CN108132330A - 气体传感器 - Google Patents

Abstract

本公开涉及气体传感器，该气体传感器包括有源传感器区域，该有源传感器区域被暴露于环境下以便检测元素。该气体传感器可以是可被固定就位或者由用户携带的空气质量传感器。该气体传感器包括在腔室上方形成的加热器。该气体传感器包括在该加热器上方的形成该有源传感器区域的有源传感器层。该气体传感器可包括诸如热板等无源导电层，该无源导电层进一步将热从该加热器传导并且分布至该有源传感器区域。该加热器可包括多个延伸件。该加热器还可包括第一导电层以及在该第一导电层上的第二导电层，其中，该第二导电层包括多个开口，该多个开口用于增加热量并且更均匀地将热从加热器分布至该有源传感器区域。

Description

气体传感器

技术领域

本公开涉及用于检测空气质量的气体传感器。

背景技术

空气污染并不限于室外空气污染，而且出现在诸如办公楼、家和如同机场的公共空间等结构物内。随着封闭空间内不新鲜的空气累积，二氧化碳和挥发性有机化合物(VOC)的浓度可能升高至有害水平。

空气质量在保持人健康方面是重要因素。例如，不良空气质量触发或恶化某些心肺病症。在较高空气污染水平上，由于氧含量较低，导致生产率可能下降。

高水平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、地毯以及其他化学源也贡献VOC污染物。VOC包括诸如乙醇、甲苯、苯、甲醛、四氯乙烯(TCE)以及二氯甲烷等化合物。

已经将绿色建筑实践引入限制VOC使用的尝试中，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。维持对环境空气中存在的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。

发明内容

除其他以外，本公开涉及用于检测空气质量的改进型气体传感器。这些气体传感器包括各种不同的改进，这些改进可单独地或彼此组合地组合，以改进气体传感器。这些传感器可以是室内空气质量传感器和室外空气质量传感器。这些传感器可以处于汽车市场、医疗市场、或要检测空气质量的任何市场。

本公开涉及各种气体传感器，这些气体传感器可由用户携带(诸如，佩戴在他们衣物上)、包括在电子器件内、附接于工作站或者装配在房间内。这些气体传感器将检测用户会关注的各种气体并且向用户提供关于与用户当前环境关联的空气质量的信息。例如，气体传感器可被附接于用户的便携式计算机或办公室环境中的计算机。气体传感器可在诸如平板计算机、监视器或移动电话的用户电子器件的显示器上显示空气质量数据。该数据可采取统计汇总或trench图。气体传感器可与微处理器、存储器和其它传感器一起装配在封装体中。封装体可直接耦合到用户的电子器件或者可被插入电子器件的现有端口中，以将数据从气体传感器和相关电路发送到显示器。

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是根据本公开的实施例的具有放大加热器区域的气体传感器的横截面视图。

图2至图3是图1的放大加热器区域的替代的自上而下的视图；

图4是根据本公开的实施例的带有多个加热器开口的气体传感器的横截面视图；

图5是可装配在图4的气体传感器中的带有多个加热器开口的加热器的增强的顶视图和侧视图；

图6是包括与单个加热器层对准的多个传感器区域的本公开的替代实施例；

图7是具有带有多个加热器开口的放大加热器的本公开的替代实施例；

图8是具有带有多个加热器开口的放大加热器的本公开的替代实施例；

图9是在加热器和有源传感器区域之间包括无源热板的本公开的气体传感器的替代实施例的横截面视图；

图10是根据本公开的另一个实施例的带有多个开口的和无源热板的加热器的横截面视图；

图11和图12是根据本公开的实施例的气体传感器的顶视图和横截面视图；以及

图13和图14是根据本公开的另一个实施例的气体传感器的视图。

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，可以在没有这些具体细节的情况下实践所公开的主题。在一些实例中，尚未具体描述公知的公知结构和电子器件的制造方法以免模糊本公开的其他方面的描述。

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(comprise)”一词及其多种变体(诸如，“包括(comprises)”和“包括(comprising)”)将以一种开放式的和包含性的意义来进行解释，例如，“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“在实施例中”不一定都指同一个方面。此外，可以在本公开的一个或多个方面中以任何适当的方式来组合特定特征、结构或特性。

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或玻璃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。

本公开涉及各种气体传感器，这些气体传感器可由用户携带(诸如，佩戴在他们衣物上)、包括在电子器件内、附接于工作站或者装配在房间内。这些气体传感器将检测用户会关注的各种气体并且向用户提供关于与用户当前环境关联的空气质量的信息。例如，气体传感器可被附接于用户的便携式计算机或办公室环境中的计算机。气体传感器可在诸如平板计算机、监视器或移动电话的用户电子器件的显示器上显示空气质量数据。该数据可采取统计汇总或trench图。气体传感器可与微处理器、存储器和其它传感器一起装配在封装体中。封装体可直接耦合到用户的电子器件或者可被插入电子器件的现有端口中，以将数据从气体传感器和相关电路发送到显示器。

