CN106959324A - 物联网中的传感器及其制造方法 - Google Patents

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CN106959324A CN201610867497.6A CN201610867497A CN106959324A CN 106959324 A CN106959324 A CN 106959324A CN 201610867497 A CN201610867497 A CN 201610867497A CN 106959324 A CN106959324 A CN 106959324A
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朱家骅
蒋昕志
陈东村
郑钧文
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Abstract

本发明的一些实施例提供了一种物联网中的气体传感器。气体传感器包括：衬底；设置在衬底的上方的导体；以及设置在导体的上方的感测膜。导体具有包括多个开口的顶视图图案，开口的最小尺寸小于约4微米，并且周界围绕开口。本发明的一些实施例提供了一种制造气体传感器的方法。该方法包括接收衬底；在衬底的上方形成导体；通过蚀刻操作来图案化导体以在导体中形成多个开口，以及在导体上方形成气体感测膜。开口以重复图案布置，并且开口的最小尺寸为大约4微米。

Description

物联网中的传感器及其制造方法
技术领域
本发明涉及物联网(IoT)中的传感器及其制造方法，该传感器包括内置的加热元件。
背景技术
物联网(IoT)是多种嵌入式装置的互连。这些装置(被称为“物”)可以具有或不具有用户可访问的输入/输出能力。例如，物可以是在诸如冰箱或洗衣机的产品内部的嵌入式传感器。这种物可以不具有鼠标、键盘、显示器或其它任何类型的用户可访问的装置，通过这些装置，人与物可以数字化交互。
连接在IoT中的便携式传感器利用其紧凑性的优点可以用于各种应用。在各种类型的气体传感器的改进的过程中，通过对采用的材料和可应用的感测装置的改进，修改气体传感器以满足某种所需气体的使用和检测的目的。作为这些努力的结果，各种类型的气体传感器已经被商业化以用于工业、医学领域和日常生活。具体地讲，液化天然气(LNG)和液化石油气的广泛分布(LPG)以公众对酒驾和个人卫生的社会性问题的关注导致气体传感器被进一步商业化为不同的类型，诸如便携式泄漏气体传感器、便携式酒精测试仪或便携式呼吸分析仪。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种物联网中的气体传感器，包括：衬底；导体，设置在所述衬底的上面，所述导体包括顶视图图案，所述顶视图图案包括：多个开口，所述开口的最小尺寸小于大约4微米；和周界，包绕所述开口；以及感测膜，设置在所述导体的上方。
根据本发明的另一方面，提供了一种便携式器件中的加热元件，包括：衬底；导体，设置在所述衬底的上面，包括：多个段部，所述多个段部交叉以形成交叉部；和顶视图图案，包围所述交叉部，所述顶视图图案以重复的方式布置，其中，所述多个段部的每个段部的最小宽度小于约4微米。
根据本发明的又一方面，提供了一种用于制造气体传感器的方法，所述方法包括：接收所述衬底，在所述衬底的上方形成导体层；通过蚀刻操作图案化所述导体层以形成具有多个开口的导体，所述开口以重复图案来布置，所述开口的最小尺寸为约4微米，以及在所述导体上方形成气体感测膜。
附图说明
当结合附图进行阅读时，根据下面详细的描述可以最佳地理解本发明的各个实施例。应该注意，根据工业中的标准实践，各个部件没有被按比例绘制。实际上，为了清楚的讨论，各个部件的尺寸可以被任意增加或减少。
图1是根据本发明的一些实施例的气体传感器的截面图。
图2是根据本发明的一些实施例的加热元件的顶视图图案。
图3是根据本发明的一些实施例的加热元件的顶视图图案。
图4A是示出了根据本发明的一些实施例的根据传统加热元件图案和本发明公开的图案的输入功率的导体的位移程度的示意图。
