CN105334291A - 微机械的气体传感器装置和相应的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种微机械的气体传感器装置和一种相应的制造方法。该微机械的气体传感器装置包括：衬底；设置在衬底上的多孔区域，该多孔区域带有背离衬底的顶面、面向衬底的底面、侧面，该侧面可被要感测的气体流过；至少局部地遮盖顶面的覆盖区域，其中，该覆盖区域具有一个或多个气体输入通道，经由所述气体输入通道可把气体引入到多孔区域内；用于产生电磁信号的信号产生机构，所述电磁信号可以在多孔区域内部的气体中传播；用于在气体中传播之后接收电磁信号的信号接收机构；和分析机构，用来基于电磁信号在气体中传播时的变化来获取气体的至少一个化学的或物理的参数。

Description

微机械的气体传感器装置和相应的制造方法
技术领域
本发明涉及微机械的气体传感器装置和相应的制造方法。
尽管可应用于任意的微机械的气体传感器装置，仍将针对微机械的气体传感器装置来介绍本发明及其问题。
背景技术
已知的微机械的气体传感器装置例如是化学FET、光晶体、电阻测量结构或电子条结构(Balkenstruktur)。这种微机械的气体传感器装置是复杂的结构，其需要复杂的制造工艺和/或繁琐的分析机理。
DE102012211460A1记载了一种气体传感器和相应的利用场效应晶体管的制造方法，在该场效应晶体管上设置着可暴露气体的(gasexponierbar)栅极电极、源极电极和漏极电极，其中，在衬底和栅极电极之间设置有电绝缘物。该电绝缘物被设计成层系统，其中，在该层系统的至少一个层中施加规定的稳定性的电荷。栅极电极尤其为多孔式设计，从而与电极接触的气体种类具有通至电绝缘物的表面的直接通路，进而可以交互作用。
发明内容
本发明提出了一种根据权利要求1的微机械的气体传感器装置和一种根据权利要求11的相应的制造方法。
相应的从属权利要求所述为优选的改进。
本发明的构思在于，在优选由多孔硅或氧化的多孔硅构成的多孔区域中构造多孔的气体通道。这种多孔区域能实现减小气体流动(过滤器效果)或者提供气体通道，在气体通道情况下，气体流以高的表面比例/体积比例处于环境之中，这提高了反应概率。
电磁信号在多孔区域内部由于与待检测的气体相互作用而发生信号变化，由此可以获取气体的所希望的化学的和/或物理的参数，例如热导率、介电常数、透光度。可能的电磁激励是交流电流、热辐射、光辐射等。
本发明的根据权利要求1的微机械的气体传感器装置和根据权利要求11的相应的制造方法允许使用简单的公知的组件，且能实现多种不同的分析机理，它们也可以相互组合，用于提高灵敏性和/或耐用性。
本发明基于一种具有大批量生产优势的建造技术，即一种成本低廉的技术。本发明的微机械的气体传感器装置易于由很简单的气体传感器装置调整为复杂的色谱分析装置。可以采用各自不同的测量方法，或者为了提高灵敏性和耐用性而将这些方法组合。也可以采用各种不同的测量模式，比如静态模式、色谱分析模式等。
本发明的微机械的气体传感器装置也易于例如通过使用加热机构或电场产生机构而调处或再生。
根据一种优选的实施方式，覆盖区域完全遮盖顶面，气体可经由侧面的至少一个区域引入到多孔区域内。由此可以把整个多孔区域都用来进行测量。
根据另一优选的实施方式，信号产生机构和信号接收机构在顶面嵌入到覆盖区域中。这种嵌入因而可以用于对电子元件予以保护和绝缘，这些元件本身有可能就设置在多孔区域附近。
根据另一优选的实施方式，信号产生机构在顶面嵌入到覆盖区域中，信号接收机构在底面嵌入到衬底中。由此可以实现竖直的信号传播。
根据另一优选的实施方式，多孔区域具有空穴，气体可引导通过该空穴，其中，信号产生机构经过设计，从而电磁信号可以在空穴内部的气体中传播。在空穴内可以发生自由扩散，其中，周围的多孔区域可以用作过滤器。
根据另一优选的实施方式，设置有用来对多孔区域予以调处的调处机构。这样就能调节规定的测量条件。
根据另一优选的实施方式，衬底是晶圆衬底，且具有位于其上的第一氧化层，该氧化层位于多孔区域的底面上。这因使用已知的结构而简化了制造。
根据另一优选的实施方式，覆盖区域具有至少一个第二氧化层。由此可以轻易地产生气密的覆盖。
根据另一优选的实施方式，多孔区域由多孔硅或氧化的多孔硅构成。由此可以在易于掌控的过程中产生处于宽广的大小范围内的相对均匀的孔大小。
根据另一优选的实施方式，信号产生机构被设计用于产生电磁信号，其形式为交流电流、光辐射或热辐射。这样就可以采用已知的分析技术轻易地获取最为重要的电的和化学的参数。
附图说明
下面借助在示意图中给出的实施例详述本发明。
其中：
