CN106802310A - 一种单片集成的mems气体传感器 - Google Patents

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邱栋
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    • G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
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Abstract

本发明涉及一种单片集成的MEMS(微机电系统)气体传感器，包括含有读出电路的衬底，所述衬底上依次设有碳化硅层、二氧化硅薄膜、绝缘层，所述绝缘层上设有若干个均匀分布的加热电极，所述加热电极贯穿所述碳化硅层、二氧化硅薄膜、绝缘层的连接金属与所述衬底中的读出电路电连接，所述两相邻加热电极上依次设有热敏层、气体敏感层和气敏型金属氧化物薄膜，所述热敏层与所述加热电极电连接，所述气体敏感层上的气敏型金属氧化物薄膜材质不同或相同；能够同时检测多种不同的气体，成本较低。

Description

一种单片集成的MEMS气体传感器
技术领域
本发明属于半导体技术中的微机电系统(MEMS)工艺制造领域，具体涉及一种单片集成的MEMS气体传感器。
背景技术
物联网技术的发展为集成化、低功耗、低成本的气体传感器带来了广泛的应用需求。工业和日常生活中实现对危险品气体，诸如CO，CO2，NO，NO2，CH4的高灵敏检测，可以避免其泄露对社会财产和公共安全造成的巨大危害。在提高传感器探测性能和便携性的同时，实现多种气体同时检测，满足物联网、复杂环境对多气体传感器的发展需求。气体传感器随MEMS和CMOS技术的发展，得以实现红外光学气体检测系统的微型化，与传统气体传感器相比较，在稳定性、功耗、灵敏度、可靠性、使用寿命、极快的响应恢复及成本等方面，都有显著的优势。
Rae System公司于2002年提出将分立的红外光源、探测器、气室集成在一个TO5管壳中作为小型化的红外气体传感器，并且能够用于检测碳氢化合物、二氧化碳、一氧化碳和一氧化氮气体浓度，但是并未实现多种气体同时检测，多种气体进行检测前需分离，增加了检测的复杂度和成本。
目前气体传感器在生产过程中，针对感应气体进行特制，每种传感器只能感应一种或几种气体，感应范围窄，如果需要感应更多气体，则需要购买多个性能好的气体传感器，增加使用成本，造成不必要的浪费。
发明内容
本发明针对上述现有技术中存在的不足，提供一种可同时检测多种气体的单片集成的MEMS气体传感器。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种单片集成的MEMS气体传感器，包括含有读出电路的衬底，所述衬底上依次设有碳化硅层、二氧化硅薄膜、绝缘层，所述绝缘层上设有若干个均匀分布的加热电极，所述加热电极贯穿所述碳化硅层、二氧化硅薄膜、绝缘层的连接金属与所述衬底中的读出电路电连接，所述两相邻加热电极上依次设有热敏层、气体敏感层和气敏型金属氧化物薄膜(当加热电极有8个时，热敏层、气体敏感层和气敏型金属氧化物薄膜分别有4个)，所述热敏层与所述加热电极电连接，所述气体敏感层上的气敏型金属氧化物薄膜材质不同或相同，所述两两相邻的加热电极中间有间隙。
进一步，所述衬底、碳化硅层、二氧化硅薄膜、绝缘层、加热电极、热敏层及气体敏感层之间分别通过粘结层(图中未画出)相连接。
进一步，所述衬底上蚀刻有隔热腔。
进一步，所述碳化硅层、二氧化硅薄膜、绝缘层设有垂直的通孔，所述连接金属通过所述通孔与所述衬底上的读出电路连接。
进一步，所述气体敏感层材料为二氧化锡或三氧化钨。
进一步，所述热敏层为硅或锗掺杂的聚乙烯薄膜或掺杂Al的聚乙烯薄膜。
进一步，所述连接金属为Al、Cu或钨、TiN。
进一步，所述粘结层为Cr金属薄膜或Ti/Cr合金薄膜。
本发明的有益效果是：
1.该MEMS气体传感器可以采用标准工艺制作，能够与处理电路单片集成，处理电路包括热板温度控制、信号处理等，通过CMOS工艺可以实现集成化及智能化。使用该方法不仅缩小了气体传感器的体积，也极大地减小了气体传感器的制造成本。
2.不同的气敏型金属氧化物薄膜吸收不同的气体，经红外照射后，吸收不同气体的薄膜温度发生改变，能够同时检测多种气体，灵敏度高，减小多种气体检测的成本。
3.使用MEMS工艺制作该气体传感器，可以实现大批量生产，能够广泛应用于工业、家居、环境检测和消费电子领域。
附图说明
图1为本发明中单片集成的MEMS气体传感器结构示意图；
在附图中，各标号所表示的部件名称列表如下：1、包含读出电路的衬底，2、碳化硅层，3、二氧化硅薄膜，4、绝缘层，5、加热电极，6、连接金属，7、热敏层，8、气体敏感层，9、气敏型金属氧化物薄膜，10、隔热腔。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1所示，一种单片集成的MEMS气体传感器，包括含有读出电路的衬底1，所述衬底1上依次设有碳化硅层2、二氧化硅薄膜3、绝缘层4，所述绝缘层4上设有若干个均匀分布的加热电极5，所述加热电极5贯穿所述碳化硅层2、二氧化硅薄膜3、绝缘层4的连接金属6与所述衬底1中的读出电路电连接，所述两相邻加热电极5上依次设有热敏层7、气体敏感层8和气敏型金属氧化物薄膜9(当加热电极有8个时，热敏层、气体敏感层和气敏型金属氧化物薄膜分别有4个，如图1所示)，所述热敏层7与所述加热电极5电连接，所述气体敏感层上的气敏型金属氧化物薄膜9材质不同或相同，两两相邻的所述加热电极5中间有间隙。
所述衬底1上蚀刻有隔热腔10。
所述碳化硅层2、二氧化硅薄膜3、绝缘层4设有垂直的通孔，所述连接金属6通过所述通孔与所述衬底1上的读出电路连接。
所述气体敏感层8材料为二氧化锡或三氧化钨。
所述热敏层7为硅或锗掺杂的聚乙烯薄膜或掺杂Al的聚乙烯薄膜。
所述连接金属6为Al、Cu或钨、TiN。
本发明的工作原理如下：
当气体流经气体传感器时，不同的气敏型金属氧化物薄膜9吸收不同的气体，经红外照射后，吸收不同气体的薄膜9温度发生改变。同时引起热敏电阻的电阻改变，通过加热电极5和贯穿碳化硅层、二氧化硅薄膜、绝缘层的连接金属6将温度改变信号传送到衬底1中的读出电路中，通过数据分析处理得到吸收的各个气体的成分。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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 (8)

