-7）和（5-10）分别与气体传感器单元（8-5）的两端相连并为之提供工作电压，（5-10）和（5-11）分别与气体传感器单元（8-6）的两端相连并为之提供工作电压，（5-11）和（5-12）分别与气体传感器单元（8-7）的两端相连并为之提供工作电压，（5-14）和（5-15）分别与气体传感器单元（8-8）的两端相连并为之提供工作电压，（5-1）和（5-16）分别与环境湿度传感器单元（9-2）的两端相连并为之提供工作电压，（5-8）和（5-9）分别与环境温度传感器单元（9-1）的两端相连并为之提供工作电压，（5-5）和（5-13）分别与加热温度传感器单元（10）的两端相连并为之提供工作电压。凹槽（12）由（12-1）、（12-2）、（12-3）、（12-4）、（12-5）、（12-6）、（12-7）、（12-8）、（12-9）、（12-10）、（12-11）、（12-12）、（12-13）这13部分组成，连接线（11）包含11个传感器单元和焊盘之间的连接线。
具体实施方式二：结合图2和图4描述本实施方式，从本传感器的俯视面开始，依次用盐酸、氢氟酸、EPW腐蚀剂，腐蚀掉不需要的氧化铝、二氧化硅和硅，形成悬臂梁式结构。
具体实施方式三：结合图2和图3描述本实施方式，本传感器的渗B半导体加热体（3）、渗B半导体加热体焊盘（4）、气体传感器单元焊盘（5）、半导体加热电极（6）、氧化铝绝缘层（7）、气体传感器单元（8）加热体温度传感器单元（10）和凹槽（12）均呈对称结构。
具体实施方式四：结合图2描述本实施方式，本传感器的渗B半导体加热体（3）、渗B半导体加热体焊盘（4）和半导体加热电极（6）相连，当在渗B半导体加热线圈焊盘（5）和渗B半导体加热线圈（3）相连，当在渗B半导体加热体焊盘（4）上施加电压后，渗B半导体加热体就会产生热量，为各传感器单元提供适宜的工作温度。
具体实施方式五：结合图2描述本实施方式，本传感器的温湿度传感器单元（9），可实时监测环境温湿度参数，可为后续电路中进行环境温湿度自补偿实时提供数据。
具体实施方式六：结合图2描述本实施方式，本传感器借助MEMS技术，制成的传感器体积小、重量轻。

Claims (6)

1.一种渗B半导体加热的温湿度自补偿气体集成传感器，其特征在于：它是由硅基底（1）、二氧化硅绝缘层（2）、渗B半导体加热体（3）、渗B半导体加热体焊盘（4）、气体传感器单元焊盘（5）、半导体加热电极（6）、氧化铝绝缘层（7）、气体传感器单元（8）、环境温湿度传感器（9）、加热体温度传感器单元（10）、连接线（11）和凹槽（12）组成；其特征在于通过以下几个步骤制备：
步骤一：准备晶向为（100），规格为 8000×8000×（200~300）（μm3）的硅片作为基底（1），清洁基底（1）的表面；
步骤二：用氢氟酸去掉硅上表面已被氧化生成的二氧化硅，然后在硅的上表面通过干氧-湿氧-干氧交替氧化的方法，生长一层致密的二氧化硅绝缘层（2），尺寸为8000×8000×（2~5）（μm3）；
步骤三：在二氧化硅绝缘层（2）上通过光刻和等离子体技术，形成边长为2000（μm）的正八边形渗B形成半导体加热体（3-1），再通过“退火”氧化方式形成一层薄薄的半导体加热体氧化层（3-2）；
步骤四：上述步骤完成后，通过磁控溅射技术，在二氧化硅绝缘层（2）、渗B半导体加热体（3）上溅射生成渗B半导体加热体焊盘（4）、气体传感器单元焊盘（5）、半导体加热电极（6），厚度均等，为2~4（μm），并露出渗B半导体加热体焊盘（4）、气体传感器单元焊盘（5）；
步骤五：在通过上述步骤形成的整个结构中，再通过磁控溅射技术，溅射一层铝，经氧化后形成一层厚度为5~6（μm）氧化铝绝缘层（7），并露出渗B半导体加热体焊盘（4）和气体传感器单元焊盘（5）；
步骤六：氧化铝绝缘层（7）上，再次采用磁控溅射技术，在渗B半导体加热体焊盘（4）和气体传感器单元焊盘（5）上生成对应大小的厚度5~6（μm）的渗B半导体加热体焊盘（4）和气体传感器单元焊盘（5），使之与氧化铝绝缘层（7）上表面平齐，再溅射生成厚度为2~4（μm）的渗B半导体加热体焊盘（4）、气体传感器单元焊盘（5）、气体传感器单元（8）、环境温湿度传感器（9）、加热温度传感器单元（10）和连接线（11）；
步骤七：整体结构形成后，分别用盐酸、HF酸和EPW腐蚀剂对氧化铝绝缘层（7）、二氧化硅绝缘层（2）和硅基底（1）从正面对结构进行腐蚀，再用EPW腐蚀剂从背面对硅基底（1）进行腐蚀，形成凹槽（12），最终生成一种渗B半导体加热的温湿度自补偿气体集成传感器。