图4B是示出了根据本发明的一些实施例的根据传统加热元件图案和本发明公开的图案的输入功率的在感测区域处测得的温度的示意图。
图5至图8是根据本发明的一些实施例的加热元件的顶视图图案。
图9至图13是根据本发明的一些实施例的制造本发明描述的加热元件的方法的局部截面图。
具体实施方式
以下公开内容提供了许多不同实施例或实例，用于实现主题提供的不同特征。下面描述组件和布置的具体实例以简化本发明。当然，这些仅是实例并且不意欲限制本发明。例如，在以下描述中，在第二部件上方或上形成第一部件可以包括第一部件和第二部件直接接触的实施例，也可以包括形成在第一部件和第二部件之间的附加部件使得第一部件和第二部件不直接接触的实施例。另外，本发明可以在各个实例中重复参考标号和/或字符。这种重复是为了简化和清楚的目的，并且其本身并不表示所讨论的实施例和/或配置之间的关系。
此外，为了便于描述，本文中可以使用诸如“在…下方”、“在…下面”、“下部”、“在…上面”、“上部”等的空间关系术语，以描述如图中所示的一个元件或部件与另一元件或部件的关系。除了图中所示的方位外，空间关系术语旨在包括器件在使用或操作过程中的不同方位。装置可以以其他方式定位(旋转90度或在其他方位)，并且在本文中使用的空间关系描述符可以同样地作相应地解释。
半导体根据其导电机制被分为n型和p型。作为最典型的敏化剂的二氧化锡(SnO2)是n型半导体中的一种。锡的正离子的个数在数量上小于氧的负离子的个数，从而产生有助于导电程度的未成对电子。然后，SnO2吸附大气中的氧，以平衡正离子和负离子的个数。由于吸附的氧的阴离子特性，有助于半导体的导电性的电子在吸收的氧的表面中被局部捕获。作为捕获状态的结果，电子失去了它们的导电性。
如果吸附有氧的SnO2暴露于还原气体，例如CO和氨(NH3)，如接下来化学方程式中示出的，吸附的氧与这样的还原气体反应，并且从SnO2释放。
2CO+O2→2CO2 公式1
如公式1中示出的，捕获的电子变成自由的因此有助于导电性。因此，待检测的具体气体类型决定了半导体传感器的导电程度。检测的导电程度的变化提供了关于所需特定气体是否存在以及在存在的情况下，气体浓度的信息。为了增大感测能力，诸如铂(Pt)、金(Au)以及银(Ag)的这些材料也作为催化剂被添加至敏化剂SnO2。
除了传感器上的半导体材料，感测区域的温度控制是便携式传感器中的关键技术。某些化学反应在高于环境温度的温度下可以被显著加快，尤其是在待感测目标浓度低时。加热元件通常是气体传感器中的一个内置部件以在化学反应区域的邻近处产生升高的温度，从而促进化学反应以及敏感度。某些过高的温度可能抑制特定的化学反应。而且通过将传感器中的加热元件设计为IoT中的部件，该传感器的功率消耗将尽可能低。蛇形形状、C形形状以及螺旋形状的加热元件通常用于气体传感器。然而，上述加热元件的变形程度过大至一定程度而限制了传感器的工作寿命。例如，在数千小时的工作后，螺旋形加热元件可能产生严重的面内(in-plane)或者面外(out-of-plane)的变形。
通常，为了在设备上产生的理想的热分布，可以采用不同的加热元件图案(例如，C形形状、螺旋形以及蛇形形状)。上述热可以通过焦耳热(热＝功率×时间＝电流2×电阻×时间)产生。加热电流可以是受控的，并且以脉冲或以恒定方式传输的电压或电流。加热电流可以通过简单的电流分流(current splitting)或者通过单一(电流或电压)输出而输送至加热元件。焦耳热依赖于加热元件的电阻，并且该电阻可以通过改变电流流经的路径长度来设计。例如，由于易于用剥离(lift-off)操作来制造螺旋形图案的事实，螺旋形状(自顶向下观察加热元件)被广泛采纳作为加热元件的一般图案。螺旋形图案是由一条以圆形或多边形方式盘旋的导电路径组成。螺旋形图案的一端连接至电压源而螺旋形图案的另一端接地。然而，螺旋形加热元件的尺寸可能仅限于厘米或毫米的数量级。使用剥离技术来缩小螺旋形加热元件的尺寸是困难的，因此，考虑到便携式设备的缩小的面板(real estate)同时还要保持相同的热效率，传统的加热元件难以并入便携式设备中。
