CN107632044A - 小型气体分析器 - Google Patents

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CN107632044A CN201710289201.1A CN201710289201A CN107632044A CN 107632044 A CN107632044 A CN 107632044A CN 201710289201 A CN201710289201 A CN 201710289201A CN 107632044 A CN107632044 A CN 107632044A
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O·勒内尔
R·山卡尔
甘先耀
罗天周
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STMicroelectronics Pte Ltd
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STMicroelectronics Pte Ltd
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    • G01N33/0036—Specially adapted to detect a particular component
    • G01N33/0047—Specially adapted to detect a particular component for organic compounds

Abstract

一种小型气体分析器，该小型气体分析器能够检测周围空气中的VOC气体以及感测相对湿度和周围温度，该小型气体分析器可以用于监测室内空气质量。VOC气体传感器是热控的并且可以通过编程邻近加热器而被调谐用于检测某种气体。形成在该传感器下方的绝缘气穴帮助将VOC气体传感器维持在期望的温度。本地温度传感器可以与每个气体传感器集成以提供反馈控制。加热器、本地温度传感器、(多个)气体传感器、相对湿度传感器以及周围温度传感器采用可图案化薄膜的形式集成在单个微芯片上。该装置可以结合在计算机工作站、智能电话、衣服或其他可穿戴配件中以起到个人空气质量监测器的作用，该个人空气质量监测器比现有空气质量传感器更小、更准确并且更便宜。

Description

小型气体分析器
技术领域
本公开涉及用于监测室内空气质量的小型传感器以检测气相分子，如，二氧化碳和挥发性有机化合物。
相关技术
人们认为由于空气污染每年发生多达七百万的过早死亡[世界卫生组织报告，2014年3月25日]。空气污染包括室外污染与封闭空间(如例如，家庭、工厂、办公建筑以及高密度公寓建筑)中较差的室内空气质量二者。一些专家认为室内空气污染是比室外空气污染更大的健康危害。与室内空气污染相关联的许多疾病和死亡可归因于第三世界国家中对用于取暖和烹饪的固体燃料的使用。然而，使用更清洁形式能源的工业社会继续遭受室内污染对健康的影响。在典型的一天中，每个办公室工作者吸入并处理约十五立方米的空气，呼出约350升的二氧化碳(CO2)。高水平的挥发性有机化合物(VOC)存在于使用工程材料建造的许多建筑中，这些工程材料包含胶水、染料、粘结剂、粘合剂等。此外，清洁产品、溶剂、油漆和其他涂层、家具、地毯以及其他室内化学源也贡献VOC污染物。VOC包括诸如乙醇、甲苯、苯、甲醛、三氯乙烯(TCE)以及二氯甲烷等化合物。
