CN110494743B - 气体传感方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种使用化学和热感测来检测环境中的气体的系统和方法。在一个实施例中，一种方法包括将嵌入在传感器像素内的化学电阻器暴露于环境中的气体；将嵌入在传感器像素内的加热器设定为感测温度，所述感测温度大于室温；响应于将加热器设定为感测温度而测量化学电阻器的电阻；并响应于所述化学电阻器的电阻与参考电阻之间的差小于阈值，向嵌入在所述传感器像素内的加热器提供固定的功率输入，并测量所述传感器像素相对于参考温度的温度。

Description

气体传感方法及装置
相关申请的交叉引用
本申请要求于2017年4月11日提交、名称为“气体感测方法及装置”的美国非临时专利申请序列号No.15/484,864的优先权，其全部内容通过引用合并于此。
背景技术
某些气体传感器在存在气体的情况下利用化学感测材料(例如，化学电阻材料)中的物理或化学变化来确定周围环境中所述气体的浓度。但是，由于金属氧化物半导体(MOS)结构的反应限制，基于化学电阻器的气体传感器无法感测惰性气体，例如二氧化碳或氮气。因此，期望实现能够检测更多种气体的气体传感器装置。
发明内容
以下给出了本申请的一个或多个实施例的简化概述，以便提供对实施例的基本理解。此概述不是本文描述的实施例的广泛概观。它既不旨在标识实施例的关键或重要元素，也不旨在描绘实施例或权利要求的任何范围。此概述的唯一目的是以简化的形式呈现实施例的一些概念，作为稍后呈现的更详细描述的序言。还应当理解，除了在发明内容部分中所描述的实施例之外，详细描述可以包括其他或替代实施例。
在至少某些实施例中，本公开认识并解决了检测反应性以及惰性和/或其他非反应性气体的问题。公开的气体传感器除了基于化学电阻器的感测方法之外还使用热导率感测方法，以便使用单个气体感测平台感测更广泛的气体。所公开的气体传感器在同一装置中结合了化学电阻器感测和热导率感测，从而在减少气体传感器装置和/或其他相关设备的数量的同时改善了气体感测种类范围。
在本文公开的一个方面中，一种装置包括：传感器像素结构，其悬置在掺杂的半导体衬底上；加热元件，其嵌入传感器像素结构中并被配置为产生一定量的热量；第一腔室结构，其封装传感器像素结构；排气孔，其位于第一腔室结构中，所述排气孔将传感器像素结构暴露于环境；以及化学感测元件，其热耦合至加热元件。化学感测元件包括金属氧化物化合物，所述金属氧化物化合物具有基于环境中气体的浓度和化学感测元件的操作温度的电阻，并且化学感测元件的操作温度大于室温并且由热量确定。所述装置还包括温度传感器，所述温度传感器嵌入传感器像素结构中，并配置为响应于化学感测元件的操作温度提供电信号；温度参考结构悬挂在掺杂的半导体衬底上方，有别于传感器像素结构，所述温度参考结构被配置为在参考操作温度下操作，以及第二腔室结构，其封装所述温度参考结构，从而在温度参考结构和环境之间形成不可渗透的密封。
在本文公开的另一方面，一种方法包括：将嵌入在传感器像素内的化学电阻器暴露于环境中的气体中；将嵌入在传感器像素内的加热器设定为感测温度，所述感测温度大于室温；测量化学电阻器的电阻，其响应于将加热器设定为感测温度，并且响应于化学电阻器的电阻与参考电阻之间的差小于阈值；向嵌入传感器像素内的加热器提供固定的功率输入并测量传感器像素相对于参考温度的温度。
在本文公开的又一方面，一种装置包括掺杂的半导体衬底层和悬置在半导体衬底层上方的介电层。介电层包括第一温度传感器；耦合到与一组金属互连相关联的传热层的第一加热元件；第二温度传感器；以及耦合到传热层的第二加热元件。所述装置还包括沉积在介电层上的气体感测层，所述气体感测层具有沉积在第一温度传感器和第一加热元件上的第一部分以及沉积在第二温度传感器和第二加热元件上的第二部分；第一壳体结构，其封装气体感测层的第一部分，第一壳体结构具有将气体感测层的第一部分暴露于环境的排气孔；以及第二壳体结构，其封装气体感测层的第二部分，第二壳体结构在气体感测层的第二部分和环境之间形成不可渗透的密封。
下面更详细地描述其他实施例以及各种示例、场景和实现。以下描述和附图阐述了本说明书的某些说明性实施例。然而，这些实施例仅指示可以采用本说明书的原理中的各种方式中的几种。当结合附图考虑时，从本说明书的以下详细描述，所描述的实施例的其他优点和新颖特征将变得显而易见。
附图说明
图1描绘了根据本公开的一个或多个实施例的气体传感器的示例的横截面侧视图。
图2描绘了图1的示例性气体传感器的一部分的俯视图。
图3是表示图1和图2的示例性气体传感器的等效示意图。
图4是根据本公开的一个或多个实施例的用于操作多模式气体传感器的方法的流程图。
图5是根据本公开的一个或多个实施例的描绘可由图1的气体传感器利用的惠斯通电桥的示意图。
