CN108732212B - 一种多效应检测集成气体传感器制造方法的制造方法、传感器及其应用 - Google Patents
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Abstract
一种多效应检测集成气体传感器制造方法的制造方法、传感器及其应用，属于传感器技术领域。技术要点：利用薄膜工艺在基底上制作芯片电极，利用微加工技术制造带有隔热槽的芯片基板，利用微滴涂工艺涂布敏感材料和载体材料，烧结处理，催化剂涂布，引线焊接封帽。实现了对气体的检测限的拓宽，同时，利用半导体式气体传感器检测下限较低，当半导体传感器检测到微量气体时，催化气体传感器可认为被测气体浓度接近零，实现对催化式气体传感器的“零点”校准，利用半导体式气体传感器上限具有饱和区特点来实现对催化式气体传感器特定浓度下的校准，从而提高了集成传感器芯片的智能化水平，提高了芯片使用可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及一种气体传感器的制造方法、传感器及其应用，具体涉及一种多效应检测集成气体传感器制造方法的制造方法、传感器及其应用，属于传感器技术领域。
背景技术
易燃易爆气体检测技术是传感器技术专业里重要的分支，其涉及检测方法和检测机理很多，其中应用量大面广且成本低廉的应属半导体式气体传感器，其次在工业领域应用较多的应属线性较好且精度较高的催化式气体传感器。
半导体式气体传感器使用时存在以下问题:①零点和灵敏度漂移较大；②检测上限较低，在1％被检测气体浓度左右会达到检测饱和区；③难以对被测气体定量检测，一般情况下用以定性检测，因此，半导体式气体传感器多用于报警使用。催化式气体传感器存在以下问题：①催化式传感器标校期较短(国标规定一般工业环境用催化式气体传感器标校期6个月)，催化式传感器在检测气体时都不同程度地消耗催化剂的性能，造成催化式传感器的检测灵敏度持续下降，为保障检测精度需要定期调校；②催化式传感器输出零点只能靠实验室标校调整，不能实现在线校准零点。③催化式传感器检测下限阈值较高，被检测气体浓度较低时很难检测得到，给应用带来问题。
发明内容
在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。
鉴于此，本发明提供了一种多效应检测集成气体传感器制造方法的制造方法、传感器及其应用。解决了半导体式传感器和催化式传感器存在以下问题：①半导体式传感器检测上限较低，无法实现超过0.8％甲烷以上气体浓度检测；②催化式传感器检测下限无法降到0.05％甲烷以下，无法实现较低浓度气体检测；③催化式气体传感器无法在线自调校。
方案一：本发明提供了一种多效应检测集成气体传感器制造方法的制造方法，具体步骤为：
a、利用平面薄膜工艺技术，在敏感基底上分别制作半导体敏感单元的金属加热电极和信号电极，以及催化敏感单元及催化补偿单元的金属加热信号电极；
b、利用微加工技术，将敏感基底加工成带有镂空隔热槽的芯片基板；
c、利用微滴涂工艺技术，将半导体敏感材料和催化载体材料分别涂布在各敏感单元上；
d、放置在烧结炉中烧结处理；
e、利用微滴涂工艺技术，将催化剂涂布在催化敏感单元的一个敏感桥臂的载体上；
f、放置在烧结炉中热处理，制作好集成气体传感器芯片；
g、利用焊接技术，将敏感芯片电极用金属引线引出到专用管座上，封上带有通气孔的专用管帽，完成气体传感器的制作。
进一步地：所述步骤a中，使用的敏感基底可以是单晶硅、多晶硅、碳化硅，也可以是三氧化二铝、石英、高温玻璃。
进一步地：所述步骤c中，半导体敏感材料可以是二氧化锡、三氧化二铁、氧化铟、三氧化钨材料，催化载体材料可以是纳米级三氧化二铝材料，也可是二氧化锆、二氧化钛、二氧化锡、氧化镁材料。
进一步地：所述步骤a中，加热电极材料可以是高纯铂材料，也可是镍铬合金、铂钨合金材料；信号电极材料可以是高纯铂材料，也可是高纯金、镍铬合金、铂钨合金材料；加热信号电极材料为高纯铂材料。
进一步地：所述步骤d中，烧结温度为600～700℃。
进一步地：所述步骤f中，烧结温度为500～600℃。
进一步地：所述步骤a中，半导体敏感单元、催化补偿单元及催化敏感单元由左至右顺次排布；所述步骤b中，隔热槽分为第一隔热槽2和第二隔热槽，两个第一隔热槽分列在敏感基座两侧；半导体敏感单元与催化补偿单元之间以及催化补偿单元与催化敏感单元之间均设置有一个第二隔热槽。
进一步地：所述步骤a中，催化补偿单元、半导体敏感单元及催化敏感单元由左至右顺次排布；所述步骤b中，隔热槽分为第一隔热槽和第二隔热槽，两个第一隔热槽分列在敏感基座两侧；催化补偿单元与半导体敏感单元之间以及半导体敏感单元与催化敏感单元之间均设置有一个第二隔热槽。
