CN108362740B - 一种金属氧化物半导体气体传感器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种金属氧化物半导体气体传感器及其制作方法，包括：由下往上依次层叠的微热盘、绝缘隔离层和敏感电极，以及覆盖在敏感电极上方的气体敏感材料，敏感电极位于微热盘表面的绝缘隔离层上方，包括：第一敏感电极、第二敏感电极和悬置敏感电极，悬置敏感电极位于第一敏感电极和第二敏感电极之间。本发明提供的一种金属氧化物半导体气体传感器，通过在两敏感电极之间引入悬置敏感电极，改善了电场强度分布、微热盘发热区的温度分布、气体传感器的灵敏度和气体传感器长期稳定性，该气体传感器可以长时间承受较高的工作电压，工作可靠性显著提高，适用于产品进一步小型化。

Description

一种金属氧化物半导体气体传感器及其制作方法

技术领域

本发明涉及气体传感器技术领域，尤其涉及一种金属氧化物半导体气体传感器及其制作方法。

背景技术

近年来，人们对生存其间的环境越来越关注，空气的监测范围也从温度、湿度，逐渐扩展到颗粒物、有害气体浓度检测。金属氧化物气体传感器因其寿命长、成本低、应用电路简单而得到了广泛应用，MEMS(微电子系统)金属氧化物气体传感器进一步降低了产品功耗，产品尺寸小，非常适合便携式应用，产品灵敏度高，使得人们随时随地监控所处环境的空气质量成为可能。目前，金属氧化物半导体气体传感器敏感电极普遍采用叉指电极结构，气体敏感材料沉积于叉指电极上方，但随着产品尺寸的持续缩小，敏感材料的厚度受材料粒径限制难以按照比例微缩，叉指电极的间隙缩小到一定程度后，局部电场强度很高，也难以再进一步缩小。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种金属氧化物半导体气体传感器及其制作方法。

如图1和图2所示，现有技术方案制造的一种常见敏感电极为叉指电极结构的气体传感器，微热盘1表面覆盖绝缘隔离层2，敏感电极3设于绝缘隔离层2上，由第一敏感电极31和第二敏感电极32组成，第一敏感电极31和第二敏感电极32的敏感端呈叉指电极结构，位于微热盘加热区域，气体敏感材料4覆盖在敏感电极3的敏感端上方。当气体传感器工作时，电流由第一敏感电极31流出(或流入)，由第二敏感电极32流入(或流出)。当两个敏感电极对应的叉指电极间隙太小时，正常工作电压下，第一敏感电极31与第二敏感电极32之间电场强度很大，气体敏感材料长期在强电场下工作后电导率和灵敏度容易发生变异；当叉指电极间隙太大时，叉指数量很少或简化为平行电极结构，微热盘1温度分布均匀性变差，同时叉指电极分布造成温度应力不均匀，从而造成气体传感器性能劣化，且正常工作电压下电场强度太小，测量容易受到干扰；如果采用太高、太低的测量电压或间歇式测量方式，又会造成应用电路设计的复杂度增加。在气体传感器持续微型化时，仅通过调整叉指电极间隙尺寸难以同时满足设计需求。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种金属氧化物半导体气体传感器，包括：由下往上依次层叠的微热盘、绝缘隔离层和敏感电极，以及覆盖在所述敏感电极的上方的气体敏感材料，所述敏感电极位于微热盘表面的绝缘隔离层上方，其特征在于，所述敏感电极包括：第一敏感电极、第二敏感电极和悬置敏感电极。