图6是根据本公开的一个或多个实施例的用于制造气体传感器的结构的方法的流程图。
图7-12描绘了根据本公开的一个或多个实施例的用于制造气体传感器的示例性方法的各个阶段。
图13是根据本公开的一个或多个实施例的用于制造气体传感器的结构的方法的另一流程图。
图14是根据本公开的一个或多个实施例的用于感测环境中的气体的方法的流程图。
具体实施方式
在至少某些实施例中，本公开认识并解决了检测反应性以及惰性和/或其他非反应性气体的问题。所公开的气体传感器除了基于化学电阻器的感测方法之外还使用热导率感测方法，以便使用单个气体感测平台感测更广泛的气体。所公开的气体传感器在同一装置中结合了化学电阻器感测和热导率感测，从而在减少气体传感器装置和/或其他相关设备的数量的同时改善了气体感测种类范围。
当与常规技术相比时，本公开的气体传感器可以使用单个传感器装置来检测多种气体，并附带本为通过使用多个传感器装置才能达成的更低的成本及复杂性等。此外，本公开的气体传感器可以被配置成在惰性气体存在下特别利用热导率感测(并且在不存在惰性气体的情况下不利用热导率感测)，这可以导致更高的效率和/或性能、较低的功耗等，例如，对于某些应用程序。
参考附图，图1描绘了根据本公开的一个或多个实施例的气体传感器100的示例的侧视截面图。如图所示，气体传感器包括在其上构建有其他元件的衬底101。在衬底101上，沉积或形成介电层102。在此，气体传感器100包括传感器像素120和温度参考结构(temperature reference structure,TRS)130。根据本文所述的各个方面，像素120被配置为感测周围环境中的气体，并且TRS130被配置为提供为了与热导率感测相关联的气体传感器100的参考温度。虽然在图1中示出了TRS 130，并且在本文的各个实施例中将其描述为单独的传感器像素，但是应当理解，TRS 130可以是适于为气体传感器100提供温度参考的任何合适的结构，并且可以在其中包括传感器像素以外或取代传感器像素的任何这种结构。像素120和TRS 130可以一起用于根据本文所述的基于化学电阻器的感测和热导率感测来检测周围环境中的气体，从而使传感器能够检测各种浓度的多种不同的气体。在一个方面，如下所述，可以在复合金属氧化物半导体(CMOS)工艺中使用微机电系统(micro-electrical-mechanical systems,MEMS)来建构气体传感器100。
如图1所示，像素120包括由化学感测材料构成的化学感测元件121，并且TRS 130包括由相似或不同的化学感测材料构成的化学感测元件131。化学感测元件121、131中使用的化学敏感材料可以是金属氧化物，包括铬、锰、镍、铜、锡、铟、钨、钛、钒、铁、锗、铌、钼、钽、镧、铈和/或钕。或者，这些材料可以是复合氧化物，包括二元、三元、四元和/或复合金属氧化物。金属氧化物气体传感器成本低并且具有生产灵活性，易于使用，并且具有大量可检测气体/可能的应用领域。因此，可以选择对某些化学物质敏感的特定应用中使用的金属氧化物。金属氧化物还可以很好地用作化学传感材料，因为它们可用于通过电导率变化以及通过测量电容、功函数、质量、光学特性或反应能的变化来检测化学变化。在一个示例中，化学感测元件121、131用作化学电阻，使得化学感测元件121、131的电阻基于与化学感测元件121、131接触的气体或其他化学物质的化学性质而改变。
邻近化学感测元件121、131处有接触电极122、132。接触电极电连接至化学感测元件121、131，并用于当目标气体的浓度发生变化时检测化学感测元件121、131中的变化。接触电极122、132可以由包括贵金属、氮化钛、多晶硅和/或钨的导电材料制成。
像素130和TRS 130还包括各自的加热元件123、133。加热元件123、133可以通过标准CMOS工艺形成以形成电阻加热元件，包括使用多晶硅、钨、氮化钛或碳化硅。在气体传感器的一个实施例中，加热元件123、133基于优化装置表面积并提高加热效率的工艺形成。在一方面，加热元件123、133可能仅在高温下足够敏感。例如，某些化学感测材料的操作温度理想情况下应高于摄氏100度，以实现足以进行可靠测量的灵敏度。而且，不同的化学感测材料可以具有不同的活化温度，并且加热元件可以用于优化给定气体的条件。
像素120和TRS 130还包括各自的温度传感器124、134，以测量像素120和TRS 130的温度并提供用于温度控制的反馈。温度传感器124、134可以由与加热元件123、133实质上相同的材料并且在实质上相同的时间形成，从而减少了处理时间和复杂度。例如，温度传感器124、134可以在相同的膜沉积工艺中与加热元件123、133一起实现。膜沉积工艺的膜可以是例如具有不同掺杂水平的多晶硅和/或金属硅化物。