这些气体传感器包括可被单独或组合地装配在气体传感器中的多个改进。这些改进包括在至少图1至图3中描述的放大加热器、至少图9至图10中描述的无源热板和至少图4至图7中描述的复合加热器。以下将描述每个实施例并且将描述这些特征的各种组合，但是，可以想到这些特征的其它组合并且可基于气体传感器的特定应用的操作来选择这些组合。

图1涉及根据本公开的一个实施例的气体传感器100，气体传感器100包括与有源传感器区域104对应的放大加热器102。用加热器102的大加热器区域、大有源传感器区域、通过加热器互连件106的高电阻和低功率来实现气体传感器的优良灵敏度。有源传感器区域是与来自环境中的元素发生化学反应的地方。灵敏度直接与有源传感器区域的大小有联系。然而，为了敏感，必须加热该区域，这是利用焦耳效应通过加热器互连件中的电阻进行功率耗散实现的。功耗取决于电阻并且引起具有较大表面积和小电阻之间的权衡，以降低功率要求。

放大加热器102允许在保持相同电阻(确定功耗)的同时有更大的表面参与化学反应。这允许将与该气体传感器100的设计一起使用的现有专用集成电路(ASIC)。

加热器102形成在衬底110中形成的腔室108上方。衬底110可包括被第一电介质层114覆盖的硅层112。硅层112可以是500-600纳米。在替代实施例中，衬底110可以是玻璃。第一电介质层可以是范围在3微米至10微米的氧化物；它可以是沉积的或生长的。在这个实施例中，诸如，用光刻工艺和蚀刻，将腔室108被形成为氧化物层114中的凹陷116。蚀刻可以是氟化氢蚀刻，其形成具有2微米深度的具有倾斜壁118和底部120的凹陷。对于该实施例和本申请的所有其它实施例，设想到其它尺寸。

凹陷116被填充覆盖有第二电介质层124的聚酰亚胺122。聚酰亚胺122填充凹陷并且延伸经过倾斜壁118，覆盖第一电介质层114的表面128的部分126。第二电介质可以是厚度在450纳米至550纳米的氮化硅。

加热器102形成在第二电介质层124上并且可包括两层。例如，第一加热器层130形成在第二电介质层124上并且第二加热器层132形成在第一加热器层130上。第一加热器层可以是厚度是大约150纳米的钽铝层，第二加热器层可以是厚度是大约500纳米的铝铜层。钽铝具有造成稳定电阻的低热系数。第二加热器层132包括开口136。

第三电介质层138形成在第二加热器层132上，在开口136中。该开口对应于针对图2至图3(还有其他)更详细描述的放大加热器区域。加热器102从放大加热器区域起算的厚度在500纳米至600纳米的范围内并且其在放大加热器区域中的厚度在100纳米至200纳米的范围内。第三电介质层138可以是大约300纳米厚的氮化硅层。

有源传感器层140形成在第三电介质层138上。该有源传感器层140可以是大致100纳米厚的氧化锡。这种类型的层可被称为半导体金属氧化物SMO。第四电介质层142形成在有源传感器层上，并且穿过第四电介质层142形成开口144，以暴露有源传感器区域104。

导电层146通过穿过第三电介质层138的导电通孔148将有源传感器层140耦合到加热器102。可在导电层146与有源传感器层140之间形成衬垫150。衬垫150可以是厚度为25纳米的钛钨，而导电层146是厚度为500纳米的铝铜层。

在图1中未示出的视图中，通过蚀刻穿过第二电介质层、第三电介质层和第四电介质层来形成腔室108。然后，蚀刻聚酰亚胺122，以形成腔室108。

图2至图3是放大加热器区域的自上而下的视图。例如，图2包括加热器互连件106，加热器互连件106是第一加热器层和第二加热器层的双层。放大加热器区域152对应于开口136。加热器102包括主延伸件154和多个辅延伸件156a至156c。每个辅延伸件156a至156c都具有相同的尺寸162。加热器互连件106的尺寸164小于辅延伸件的尺寸166。辅延伸件中的每个允许加热器热膨胀。

理想地，加热器102的总电阻在100欧至150欧的范围内，以便匹配关联ASIC的需求。从电学观点来看，这些辅延伸件不是有源的，如此，相比于单单主延伸件，使用功率没有增加。主延伸件所生成的热向着辅延伸件向外移动，如箭头160所示的。这允许加热器区域中的热均匀度更好，对应于有源传感器区域104中的更好和更大的热均匀度。被加热的有源传感器区域越大，气体传感器的灵敏度可以越高。

如下地比较单单主延伸件与主延伸件加辅延伸件，其中，在1毫安电流的情况下，电阻是相同的(100欧)。仅主延伸件就具有576平方微米的加热器区域，其中，主延伸件加辅延伸件具有1728平方微米的加热器区域。仅主延伸件的有源传感器区域的面积是192平方微米并且主延伸件和辅延伸件的有源传感器区域的面积是1700平方微米。仅主延伸件的有源传感器区域与加热器区域之比是33％，而主延伸件加辅延伸件的有源传感器区域与加热器区域之比是98％。这导致敏感度显著增加。