所述悬置敏感电极位于所述第一敏感电极和第二敏感电极之间。

本发明的有益效果是：本发明提供的一种金属氧化物半导体气体传感器，通过在两敏感电极之间引入悬置敏感电极，改善了电场强度分布、微热盘发热区的温度分布、气体传感器的灵敏度和气体传感器长期稳定性，该气体传感器可以长时间承受较高的工作电压，工作可靠性显著提高，适用于产品进一步小型化。具体的，改善了电场强度分布、微热盘发热区的温度分布，避免了两个敏感电极之间因电场强度太大而造成敏感材料稳定性变差，电场强度太小而造成测试结果容易受到外界干扰，以及微热盘温度不均匀造成器件性能劣化；另外，悬置敏感电极具有催化作用和电流放大效应，可以改善气体传感器的灵敏度，同时具有电流导通方向的优化作用，可以改善气体传感器长期稳定性。因此，该气体传感器可以长时间承受较高的工作电压，改善了产品灵敏度和长期稳定性，工作可靠性显著提高，适用于产品进一步小型化。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进：

进一步，所述第一敏感电极和第二敏感电极构成叉指电极结构。

本发明的进一步有益效果是：两个敏感电极构成叉指电极结构，在该叉指电极结构中间设置悬置敏感电极，可以大大改善叉指电极结构的温度分布的均匀性，提高传感器的寿命。

进一步，所述第一敏感电极和第二敏感电极构成平行电极结构。

本发明的进一步有益效果是：第一敏感电极和第二敏感电极构成平行电极结构，在该平行电极结构中间设置悬置敏感电极，可以大大改善微热盘发热区域温度分布的均匀性，提高传感器的寿命。

进一步，所述悬置敏感电极的沿电场方向的尺寸为1～20um。

本发明的进一步有益效果是：悬置敏感电极的沿电场方向的尺寸为1～20um，可以有效的改善敏感电极间的电场分布。因此，该气体传感器可以长时间承受较高的工作电压，工作可靠性显著提高。

进一步，所述悬置敏感电极有多个。

本发明的进一步有益效果是：悬置敏感电极设置多个，可以进一步的有效的改善微热盘发热区的温度分布、气体传感器的灵敏度和气体传感器长期稳定性。因此，工作可靠性显著提高。

进一步，多个所述悬置敏感电极在所述第一敏感电极和第二敏感电极之间均匀等距排列。

本发明的进一步有益效果是：多个悬置敏感电极在第一敏感电极和第二敏感电极之间均匀等距周期性的排列，可以进一步的有效的改善敏感电极处的温度分布、气体传感器的灵敏度和气体传感器长期稳定性。因此，该气体传感器可以长时间承受较高的工作电压，工作可靠性显著提高。

进一步，所述第一敏感电极、第二敏感电极和悬置敏感电极的材料选自铂、金和铱中的一种。

本发明的进一步有益效果是：悬置敏感电极采用贵金属材料，具有催化作用，可以进一步改善气体传感器的灵敏度。

为了解决本发明的技术问题，还提供了一种前述金属氧化物半导体气体传感器的制作方法，包括：

步骤1、制作所述微热盘；

步骤2、在所述微热盘的表面沉积所述绝缘隔离层；

步骤3、在所述绝缘隔离层的表面沉积所述敏感电极，其中，所述敏感电极的敏感端位于所述微热盘的加热区域对应的表面处，所述敏感电极包括：第一敏感电极、第二敏感电极和悬置敏感电极，所述悬置敏感电极位于所述第一敏感电极和第二敏感电极之间；

步骤4、在所述敏感电极的上方沉积所述气体敏感材料。

本发明的有益效果是：本发明提供的一种金属氧化物半导体气体传感器的制作方法，通过在两敏感电极之间设置悬置敏感电极，改善了电场强度分布、微热盘发热区的温度分布，避免了两个敏感电极之间因电场强度太大而造成敏感材料稳定性变差，电场强度太小而造成测试结果容易受到外界干扰，以及微热盘温度不均匀造成器件性能劣化；另外，悬置敏感电极具有催化作用和电流放大效应，可以改善气体传感器的灵敏度，同时具有电流导通方向的优化作用，可以改善气体传感器长期稳定性。因此，该气体传感器可以长时间承受较高的工作电压，改善了产品灵敏度和长期稳定性，工作可靠性显著提高，适用于产品进一步小型化，工艺简单，方便快捷，成本低。