图1为根据本发明的第一实施方式的微机械的气体传感器装置的示意性的横剖视图；
图2为根据本发明的第二实施方式的微机械的气体传感器装置的示意性的横剖视图；
图3为根据本发明的第三实施方式的微机械的气体传感器装置的示意性的横剖视图；
图4为根据本发明的第四实施方式的微机械的气体传感器装置的示意性的横剖视图；
图5为根据本发明的第五实施方式的微机械的气体传感器装置的示意性的横剖视图。
具体实施方式
在这些附图中，相同的附图标记表示相同的或功能相同的部件。
图1为根据本发明的第一实施方式的微机械的气体传感器装置的示意性的横剖视图。
在图1中，附图标记1表示硅-半导体衬底，在该衬底上例如通过衬底1的热氧化或者通过沉积而设置有氧化层5。
在氧化硅层5上有一个由多孔硅构成的区域10，这种硅的孔大小相对均匀，通常可制得10nm至几个微米的大小，确切地说，这要视要感测的气体类型而定。也可以使用氧化的多孔硅区域。多孔区域10具有面向衬底1的底面和背离衬底的顶面O以及侧面SF。
覆盖区域50、50a遮盖顶面O，且具有气体输入通道T1、T2，经由这些通道可把要感测的气体沿着侧面SF的区域11、12引入到多孔区域10内。如果希望把要感测的气体在高压下引导到多孔区域10中的话，可以在气体输入通道T1、T2的上端实现(未示出的)接头。
在多孔区域10的顶面O上，在覆盖区域50a内嵌入有信号产生机构S及与其间隔开的信号接收机构E，这两者与(未示出的)分析机构100连接。
信号产生机构S用于产生电磁信号W1、W2，所述电磁信号既可以在覆盖区域50a中传播，又可以在多孔区域10内部的气体中传播。电磁信号W1、W2的设计形式例如为交流电信号、光辐射或热辐射。
信号接收机构E用于在覆盖区域50a内传播之后接收电磁信号W1，并用于在多孔区域10内部的气体中传播之后接收电磁信号W2，其中，后者电磁信号W2提供了关于要感测的气体的状态和成分的信息，尤其是气体的物理参数和/或化学参数。
因而可以利于分析机构100，基于在多孔区域10内部的气体中传播时电磁信号W2的变化来获知气体的至少一个化学的或物理的参数。
电磁信号例如可以是周期性的或脉冲式的信号，其幅度变化和/或线宽变化将借助分析机构100来获取，以便由此得到所希望的化学的和/或物理的参数。
这种参数例如是热导率、热容、介电常数、离子化度。
图2为根据本发明的第二实施方式的微机械的气体传感器装置的示意性的横剖视图。
按照该第二实施方式，对信号产生机构S和信号接收机构E的布置情况予以改变。在这里，信号产生机构S在覆盖区域50a内位于顶面O上，而信号接收机构E在氧化层5中位于底面U上。
这样就能实现在第二实施方式中使得电磁信号W0仅仅穿过多孔区域10进行竖直的信号传播，而在上述第一实施方式中却是穿过不同区域进行侧向的信号传播。
在其它之处，第二实施方式与第一实施方式构造相同，且可以采用类似的方式工作，用于获取气体的所希望的物理的和/或化学的参数。
图3为根据本发明的第三实施方式的微机械的气体传感器装置的示意性的横剖视图。
在该第三实施方式中，多孔区域10a具有空穴K，该空穴被余下的多孔区域10a或氧化层5和覆盖区域50a全面地包围。
在此，在区域50a中设置在顶面O上的信号产生机构既遮盖空穴K的一部分，又遮盖多孔区域10a的周围区域的一部分。类似地，在多孔区域10a的顶面O上、与信号产生机构S间隔开地嵌入在区域50a中的信号接收机构E也遮盖空穴K的一部分，还遮盖多孔区域10a的周围区域的一部分。但这种嵌入并非一定是必需的，信号接收机构E以及信号产生机构S也可以设置在外部。
根据第三实施方式，电磁信号W1′也在覆盖区域50a中传播，电磁信号W2′也通过空穴K传播，其中，后者对于获取所希望的物理的和/或化学的参数来说至关重要。
在其它之处，第三实施方式与上述第一实施方式构造相同。
图4为根据本发明的第四实施方式的微机械的气体传感器装置的示意性的横剖视图。
按照该第四实施方式，如同第三实施方式一样，也设置有空穴K，其中，信号产生机构S在空穴K上方嵌入在区域50a中，信号接收机构E在空穴K下方嵌入在氧化层5中。在这里，类似于上述第二实施方式，检测电磁信号W0′通过空穴K进行的竖直的信号传播，而在第三实施方式中，如同第一实施方式一样，也检测通过两个区域进行的侧向的信号传播。
图5为根据本发明的第五实施方式的微机械的气体传感器装置的示意性的横剖视图。
在该第五实施方式中，与上述第二实施方式不同的是，还设置有调处机构KO，以便使得多孔区域10处于预定的物理的或化学的状态下，在所述状态下要进行测量。所述调处例如是调节预定的温度、预定的电场强度。
尽管本发明已借助优选的实施例在上面予以完整的介绍，但本发明并不局限于这些实施例，而是可采用多种方式予以改型。