1.一种单片集成的MEMS气体传感器，其特征在于，包括含有读出电路的衬底，所述衬底上依次设有碳化硅层、二氧化硅薄膜、绝缘层，所述绝缘层上设有若干个均匀分布的加热电极，所述加热电极贯穿所述碳化硅层、二氧化硅薄膜、绝缘层的连接金属与所述衬底中的读出电路电连接，所述两相邻加热电极上依次设有热敏层、气体敏感层和气敏型金属氧化物薄膜，所述热敏层与所述加热电极电连接，所述气体敏感层上的气敏型金属氧化物薄膜材质不同或相同。
2.根据权利要求1所述的一种单片集成的MEMS气体传感器，其特征在于，所述衬底、碳化硅层、二氧化硅薄膜、绝缘层、加热电极、热敏层及气体敏感层之间分别通过粘结层相连接。
3.根据权利要求1所述的一种单片集成的MEMS气体传感器，其特征在于，所述衬底上蚀刻有隔热腔。
4.根据权利要求1所述的一种单片集成的MEMS气体传感器，其特征在于，所述碳化硅层、二氧化硅薄膜、绝缘层设有垂直的通孔，所述连接金属通过所述通孔与所述衬底上的读出电路连接。
5.根据权利要求1所述的一种单片集成的MEMS气体传感器，其特征在于，所述气体敏感层材料为二氧化锡或三氧化钨。
6.根据权利要求1所述的一种单片集成的MEMS气体传感器，其特征在于，所述热敏层为硅或锗掺杂的聚乙烯薄膜或掺杂Al的聚乙烯薄膜。
7.根据权利要求1所述的一种单片集成的MEMS气体传感器，其特征在于，所述连接金属为Al、Cu或钨、TiN。
8.根据权利要求2所述的一种单片集成的MEMS气体传感器，其特征在于，所述粘结层为Cr金属薄膜或Ti/Cr合金薄膜。
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