附图说明

图1为现有技术中的金属氧化物半导体气体传感器的结构俯视示意图；

图2为图1对应的沿A-A方向的剖面示意图；

图3为本发明实施例一提供的一种金属氧化物半导体气体传感器的结构俯视示意图；

图4为本发明实施例二提供的一种金属氧化物半导体气体传感器的结构俯视示意图。

附图中，各标号所代表的部位列表如下：

1、微热盘，11、衬底，111、温度隔离腔体，12、绝缘支撑层，121、温度隔离悬膜，13、电阻加热层，131、加热区域，2、绝缘隔离层，3、敏感电极，31、第一敏感电极，32、第二敏感电极，33、悬置敏感电极，4、气体敏感材料。

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。

实施例一

一种金属氧化物半导体气体传感器，如图3所示，包括：由下往上依次层叠的微热盘1、绝缘隔离层2和敏感电极3，敏感电极3的上方覆盖有气体敏感材料4(位于如虚线圆形所示的区域，也为微热盘的加热区域131)，敏感电极3的敏感端位于在微热盘1的加热区域131对应的绝缘隔离层2处，其中，敏感电极3由第一敏感电极31、第二敏感电极32、悬置敏感电极33组成，悬置敏感电极33位于第一敏感电极31和第二敏感电极32之间。

需要说明的是，第一敏感电极3和第二敏感电极32间隔的设置，敏感电极3的敏感端为敏感电极3位于加热区域131且上部覆盖有气体敏感材料4的一端。由于敏感电极3的敏感端在微热盘1的加热区域131对应的绝缘隔离层2处，敏感电极包括第一敏感电极和第二敏感电极，因此，这两个电极的敏感端位于加热区域131对应的绝缘隔离层2处，第一敏感电极31和第二敏感电极32在加热区域131处间隔排列，具体的，在该种金属氧化物半导体气体传感器的制作过程中，可将第一敏感电极31和第二敏感电极32按照预设距离间隔排列。

本实施例提供的一种金属氧化物半导体气体传感器，通过在两敏感电极之间引入悬置敏感电极，改善了电场强度分布、微热盘发热区的温度分布，避免了两个敏感电极之间因电场强度太大而造成敏感材料稳定性变差，电场强度太小而造成测试结果容易受到外界干扰，以及微热盘温度不均匀造成器件性能劣化，另外，悬置敏感电极具有催化作用和电流放大效应，可以改善气体传感器的灵敏度，同时具有电流导通方向的优化作用，可以改善气体传感器长期稳定性。因此，该气体传感器可以长时间承受较高的工作电压，改善了产品灵敏度和长期稳定性，工作可靠性显著提高，适用于产品进一步小型化。

如图3所示，第一敏感电极31和第二敏感电极32敏感端呈叉指电极结构，悬置敏感电极33由均匀分布于叉指电极缝隙的22个5um直径的圆形电极组成。敏感电极材料为金属Pt。

悬置敏感电极的沿电场方向的尺寸为1～20um，可以有效的改善敏感电极间的电场分布。因此，该气体传感器可以长时间承受较高的工作电压，工作可靠性显著提高。

另外，悬置敏感电极有多个，可以进一步的有效的改善微热盘发热区的温度分布、气体传感器的灵敏度和气体传感器长期稳定性。因此，工作可靠性显著提高。

多个悬置敏感电极在第一敏感电极和第二敏感电极之间均匀等距排列。

多个悬置敏感电极在第一敏感电极和第二敏感电极之间均匀等距周期性的排列，可以进一步的有效的改善敏感电极处的温度分布、气体传感器的灵敏度和气体传感器长期稳定性。因此，该气体传感器可以长时间承受较高的工作电压，工作可靠性显著提高。