随着建筑物的加热效率提高以及结构变得更加密闭，空气循环更少并且从室外到室内的空气交换减少。随着封闭空间内不新鲜的空气累积，二氧化碳和VOC的浓度可能升高至有害水平。在一些情况下，心肺再循环功能可能受损，从而增加心脏病发作和中风的风险。由于持续暴露于较差空气质量中，随着时间推移，这种气载毒素可能引发癌症。此外，较差空气质量的更微妙且更普遍的结果是大脑变得缺氧气并且生产力降低。由国立卫生研究院(NIH)资助的哈佛研究表明：约950ppm的典型室内CO2水平损害认知能力，最终降低工人生产力。[J.G.艾伦(J.G.Allen)等人，“办公室工作者的认知功能评分与二氧化碳、空气流通和挥发性有机化合物暴露的关联：绿色与传统办公室环境的控制暴露研究(Associations of Cognitive Function Scores with Carbon Dioxide,Ventilation,and Volatile Organic Compound Exposures in Office Workers:A ControlledExposure Study of Green and Conventional Office Environments)”，环境与健康展望期刊，DOI:10.1289/ehp.1510037，2015年10月26日]。因此，已经将绿色建筑实践引入试图限制VOC的使用中，并且在一些情况下，需要更高的室外空气流通率以防止VOC与CO2二者的累积。
维持对室内空气中存在的VOC与CO2水平的意识颇具挑战性。尽管一些人对VOC特别敏感并且在高VOC环境中将经历过敏反应，如，头痛、晕眩以及眼鼻喉刺激，但大部分人无法检测污染的危险水平。由于VOC和CO2都是无味的，因此它们通常很难被检测，并且如今大部分建筑没有配备多种类气体传感器。可以获得一些包含CO2与VOC传感器的便携式空气质量警报装置，例如，AirVisual NodeTM、AlimaTM、AtmotubeTM、Cube SensorTM等，然而，这种装置倾向于是笨重的并且能够监测暴露的个人范围的每个单元将花费数百美元。
发明内容
实现为微传感器装置的气体分析器检测周围空气中的VOC以监测室内空气质量。气体分析器还包括温度和湿度传感器，该温度和湿度传感器与VOC传感器形成在同一集成电路芯片上，提供第二信息以校准VOC传感器。VOC检测器是固态的基于半导体金属氧化物(SMO)-的传感器，该传感器形成在半导体衬底上，如在诸位发明人的代理人卷号为851663.632的题为“集成空气质量传感器(Integrated Air Quality Sensor)”的共同未决专利申请中所描述的。被配置成用于检测不同气体的多种类气体传感器芯片可以结合至室内夹具(如，台式计算机或显示器)中以监测个人的工作环境。另外，集成传感器芯片可以结合至移动装置(如，膝上型计算机、智能电话、衣服、手表以及其他配件)中以起到个人空气质量监测装置的作用。这种监测器可以利用固态的基于SMO的材料连续地测量空气质量指标，该空气质量指标包括VOC水平或其他可检测气体的水平。
多种类微传感器装置检测周围空气中的多种气体成分以监测室内空气质量。特别地，三种或更多种气体种类检测器可以形成在单个集成电路芯片(例如，包括挥发性有机化合物(VOC)传感器和CO2传感器的应用专用集成电路(ASIC))上。ASIC还可以包括其它类型的环境传感器以及处理器和存储器。
这种小型多种类传感器芯片可以无缝地并且不可见地集成到许多不同产品中。例如，多种类气体传感器芯片可以结合至室内夹具(如，台式计算机或显示器)中以监测个人的工作环境。另外，集成传感器芯片可以结合至移动装置(如，膝上型计算机、智能电话、衣服、手表以及其他配件)中以起到个人空气质量监测装置的作用。这种集成多种类气体传感器可以连续地监测空气质量指标，该空气质量指标包括各种气体种类的水平以及湿度、温度等。
集成多种类气体微处理器比现有空气质量传感器更小、更准确并且更便宜。多种类气体微处理器包括采用小于0.2微米厚的保形薄膜形式的VOC传感器。多种类气体微处理器还包括具有低电阻温度系数的加热器。
附图说明
在附图中，完全相同的参考号标识类似的元件或动作，除非上下文另外指出。附图中元件的大小和相对位置不一定按比例绘制。
图1是根据如本文所描述的实施例的使用中的微电子气体分析器的示图。
图2是根据如本文所描述的实施例的图1中所示的微电子气体分析器的框图。
图3A是根据现有技术的粉末状厚传感器材料的示图，所述粉末状厚传感器材料被构造成用于支撑主体化学反应。
图3B是根据如本文所描述的实施例的薄膜状传感器材料的示图，所述薄膜状传感器材料被构造成用于支撑表面化学反应。
图4是测试腔室中周围空气的温度、相对湿度、压力和VOC的并行测试测量结果的一系列图形。