方案二：本发明提供了一种多效应检测集成气体传感器，其依托方案一所述一种多效应检测集成气体传感器制造方法制得的。
方案三：本发明提供了一种多效应检测集成气体传感器在易燃易爆性气体检测中的应用。如：氢气、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷等易燃易爆气体；汽油、煤油等易蒸发有机油类；酒精、丙酮等易挥发有机溶剂等。检测范围覆盖含量十万分之几到爆炸下限较宽区域，能满足采煤、石油、化工等领域的使用要求。
有益效果：
本发明可以实现半导体式气体传感器芯片与催化式气体传感器芯片有机集成，实现对气体的检测限的拓宽；同时，由于半导体式气体传感器检测下限较低，利用催化式气体传感器检测最低限远高于半导体式气体传感器检测下限，当半导体传感器检测到微量气体时，催化气体传感器可认为被测气体浓度接近零，这时可对催化式气体传感器的“零点”校准，利用半导体式气体传感器上限具有饱和区特点来实现对催化式气体传感器特定浓度下的校准，因而提高了集成传感器芯片的智能化水平，大大提高了集成气体传感器的使用可靠性。
附图说明
图1是多效应检测集成气体传感器制造方法制作工艺流程图；
图2是集成气体传感器芯片第一种结构示意图；
图3是集成气体传感器芯片第二种结构示意图。
图中：敏感基底1、第一隔热槽2、半导体敏感单元信号电极焊盘3、信号电极4、半导体敏感材料5、半导体敏感单元加热电极6、第二隔热槽7、催化补偿单元加热信号电极焊盘8、金属加热信号电极9、催化载体材料10、催化敏感单元加热信号电极焊盘12、催化元件敏感单元载体材料13、半导体敏感单元15、催化补偿单元16、催化敏感单元17。
具体实施方式
在下文中将结合附图对本发明的示范性实施例进行描述。为了清楚和简明起见，在说明书中并未描述实际实施方式的所有特征。然而，应该了解，在开发任何这种实际实施例的过程中必须做出很多特定于实施方式的决定，以便实现开发人员的具体目标，例如，符合与系统及业务相关的那些限制条件，并且这些限制条件可能会随着实施方式的不同而有所改变。此外，还应该了解，虽然开发工作有可能是非常复杂和费时的，但对得益于本发明公开内容的本领域技术人员来说，这种开发工作仅仅是例行的任务。
在此，还需要说明的一点是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的装置结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
实施例1提供了一种多效应检测集成气体传感器制造方法。
参照图1，表示集成气体传感器芯片制备工艺流程图，该流程概括起来有以下工艺步骤组成：在基底上制作电极-微加工芯片基板-微滴涂敏感材料-微滴涂载体材料-烧结处理-催化剂涂布-烧结处理-焊引线-封装，各工步之间的制造方法可以根据具体要求进行组合。
本实施例中方法具体包括以下的步骤：
a、利用平面薄膜工艺技术，在敏感基底单晶硅上分别制作半导体式敏感单元的金属铂加热电极和信号电极，以及催化式敏感单元的金属铂加热信号电极；
b、利用单晶硅的干法及湿法微加工技术，将单晶硅基底加工成带有镂空隔热槽的芯片基板；
c、利用微滴涂工艺技术，将半导体敏感材料纳米级二氧化锡浆料和催化载体材料纳米级三氧化二铝浆料分别涂布在各敏感单元上；
d、放置在烧结炉中烧结处理600-700℃；
e、利用微滴涂工艺技术，将催化剂钯盐溶液涂布在催化敏感单元的一个敏感桥臂的载体上；
f、放置在烧结炉中500-600℃热处理，制作好集成气体传感器芯片；
g、利用烧结焊接技术，将敏感芯片电极用金属铂引线引出到专用8脚管座的引线柱上，封上带有通气孔的粉末冶金铜专用管帽，完成气体传感器的制作。
实施例2提供了另一种多效应检测集成气体传感器制造方法，具体为：
a、利用平面薄膜工艺技术，在敏感基底三氧化二铝上分别制作半导体式敏感单元的金属铂加热电极和信号电极，以及催化式敏感单元的金属铂加热信号电极；
b、利用三氧化二铝的湿法微加工技术，将三氧化二铝基底加工成带有镂空隔热槽的芯片基板；
c、利用微滴涂工艺技术，将半导体敏感材料纳米级三氧化二铁浆料和催化载体材料纳米级三氧化二铝浆料分别涂布在各敏感单元上；
d、放置在烧结炉中烧结处理600-700℃；
e、利用微滴涂工艺技术，将催化剂铂钯盐溶液涂布在催化敏感单元的一个敏感桥臂的载体上；
f、放置在烧结炉中500-600℃热处理，制作好集成气体传感器芯片；