2.根据权利要求1所述的一种渗B半导体加热的高精度风速风向集成传感器的结构创新体现在：渗B半导体加热体（3）、渗B半导体加热体焊盘（4）、气体传感器单元焊盘（5）、半导体加热电极（6）气体传感器单元（8）、环境温湿度传感器（9）和加热温度传感器单元（10）等单元的构成及相互连接；渗B半导体加热体焊盘（4）由（4-1）、（4-2）、（4-3）、（4-4）四部分组成，半导体加热电极（6）由（6-1）、（6-2）、（6-3）、（6-4）四部分组成，渗B半导体加热体焊盘（4-1）与半导体加热电极（6-1）相连，（4-2）与（6-2）相连，（4-3）与（6-3）相连，（4-4）与（6-4）相连，半导体加热电极（6）与渗B半导体加热体（3）相连，气体传感器单元焊盘（5）由（5-1）、（5-2）、（5-3）、（5-4）、（5-5）、（5-6）、（5-7）、（5-8）、（5-9）、（5-10）、（5-11）、（5-12）、（5-13）、（5-14）、（5-15）和（5-16）十六个传感器单元焊盘组成，气体传感器单元（8）由（8-1）、（8-2）、（8-3）、（8-4）、（8-5）、（8-6）、（8-7）、（8-8）八个气体传感器单元构成，环境温湿度传感器（9）由环境湿度传感器单元（9-1）和环境温度传感器单元（9-2）两部分构成，（5-2）和（5-15）分别与气体传感器单元的（8-1）的两端相连并为之提供工作电压，（5-2）和（5-3）分别与气体传感器单元（8-2）的两端相连并为之提供工作电压，（5-3）和（5-4）分别与气体传感器单元（8-3）的两端相连并为之提供工作电压，（5-6）和（5-7）分别与气体传感器单元（8-4）的两端相连并为之提供工作电压，（5-7）和（5-10）分别与气体传感器单元（8-5）的两端相连并为之提供工作电压，（5-10）和（5-11）分别与气体传感器单元（8-6）的两端相连并为之提供工作电压，（5-11）和（5-12）分别与气体传感器单元（8-7）的两端相连并为之提供工作电压，（5-14）和（5-15）分别与气体传感器单元（8-8）的两端相连并为之提供工作电压，（5-1）和（5-16）分别与环境湿度传感器单元（9-2）的两端相连并为之提供工作电压，（5-8）和（5-9）分别与环境温度传感器单元（9-1）的两端相连并为之提供工作电压，（5-5）和（5-13）分别与加热温度传感器单元（10）的两端相连并为之提供工作电压；连接线（11）包含11个传感器单元和焊盘之间的连接线。
3.根据权利要求1步骤三所述的一种渗B半导体加热的高精度风速风向集成传感器的内置渗B半导体加热体（3），相比于传统的加热方式具有加热均匀、没有局部过热现象、加热速度快、加热速度容易控制、能量利用率高等优势。
4.根据权利要求1所述的一种渗B半导体加热的高精度风速风向集成传感器的悬臂梁式结构形成方式主要分为以下几个步骤：
步骤一：从本传感器结构的俯视面开始，盐酸腐蚀掉不需要的Al2O3形成凹槽（12-1）、（12-2）、（12-3）、（12-4）；
步骤二：用HF酸腐蚀掉不需要的SiO2形成凹槽（12-5）、（12-6）、（12-7）、（12-8）；
步骤三：用EPW腐蚀剂腐蚀掉不需要的Si形成凹槽（12-9）、（12-10）、（12-11）、（12-12）；
步骤四：在硅基底（1）的底部，用EPW腐蚀剂从底部腐蚀掉6000×6000×（180～280）（μm3）大小的长方体，形成凹槽（12-13）。
5.根据权利要求1所述的一种镍铬合金膜加热的高精度风速风向集成传感器，本传感器整体为对称结构，并且各部分也均为对称结构，具体体现在以下几个方面：
一、硅基底（1）和二氧化硅绝缘层（2）的（100）面均为8000μm×8000μm呈中心对称的正方形结构；
二、渗B半导体加热体（3）、渗B半导体加热体焊盘（4）、气体传感器单元焊盘（5）、半导体加热电极（6）关于坐标轴呈中心对称结构；
三、氧化铝绝缘层（7）关于坐标轴呈中心对称结构；
四、气体传感器单元（8）和凹槽（12）关于坐标轴呈中心对称结构。
6.根据权利要求1所述的一种渗B半导体加热的温湿度自补偿气体集成传感器的高集成度结构体现在：气体传感器单元（8）、环境温湿度传感器（9）和加热温度传感器单元（10）这11个传感器单元分布在8000μm×8000μm的平面上。
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