图3是具有加热器互连件106的放大加热器区域152的替代实施例，该加热器互连件106的形状不同于图2中的加热器互连件。开口136对应于只是第一加热器层的放大加热器区域152。加热器包括第一中心延伸件170、彼此尺寸相同(尺寸178)的第二延伸件172和第三延伸件174以及尺寸(尺寸180)与第二延伸件和第三延伸件不同的第四延伸件176。第四延伸件176被例示为正方形形状。第四延伸件可以是任何合适的形状。第四延伸件的延伸件覆盖的面积大于第二延延伸件。

图4是根据本公开的实施例的具有多个加热器开口202和204的气体传感器200的横截面视图。将描述两个开口；然而，设想到具有三个或更多个开口的实施例。使用相同的参考标号来引用类似的气体传感器100的特征。特别地，在由衬底110支撑的聚酰亚胺层122中形成腔室108。

如以上提到的，这些微机电气体传感器的灵敏度取决于有源传感器层208的有源传感器区域206的大小。有源传感器区域206是通过上部电介质层212中的开口210暴露的有源传感器层208的一部分。为了感测化合物，有源传感器区域被加热器214加热至可在200摄氏度至500摄氏度的范围内的温度。热需要保持集中，从而不损害气体传感器或其它传感器和伴随气体传感器使用的组件的其它部分。

为了加热有源传感器层，通过电阻和焦耳效应产生的功率耗散来加热加热器。功耗取决于加热器的电阻。优选地用较低电阻保持低功率。加热器是第一导电层216和第二导电层218。优选地，第一层216是钽铝层，从而允许在保持热耗散稳定的同时通过电阻进行功率耗散。第二导电层优选地是铝铜层。向加热器施加电压，在室温下开始根据焦耳效应进行的功率耗散，焦耳效应开始时加热器的温度升高，加热器电阻往往会随着温度升高而增大，并且由于电阻改变，导致焦耳效应变化。

为了改善加热，在第二导电层218中形成开口202和204。这些开口创建了加热器214中的一系列电阻，从而加热有源传感器区域。开口202和204在开口210的边界内，即，从自上而下的视图看，加热器的整个区域在有源传感器区域的边界内。

第一导电层216形成在处于聚酰亚胺122上的电介质层124上。第二导电层218直接形成在第一导电层216上。在一些实施例中，第一导电层和第二导电层中的每个始终是一致的厚度。电介质层220形成在第二导电层218上方。

加热器214的第一端222耦合到接收电压的接触件226，并且加热器214的第二端224耦合到地。接触件226也耦合到有源传感器层208。

因为开口增大了电阻，所以在开口202和204处产生热。开口202和204的面积是微米×微米，例如，100×200平方微米。这些开口使得加热器更均匀地遍布有源传感器区域。可以有这些开口中的三个、五个或更多个。

图5是加热器214的线性形式的从上自下的视图，加热器214包括第一开口202和第二开口204。加热器214具有五个片段230、232、234、236、238。第一片段230是包括第一导电层和第二导电层的加热器的双层。第三片段234和第五片段238也是双层。第二片段232和236对应于只具有一个层(第一导电层)的开口214、216。在例示实施例中，第一层是钽铝并且第二层是铝铜。

开口暴露第一导电层216。开口可形成垂直侧壁或者可形成倾斜侧壁。加热器的总电阻优选地在100欧至150欧的范围内。对于第一导电层是钽铝的实施例，电阻是13.5欧/平方，第二导电层是铝铜时，电阻是0.025欧/平方。这些开口在相同电流进而相同功率下形成两个串联电阻。第二导电层允许热经过加热器并且具有更好的均匀度。这样分离了加热位置，以覆盖有源传感器层的更大面积。第二导电层具有比沿着加热器导热的第一导电层高的热膨胀率。

加热器的总电阻限定功率耗散以及功耗。通过在不同位置打开加热器，得到具有与较大有源传感器区域对应的放大加热器表面的等效电阻。

如下，比较只具有单个加热器层的器件与在第一导电层上的第二导电层中包括开口的器件200。在电流是1毫安时，单个加热器器件的电阻是100欧。电流是1毫安时的器件200将具有55欧的电阻。在单个加热器器件和器件200中，加热器区域是576平方微米。在单个加热器器件中，加热器是单层。在器件200中，第一导电层是240平方微米并且第二导电层是336平方微米。在单个加热器器件中，有源传感器区域是192平方微米，而在器件200中，有源传感器区域是576平方微米。器件200的加热器区域与有源传感器区域的比率为100％。

