CN108195885A - 一种硅衬底集成气体传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种硅衬底集成气体传感器，其在硅衬底中集成气体传感器，包括在硅衬底中包括半导体器件区以及气体传感区，在所述气体传感区中具有通过刻蚀形成的开槽，所述开槽的底部和侧壁形成一绝缘层，所述开槽的形状为正方形，所述开槽底部正方形的一边的绝缘层中设置一长条形金属电极，所述开槽的侧壁的绝缘层中设置竖直排列的金属细电极，在所述开槽底部的绝缘层上设置阵列气体传感器，阵列气体传感器包括多个阵列排布的传感位点，解决了目前气体传感器与硅基半导体芯片集成的问题，使气体传感器小型化，实现在硅基芯片中直接集成气体传感功能，使气体传感器的应用扩大并通过与材料研究的配合提高性能。
Description
技术领域
本发明属于气体传感器技术领域，尤其涉及一种硅衬底集成气体传感器。
背景技术
自从上世纪30年代气体敏感元件问世，至今已有七十多年的历史，其种类已经达到了数百个。目前，气体敏感元件涉及人类生产生活的多个方面，在能源与资源开发、环境监控、国防、航天等领域都得到了广泛应用，其中尤其以气体类别、浓度检测领域的应用最为广泛。传统气体类别、浓度检测依赖的传感器往往存在着尺寸大、精度低、响应速度慢的缺点，无法满足现在工业要求的微型化、集成化的要求。且当今市场上常用的热式气体类别、浓度传感器，往往只能检测单一方向的气体类别、浓度，无法完成二维方向气体类别、浓度的检测。随着工业领域中，气体类别、浓度检测对多方向、高精度、快响应趋势的发展，迫切需要设计一种能够有效测量二维方向气体类别、浓度的传感器来弥补现阶段市场产品的不足。
上个世纪末，微系统技术革命逐渐兴起。功能结构的微纳米化能够带来能源与原材料的节省，并导致多功能的高度集成和生产成本的大大降低，为各项领域和技术提供了新的发展契机和研究思路，将MEMS技术应用于气体类别、浓度传感器制造已成为越来越瞩目的应用领域之一。
目前气体传感器都是单独形成，并且形成额外的独立器件用于各个场合，随着器件制作工艺的发展，这种方式已经无法满足小型化的要求，同时，研究人员已经验证了纳米尺寸材料在气体传感器中应用的可行性，并且能够起到较好的效果，因此如果能够通过结构改进，实现气体传感器与半导体芯片制造集成，就能够使气体传感器的应用进一步扩大，并通过与材料研究的配合，实现气体传感器的小型化及性能提高。
发明内容
为了解决目前气体传感器与硅基半导体芯片集成的问题，使气体传感器小型化，实现在硅基芯片中直接集成气体传感功能，使气体传感器的应用扩大并通过与材料研究的配合提高性能，本发明提供了一种硅衬底集成气体传感器，其在硅衬底中集成气体传感器，包括在硅衬底中包括半导体器件区以及气体传感区，在所述气体传感区中具有通过刻蚀形成的开槽，所述开槽的底部和侧壁形成一绝缘层，所述开槽的形状为正方形，所述开槽底部正方形的一边的绝缘层中设置一长条形金属电极，所述开槽的侧壁的绝缘层中设置竖直排列的金属细电极，在所述开槽底部的绝缘层上设置阵列气体传感器，阵列气体传感器包括多个阵列排布的传感位点，所述开槽、绝缘层、金属电极、金属细电极以及阵列排布的传感位点的制造步骤采用硅基半导体器件制造工艺中的方法步骤。
进一步地，所述长条形金属电极作为阵列气体传感器的公共电极，所述阵列气体传感器的传感位点连接至公共电极以及分别连接至金属细电极，气体传感器的传感位点共用一个公共电极可以简化制造步骤。
进一步地，所述阵列气体传感器的每个气体传感位点中采用相同的气体敏感材料，采用相同材料的目的是通过处理器分别获取每个传感位点的数据，并进行横向对比防止某一个传感位点的异常，从而整体保证气体传感的稳定性。
进一步地，所述阵列气体传感器的传感位点为m行n列阵列，其中m≥2，n大于等于3，对于阵列气体传感器，可以将阵列划分为不同的区域，在一个区域中采用相同材料，而不同区域之间采用不同材料，从而实现对不同气体传感，同时还能够防止某一个传感位点异常导致的误报警。
进一步地，所述硅衬底中的开槽厚度大于硅衬底厚度的2/3。
进一步地，所述开槽的正方形边长的尺寸大于所述开槽厚度的10倍以上。
进一步地，所述气体传感区上还设置封装牺牲层，所述封装牺牲层相对于阵列气体传感器各个组成以及半导体封装材料具有高去除选择比。
进一步地，所述硅衬底通过封装材料封装后，在封装材料中形成连接外部与封装牺牲层的通孔，封装完成后通过液体去除封装牺牲层，所述通孔用于气体传感器上部空间与外界气体交互的通道。
本发明的有益效果是：本发明提供了一种硅衬底集成气体传感器，其在硅衬底中集成气体传感器，包括在硅衬底中包括半导体器件区以及气体传感区，在所述气体传感区中具有通过刻蚀形成的开槽，所述开槽的底部和侧壁形成一绝缘层，所述开槽的形状为正方形，所述开槽底部正方形的一边的绝缘层中设置一长条形金属电极，所述开槽的侧壁的绝缘层中设置竖直排列的金属细电极，在所述开槽底部的绝缘层上设置阵列气体传感器，阵列气体传感器包括多个阵列排布的传感位点，解决了目前气体传感器与硅基半导体芯片集成的问题，使气体传感器小型化，实现在硅基芯片中直接集成气体传感功能，使气体传感器的应用扩大并通过与材料研究的配合提高性能。
附图说明