g、利用烧结焊接技术，将敏感芯片电极用金属金引线引出到专用8脚管座的引线柱上，封上带有通气孔的不锈钢粉末冶金专用管帽，完成气体传感器的制作。
实施例3提供了一种多效应检测集成气体传感器，其依托实施例1或2所述一种多效应检测集成气体传感器制造方法制得的。参见图2和图3。
实施例4提供了一种多效应检测集成气体传感器制造方法在易燃易爆性气体检测中的应用。如：氢气、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷等易燃易爆气体；汽油、煤油等易蒸发有机油类；酒精、丙酮等易挥发有机溶剂等。检测范围覆盖含量十万分之几到爆炸下限较宽区域，能满足采煤、石油、化工等领域的使用要求。
工作原理：附图2和附图3所示，半导体敏感单元15可检测易燃易爆甲烷气体浓度范围0.001％至0.8％；附图2催化补偿单元16和催化敏感单元17构成催化检测单元，可检测易燃易爆甲烷气体浓度范围0.1％至4％，半导体敏感单元15可检测易燃易爆甲烷气体浓度范围0.001％至0.8％，由半导体敏感单元和催化敏感单元构成的集成气体传感器芯片可检测易燃易爆气体浓度范围0.001％至4％，拓宽了检测范围。同时，由于半导体式气体传感器检测下限较低，利用催化式气体传感器检测最低限远高于半导体式气体传感器检测下限，当半导体传感器检测到微量气体时，催化气体传感器可认为被测气体浓度接近零，这时可对催化式气体传感器的“零点”校准，利用半导体式气体传感器上限具有饱和区特点来实现对催化式气体传感器特定浓度下的校准，因而提高了集成传感器芯片的智能化水平。
虽然本发明所揭示的实施方式如上，但其内容只是为了便于理解本发明的技术方案而采用的实施方式，并非用于限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭示的核心技术方案的前提下，可以在实施的形式和细节上做任何修改与变化，但本发明所限定的保护范围，仍须以所附的权利要求书限定的范围为准。
Claims (8)
1.一种多效应检测集成气体传感器制造方法，其特征在于，具体步骤为：
a、利用平面薄膜工艺技术，在敏感基底上分别制作半导体敏感单元的金属加热电极和信号电极，以及催化敏感单元及催化补偿单元的金属加热信号电极；
b、利用微加工技术，将敏感基底加工成带有镂空隔热槽的芯片基板；
c、利用微滴涂工艺技术，将半导体敏感材料和催化载体材料分别涂布在各敏感单元上；
d、放置在烧结炉中烧结处理；
e、利用微滴涂工艺技术，将催化剂涂布在催化敏感单元的一个敏感桥臂的载体上；
f、放置在烧结炉中热处理，制作好集成气体传感器芯片；
g、利用焊接技术，将敏感芯片电极用金属引线引出到专用管座上，封上带有通气孔的专用管帽，完成气体传感器的制作；
所述步骤a中，使用的敏感基底是单晶硅、多晶硅、碳化硅、三氧化二铝、石英或高温玻璃；
所述步骤c中，半导体敏感材料是二氧化锡、三氧化二铁、氧化铟或三氧化钨材料，催化载体材料是纳米级三氧化二铝材料、二氧化锆、二氧化钛、二氧化锡或氧化镁材料。
2.根据权利要求1所述的一种多效应检测集成气体传感器制造方法，其特征在于，所述步骤a中，加热电极材料是高纯铂材料、镍铬合金或铂钨合金材料；信号电极材料是高纯铂材料、高纯金、镍铬合金或铂钨合金材料；加热信号电极材料为高纯铂材料。
3.根据权利要求1所述的一种多效应检测集成气体传感器制造方法，其特征在于，所述步骤d中，烧结温度为600～700℃。
4.根据权利要求1所述的一种多效应检测集成气体传感器制造方法，其特征在于，所述步骤f中，烧结温度为500～600℃。
5.根据权利要求1所述的一种多效应检测集成气体传感器制造方法，其特征在于，所述步骤a中，半导体敏感单元、催化补偿单元及催化敏感单元由左至右顺次排布；所述步骤b中，隔热槽分为第一隔热槽和第二隔热槽，两个第一隔热槽分列在敏感基座两侧；半导体敏感单元与催化补偿单元之间以及催化补偿单元与催化敏感单元之间均设置有一个第二隔热槽。
6.根据权利要求1所述的一种多效应检测集成气体传感器制造方法，其特征在于，所述步骤a中，催化补偿单元、半导体敏感单元及催化敏感单元由左至右顺次排布；所述步骤b中，隔热槽分为第一隔热槽和第二隔热槽，两个第一隔热槽分列在敏感基座两侧；催化补偿单元与半导体敏感单元之间以及半导体敏感单元与催化敏感单元之间均设置有一个第二隔热槽。
7.基于权利要求1-6任一所述的一种多效应检测集成气体传感器制造方法制得的多效应检测集成气体传感器。
8.基于权利要求7所述的多效应检测集成气体传感器制造方法在易燃易爆性气体检测中的应用。
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