图6是包括气体传感器300的本公开的替代实施例，气体传感器300具有单个加热器结构302和多个有源传感器区域308、310、312。加热器结构302包括至少两层，第一导电层304上覆盖有第二导电层306。第一导电层被第二导电层306中的开口314、316、318暴露。

每个有源传感器区域与第一导电层的通过开口314、316、318暴露的部分交叠。每个有源传感器区域的第一端320耦合到第一端子。每个有源传感器区域的第二端322耦合到地。这多个有源传感器区域可均包括放大加热器(诸如，以上图2和图3中描述的放大加热器)。以下，更详细地描述其他加热器形状和层布置，并且可将这些加热器形状和层布置装配在该气体传感器300中。

有源传感器区域308、310、312中的每个可具有不同电阻，从而可具有与电阻成正比的功率耗散。每个有源传感器区域可用相同功率源在不同特定温度下进行操作。可基于不同的操作温度来检测不同的气体。

图7是具有带有多个开口324、344的放大加热器340的本公开的替代实施例。该加热器340包括两个层，首先形成的第一导电层346和形成在第一导电层346上的第二导电层348。加热器具有增加加热器表面积的主延伸件350和辅延伸件352。

图8是具有加热器360的本公开的替代实施例，加热器360在加热器的一个层中具有多个延伸件和多个开口362、344。该加热器360包括两个层，首先形成的第一导电层366和形成在第一导电层上的第二导电层368。加热器包括第一端子端370和第二端子端372，第一端子端370和第二端子端372均精确地耦合到加热器的中心部分374。大小和形状彼此相近的第一延伸件376和第二延伸件378与中心部分交叠并且从中心部分延伸。第三延伸件380与中心部分374交叠并且从其延伸。第三延伸件的形状是正方形并且面积比个体第一延伸件376和第二延伸件378中的每个大。结合第一延伸件和第二延伸件形成开口。开口可形成在不同位置或形成为具有不同形状，如气体传感器操作条件或设计选择所指示的。

本公开中描述的实施例中的有源传感器层包括接触外部环境的化学反应表面。该化学反应表面的高灵敏度对应于大有源区域和高浓度。该化学反应表面可基于它的操作温度来检测不同的气体种类。另外，气体种类的浓度可基于气体传感器的使用而变化。例如，在办公室环境中，最多每百万分之3份的乙醇是可接受的，其在办公室环境的每百万分之0.1至10份的范围内。将该范围与范围在每百万分之5份至1,000份的用于呼吸测醉试验的乙醇进行比较。

有源传感器层是薄膜气体感测材料，具有沿着基本上笔直路径支持环境气体表面传导的结构。有源传感器层支持环境气体和致密的多晶薄膜之间的表面反应，该多晶薄膜由薄膜气体感测材料制成。在一个示例中，薄膜是厚度为100nm的氧化锡(SnO₂)。可以用作薄膜的其他气体感测材料包括氧化锌(ZnO₂)和氧化铟(In₂O₃)。薄膜可以通过溅射沉积形成，接着是在400℃的低温下进行烧结。得到的薄膜如此致密，使得它近似于陶瓷。然后可以使用薄的铂(Pt)涂层覆盖薄膜的部分或全部。薄膜气体感测材料对于周围空气中的各种气体的敏感度随着温度的变化而变化。铂涂层可以帮助将热传递到薄膜。

本公开的气体传感器可包括温度传感器结合加热器和有源传感器区域。温度传感器可与有源传感器区域形成在同一衬底上。微处理器根据编程指令来电子控制电阻加热器，这些指令可处于单独的封装中，处于同一封装体中或与有源传感器区域相同或不同的衬底上。微处理器可调节气体传感器，使其对特定气体敏感。温度传感器可以用作反馈控制器件以便针对特定气体来自动调节电阻加热器。

功率经由加热器信号线递送至电阻加热器，该加热器信号线以电压V_h驱动。每个气体传感器的温度都由电压V_h和相关联的电阻加热器154的电阻R_H来确定。气体传感器可包括多个有源传感器区域，这多个有源传感器区域在不同温度范围内操作，使得电阻R_H中的每个具有不同的值。这可通过在有源传感器区域中使用不同的感测材料来实现。例如，第一元件可包含SnO₂并且可在400℃至500℃的温度范围内操作，而第二元件150b可包含ZnO₂并且可在300℃至350℃的温度范围内操作。在一个实施例中，每个温度传感器都被配置为惠斯顿桥(Wheatstone bridge)。

VOC传感器可基于材料和操作温度来检测不同的气体。例如，当由SnO₂制成的VOC传感器被加热至100℃的操作温度时，它能够检测氢气。当SnO₂传感器被加热至300℃的操作温度时，它将检测一氧化碳(CO)，并且在400℃下，它将检测甲烷。当由ZnO₂制成的VOC传感器被加热至300℃时，它检测氧化氮(NO₂)。当由InO₂制成的VOC传感器被加热至300℃时，它将检测二氧化硫(SO₂)。可在VOC传感器中使用其他传感器材料作为SnO₂、ZnO₂和InO₂的替代或补充。