本发明提供了在IOT中具有特别的加热元件图案(自顶向下看)的气体传感器，这种图案可以有效减少传统工作寿命限制后的位移(displacement)或变形。由于采用了此处描述的加热元件图案，气体传感器的热效率、功率消耗以及尺寸也得到改善和减小。在此提及的位移是指在垂直于平面的垂直方向上的变形的测量。
参考图1，图1是根据本发明的一些实施例的气体传感器200的截面图。在此截面中，多个导体30嵌入在绝缘层50中。导体30和绝缘层50位于衬底52的上方。在一些实施例中，为了减少通过衬底52散热，衬底52可以由多孔材料或具有低导热率的材料制成。换句话说，由于空气填充的气孔或空腔相比于衬底材料可以具有较低的导热率，所以多孔衬底相较于非多孔的衬底可具有较低的导热率。注意，术语“加热元件”和“导体”在本发明中指的是相同元件。在一些实施例中，相邻的导体30之间的距离D1的临界尺寸小于约4微米。导体30可以连接至电压源或者电流源并且成为加热器，该加热器被设计为影响设置在绝缘体50上的感测膜40处的温度。感测电极41设置在邻近于感测膜40处。感测膜40可以是感测电极41的一部分，而感测电极41涂有取决于待感测气体类型的特殊的电解质材料。
根据本发明目的的多个实施例，多种材料可以用于感测电极41。感测电极41可以由包括金属和半导体的多种材料制成。半导体材料优选为金属氧化物或金属氧化化合物。术语“金属氧化物”和“金属氧化化合物”在此可互换使用以表示氧与金属元素结合的化合物。本发明中有用的金属氧化物的实例包括SnO2、TiO2、TYPd5、MoO3、ZnMoO4(ZM)、WO3、La2CuO4以及它们的混合物。半导体材料可以包括金属氧化物。金属氧化物优选为SnO2、TiO2、TYPd5、MoO3或者ZnMoO4，其中，TYPd5是在下文中限定的首字母缩写。此处的首字母缩写TYPd5用于表示通过以大约85:10:5的重量比来选择TiO2(二氧化钛)、Y2O3(氧化钇)以及Pd而制备的复合物。电解质优选为氧离子导电电解质。氧离子导电电解质可基于ZrO2、Bi2O3或者CeO2。优选的氧离子导电电解质是电解质混合物，电解质混合物通常包括诸如ZrO2、Bi2O3或者CeO2的基础材料，以及可以用作稳定剂的诸如氧化钙(CaO)和氧化钇(Y2O3)的一种或多种掺杂剂或者其它一些合适的可渗透氧离子的材料。例如，氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)电解质可以通过混合氧化钇和ZrO2形成。传导除了氧离子之外的离子物质的电解质，例如卤化物，在本领域中是公知的并且在本发明中也起到测量含卤素的气体种类的作用。电解质材料的选择取决于待测量的气体混合物中的组分。因此，为了检测例如NOx、COx或者SOx的氧化物组分的浓度，电解质优选为氧离子导电电解质。优选的氧离子导电电解质是基于氧化锆(ZrO2)、氧化铋(B2O3)以及氧化铈(CeO2)的电解质混合物。实际的电解质混合物通常包括诸如氧化钙(CaO)和氧化钇(Y2O3)的一种或多种掺杂剂或者其它一些合适的可渗透氧离子的材料。
在图1中未示出的具体实施例中，YSZ衬底52在一侧上可具有多个感测电极41。铂(或其他电阻材料)元件在YSZ衬底的相对侧上，并且与电极对齐。感测电极41可以相对于彼此对称或不对称的方式定向，并且它们可以是交错的。铂(或其他电阻材料)元件不需要用作加热元件或者导体30。铂元件可以用作加热元件和/或温度传感器。在其它实施例中，导体30可以通过例如热电冷却来冷却感测电极41。冷却元件或者导体30还可以由能够冷却器件中的具体区域的任何材料制成。可以通过采用将绝缘材料集成至器件结构内或者通过其它对器件进行具体形状或设计的改变(这些改变影响器件的热性能，诸如空量(emptyvolume))来改进加热/冷却元件(导体30)和/或表面温度传感器的热特性。衬底52的形状也可以改变。
参考图1，在一些实施例中，图1中的导体30沿着从纸面指向外的Y方向延伸。在一些实施例中，图1中的导体30沿着X方向延伸并且形成连续条。当从不同的位置解析气体传感器200时，可以观察到上面描述的导体30的两个截面。在此描述的导体30可以包括诸如W、Pt、Ta的具有高融化温度的金属，诸如单晶/多晶硅或者III-V族材料的半导体。