在一方面，温度传感器124、134可以由具有随温度变化的电阻的材料形成。例如，以下等式说明了导电材料的电阻和温度变化之间的关系。在以下等式中，Rh/t(T)是材料在当前温度T下的电阻。R(T0)是材料在初始温度T0下的电阻，而α是材料的电阻率温度系数。
Rh/t(T)＝R(T0)[1+α(T-T0)]
如图1进一步所示，介电层102a-b与化学感测元件121、131，接触电极122、132，加热元件123、133以及温度传感器124、134相邻。介电层102a-b在加热元件123、133和化学感测元件121、131之间提供热耦合，使得由加热元件123、133提供的热量传导到化学感测元件121、131。因此，优选地，介电层102a-b至少部分由以下组成：具有给定导热率的低k介电材料。
介电层102a为像素120和TRS 130的元件提供机械支撑。在图1未示出的位置，来自芯片的主要部分的介电层102b连接到像素120和TRS 130中的介电层102a。这些连接提供机械支撑并且允许电连接到接触电极122、132，加热元件123、133和温度传感器124、134。
在一个示例中，加热元件123、133被实现为微型加热器。温度传感器124、134可用于感测各个加热元件123、133(例如，微型加热器)的温度。这样，温度传感器124、134和加热元件123、133可以实现与CMOS衬底层101分开，以改善热隔离(例如，与加热元件123、133相关联的微桥结构可以在CMOS衬底层101外部以改善热隔离)。在非限制性示例中，介电层102a-b的厚度可以大约等于10微米。然而，应当理解，介电层104可以具有不同的厚度。
如图1进一步所示，蚀刻或以其他方式去除衬底101在像素120和TRS 130下方的一部分，以创建热隔离腔103，所述热隔离腔103将像素120和TRS 130与衬底的主要部分热隔离。热隔离腔103允许化学传感器与其他装置(例如，专用集成电路(application-specificintegrated circuit,ASIC)104)在同一芯片上集成。热隔离腔103保护芯片上的其他装置免受加热元件123、133产生的热量。由于较少的热量从像素120、130散发到衬底主要部分，这继而保护其他装置免受可能的热损害，并将与加热像素120和TRS 130相关的功耗降低到操作温度。化学感测元件121、131可以具有操作温度或激活温度，在该温度或以上，化学感测元件121、131的灵敏度达到期望的阈值。
如图1中另外所示，加热元件123、133和温度传感器124、134电性和/或热耦合到各自的传热层125、135。传热层125、135可以与一组金属互连(例如，一组金属通孔)相关联。例如，传热层125、135可分别包括多组金属互连，所述多组金属互连包括铝、钨或另一种类型的金属。此外，传热层125、135可分别包括经由一组金属互连电耦合的多个金属层。在一个实施方式中，加热元件123、133，温度传感器124、134和/或传热层125、135可以悬置在介电层102a中。例如，加热元件123、133，温度传感器124、134和/或传热层125、135可以被介电层102a的电介质材料包围。这样，可以为气体传感器装置100实现面内温度均匀性和面外温度均匀性。
在一个实施例中，像素120和TRS 130通过各自的腔室或腔室结构126、136被封装。腔室126、136由不透气的材料构成，其调节和/或限制气体流入和/或/流出与像素120和/或TRS 130相关联的区域。此处，腔室结构126装有排气孔127，以使气体传感器100周围的环境中的一种或多种气体能够进入腔室126，并被像素120检测到。相反，腔室136在TRS 130与环境之间形成不可渗透的密封或屏障，从而防止了参考气体的逸出和/或减少了外部对参考温度的影响。TRS 130的各种操作原理在下面进一步详细描述。
在另一实施例中，气体传感器100包括一个或多个ASIC 104或其他合适的控制器。如图1所示，可以在介电层102b中制造ASIC 104。介电层102b和ASIC 104都可以沉积或形成在CMOS衬底层101上。ASIC 104可以机械地耦合到CMOS衬底层101。应该理解，ASIC 104可以包括一个或多个ASIC装置。
ASIC 104可以被配置为用于控制加热元件123、133的加热、评估温度和/或确定与化学感测元件121、131等相关联的化学物质的浓度。在一种实施方式中，ASIC 104可以包括集成电路配置，以向加热元件123、133供应电流(例如，使得加热元件123、133可以基于由ASIC 104供应的电流产生一定量的热量)。在一示例中，ASIC 104可以是加热器控制电路。在另一个实施方式中，ASIC 104可以包括被配置为控制加热元件123、133的操作温度的集成电路。在另一个实施方式中，ASIC 104可以包括被配置为测量与化学感测元件121、131相关联的变化(例如，通过测量化学感测元件121、131等的电阻)的集成电路。在一示例中，ASIC 104电耦合至接触电极122、132中的一个或多个。