在一个实施例中，在不同时间将相同物理材料加热至不同的温度，以感测不同的气体。在一个示例中，在第一时间，将SnO₂层加热至大约200℃，以检测丁烷和丙烷。在后续时间，将这个材料加热至大约300℃，以检测CO。与该材料相邻的本地温度传感器提供反馈信号，以确保SnO₂材料处于用于感测所选择气体的所期望温度下。

图9是包括与加热器404对准的无源热板402的气体传感器400的替代实施例。气体传感器形成在包含牺牲材料408的衬底406上。该衬底可包括电介质层410，在电介质层410中形成支撑牺牲材料408的凹陷412。牺牲材料可以是聚酰亚胺，其中一些仍可保留在最终形式的气体传感器中。

电介质层414形成在牺牲材料408上并且支撑加热器404。在这个实施例中，加热器被例示为单个层；然而，可以有附加层。另一个电介质层416形成在加热器上。无源热板402形成在该电介质层416上。无源热板没有电耦合到任何其他组件，而是热结合到加热器和有源传感器区418。有源传感器层420包括有源传感器区域418，有源传感器区域418被穿过电介质层424的开口422暴露。有源传感器层420利用导电通孔428电耦合到加热器404。在从传感器400的顶表面432穿过开口(视图中未示出)的牺牲材料408中，形成腔室430。

如以上提到的，单个有源传感器区域可在不同的操作温度下检测不同的气体。不同的气体对应于不同的工作温度范围和它们工作温度范围内的峰。这些范围中的一些有重叠；然而，不同的峰(最大检测温度)是不同的温度。可通过允许传感器在多个操作温度下进行多次测量来改进气体传感器的选择性。气体传感器的工作温度范围必须小于两种气体种类的最大检测温度之间的差异。工作温度越精确，最大值检测将越精确。种类之间的选择性直接与有源传感器区域的热均一性有联系。

无源热板402增加了有源传感器区域的热均匀性。无源热板402是诸如钛钨的导电层。电介质层434将无源热板402与有源传感器层420分开。该电介质层434可以是氮化硅。

图10是形成在具有第一导电层454和第二导电层456的加热器452上方的无源热板450的替代实施例。在第二导电层456中形成开口458和460，从而增加加热器的热导率。可以有单个开口或者两个或更多个开口。电介质层462将加热器与无源热板分开。另一个电介质层464将无源热板与有源传感器层468分开。

基于热导率来选择本公开中公开的这些无源热板层的材料。钛钨具有优良的热导率并且积聚热以将它均匀地传递到有源传感器层。另外，钛钨相比于其他材料具有低热膨胀率并且不承受机械应力。相比于具有比有源传感器区域小的表面积的加热器，无源热板跟更均匀地分布热。此气体传感器包括协同工作的两个加热方法。在加热器中产生电-热的热，然后热导率加热无源热板，从而将热更均匀地传递到传感器区域。热板的表面面积大于加热器。有源传感器区域的表面面积大于加热器面积并且小于或等于热板表面面积。

通过比较单个加热器设计与加热器和热板设计，得到以下结果：当使用100欧的电阻器、7毫安的电流和4.9毫瓦的功率时，这两种设计的加热器区域都是576平方微米。对于单个加热器设计而言，有源传感器区域中的不可用面积是192平方微米，相较之下，对于热板设计而言，有源传感器区域中的不可用面积是768平方微米。对于热板设计而言，加热器面积与不可用面积之比是133％。

图11和图12是气体传感器500的顶视图和剖视图，气体传感器500包括特征(诸如，两层加热器502、无源热板508和两层加热器中的开口514、516和518)的组合。该气体传感器形成在衬底530上，在衬底上包括氧化物532。在氧化物中形成凹陷，聚酰亚胺534和腔室512形成在该凹陷中。电介质层536形成在腔室、聚酰亚胺和氧化物上方。

加热器包括第一层504和第二层506。在加热器502的第二层506中形成开口。另一个电介质层538形成在加热器上的开口中。无源热板形成在与开口对准和交叠的电介质层538上，如图11中可见的。热板的表面面积大于加热器502的有源部分540的表面面积。加热器包括与接触件544、546耦合的加热器互连件542。模具的总面积可以是0.4mm×0.4mm。

有源传感器层510形成在无源热板508上并且包括有源传感器区域550，气体在有源传感器区域550上起反应，以检测气体的种类。由接触件552、554提供进出有源传感器区域550的检测信号。

有源传感器层510通过通孔520耦合到加热器502。加热器包括三角形片段560，使电阻增大；然而，这些是基于气体传感器的操作需求可选的。

图13和图14是包括第一加热器层606、第二加热器层607、无源热板605和有源传感器区域627的气体传感器的视图。第一加热器层606形成在衬底602上，衬底602可以是半导体材料、玻璃衬底或其他合适的衬底。第二加热器层607形成在第一加热器层606的顶部上。第二加热器层可直接在第一加热器层的顶部上并且与第一加热器层接触。