在一些实施例中，感测电极41可以由金属(例如，铂)、半导体(例如，诸如La2CuO4或者WO3的半导电氧化物)或者对气体显示出敏感度的其它材料制成。通常，取决于电极的温度，任何给定的感测电极材料对不同的气体种类将具有不同的敏感度和选择性。敏感度和选择性改变的程度取决于材料、气体以及温度。每个电极可以是一个或多个电极对中的部分。这意味着可测量的信号数量可以大于实际的感测电极的数量。具体地，传感器阵列的设计可以包括(要么作为独立器件要么在单个器件中一起)两种不同的“电极对”方案。一种方案可以同时使用多种材料，这些材料可以保持在相同和/或不同温度下。可以通过加热和/或冷却技术来完成对温度的控制。器件还可以包含多个具有相同材料的电极，这些电极保持在一个或多个不同的温度下。具有相同材料的电极可以保持在相同温度下，这些电极的其它一个或多个特性，诸如，微结构、尺寸或厚度可以因电极的不同而不同。因此，取决于应用，气体传感器阵列可在单个器件中使用这些方案的一种或多种。
参考图1，气体传感器200可以包含特别设计的加热元件或导体30以控制单个感测电极的顶侧温度。在一个实施例中，感测电极41和加热元件或者导体30位于衬底52的顶侧。在其它实施例中，感测电极41位于衬底(未示出)的两侧。例如，衬底52可以是YSZ衬底或者涂覆有其它电解质。衬底52也可以是其顶部具有电解质层的诸如Al2O3的结构性支撑。在一些实施例中，衬底52可以由金属的或者半导电的材料制成。加热元件或者导体30可以作为电阻器并且通过穿过其中的电流，通过焦耳加热来产生热量。
气体传感器200的温度控制可以是重要的。具有最小波动的精确温度控制可以允许气体传感器200产生稳定的感测信号。因此，可在设计阶段执行热建模以提供关于器件内阵列衬底上的不同位置处的感测电极和加热电极的温度分布的信息。例如，铂可以用于加热元件或者导体30的制造。由于其耐久性以及化学和热稳定性，铂是高温电阻温度检测器(RTD)的工业标准并且在气体传感器中作为加热元件或者导体30。然而，也可以使用上面描述的其它材料作为目标器件中的加热元件或者导体30。
参考图1，一组导体30形成单元并且可以被设计为控制具有预定量的感测电极41的阵列。自顶向下看，导体30的单元可以形成具有多个开口的特别图案。图案的细节在本发明的图4至图12中进一步讨论。通常，为了提供精确的温度控制，导体30的单元的宽度W1宽于感测电极41的宽度W2。在一些实施例中，导体30的单元的宽度W1在大约20至大约2500微米的范围中。单个感测电极的宽度W2可以在大约10至约2000微米的范围中。在一些实施例中，导体30嵌入在绝缘层50中。也就是说，根据不同的应用，导体30可以定位在绝缘层50中的任何位置处。例如，如图1中示出的，绝缘层50中的厚度T2将感测电极41和导体30分隔。在一些实施例中，厚度T2是导体30的厚度T1的大约5倍。在其它实施例中，厚度T2可以减小到0，致使导体30与绝缘层50的顶部表面S51共面。在另一个实施例中，厚度T2可以增大至绝缘层50的总厚度减去厚度T1，致使导体30与绝缘层50的底部表面S52共面。
图2是根据本发明的一些实施例的加热元件或导体30的图案化的顶视图。在一些实施例中，导体30的单元是由特定的图案21组成。图2仅示出顶视图图案的可重复的部件。如图2中示出的，图案21的可重复部件包括通过周界20限定的开口28。开口28形成在导体30中并且具有大约或者小于4微米的宽度D1。尺寸小于4微米是基于当前集成在诸如便携式器件的IoT系统中的气体传感器而计算得出的。便携式器件中的每个元件的比例均被缩小以符合给定的容量。
图3是根据本发明的一些实施例的加热元件或导体30的单元的顶视图图案。图3包括多个图2中的可重复部件并且形成加热元件单元100。在图3中，两个相邻的开口28之间的最小距离S1小于大约4微米。在分别围绕相邻开口28的周界20之间测量距离S1。加热元件的图案21至少在两个方向上重复，例如，如图3中示出的，图案21在Y方向10上和在X方向11上重复。加热元件单元100的开口28是正方形。开口28的几何中心29可以限定在加热元件单元100中的每个开口28内。在一些实施例中，两个几何中心29之间的间距L1相同于两个几何中心29之间的间距L2。然而，上面描述的两个间距可以是不同的。然而，两个相邻开口29之间的最小距离小于大约4微米。在图3中，低压(示例为0V)可以连接至加热元件单元100的一个拐角，而高压(示例为+V)连接至另一个拐角。