图5A、图5B和图5C分别是根据如本文所描述的实施例的VOC传感器、相对湿度传感器和周围温度传感器的电路简图。
图6是流程图，示出了根据如本文所描述的实施例的小型气体分析器的传感器的制造方法中的步骤。
图7-9B是传感器在图6中所示的制造方法中各步骤处的横截面视图。
图10是根据如本文所描述的一个实施例的完整小型相对湿度传感器的俯视平面图。
图11是根据如本文所描述的一个实施例的完整小型VOC传感器的俯视平面图。
图12包括根据如本文所描述的一个实施例的包括配线和接触焊盘的电子封装体中的相对湿度感测电容器和参考电容器的俯视平面图和横截面视图。
具体实施方式
在以下描述中，阐述了某些具体细节以便提供对所公开主题的各个方面的全面理解。然而，所公开的主题可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，尚未详细描述包括在此公开的主题的实施例的公知结构和方法，以免模糊本公开的其它方面的描述。
除非上下文另有要求，否则贯穿说明书和所附权利要求书，“包括”一词及其多种变体(诸如，“包括了(comprises)”和“包括着(comprising)”)将以一种开放式、包含性的意义来进行解释，也就是作为“包括，但不限于(including,but not limited to)”。
贯穿本说明书对“一个实施例”或“一种实施例”的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或者特性包括在至少一个实施例中。因此，贯穿本说明书在各处出现的短语“在一个实施例中”或“在一种实施例中”不一定都是指相同的方面。此外，可以将这些特定的特征、结构或特性以任何适当的方式结合在本公开的一个或多个方面中。
贯穿本说明书对集成电路的引用一般旨在包括在半导体衬底上构建的集成电路部件，无论部件是否一起耦合到电路中或者能够互连。贯穿本说明书，最广义地说，术语“层”用于包括薄膜、帽盖等，并且一个层可以包括多个子层。
贯穿说明书对用于沉积氮化硅、二氧化硅、金属或者相似材料的常规薄膜沉积技术的引用包括诸如化学气相沉积(CVD)、低压化学气相沉积(LPCVD)、金属有机化学气相沉积(MOCVD)、等离子体增强化学气相沉积(PECVD)、等离子体气相沉积(PVD)、原子层沉积(ALD)、分子束外延(MBE)、电镀、无电镀等这样的工艺。在此参考这类工艺的示例描述特定实施例。然而，本公开和对某些沉积技术的引用不应受限于所描述的这些。例如，在一些境况中，可以替代性地使用PVD来完成引用CVD的描述，或者可以替代性地使用无电镀来实现指定电镀的描述。此外，对薄膜形成的常规技术的引用可以包括原位生长膜。例如，在一些实施例中，可以通过在受热腔室中使硅表面暴露于氧气或者潮气来实现控制氧化物生长至所期望的厚度。
贯穿本说明书对在半导体制造领域中已知的用于图案化各种薄膜的常规光刻技术的引用包括旋涂-曝光-显影工艺序列，通常接着是刻蚀工艺。替代性地或者附加地，光刻胶也可以用于图案化硬掩模(例如，氮化硅硬掩模)，其中，硬掩模又可以反过来用于图案化下面的膜。
贯穿本说明书对在半导体制造领域中已知的用于选择性去除多晶硅、氮化硅、二氧化硅、金属、光刻胶、聚酰亚胺或者类似材料的常规刻蚀技术的引用包括比如湿法化学刻蚀、反应离子(等离子体)刻蚀(RIE)、洗涤、湿法清洗、预清洗、喷洗、化学机械平坦化(CMP)等这样的工艺。在此参考这类工艺的示例描述特定实施例。然而，本公开和对某些沉积技术的引用不应受限于所描述的这些。在一些实例中，两种这样的技术可以是可互换的。例如，剥离光刻胶可能需要在湿法化学浴器中浸渍样本或者替代性地向样本上直接喷射湿化学剂。
在此参照已经生产的小型气体分析器描述了特定实施例；然而，本公开以及对某些材料、尺寸的引用、以及处理步骤的细节和顺序是示例性的并且不应局限于所示出的那些。