第一加热器层606形成为具有弯曲端部610和笔直部分611的蛇形形状。该实施例在一侧包括四个弯曲端部，在另一侧包括三个弯曲端部。弯曲端部耦合到笔直部分中的多个。第一加热器层包括第一接触件612和第二接触件614。

第一加热器层606在包括延伸件620的中间部分中包括放大加热器区域。延伸件具有横向于两个居中设置的笔直部分延伸的尺寸。例如，第一笔直部分613包括从一侧延伸的三个延伸件和从另一侧延伸的两个延伸件。第二笔直部分615包括从一侧向着第一笔直部分延伸的单个延伸件和从另一侧延伸的三个延伸件。根据终端产品的操作限制，可用延伸件的不同组合。

第二加热器层607呈相同的蛇形形状，具有弯曲端部608和笔直部分617。两个居中设置的笔直部分包括多个开口622，按照上述的不同实施例，这些开口致使当第一加热器层被启动时热变强。第二加热器层包括接触件619、621，接触件619、621与用于第一加热器层的接触件交叠。同时，在第一加热器层和第二加热器层传输功率。在图13中，用黑色标记601示出第一加热器层和第二加热器层的组合。

无源热板层605形成在延伸件620和开口622上方。无源热板层包括在交叠部分604、626之间的开口624。被无源热板层覆盖的表面积大于第一加热器层和第二加热器层的延伸件的面积。无源热板层没有电耦合到任何其他特征。替代地，无源热板层与第一加热器层和第二加热器层热耦合。

有源传感器区域627是有源传感器层605的部分(在图13中用点彩法示出)。有源传感器层605包括接触件616、618，接触件616、618定位在衬底602的与用于第一加热器层和第二加热器层的接触件612、614的对向侧。在图13中没有用点彩例示有源传感器区域627，例示了有源传感器区域627与有源传感器层的对比。该有源传感器区域被暴露于环境，使得气体种类与该区域相互作用，以便被气体传感器检测。

这些层形成在腔室上方，在这些视图中，它们的尺寸是不可见的。在蛇形层之间定位开口603，以允许去除支撑层的牺牲材料，直到形成腔室。

气体传感器可与辅助提供准确气体读数的湿度和温度传感器一起被包括在共享封装体中。用于形成这些传感器的所有处理是小于400摄氏度的薄膜处理。存在比现有空气质量传感器更小、更准确并且更便宜的集成多种类气体微传感器。多种类气体微传感器包括含有小于0.2微米厚的保形薄膜的VOC传感器。多种类气体微处理器中的每个还包括具有低电阻温度系数的加热器。

本公开涉及包括一种器件，该器件包括：衬底；加热器，其形成在衬底上，该加热器具有第一主要部分和多个第二部分，该第一主要部分在第一方向上延伸，该多个第二部分在横向于该第一方向的第二方向上从该第一主要部分延伸。该器件包括在该加热器上方的有源传感器区域。该加热器和该有源传感器区域被电耦合且热耦合在一起。

该器件包括：第一电介质层，该第一电介质层在该衬底上，该加热器在第一电介质层上；第二电介质层，该第二电介质层在该加热器上；第三电介质层，该第三电介质层在有源传感器层和有源传感器层上，该第三电介质层包括暴露该有源传感器层的该有源传感器区域的开口。该多个第二部分包括具有第一面积的第一延伸件以及具有第二面积的第二延伸件。该第一面积大于该第二面积。另选地，该第一面积是与该第二面积基本上相同的面积。

该衬底包括形成在该衬底与该第一电介质层之间的腔室，该加热器在该腔室上方对准。该加热器包括第一层和第二层，该第一层包括开口并且该第一主要部分和该多个第二部分由该第二层形成。该第一层中的该开口的区域涵盖该第一主要部分和该多个第二部分的边界。

本公开还涉及一种器件，该器件包括：衬底；加热器，其在该衬底上，该加热器包括第一导电层以及在该第一导电层上的第二导电层，该第二导电层包括第一开口和第二开口。该器件包括在该加热器上的第一有源传感器层以及在该第一有源传感器层上的第一电介质层，该第一电介质层包括第三开口，该第三开口暴露该有源传感器层的第一有源传感器区域。

该有源传感器区域与该第二导电层中的该第一开口和该第二开口对准并且定位在该第一开口和该第二开口上方。该有源传感器层耦合到该加热器。该加热器上在第二有源传感器层，该第一有源传感器层与该第二导电层的该第一开口对准并且该第二有源传感器层与该第二导电层的该第二开口对准，该第一电介质包括第四开口，该第四开口暴露该第二有源传感器层的第二有源传感器区域。

该第一有源传感器层的第一端与该第二有源传感器层的第一端耦合在一起，并且该第一有源传感器层的第二端耦合到第一端子并且该第二有源传感器层的第二端耦合到第二端子。该第一端子和该第二端子被分别控制。