加热元件30的形状对于温度分布是重要的。在一个实施例中，感测电极41的温度是均匀的，或者，如果需要的话，优选为非均匀。加热元件可以通过施加的电压或者电流来控制。采用的控制加热元件的方法取决于应用。作为一个实例，在汽车中，汽车的电池可以是电源，使得加热元件30可以是压控的。当需要时，可以使用加热元件30来改变感测电极41的温度。加热元件30可以位于衬底的与感测电极(未示出)相对的一侧上，每个加热元件与特定的感测电极适当对准。加热元件30也可以位于衬底的与感测电极相同的一侧上。加热元件30还可以嵌入在感测电极41内或上。
图4A是示出了根据本发明一些实施例的根据传统的加热元件的图案和本发明公开的图案的输入功率的导体的位移程度的示意图。如图4中示出的，在25mW的输入功率下，在“A”加热元件中得到小于1微米的位移，而在“B”加热元件中得到小于4微米的位移。注意“A”加热元件指的是在本发明中公开的这些实施例而“B”加热元件指的是之前讨论的那些传统的蛇形形状、C形形状以及螺旋形状的加热元件。
图4B是示出了根据本发明的一些实施例的根据传统的加热元件的图案和本发明公开的图案的输入功率的在感测区域处测得的温度的示意图。如图4B中示出的，在相同的25mW的输入功率下，邻近于本发明公开的气体传感器的感测区域的温度与那些传统的气体传感器的大约相同。该图示出了尽管减小了加热元件的尺寸(例如，线宽和间距)，但是所达到的效果(例如，温度控制)保持相同，同时具有较小的位移。
应该注意的是，本发明中描述的加热元件或导体要么具有开口中的小于4微米的最小尺寸要么具有两个相邻的周界之间的小于4微米的最小距离，或者两者兼有。用于开口和/或相邻周界之间的距离具有小于大约4微米的尺寸的设计提供了示出在上面讨论的图4A和图4B中的结果，也就是说，在相同的输入功率下加热元件或者导体的位移可以有效地被减少同时保持相同的热效率。
图5至图8是根据本发明一些实施例的加热元件的顶视图图案。在图5中，示出了加热元件单元300。以顶视图的角度示出了加热元件单元300，它包括多个互相交叉的段部31和32。可以定位通过交错的段部31和32而形成的交叉部23。多个图案22可以在图5中标识。例如，图案22包括在图案22的四个拐角处的四个四分之一的开口28和在图案22的中间的交叉部23。图案22以重复的方式沿着例如第一方向(例如，X方向)和正交于第一方向的第二方向(例如，Y方向)布置。在图5中，每个段部31或32可以具有相等的宽度。例如，段部31或32的最小宽度S1小于4微米。此外，横跨开口28两端的最小距离D1小于大约4微米。在一些实施例中，开口28中的最小距离D1在彼此相邻的两个平行的段部32之间测量。每个图案22中的几何中心221可以位于图案22的中间。在图5中，四重(four-fold)对称可以相对于几何中心221来识别。阻抗调节部分15示出在加热元件300中。为了设计和改变电路的整体阻抗，用加热元件300中的更大开口(即，较少的导电材料)来使重复图案22中断。例如，阻抗调节部分15使上面描述的图案22中断并且形成了占据开口28的距离D1的四倍的开口。
在图6中，示出了加热元件单元400。以顶视图的角度示出了加热元件单元400，它包括多个互相交叉的段部31和32。可以定位通过交错的段部31和32而形成的交叉部35。多个图案22可以在图6中标识。例如，图案22包括在图案22的四个拐角处的四个四分之一的开口28和在图案22中间的交叉部35。图案22以重复的方式沿着例如第一方向(例如，X方向)和正交于第一方向的第二方向(例如，Y方向)布置。在图6中，每个段部31或32可以具有相等的宽度。例如，段部31或32的最小宽度S1小于4微米。此外，由于开口28具有四边形状，开口28中的距离D1小于距离D2。在一些实施例中，开口28中的最小距离D1小于大约4微米。在一些实施例中，开口28中的最小距离D1在彼此相邻的两个平行的段部32之间测得。