优选的，悬置敏感电极、第一敏感电极和第二敏感电极的材料分别独立的选自：铂、金、铱等贵金属中的一种。

悬置敏感电极采用贵金属材料(包括：铂Pt、金Au、铱Ir)，具有催化作用，可以进一步改善气体传感器的灵敏度。

一种前述金属氧化物气体传感器的制作方法，包括以下步骤：

步骤1、在单晶硅衬底11上LPCVD沉积SiN，形成绝缘支撑层12；

步骤2、在绝缘支撑层12上Lift off沉积Pt，形成电阻加热层13；

步骤3、在上述表面LPCVD沉积SiN，形成绝缘隔离层2；

步骤4、在绝缘隔离层2上Lift off沉积敏感电极3，形成第一敏感电极32、第二敏感电极32、悬置敏感电极33；

步骤5、光刻开电阻加热层引线键合区；

步骤6、释放悬膜，形成温度隔离腔体111结构；

步骤7、沉积金属氧化物气体敏感材料4。

本实施例提供的一种金属氧化物半导体气体传感器的制作方法，通过在两敏感电极之间设置悬置敏感电极，改善了电场强度分布、微热盘发热区的温度分布，避免了两个敏感电极之间因电场强度太大而造成敏感材料稳定性变差，电场强度太小而造成测试结果容易受到外界干扰，以及微热盘温度不均匀造成器件性能劣化。另外，悬置敏感电极具有催化作用和电流放大效应，可以改善气体传感器的灵敏度，同时具有电流导通方向的优化作用，可以改善气体传感器长期稳定性。因此，该气体传感器可以长时间承受较高的工作电压，改善了产品灵敏度和长期稳定性，工作可靠性显著提高，适用于产品进一步小型化，工艺简单，方便快捷，成本低。

实施例二

一种金属氧化物半导体气体传感器，如图4所示，包括：由下往上依次层叠的微热盘1、绝缘隔离层2和敏感电极3，敏感电极3的上方覆盖有气体敏感材料4(位于如虚线圆形所示的区域，也为微热盘的加热区域131)，敏感电极3的敏感端位于在微热盘1的加热区域131对应的绝缘隔离层2处，其中，敏感电极3由第一敏感电极31、第二敏感电极32、悬置敏感电极33组成，悬置敏感电极33位于第一敏感电极31和第二敏感电极32之间。

本实施例提供的一种金属氧化物半导体气体传感器，通过在两敏感电极之间引入悬置敏感电极，改善了电场强度分布、微热盘发热区的温度分布，避免了两个敏感电极之间因电场强度太大而造成敏感材料稳定性变差，电场强度太小而造成测试结果容易受到外界干扰，以及微热盘温度不均匀造成器件性能劣化，另外，悬置敏感电极具有催化作用和电流放大效应，可以改善气体传感器的灵敏度，同时具有电流导通方向的优化作用，可以改善气体传感器长期稳定性。因此，该气体传感器可以长时间承受较高的工作电压，改善了产品灵敏度和长期稳定性，工作可靠性显著提高，适用于产品进一步小型化。

如图4所示，第一敏感电极31和第二敏感电极32敏感端呈平行电极结构，悬置敏感电极33由均匀分布于平行电极缝隙的50个8um外径的三叉电极组成。敏感电极材料为金属Pt。

优选的，悬置敏感电极的沿电场方向的尺寸为1～20um。

悬置敏感电极的沿电场方向的尺寸为1～20um，可以有效的改善敏感电极间的电场分布。因此，该气体传感器可以长时间承受较高的工作电压，工作可靠性显著提高。

优选的，如图4所示，悬置敏感电极有多个。

悬置敏感电极设置多个，可以进一步的有效的改善微热盘发热区的温度分布、气体传感器的灵敏度和气体传感器长期稳定性。因此，工作可靠性显著提高。

优选的，如图4所示，多个悬置敏感电极在第一敏感电极和第二敏感电极之间均匀等距排列。

多个悬置敏感电极在第一敏感电极和第二敏感电极之间均匀等距周期性的排列，可以进一步的有效的改善敏感电极处的温度分布、气体传感器的灵敏度和气体传感器长期稳定性。因此，该气体传感器可以长时间承受较高的工作电压，工作可靠性显著提高。