本公开还涉及一种器件，该器件包括：衬底、该衬底上的加热器、该加热器上的无源导热板、该无源导热板上的有源传感器层以及该有源传感器层上的第一电介质层，该第一电介质层包括暴露有源传感器区域的第一开口。该加热器包括在该衬底上的第一导电层以及在该第一导电层上的第二导电层，该第二导电层包括暴露该第一导电层的表面的多个第二开口。

该器件包括在该衬底中的腔室，该腔室与该有源传感器区域对准。该加热器包括第一端、第二端和中心区域，该第一端和该第二端在第一方向上具有第一尺寸，该中心区域包括在该第一方向上具有第二尺寸的多个延伸件，该第二尺寸大于该第一尺寸。该第一导电层包括第一端子、第二端子和中心区域，该中心区域在该第一端子与该第二端子之间延伸并且具有蛇形形状。该蛇形形状包括通过弯曲端耦合在一起的多个线性部分。该多个线性部分中的多个包括凸块，这些凸块从线性部分横向延伸。

第一线性部分与第二线性部分相邻，该第一线性部分包括多个第一凸块并且该第二线性部分包括多个第二凸块。第一线性部分包括在该第一线性部分第一侧上的第一凸块，并且第二线性部分包括在该第二线性部分的第一侧上的第二凸块，该第二线性部分的该第一侧面对该第一线性部分的该第一侧。这些第一凸块向着该第二线性部分延伸并且这些第二凸块向着该第一凸块延伸。这些第一凸块中的多个通过这些第二凸块中的一个彼此分隔开。该第一线性部分包括从该第一线性部分的第二侧延伸的第三凸块，并且该第二线性部分包括从该第二线性部分的第二侧延伸的第四凸块。

该第二导电层包括第一端子、第二端子和中心区域，该中心区域在该第一端子与该第二端子之间延伸并且具有蛇形形状。该第一导电层包括在该中心区域中的多个凸块。该第二导电层包括在该中心区域中的该多个第二开口。该第二开口与该多个凸块对准。该无源导热板包括多个第三开口。

该无源导热板包括：第一线性部分和第二线性部分，该第一线性部分和该第二线性部分彼此相邻并且沿着第一方向延伸；以及第三线性部分和第四线性部分，该第三线性部分和该第四线性部分彼此相邻并且沿着第二方向延伸，该第二方向横向于该第一方向。该有源传感器层包括在该有源传感器区域中的多个第三开口。

该器件包括加热器，该加热器包括多个延伸件，该无源导热板包括多个第二开口，该有源传感器层包括在该有源传感器区域中的多个第三开口。该多个延伸件与该第一开口、该多个第二开口和该多个第三开口对准。该衬底包括腔室，该多个延伸件定位在该腔室上方。

本公开包括一种方法，该方法包括通过以下方式在衬底上形成加热器：在衬底上形成第一导电层；在该第一导电层上方形成第二导电层；在该加热器上形成有源传感器层；在该有源传感器层上形成第一电介质层。该方法包括通过以下方式形成有源传感器区域：在该第一电介质层中形成第一开口并且重新暴露该有源传感器层的表面。该方法包括：在该加热器与该有源传感器层的该有源传感器区域之间形成无源导热热板。该方法包括：在该加热器中形成多个延伸件，该多个延伸件与电该介质层中的该第一开口对准。该方法包括：在该第二导电层中形成多个第二开口。

该方法包括：在该衬底中形成凹陷；在该衬底中的该凹陷中形成第二电介质；在该凹陷中的该第二电介质上形成该加热器；以及通过去除该凹陷中的该第二电介质的第一部分来形成腔室。该方法包括：形成该凹陷包括从该衬底的第一表面中去除该衬底的一部分；以及形成该第二电介质层包括在该凹陷中且在该衬底的该第一表面上方形成该第二电介质层。

可以组合上文所描述的各种实施例以提供进一步实施例。在本说明书中所提及的和/或在申请资料表中所列出的所有美国专利、美国专利申请出版物、美国专利申请、国外专利、国外专利申请和非专利出版物，都以其全文通过引用并入本文。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，在以下权利要求中，使用的术语不应理解为将权利要求书限制为本说明书和权利要求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 (26)