在图7中，示出了加热元件单元500。以顶视图的角度示出了加热元件单元500，它包括多个互相交叉的段部31和32。多个图案21可以在图7中标识。例如，图案21包括通过周界20限定的整个(four one-one)开口28。图案21以重复的方式沿着例如第一方向11和垂直于第一方向的第二方向10以及第三方向12布置。在图7中，每个段部31或32可以具有相等的宽度。例如，段部31或32的最小宽度S1小于4微米。此外，横跨开口28两端的最小距离D1小于大约4微米。在一些实施例中，开口28中的最小距离D1在彼此相邻的两个平行的段部32之间测得。阻抗调节部分15示出在加热元件单元500中。阻抗调节部分15使上面描述的图案21中断并且形成了占据四个图案21的开口。在图7中，开口28的中心29和图案21的几何中心221重叠。
在图8中，示出了加热元件单元600。以顶视图的角度示出了加热元件单元600，它包括具有六边形图案21的导体30，六边形图案21具有开口28。加热元件单元600的图案21至少在例如如图8中示出的三个方向上重复，图案21在第一方向17、第二方向18以及第三方向19(例如，X方向)上重复。注意，第一方向17没有正交于第二方向18。加热元件单元600的开口28是六边形。可以限定开口28的几何中心29。在一些实施例中，在开口28的周界20的相对两侧之间的第一距离D1短于周界20的相反两个顶点之间的第二距离D2。开口28的最小距离D1小于大约4微米。在图8中，开口28的中心29和图案21的几何中心221重叠。
图9至图13是根据本发明的一些实施例的制造此处所述的加热元件的方法的局部截面图。在图9中，提供了用于气体传感器的衬底52。如前面所讨论的，为了减少衬底52的导热率，衬底52可以进行在其中形成气孔或空腔的操作。随后，绝缘层501形成在衬底52的上方。根据各种设计因素，预先确定绝缘层501的厚度T3。在一些实施例中，厚度T3决定着导体30与衬底52之间的距离。
在图10中，导体层301沉积在绝缘层501的上方。在一些实施例中，导体层301的厚度T1在大约0.1至大约1微米的范围内。注意，导体30的厚度可以比上面描述的导体的段部的宽度薄。为了将具有重复部件的图案转印至导体层301，掩模层38随后形成在导体层301的上方并且被图案化。在图11中，对导体层301进行蚀刻操作以形成具有重复部件的图案。在一些实施例中，具有重复部件的图案包括上面描述的所有实施例。在一些实施例中，具有重复部件的图案包括多个开口。开口可以包括通过不同方式测得的各种尺寸。然而，在本发明中形成的开口被设计为大约4微米的最小尺寸。在一些实施例中，开口可以具有圆形或者多边形形状。
参考图11，进行干蚀刻操作39以形成开口。在一些实施例中，使用至少具有蚀刻气体SF6以及在10至1000W功率下的电感耦合等离子体。自顶向下看，每段导体30的侧壁30a形成限定开口28的周界20。在一些实施例中，每段的侧壁30a基本上垂直。再次参考图5和图6，周界包括图5中示出的诸如正方形的对称图形或者图6中示出诸如四边形的细长的形状。此外，可以在每个通过周界限定的对称或者细长开口中限定几何中心。再次参考图5，例如，阻抗调节部分15也形成在导体30的图案中。图10中讨论的掩模层图案操作预先确定了每个加热元件中的阻抗调节部分15的相对位置和尺寸。
参考图11，在通过蚀刻操作形成开口28时，余留的导体30示出了多个互相交错的段部。如上面描述的，每段的宽度W3低于或大约为4微米。在图12中，掩模层38被去除并且通过填充导体30的开口以及沉积在导体30的顶部表面上方来形成另一绝缘层502。在一些实施例中，从导体30的顶部表面至气体感测区域的底部测得的厚度T2被确定为是厚度T1的五倍。例如，厚度T2在约0.5至大约5微米的范围内。厚度T2是考虑到加热元件或者导体30的热功率以及绝缘层502相对于气体感测区域的导热率的设计因素。在图13中，气体感测膜40和感测电极41形成在绝缘层502的上方。在一些实施例中，厚度T2可以是0或者厚度T3可以是0。
