CN104458828A - 丙酮气敏半导体传感器 - Google Patents

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傅剑宇
吴迪
周博天
袁野
严胡勇
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Abstract

本发明提供了一种丙酮气敏半导体传感器，包括：底座；支撑层，下表面与底座连接；金属层，设置在支撑层的上表面，金属层包括电隔离的加热电阻和电极；绝缘层，下表面与加热电阻连接；敏感层，设置在绝缘层上，且与电极电连接；应力调节层，设置在支撑层的下表面上。由于本发明将加热电阻与电极集成到了同一金属层上，减少了支撑层正面的金属膜层数量；同时，在支撑层的背面引入应力调节层，通过应力调节层有效调控了多层膜结构的热膨胀变形。通过以上两个途径，本发明可避免因材料热膨胀系数不同而使结构产生大的热应力，造成材料断裂、器件失效，具有结构简单、成本低、集成度高的特点，提高了器件的工作可靠性。

Description

丙酮气敏半导体传感器
技术领域
本发明涉及微机电系统领域，特别是涉及一种丙酮气敏半导体传感器。
背景技术
丙酮气敏传感器可在医学诊断、食品检测、公共安全等领域发挥重要的作用。现有的丙酮气敏传感器主要有催化燃烧式传感器、电化学传感器以及半导体传感器三类。其中，半导体传感器因具有灵敏度高、相应快、操作简单等优点受到广泛关注。
丙酮气敏半导体传感器是利用氧化物半导体在高温时与丙酮气体相互作用，发生物理吸附、扩散、化学吸附、解吸附、逆扩散从而引起载流子数量增加，氧化物半导体电阻减少，外部电信号相应变化。
目前关于丙酮气敏半导体传感器的研究主要分为两个方向：采用旁热式结构对敏感材料进行研究，以及采用微机电系统工艺对内热式结构进行研究。内热式结构采用不含体硅的多层膜结构，可以实现器件的高集成与低功耗，但由于多层膜材料热膨胀系数的差异，将导致多层膜结构在器件工作温度下产生热应变，从而具有热应力。因器件工作温度较高，大的热应力将使得膜材料具有断裂的风险。
发明内容
本发明的目的是提供一种结构简单、成本低、可避免因材料热膨胀系数不同而使结构产生大的热应力，造成材料断裂、器件失效的丙酮气敏半导体传感器。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种丙酮气敏半导体传感器，包括：底座；支撑层，下表面与底座连接；金属层，设置在支撑层的上表面，金属层包括电隔离的加热电阻和电极；绝缘层，下表面与加热电阻连接；敏感层，设置在绝缘层上，且与电极电连接；应力调节层，设置在支撑层的下表面上。
优选地，加热电阻由多个回折的加热段组成。
优选地，电极有两根，平行设置，且与加热电阻互不接触。
优选地，加热段的宽度不小于5微米；优选地，金属层的厚度为0.05微米至0.5微米；优选地，金属层可以为铂、金等。
优选地，应力调节层为金属；优选地，金属可以为金、镍、铂等；优选地，应力调节层的厚度为0.05微米至2微米。
优选地，敏感层是对丙酮气体敏感的氧化物半导体；优选地，氧化物半导体可以是氧化锌、氧化锡、氧化钨等材料或在此基础上掺杂的材料；优选地，敏感层的厚度为0.1微米至1微米。
优选地，绝缘层是半导体介质；优选地，半导体介质可以是氮化硅、氧化硅等；优选地，绝缘层的厚度为0.1微米至1微米。
优选地，支撑层是半导体介质；优选地，半导体介质可以是氮化硅、氧化硅等；优选地，支撑层的厚度在0.1微米至1微米。
优选地，底座设置有镂空部，支撑层悬空地设置在镂空部上，应力调节层对应地设置在支撑层暴露在镂空部的下表面处。
由于本发明将加热电阻与电极集成到了同一金属层上，减少了支撑层正面的金属膜层数量；同时，在支撑层的背面引入应力调节层，通过应力调节层有效调控了多层膜结构的热膨胀变形。通过以上两个途径，本发明可避免因材料热膨胀系数不同而使结构产生大的热应力，造成材料断裂、器件失效，具有结构简单、成本低、集成度高的特点，提高了器件的工作可靠性。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图。
图2是金属层的结构示意图。
图中，10、底座；20、支撑层；30、金属层；40、绝缘层；50、敏感层；60、应力调节层；301、加热电阻；302、电极；303、加热段。
具体实施方式
本发明提供的丙酮气敏半导体传感器在具有结构简单、成本低、集成度高的特点的同时，具有高可靠性的优点，可广泛应用在化工、医药、食品等领域。
请参考图1和图2，本发明提供了一种丙酮气敏半导体传感器，包括：底座10；支撑层20，下表面与底座10连接；金属层30，设置在支撑层20的上表面，金属层30包括电隔离的加热电阻301和电极302；绝缘层40，下表面与加热电阻301连接；敏感层50，设置在绝缘层40上，且与电极302电连接；应力调节层60，设置在支撑层20的下表面上。优选地，底座10为硅衬底。