1.一种器件，包括：

衬底；

加热器，其形成在所述衬底上，所述加热器具有：

第一主要部分，其在第一方向上延伸；

多个第二部分，其在第二方向上从所述第一主要部分延伸，所述第二方向横向于所述第一方向；以及

有源传感器区域，其在所述加热器上方。

2.如权利要求1所述的器件，其中，所述加热器和所述有源传感器区域被耦合在一起。

3.如权利要求2所述的器件，进一步包括：

第一电介质层，其在所述衬底上，所述加热器在所述第一电介质层上；

第二电介质层，其在所述加热器上；

有源传感器层；

第三电介质层，其在所述有源传感器层上，所述第三电介质层包括开口，所述开口暴露所述有源传感器层的所述有源传感器区域。

4.如权利要求1所述的器件，其中，所述多个第二部分包括具有第一面积的第一延伸件以及具有第二面积的第二延伸件。

5.如权利要求4所述的器件，其中，所述第一面积大于所述第二面积。

6.如权利要求4所述的器件，其中，所述第一面积与所述第二面积具有基本上相同的面积。

7.如权利要求1所述的器件，其中，所述加热器包括第一层和第二层，所述第一层包括开口并且所述第一主要部分和所述多个第二部分由所述第二层形成，所述第一层中的所述开口的区域涵盖所述第一主要部分和所述多个第二部分的边界。

8.一种器件，包括：

衬底；

加热器，其在所述衬底上，所述加热器包括：

第一导电层；

第二导电层，其在所述第一导电层上，所述第二导电层包括第一开口和第二开口；

第一有源传感器层，其在所述衬底上；以及

第一电介质层，其在所述第一有源传感器层上，所述第一电介质层包括第三开口，所述第三开口暴露所述有源传感器层的第一有源传感器区域。

9.如权利要求8所述的器件，其中，所述有源传感器区域与所述第二导电层中的所述第一开口和所述第二开口对准并且定位在所述第一开口和所述第二开口上方。

10.如权利要求8所述的器件，其中，所述有源传感器层耦合到所述加热器。

11.如权利要求8所述的器件，进一步包括在所述加热器上的第二有源传感器层，所述第一有源传感器层与所述第二导电层的所述第一开口对准并且所述第二有源传感器层与所述第二导电层的所述第二开口对准，所述第一电介质包括第四开口，所述第四开口暴露所述第二有源传感器层的第二有源传感器区域。

12.如权利要求11所述的器件，其中，所述第一有源传感器层的第一端与所述第二有源传感器层的第一端耦合在一起，并且所述第一有源传感器层的第二端耦合到第一端子并且所述第二有源传感器层的第二端耦合到第二端子，所述第一端子和所述第二端子被分别控制。

13.一种器件，包括：

衬底；

加热器，其在所述衬底上；

无源导热板，其在所述加热器上；

有源传感器层，其在所述无源导热板上；以及

第一电介质层，其在所述有源传感器层上，所述第一电介质层包括第一开口，所述第一开口暴露有源传感器区域。

14.如权利要求13所述的器件，其中，所述加热器包括在所述衬底上的第一导电层以及在所述第一导电层上的第二导电层，所述第二导电层包括暴露所述第一导电层的表面的多个第二开口。

15.如权利要求14所述的器件，进一步包括所述衬底中的腔室，所述腔室与所述有源传感器区域对准。

16.如权利要求14所述的器件，其中，所述加热器包括第一端、第二端和中心区域，所述第一端和所述第二端在第一方向上具有第一尺寸，所述中心区域包括在所述第一方向上具有第二尺寸的多个延伸件，所述第二尺寸大于所述第一尺寸。

17.如权利要求14所述的器件，其中，所述第一导电层包括第一端子、第二端子和中心区域，所述中心区域在所述第一端子与所述第二端子之间延伸并且具有蛇形形状。

18.如权利要求17所述的器件，其中，所述蛇形形状包括通过弯曲端耦合在一起的多个线性部分。

19.如权利要求18所述的器件，其中，第一线性部分包括在所述第一线性部分的第一侧上的第一凸块，并且第二线性部分包括在所述第二线性部分的第一侧上的第二凸块，所述第二线性部分的所述第一侧面对所述第一线性部分的所述第一侧，所述第一凸块向着所述第二线性部分延伸并且所述第二凸块向着所述第一凸块延伸。

20.如权利要求19所述的器件，其中，所述第一凸块中的多个通过所述第二凸块中的一个彼此分隔开，所述第一线性部分包括从所述第一线性部分的第二侧延伸的第三凸块，并且所述第二线性部分包括从所述第二线性部分的第二侧延伸的第四凸块。

21.如权利要求17所述的器件，其中，所述第二导电层包括第一端子、第二端子和中心区域，所述中心区域在所述第一端子与所述第二端子之间延伸并且具有蛇形形状。

22.如权利要求21所述的器件，其中，所述第一导电层包括在所述中心区域中的多个凸块。

23.如权利要求22所述的器件，其中，所述第二导电层包括在所述中心区域中的所述多个第二开口，所述第二开口与所述多个凸块对准。

24.如权利要求23所述的器件，其中，所述无源导热板包括多个第三开口。

25.如权利要求13所述的器件，其中：

所述加热器包括多个延伸件；

所述无源导热板包括多个第二开口；

所述有源传感器层包括在所述有源传感器区域中的多个第三开口。

26.如权利要求25所述的器件，其中，所述多个延伸件与所述第一开口、所述多个第二开口和所述多个第三开口对准；所述衬底包括腔室，所述多个延伸件定位在所述腔室上方。