优选的，悬置敏感电极、第一敏感电极和第二敏感电极的材料分别独立的选自：铂、金、铱中的一种。

悬置敏感电极采用贵金属材料(包括：铂Pt、金Au、铱Ir)，具有催化作用，可以进一步改善气体传感器的灵敏度。

一种前述金属氧化物气体传感器的制作方法，包括以下步骤：

步骤1、在单晶硅衬底11上LPCVD沉积SiN，形成绝缘支撑层12；

步骤2、在绝缘支撑层12上Lift off沉积Pt，形成电阻加热层13；

步骤3、在上述表面LPCVD沉积SiN，形成绝缘隔离层2；

步骤4、在绝缘隔离层2上Lift off沉积敏感电极3，形成第一敏感电极32、第二敏感电极32、悬置敏感电极33；

步骤5、光刻开电阻加热层引线键合区；

步骤6、释放悬膜，形成温度隔离腔体111结构；

步骤7、沉积金属氧化物气体敏感材料4。

本实施例提供的一种金属氧化物半导体气体传感器的制作方法，通过在两敏感电极之间设置悬置敏感电极，改善了电场强度分布、微热盘发热区的温度分布，避免了两个敏感电极之间因电场强度太大而造成敏感材料稳定性变差，电场强度太小而造成测试结果容易受到外界干扰，以及微热盘温度不均匀造成器件性能劣化。另外，悬置敏感电极具有催化作用和电流放大效应，可以改善气体传感器的灵敏度，同时具有电流导通方向的优化作用，可以改善气体传感器长期稳定性。因此，该气体传感器可以长时间承受较高的工作电压，改善了产品灵敏度和长期稳定性，工作可靠性显著提高，适用于产品进一步小型化，工艺简单，方便快捷，成本低。

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 (5)

1.一种金属氧化物半导体气体传感器，包括：由下往上依次层叠的微热盘（1）、绝缘隔离层（2）和敏感电极（3），以及覆盖在所述敏感电极（3）的上方的气体敏感材料（4），所述敏感电极（3）位于微热盘（1）表面的绝缘隔离层（2）上方，其特征在于，所述敏感电极（3）包括：第一敏感电极（31）、第二敏感电极（32）和悬置敏感电极（33）；

所述悬置敏感电极（33）位于所述第一敏感电极（31）和第二敏感电极（32）之间；所述第一敏感电极（31）和第二敏感电极（32）构成叉指电极结构或平行电极结构；所述悬置敏感电极（33）由均匀分布于叉指电极缝隙或均匀分布于平行电极缝隙的多个电极组成。

2.根据权利要求1所述的一种金属氧化物半导体气体传感器，其特征在于，所述悬置敏感电极（33）的沿电场方向的尺寸为1~20μm。

3.根据权利要求1所述的一种金属氧化物半导体气体传感器，其特征在于，多个所述悬置敏感电极（33）在所述第一敏感电极（31）和第二敏感电极（32）之间均匀等距排列。

4.根据权利要求3所述的一种金属氧化物半导体气体传感器，其特征在于，所述第一敏感电极（31）、第二敏感电极（32）和悬置敏感电极（33）的材料选自铂、金和铱中的一种。

5.一种如权利要求1至4任一项所述的金属氧化物半导体气体传感器的制作方法，其特征在于，包括：

步骤1、制作所述微热盘；

步骤2、在所述微热盘的表面沉积所述绝缘隔离层；

步骤3、在所述绝缘隔离层的表面沉积所述敏感电极，其中，所述敏感电极的敏感端位于所述微热盘的加热区域对应的表面处，所述敏感电极包括：第一敏感电极、第二敏感电极和悬置敏感电极，所述悬置敏感电极位于所述第一敏感电极和第二敏感电极之间；

步骤4、在所述敏感电极的上方沉积所述气体敏感材料。

Images