现在转至附图，图1示出了根据本公开的实施例的配备有小型气体分析器102的工作站100。工作站100表示室内夹具，如，台式计算机、膝上型计算机、信息亭、壁挂式显示器等。工作站100包括显示器104，该显示器呈现采用统计概要106和趋势图表108形式的空气质量数据。空气质量数据由小型气体分析器102局部感测并且然后由电子部件分析以便展示在显示器104上。处理并分析空气质量数据的电子部件可以位于工作站100内，或者位于由有线或无线连接(例如，网络连接)通信地耦合到工作站100的远程位置。小型气体分析器102可以是工作站100的固定部件，或者小型气体分析器102可以是可移动地附接至工作站100的移动单元。在一个实施例中，小型气体分析器102可以是智能电话、平板计算机、膝上型计算机、手表、挂件或衣物的一部分，或者是与工作站100的用户相关联的另一类型的移动单元，其中，小型气体分析器102仅在特定用户在工作站100处工作时通信地耦合到工作站100。小型气体分析器102可以维护用户位置历史和相关联的空气质量数据以监测用户暴露于某些空气污染物。替代性地，小型气体分析器102可以维护特定于工作站100的固定位置的空气质量数据的历史。
在一个实施例中，呈现在显示器104上的统计概要106包括湿度读数、温度读数、VOC气体浓度读数、位置、时间戳以及整体办公室空气质量指标。统计概要106是示例性的并且可以包括比图1中所示的更多或更少的数据项。一个或多个数据项可以在占据显示器104的一部分的趋势图表108上显示为时间序列图，从而可以将本地空气质量实时地通知给工作站100的用户。趋势图表108可以在旋转基础上连续显示单独数据项的时间趋势。替代性地，多个时间趋势可以同时显示在趋势图表108上。趋势图表108可以由用户或由系统管理员配置。
图2示出了根据本公开的实施例的小型气体分析器102的部件。小型气体分析器102是微电子装置，该微电子装置至少包括微处理器120、电子存储器122和微传感器阵列124。微处理器120通信地耦合到电子存储器122和微传感器阵列124。电子存储器122被配置成用于存储由微处理器120执行的指令并且用于存储从微传感器阵列124接收的数据。微传感器阵列124还可以直接耦合到电子存储器122。小型气体分析器102的部件中的任何一条通信路径可以支持有线或无线数据通信。微传感器阵列124可以被实现为应用专用集成电路(ASIC)芯片。常规模数转换器(ADC)还可以被实现在ASIC芯片板上。电子存储器122的部分或全部可以被实现在ASIC芯片板上。此外，空气质量监测器的所有部件可以共同集成为片上系统(SOC)。
微传感器阵列124包括一个或多个气体传感器，该一个或多个气体传感器可以包括VOC气体传感器或多个VOC气体传感器以及其他环境传感器，如例如，压力传感器、湿度传感器、温度传感器、流量传感器等。感测周围湿度和温度的环境传感器可以用于根据存储在电子存储器122中并由微处理器120执行的校准指令来校准一个或多个气体传感器的读数。
环境传感器可以被实现为如由与本专利申请相同的发明人在相关专利文献中所描述的，这些相关专利文献包括题为“集成多传感器模块(Integrated Multi-sensorModule)”的美国专利号9,176,089以及题为“微电子环境感测模块(MicroelectronicEnvironmental Sensing Module)”的美国专利公开号2014/0294046，二者的公开内容通过引用以其全部内容结合在此。替代性地，环境传感器可以被实现为如本文所描述的，或者具有在相关专利文献中所描述的一些特征以及如在本文中所描述的其他特征。
微传感器阵列124的气体传感器部分可以被实现为如在题为“集成SMO气体传感器模块(Integrated SMO Gas Sensor Module)”[美国专利申请号14/334,572，尚卡尔(Shankar)等人，公开为美国专利公开号2016/0018356，此后称为“尚卡尔”]的相关专利文献中所描述的，其被指定为与本专利申请相同的实体，并且通过引用以其全部内容结合在此。替代性地，微传感器阵列124的气体传感器部分可以被实现为如在题为“集成空气质量传感器(Integrated Air Quality Sensor)”[代理人案卷号851663.632]的共同未决专利申请中所描述的，其被指定为与本专利申请相同的实体，并且在本文被总结并通过引用以其全部内容结合在此，其实现方式具有不同于尚卡尔的那些实现方式的一些特征。替代性地，微传感器阵列124的气体传感器部分可以被实现，从而将尚卡尔的气体传感器的某些特征与雷尼尔(LeNeel)的气体传感器的某些其他特征相结合。在一个实施例中，整个空气质量监测器102在单个衬底222上。在其他实施例中，微传感器阵列124在其自身的硅衬底上并且微处理器120和电子存储器122一起在单个硅衬底上。