图1是本发明硅衬底集成气体传感器的示意图；
图2是本发明硅衬底集成气体传感器的俯视示意图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
下面将结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
参见图1，图1是本发明硅衬底集成气体传感器的示意图，图2是本发明硅衬底集成气体传感器的俯视示意图，本发明提供了一种硅衬底集成气体传感器，其在硅衬底1中集成气体传感器，包括在硅衬底1中包括半导体器件区以及气体传感区，在所述气体传感区中具有通过刻蚀形成的开槽2，所述开槽2的底部和侧壁形成一绝缘层3，所述开槽2的形状为正方形，所述开槽2底部正方形的一边的绝缘层3中设置一长条形金属电极4，所述开槽2的侧壁的绝缘层3中设置竖直排列的金属细电极5，在所述开槽2底部的绝缘层3上设置阵列气体传感器6，阵列气体传感器6包括多个阵列排布的传感位点，所述开槽2、绝缘层3、金属电极、金属细电极5以及阵列排布的传感位点的制造步骤采用硅基半导体器件制造工艺中的方法步骤。
进一步地，所述长条形金属电极4作为阵列气体传感器6的公共电极，所述阵列气体传感器6的传感位点连接至公共电极以及分别连接至金属细电极5，气体传感器的传感位点共用一个公共电极可以简化制造步骤。
进一步地，所述阵列气体传感器6的每个气体传感位点中采用相同的气体敏感材料，采用相同材料的目的是通过处理器分别获取每个传感位点的数据，并进行横向对比防止某一个传感位点的异常，从而整体保证气体传感的稳定性。
进一步地，所述阵列气体传感器6的传感位点为m行n列阵列，其中m≥2，n大于等于3，对于阵列气体传感器6，可以将阵列划分为不同的区域，在一个区域中采用相同材料，而不同区域之间采用不同材料，从而实现对不同气体传感，同时还能够防止某一个传感位点异常导致的误报警。
进一步地，所述硅衬底1中的开槽2厚度大于硅衬底1厚度的2/3。
进一步地，所述开槽2的正方形边长的尺寸大于所述开槽2厚度的10倍以上。
进一步地，所述气体传感区上还设置封装牺牲层，所述封装牺牲层相对于阵列气体传感器6各个组成以及半导体封装材料具有高去除选择比。
进一步地，所述硅衬底1通过封装材料封装后，在封装材料中形成连接外部与封装牺牲层的通孔，封装完成后通过液体去除封装牺牲层，所述通孔用于气体传感器上部空间与外界气体交互的通道。
本发明提供了一种硅衬底集成气体传感器，其在硅衬底中集成气体传感器，包括在硅衬底中包括半导体器件区以及气体传感区，在所述气体传感区中具有通过刻蚀形成的开槽，所述开槽的底部和侧壁形成一绝缘层，所述开槽的形状为正方形，所述开槽底部正方形的一边的绝缘层中设置一长条形金属电极，所述开槽的侧壁的绝缘层中设置竖直排列的金属细电极，在所述开槽底部的绝缘层上设置阵列气体传感器，阵列气体传感器包括多个阵列排布的传感位点，解决了目前气体传感器与硅基半导体芯片集成的问题，使气体传感器小型化，实现在硅基芯片中直接集成气体传感功能，使气体传感器的应用扩大并通过与材料研究的配合提高性能。
附图中描述关系的用于仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种硅衬底集成气体传感器，其在硅衬底中集成气体传感器，其特征在于，包括在硅衬底中包括半导体器件区以及气体传感区，在所述气体传感区中具有通过刻蚀形成的开槽，所述开槽的底部和侧壁形成一绝缘层，所述开槽的形状为正方形，所述开槽底部正方形的一边的绝缘层中设置一长条形金属电极，所述开槽的侧壁的绝缘层中设置竖直排列的金属细电极，在所述开槽底部的绝缘层上设置阵列气体传感器，阵列气体传感器包括多个阵列排布的传感位点，所述开槽、绝缘层、金属电极、金属细电极以及阵列排布的传感位点的制造步骤采用硅基半导体器件制造工艺中的方法步骤。
2.根据权利要求1所述的硅衬底集成气体传感器，其特征在于，所述长条形金属电极作为阵列气体传感器的公共电极，所述阵列气体传感器的传感位点连接至公共电极以及分别连接至金属细电极。
3.根据权利要求1或2所述的硅衬底集成气体传感器，其特征在于，所述阵列气体传感器的每个气体传感位点中采用相同的气体敏感材料。
4.根据权利要求3所述的硅衬底集成气体传感器，其特征在于，所述阵列气体传感器的传感位点为m行n列阵列，其中m≥2，n大于等于3。
5.根据权利要求1所述的硅衬底集成气体传感器，其特征在于，所述硅衬底中的开槽厚度大于硅衬底厚度的2/3。
6.根据权利要求5所述的硅衬底集成气体传感器，其特征在于，所述开槽的正方形边长的尺寸大于所述开槽厚度的10倍以上。
7.根据权利要求1所述的硅衬底集成气体传感器，其特征在于，所述气体传感区上还设置封装牺牲层，所述封装牺牲层相对于阵列气体传感器各个组成以及半导体封装材料具有高去除选择比。
8.根据权利要求7所述的硅衬底集成气体传感器，其特征在于，所述硅衬底通过封装材料封装后，在封装材料中形成连接外部与封装牺牲层的通孔，封装完成后通过液体去除封装牺牲层，所述通孔用于气体传感器上部空间与外界气体交互的通道。
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