本发明的工作原理为：加热电阻301与外部电源相连，敏感层50通过电极302与外部测试电路相连。当加热电阻301被通以电流后，加热电阻301产生热量，热量由绝缘层40传导给敏感层50，使敏感层50的温度升高。当敏感层50温度达到工作温度时，敏感层50敏感丙酮气体，其电阻减小，于是，外部测试电路读出电学信号变化量，并进一步通过后续的信号处理，将电学信号变化量对应为丙酮气体浓度信息。
由于本发明将加热电阻301与电极302集成到了同一金属层30上，减少了支撑层20正面的金属膜层数量；同时，在支撑层20的背面引入应力调节层60，通过应力调节层60有效调控了多层膜结构的热膨胀变形。通过以上两个途径，本发明可避免因材料热膨胀系数不同而使结构产生大的热应力，造成材料断裂、器件失效，具有结构简单、成本低、集成度高的特点，提高了器件的工作可靠性。
优选地，加热电阻301由多个回折的加热段303组成。在一个实施例中，多个加热段303可以为方形形状、长条形状等。
优选地，电极302有两根，平行设置，且与加热电阻301互不接触。
优选地，加热段303的宽度不小于5微米；优选地，金属层30的厚度为0.05微米至0.5微米；优选地，金属层30可以为铂、金等。
优选地，应力调节层60为金属；优选地，金属可以为金、镍、铂等；优选地，应力调节层60的厚度为0.05微米至2微米。进一步地，通过对应力调节层60材料的选择、厚度的调节，可实现对多层膜结构热膨胀变形的调控，从而有效降低结构的热应力。
优选地，敏感层50是对丙酮气体敏感的氧化物半导体；优选地，氧化物半导体可以是氧化锌、氧化锡、氧化钨等材料或在此基础上掺杂的材料；优选地，敏感层50的厚度为0.1微米至1微米。
优选地，绝缘层40是半导体介质；优选地，半导体介质可以是氮化硅、氧化硅等；优选地，绝缘层40的厚度为0.1微米至1微米。
优选地，支撑层20是半导体介质；优选地，半导体介质可以是氮化硅、氧化硅等；优选地，支撑层20的厚度在0.1微米至1微米。
优选地，底座10设置有镂空部，支撑层20悬空地设置在镂空部上，应力调节层60对应地设置在支撑层20的暴露在镂空部的下表面处。
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，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种丙酮气敏半导体传感器，其特征在于，包括：
底座(10)；
支撑层(20)，下表面与所述底座(10)连接；
金属层(30)，设置在所述支撑层(20)的上表面，所述金属层(30)包括电隔离的加热电阻(301)和电极(302)；
绝缘层(40)，下表面与所述加热电阻(301)连接；
敏感层(50)，设置在所述绝缘层(40)上，且与所述电极(302)电连接；
应力调节层(60)，设置在所述支撑层(20)的下表面上。
2.根据权利要求1所述的丙酮气敏半导体传感器，其特征在于，所述加热电阻(301)由多个回折的加热段(303)组成。
3.根据权利要求1至2所述的丙酮气敏半导体传感器，其特征在于，所述电极(302)有两根，平行设置，且与加热电阻(301)互不接触。
4.根据权利要求2所述的丙酮气敏半导体传感器，其特征在于，所述加热段(303)的宽度不小于5微米；优选地，所述金属层(30)的厚度为0.05微米至0.5微米；优选地，所述金属层(30)可以为铂、金等。
5.根据权利要求1所述的丙酮气敏半导体传感器，其特征在于，所述应力调节层(60)为金属；优选地，所述金属可以为金、镍、铂等；优选地，应力调节层(60)的厚度为0.05微米至2微米。
6.根据权利要求1所述的丙酮气敏半导体传感器，其特征在于，所述敏感层(50)是对丙酮气体敏感的氧化物半导体；优选地，所述氧化物半导体可以是氧化锌、氧化锡、氧化钨等材料或在此基础上掺杂的材料；优选地，所述敏感层(50)的厚度为0.1微米至1微米。
7.根据权利要求1所述的丙酮气敏半导体传感器，其特征在于，所述绝缘层(40)是半导体介质；优选地，所述半导体介质可以是氮化硅、氧化硅等；优选地，所述绝缘层(40)的厚度为0.1微米至1微米。
8.根据权利要求1所述的丙酮气敏半导体传感器，其特征在于，所述支撑层(20)是半导体介质；优选地，所述半导体介质可以是氮化硅、氧化硅等；优选地，所述支撑层(20)的厚度在0.1微米至1微米。
9.根据权利要求1所述的丙酮气敏半导体传感器，其特征在于，所述底座(10)设置有镂空部，所述支撑层(20)悬空地设置在所述镂空部上，所述应力调节层(60)对应地设置在所述支撑层(20)暴露在所述镂空部的下表面处。
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