图3A和图3B将现有技术与本发明进行对比以提供空气质量传感器。图3A示出了本领域已知的块状传感器材料130。块状传感器材料130采用被构造成用于支撑与周围空气发生化学反应的粉末形式。块状传感器材料130由粒子132制成，该粒子可以包括反应材料的多晶硅颗粒。周围气体可以例如沿迂回路径134流过块状传感器材料，该迂回路径有助于周围气体分子与粒子132的表面之间的接触。块状传感器材料130可以是例如具有在约5μm至20μm范围内厚度的氧化锡(SnO2)。块状传感器材料130通常在600℃的温度下进行烧结。块状传感器材料130是已知系统并且将因此不会被进一步描述。块状传感器材料大且笨重，并且不适合在硅衬底上。
图3B示出了根据本公开的实施例的适于用在微传感器阵列124中的薄膜气体感测材料140。薄膜气体感测材料140具有支持周围气体沿基本上笔直的路径144的表面传导以及周围气体与稠密的多晶硅薄膜142之间的表面反应的结构，该稠密的多晶硅薄膜由薄膜气体感测材料140制成。在一个示例中，薄膜142是厚度为100nm的氧化锡(SnO2)膜，比块状传感器材料130薄约100倍。可以用作薄膜142的其他VOC气体感测材料包括氧化锌(ZnO2)和氧化铟(In2O3)。薄膜142可以通过溅射沉积形成，接着是在400℃的低温下进行烧结。得到的薄膜142如此稠密从而被分类为与粉末相反的陶瓷。然后可以使用薄的铂(Pt)涂层覆盖薄膜142的部分或全部。薄膜气体感测材料140对于可以存在于周围气体中的各种气体的敏感度是已知的以便根据温度变化。铂涂层可以帮助将热传递到薄膜142。
图4是一系列输出绘图146，示出了由小型气体分析器102检测到的空气质量数据的示例性实时趋势。标记为“ADC计数”的上部时间趋势示出了与由微传感器阵列124检测到的VOC气体传感器测量结果相关联的A-D转换器的输出。在约2360秒处，VOC传感器登记由如升高的ADC计数值148所指示的VOC气体的存在。同时，指示其他环境传感器、压力、湿度和温度的并行测量结果的输出值维持恒定，例如，在VOC传感器发生反应时分别为1020mT、51％和21.5℃。并行测量结果可以由微处理器120使用以校准VOC气体传感器。
图5A示出了根据本公开的实施例的微传感器阵列124的电路简图。微传感器阵列124的单个元件150包括一起形成在公共衬底上的本地温度传感器152、电阻加热器154和气体传感器156。电阻加热器154由微处理器120根据编程指令进行电子控制，从而将气体传感器156调谐成对特殊气体敏感。本地温度传感器152可以用作反馈控制装置以便自动调节电阻加热器154。功率经由加热器信号线递送至电阻加热器154，该加热器信号线以电压Vh驱动并且携带电流Ih。气体传感器156包括由图3B中所示的薄膜气体感测材料140制成的薄膜142。气体传感器156的温度由电压Vh和相关联的电阻加热器154的电阻RH来确定。微传感器阵列124的元件150可以通过选择特殊气体感测材料140并且然后控制电阻加热器154的电阻RH来在所选择的温度范围内进行操作以便将薄膜142调谐至期望的敏感度。例如，微传感器阵列124的元件150可以包括作为活性感测材料的氧化锡(SnO2)并且可以在400℃至500℃的温度范围内进行操作以便检测甲烷，或者在300℃至350℃的温度范围内进行操作以便检测一氧化碳。在一个实施例中，本地温度传感器152被配置成惠斯通电桥，该惠斯通电桥包括三个固定电阻器R1、R2和R3。为了控制热量损耗和功率消耗，采用如以下所解释的受限方式来完成对气体传感器156的加热。
图5B示出了相对湿度传感器160的示意图，该相对湿度传感器被配置成可变电容器Crh与参考电容器Co的并联组合。图5C示出了温度传感器162的示意图，该温度传感器包括惠斯通电桥安排中的四个电阻器R6、R7、R8和R9。温度传感器162将测量周围环境的温度，与测量内部加热器温度的本地温度传感器152形成对照以便调节VOC气体传感器的操作。