在本发明的实施例中，提供了诸如便携式酒精分析仪、便携式漏气传感器、便携式呼吸仪的便携式气体传感器。使用者可以通常使用容易获得的气体，诸如人们的呼气或空气，作为替代性的参考气体。通常，半导体气体传感器具有与各种气体(诸如基于CH的气体、H2O、CO、SO2、H2S以及HCHO)发生反应的特性。然而，取决于催化剂和温度，每个半导体气体传感器的反应特性彼此稍有不同。这个事实使得半导体气体传感器能够感测特定气体。基于半导体气体传感器的这一有用和独特的特性，研发了本发明的便携式气体传感器。在便携式气体传感器中设计的加热元件被设计为具有特定图案，该图案具有重复部件以及根据开口的最小尺寸和生热段部的宽度而具有尺寸约束。通过本发明公开的合适的蚀刻技术，加热元件可实现更为适度的由于焦耳加热而造成的位移或变形，并且同时提供足够的热功率至便携式装置中的气体感测区域。
本发明的一些实施例提供了一种物联网中的气体传感器。气体传感器包括衬底，设置在衬底上方的导体，以及设置在导体上方的感测膜。导体具有包括多个开口的顶视图图案，开口的最小尺寸小于约4微米，并且周界围绕开口。
在一些实施例中，气体传感器还包括在两个相邻周界之间的最小距离，所述最小距离小于大约4微米。
在一些实施例中，导体的图案在至少两个方向上重复。
在一些实施例中，气体传感器的衬底由金属或者半导体组成。
在一些实施例中，多个开口的每个均包括中心，并且相邻中心的最小间距小于4微米。
在一些实施例中，气体传感器的导体包括在多个开口之间的阻抗调节部分。
在一些实施例中，气体传感器的衬底包括空腔。
本发明的一些实施例提供了便携式器件中的加热元件，包括衬底，设置在衬底的上方的导体。导体包括多个交叉的段部以形成交叉部，并且包围交叉部的导体的顶视图图案以重复的方式布置。多个段部的每个的最小宽度均小于大约4微米。
在一些实施例中，加热元件还包括在互相平行的段部之间的最小距离，最小距离小于大约4微米。
在一些实施例中，加热元件的顶视图图案在至少两个正交的方向上重复。
在一些实施例中，导体的交叉部设置在顶视图图案的中心处。
在一些实施例中，顶视图图案包括几何中心。
在一些实施例中，加热元件还包括在导体中的阻抗调节部分，阻抗调节部分使顶视图图案中断。
在一些实施例中，加热元件的衬底包括多孔部件。
本发明的一些实施例提供了一种制造气体传感器的方法。该方法包括提供(receive)衬底；在衬底的上方形成导体；通过蚀刻操作来图案化导体层以形成具有多个开口的导体；以及在导体上方形成气体感测膜。开口以重复的图案布置，并且开口的最小尺寸为大约4微米。
在一些实施例中，通过蚀刻图案化导体来形成多个开口包括形成多边形开口。
在一些实施例中，通过蚀刻来图案化导体以形成多个开口包括形成限定开口的周界。周界包括相对于开口的几何中心的对称的或者细长的形状。
在一些实施例中，通过蚀刻来图案化导体以形成多个开口包括在导体中形成阻抗调节部分，阻抗调节部分中断重复图案。
在一些实施例中，通过蚀刻来图案化导体以形成多个开口包括在开口的中间形成段部。该段部包括大约或小于4微米的最小宽度。
在一些实施例中，通过蚀刻来图案化导体以形成多个开口包括电感耦合等离子蚀刻。
以上论述了若干实施例的部件，使得本领域的技术人员可以更好地理解本发明的各个方面。本领域技术人员应该理解，可以很容易地使用本发明作为基础来设计或更改其他的处理和结构以用于达到与本发明所介绍实施例相同的目的和/或实现相同优点。本领域技术人员也应该意识到，这些等效结构并不背离本发明的精神和范围，并且在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以进行多种变化、替换以及改变。

Claims (1)

1.一种物联网中的气体传感器，包括
衬底；
导体，设置在所述衬底的上面，所述导体包括顶视图图案，所述顶视图图案包括：
多个开口，所述开口的最小尺寸小于大约4微米；和
周界，包绕所述开口；以及
感测膜，设置在所述导体的上方。
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