尽管上述实施方式在多孔区域内仅仅沿着侧面进行气体输入，但这种气体输入也可以完全地或部分地沿着顶面或底面进行，其中要保证信号传播路径足够长，以便确定所希望的化学的和/或物理的参数。
特别地，如果设置了多孔区域的相应的输入件和排出件，则不仅可以在无流动的气氛中进行测量，而且可以在有气流的情况下进行测量。
还可行的是，为了提高精度，设置有封闭的多孔的基准腔，在该基准腔中有预定的气体气氛，其中，可以对这种预定的气体气氛进行基准测量，由此校正对要感测的气体将要进行的测量。

Claims (13)

1.一种微机械的气体传感器装置，具有：
衬底(1；5)；
设置在衬底(1；5)上的多孔区域(10；10a)，该多孔区域带有背离衬底(1；5)的顶面(O)、面向衬底(1；5)的底面(U)、侧面(SF)，该侧面可被要感测的气体流过；
至少局部地遮盖顶面(O)的覆盖区域(50；50a)，其中，该覆盖区域(50；50a)具有一个或多个气体输入通道(T1、T2)，经由所述气体输入通道可把气体引入到多孔区域(10；10a)内；
用于产生电磁信号(W2；W0；W2′；W0′)的信号产生机构(S)，所述电磁信号可以在多孔区域(10；10a)内部的气体中传播；
用于在气体中传播之后接收电磁信号(W2；W0；W2′；W0′)的信号接收机构(E)；和
分析机构(100)，用来基于电磁信号(W2；W0；W2′；W0′)在气体中传播时的变化来获取气体的至少一个化学的或物理的参数。
2.如权利要求1所述的微机械的气体传感器装置，其中，覆盖区域(50；50a)完全遮盖顶面(O)，气体可经由侧面(11；12)的至少一个区域(11；12)引入到多孔区域(10；10a)内。
3.如权利要求1或2所述的微机械的气体传感器装置，其中，信号产生机构(S)和信号接收机构(E)在顶面(O)嵌入到覆盖区域(50；50a)中。
4.如权利要求1或2所述的微机械的气体传感器装置，其中，信号产生机构(S)在顶面(O)嵌入到覆盖区域(50；50a)中，信号接收机构(E)在底面(U)嵌入到衬底(1；5)中。
5.如前述权利要求中任一项所述的微机械的气体传感器装置，其中，多孔区域(10a)具有空穴(K)，气体可引导通过该空穴，其中，信号产生机构(S)经过设计，从而电磁信号(W2′；W0′)可以在空穴(K)内部的气体中传播。
6.如前述权利要求中任一项所述的微机械的气体传感器装置，其中，设置有用来对多孔区域(10；10a)予以调处的调处机构(K)。
7.如前述权利要求中任一项所述的微机械的气体传感器装置，其中，衬底(1；5)是晶圆衬底(1)，且具有位于其上的第一氧化层(5)，该氧化层位于多孔区域(10；10a)的底面(U)上。
8.如前述权利要求中任一项所述的微机械的气体传感器装置，其中，覆盖区域(50；50a)具有至少一个第二氧化层(50；50a)。
9.如前述权利要求中任一项所述的微机械的气体传感器装置，其中，多孔区域(10；10a)由多孔硅或氧化的多孔硅构成。
10.如前述权利要求中任一项所述的微机械的气体传感器装置，其中，信号产生机构(S)被设计用于产生电磁信号(W2；W0；W2′；W0′)，所述电磁信号的形式为交流电流、光辐射或热辐射。
11.一种用于制造微机械的气体传感器装置的制造方法，具有如下步骤：
提供衬底(1；5)；
在衬底(1；5)上构造多孔区域(10；10a)，该多孔区域带有背离衬底(1；5)的顶面(O)、面向衬底(1；5)的底面(U)、侧面(SF)，该侧面可被要感测的气体流过；
构造至少局部地遮盖顶面(O)的覆盖区域(50；50a)，其中，该覆盖区域(50；50a)具有一个或多个气体输入通道(T1、T2)，经由所述气体输入通道可把气体引入到多孔区域(10；10a)内；
构造用于产生电磁信号(W2；W0；W2′；W0′)的信号产生机构(S)，所述电磁信号可以在多孔区域(10；10a)内部的气体中传播；
构造用于在气体中传播之后接收电磁信号(W2；W0；W2′；W0′)的信号接收机构(E)；和
构造分析机构(100)，用来基于电磁信号(W2；W0；W2′；W0′)在气体中传播时的变化来获取气体的至少一个化学的或物理的参数。
12.如权利要求11所述的制造方法，其中，使得信号产生机构(S)和信号接收机构(E)在顶面(O)嵌入到覆盖区域(50；50a)中。
13.如权利要求11所述的制造方法，其中，使得信号产生机构(S)在顶面(O)嵌入到覆盖区域(50；50a)中，并使得信号接收机构(E)在底面(U)嵌入到衬底(1；5)中。
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