图6是流程图，示出了根据本公开的实施例的制造小型气体分析器102的传感器阵列124中的VOC气体传感器和环境传感器的方法200的一系列步骤。跟随初始热氧化生长的方法200中的所有步骤可以在处于或低于400℃的温度下进行。一些处理步骤形成两用膜，该两用膜在VOC传感器区域中被图案化从而执行第一功能，并且在湿度传感器区域中被不同地图案化例如从而执行第二功能。
参照图7至图9B，适于检测VOC的气体传感器156形成在邻近电阻加热器154、本地温度传感器152、相对湿度传感器160以及周围温度传感器162，如下：
在202处，厚氧化物224利用例如常规热生长工艺形成在衬底222上。衬底222可以是例如具有在约500μm至600μm范围内厚度的硅衬底或玻璃衬底。厚氧化物224具有在约3μm至10μm范围内的厚度，如图7中所示。
在204处，约2μm深的空腔通过利用常规光刻和蚀刻技术对厚氧化物224进行图案化而形成在厚氧化物224中。例如，可以利用光刻胶对厚氧化物224进行图案化并且利用湿化学蚀刻剂(如，氢氟酸(HF))对厚氧化物224进行蚀刻。空腔可以具有倾斜侧，如图7中所示。
在206处，空腔填充有4-μm厚的第一层聚酰亚胺，以形成如图7中所示的聚酰亚胺阱226。聚酰亚胺材料可以例如是如从日本东京富士胶片公司可获得的HD8220材料。聚酰亚胺阱226可以在325℃温度下固化一小时以将厚度减少至3μm，其中，约2μm的聚酰亚胺层在厚氧化物224的表面以下，并且约1μm的聚酰亚胺层在厚氧化物224的表面以上。接下来，300nm厚的氮化硅包覆层228(例如，Si3N4)利用保形薄膜沉积的常规方法形成在聚酰亚胺阱226的顶部上。
在208处，根据如图8A中所示的本公开的一个实施例，电阻加热器154和电容相对湿度传感器160的底板都由钽化铝(TaAl)制成的通常150nm厚的金属层形成。TaAl具有造成稳定电阻的低热系数(TCR)特征。因此TaAl金属层是多用途膜——TaAl层的第一部分充当电阻加热器154的加热元件230，而TaAl层的第二部分充当电阻器Crh的底板231，并且TaAl层的第三部分充当参考电容器Co的底板233。
在210处，第一金属层然后形成在TaAl层的顶部上并且被图案化以形成针对加热元件230和底板231、233的触点232，如图8A中所示。触点232可以由适于用作集成电路互连(如例如，具有约500nm厚度的铝铜(AlCu))的任何金属制成。触点232可以具有倾斜侧。
在212处，形成并图案化第二聚酰亚胺层，从而在金属触点232中生成活性聚酰亚胺结构235。活性聚酰亚胺结构235将充当平行板电容器Crh与Co的电介质。活性聚酰亚胺结构235可以具有在约6.0μm至8.0μm范围内的厚度，并且可以由商业可获得的对湿度敏感的聚酰亚胺材料制成。然后触点232、TaAl层和活性聚酰亚胺结构235被覆盖有第一保形层间电介质(ILD)234，例如，另一300nm厚的Si3N4层。然后通过保形电介质层234对通孔236进行蚀刻并且通孔236被填充有由具有500nm厚度的AlCu制成的第二金属层，如图8B中所示。
在214处，温度感测元件238通过保形沉积和对高TCR薄膜进行图案化而形成在第二金属层之上。在VOC传感器的附近，图案化的高TCR膜起到温度传感器的作用，而在相对湿度传感器160的附近，图案化的高TCR膜在通孔236和触点232上形成金属帽，如图8B中所示。温度感测元件238可以由例如具有约20nm厚度的铂(Pt)或硅化铬(CrSi2)制成。如图9A和图9B所示，第二保形ILD 240然后沉积在温度感测元件238之上。第二保形ILD 240可以是例如30nm的Si3N4。在一些实施例中，温度感测元件238是可选的并且可以根据校准和准确度的期望水平而被省略。
在216处，VOC气体传感器242形成在聚酰亚胺阱226之上，邻近电阻加热器154，如图9A中所示。VOC气体传感器242可以由具有在约30nm至100nm范围内厚度的氧化锡(SnO2)制成。替代性地，VOC气体传感器242可以由具有约100nm厚度的氧化锌(ZnO2)或具有约150nm厚度的氧化铟(In3O3)制成。通孔252形成在第二保形ILD 240中并且填充有由具有约500nm厚度的TiW和AlCu制成的第三金属层。第三金属层可以与VOC气体传感器膜的一部分重叠，该VOC气体传感器膜在聚酰亚胺阱226的附近之外，如图9A中所示。在第三金属层位于活化聚酰亚胺结构234之上的情况下，第三金属层被图案化以形成金属网顶部电容器板255。
在218处，钝化层254形成在金属网顶部电容器板255和VOC传感器242之上，如图9A和图9B中所示。钝化层254可以由SiN制成。钝化层254被图案化以暴露VOC传感器242，并且经由各个金属层提供信号路径以将温度传感器238和触点232接入加热元件230。VOC传感器242具有约200μm2×100μm2的暴露活化感测区域。开口237被蚀刻通过钝化层254、通过金属网顶部电容器板255中的孔并且通过Crh的金属网顶部板下方的各个ILD层以将活化聚酰亚胺暴露于周围空气中。附加侧向去除具有宽度239的多个聚酰亚胺插塞增大了接触周围空气的聚酰亚胺的表面面积。聚酰亚胺去除可以利用适于去除光刻胶的干法蚀刻化学试剂或湿法蚀刻化学试剂。当周围空气的湿度变化时，活化聚酰亚胺结构的介电常数κ将受影响，并且将造成有关参考电容器Co的Crh电容的变化。图9B中的横截面中示出了完整的相对湿度传感器160。
同时，在相同处理步骤期间，将聚酰亚胺材料从聚酰亚胺阱226上去除。通过蚀刻通过VOC传感器242和ILD层堆叠而形成开口256以暴露聚酰亚胺阱226。附加侧向蚀刻步骤将聚酰亚胺材料从聚酰亚胺阱226上去除，留下加热元件230下方的气穴260。气穴260具有宽度262。气穴的宽度262最好比开口256大很多，从而使得空气有效地陷入气穴260内，同时维持在周围空气的大气压处。固化步骤然后可以在大气压下在400℃下执行两小时，以收缩并硬化保存在聚酰亚胺阱226中的聚酰亚胺材料，由此使气穴260的壁凝固。气穴260为加热元件230产生的滞留热量提供热绝缘，从而使得该热量在空间上被限制在邻近VOC传感器的本地附近区域内，并且不被传送至微传感器阵列124中的其他VOC传感器。
图10示出了相对湿度传感器160的俯视平面图，其中，Crh的金属网顶部板255在左边并且参考电容器Co的金属网顶部板在右边。相对湿度传感器160中的每个平行板电容器具有约200×300微米的表面面积。顶部板和底部板重叠区域约为11.2E-8m2。活化聚酰亚胺材料的介电常数约为κ＝3。因此相对湿度传感器的电容可以被估计为：
C＝εA/d
＝(3εo F/m)(11.2E-8m2/(7.0E-6m)
＝0.425pF。
图11示出了根据本公开的实施例的示例性温度传感器152和示例性电阻加热器154的俯视平面图。电阻加热器154可以被设计为金属网加热元件230，其中，开口256通向位于加热元件230下方的气穴260。触点232将电力提供给加热元件230。温度传感器152设置在加热元件230之上的层中，并且延伸至直接在VOC传感器下方的位置。
图12示出了相对湿度传感器160的俯视平面图，以及Crh的金属网顶部板255(左)和参考电容器Co(右)的横截面扫描电子显微图像(SEM)。将活化聚酰亚胺结构235暴露于周围空气中的开口237在左手边图像中是很明显的，而没有这种开口在右手边图像中是明显的。
通过使用如以上概述的相同处理步骤来制造温度传感器152、电阻加热器154、一个或多个VOC传感器156、相对湿度传感器160以及周围温度传感器162，有可能将所有五个传感器功能共同集成在相同的管芯上以生成全面气体分析器。
在本说明书中引用的和/或在申请数据表中列举的所有美国专利、美国专利申请公开、美国专利申请、外国专利、外国专利申请和非专利公开通过引用以其全部内容结合于此。
将理解的是，尽管出于说明的目的在此描述了本公开的具体实施例，在不背离本公开的精神和范围的情况下可以进行各种修改。可以组合上文所描述的各种实施例以提供进一步实施例。如果必要则可以修改实施例的方面以运用各种专利、申请和公开文献的概念以提供又进一步实施例。
可以按照上文详述的描述对实施例进行这些和其它改变。一般而言，在以下权利要求书中，使用的术语不应理解为将权利要求书限制为说明书和权利要求书中公开的特定实施例，而应当理解为包括所有可能实施例，连同此权利要求书有权获得的等效物的整个范围。因而，权利要求不受本公开所限制。

Claims (20)

1.一种微电子气体分析器，包括：
湿度微传感器，所述湿度微传感器形成在集成电路管芯上，所述湿度微传感器被配置成用于监测周围空气的湿度；
温度微传感器，所述温度微传感器形成在所述集成电路管芯上，所述温度微传感器被配置成用于监测周围空气的温度；
气体微传感器，所述气体微传感器形成在所述集成电路管芯上，所述气体微传感器包括半导体金属氧化物(SMO)装置，所述半导体金属氧化物装置被配置成用于检测并监测所述周围空气中存在的特别气体种类；
微处理器，所述微处理器通信地耦合到所述湿度微传感器、所述温度微传感器和所述气体微传感器；以及
电子存储器，所述电子存储器通信地耦合到所述微处理器，所述电子存储器被配置成用于存储由所述微处理器执行的指令并且用于存储从所述微传感器接收的数据。
2.如权利要求1所述的微电子气体分析器，其中，所述集成电路管芯形成在玻璃衬底上。
3.如权利要求1所述的微电子气体分析器，其中，所述微处理器和所述电子存储器是移动计算装置内的共享部件。
4.如权利要求1所述的微电子气体分析器，其中，所述微处理器和所述电子存储器是固定计算装置内的共享部件。
5.一种装置，包括：
温度传感器，所述温度传感器在硅衬底上，所述温度传感器被配置成用于感测周围空气温度；
湿度传感器，所述湿度传感器与所述温度传感器集成在所述硅衬底上，所述湿度传感器被配置成用于感测周围空气的相对湿度；以及
挥发性有机化合物(VOC)气体传感器，所述VOC气体传感器在所述硅衬底上，所述VOC气体传感器被配置成用于在传感器测量所述周围空气温度和湿度的同时检测所述周围空气中所选择的气体种类。
6.如权利要求5所述的装置，其中，周围温度与周围湿度测量用于校准所述VOC传感器。
7.如权利要求5所述的装置，其中，所述湿度传感器包括一对电容器，所述电容器具有金属底板、由聚酰亚胺制成的电介质以及金属网顶板。
8.如权利要求5所述的装置，其中，所述VOC传感器包括气体敏感且温度敏感的陶瓷材料。
9.如权利要求8所述的装置，其中，所述陶瓷材料包括SnO2、ZnO2或In2O3中的一种或多种。
10.如权利要求5所述的装置，进一步包括电阻加热器，所述电阻加热器具有由过渡金属制成的加热元件，所述过渡金属具有低电阻温度系数(TCR)。
11.如权利要求10所述的装置，其中，所述加热元件的所述过渡金属包括Ta和Al中的一种或多种。
12.如权利要求5所述的装置，其中，所述温度传感器是由高TCR金属制成的，所述高TCR金属包括Pt或CrSi2中的一种或多种。
13.一种配备有如权利要求5所述的装置的室内夹具。
14.如权利要求13所述的室内夹具，包括台式计算机、显示器或墙壁安装单元中的一种或多种。
15.一种配备有如权利要求5所述的装置的移动单元。
16.如权利要求15所述的移动单元，包括智能电话、平板计算机、膝上型计算机、手表、挂件或衣物中的一种或多种。
17.一种方法，包括：
形成挥发性有机化合物(VOC)微传感器，所述VOC微传感器在集成电路芯片的第一区域中；以及
形成电阻加热器，所述电阻加热器邻近所述VOC微传感器；
形成本地温度传感器，所述本地温度传感器被配置成用于感测所述电阻加热器的本地温度，所述本地温度传感器位于邻近所述VOC微传感器和所述电阻加热器；
形成相对湿度传感器，所述相对湿度传感器包括：电容式传感器，所述电容式传感器具有暴露于周围环境的电介质；和参考电容器，所述参考电容器具有未暴露于所述周围环境的电介质；以及
形成周围温度传感器，所述周围温度传感器暴露于所述周围环境。
18.如权利要求17所述的方法，其中，所述VOC微传感器包括氧化锌(ZnO2)、氧化铟(In3O3)或氧化锡(SnO2)中的一种或多种。
19.如权利要求17所述的方法，进一步包括形成空气腔，所述空气腔提供所述电阻加热器与所述VOC微传感器之间的热绝缘。
20.如权利要求17所述的方法，其中，所述电容式传感器是平行板电容器并且所述电介质是由聚酰亚胺制成的。
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