图2是图1中的气体传感器100的像素120的俯视图。像素120包括化学感测元件121其在图2中通过虚线界定的区域描绘。接触电极122与化学感测元件121相邻。接触电极电连接至化学感测元件121，并用于随着目标气体的浓度变化而检测化学感测元件121中的变化。像素120还包括加热元件123。如图2所示，加热元件123可具有蛇形结构以增加加热元件123的表面积和加热效率。像素120还包括温度传感器124，以测量像素120的温度并提供用于温度控制的反馈。在像素120中，介电层102a与化学感测元件121、接触电极122、加热元件123和温度传感器124相邻。
如上所述，在一个实施例中，气体传感器包括嵌入悬置结构中的加热元件123、133，所述悬置结构覆盖在掺杂的半导体衬底101上。加热元件123、133被配置为产生一定量的热量以将化学感测元件122、132提升到操作温度。化学感测元件122、132热耦合至加热元件123、133。此外，像素120的化学感测元件122经由腔室126的排气孔127暴露于环境，所述腔室126包含要测量的气体。
在一个实施例中，像素120的化学感测元件122包括金属氧化物，所述金属氧化物具有基于环境中气体的浓度和化学感测元件122的操作温度的电阻。在此实施例中，化学感测元件122的操作温度大于室温，并由加热元件123产生的热量确定。在一个示例中，化学感测元件122的操作温度约为摄氏100度。
在另一个实施例中，气体传感器100包括温度传感器124、134，所述温度传感器124、134被配置为响应于各个化学感测元件122、132的温度而提供电信号。温度传感器124、134热耦合至化学感测元件122、132，从而温度传感器124、134可以确定各个化学感测元件122、132的温度。在一个示例中，温度传感器124、134包括多晶硅、钨和/或氮化钛中任何一个。
图3描绘了表示与传感器像素120相关联的电阻的示意图300。示意图300包括电阻器RGS、RH和RTS，其分别对应于化学或气体感测材料121、加热元件123和温度传感器124的等效电阻。在一个示例中，TRS 130的化学感测元件131、加热元件133和温度传感器134可以以类似的方式实现。
如示意图300所示，化学感测元件121、加热元件123和温度传感器124可以以并联电阻器配置电连接。在一方面，加热元件123是电阻加热元件。例如，加热元件123可以被实现为电阻结构，以产生一定量的热量(例如，用于化学感测元件121的一定量的热量)。
在一个方面，可以基于加热元件123、133的几何形状(例如，加热元件123、133的多晶硅的几何形状)来调节加热元件123、133的电阻。附加地或替代地，可以基于加热元件123、133的掺杂水平来调节加热元件123、133的电阻。调节加热元件123、133的电阻的其他方法也是可能的。
在另一方面，可以基于温度传感器124、134的掺杂水平来调节温度传感器124、134的电阻。另外，或者，可以基于与温度传感器124、134相关的硅化过程来调节温度传感器124、134的电阻。此外，温度传感器124、134和加热元件123、133都可以包括多晶硅。在一方面，温度传感器124、134可以与第一电阻相关联，并且加热元件123、133可以与第二电阻相关联。在另一方面，温度传感器124、134可以包括第一类型的多晶硅，并且加热元件123、133可以包括第二类型的多晶硅。例如，温度传感器124、134可以包括与第一电阻相关联的多晶硅，并且加热元件123、133可以包括与低于第一电阻的第二电阻相关联的多晶硅。这样，可以实现气体传感器装置100的面内温度均匀性的改善。在一方面，各个温度传感器124、134的第一部分(例如，温度传感器124、134的中心部分)可以包括与各个温度传感器124、134的一个或多个其他部分(例如，温度传感器124、134的外部)不同的电阻。
在一方面，在各种情况下的某些环境中可能存在潜在的有害气体。这些对环境有害的气体可能包括各种浓度的许多不同气体。例如，潜在有害的环境气体可包括但不限于一氧化二氮、硫化氢、一氧化碳、二氧化碳、挥发性有机化合物(volatile organiccompounds,VOC)等。此类气体在不同浓度下可能有害。例如，相对低浓度的例如一氧化二氮或硫化氢的气体可能有害，而相对高浓度的二氧化碳则可能有害。
化学电阻器气体传感器(例如使用金属氧化物方法的那些)可以高分辨率感测反应性(例如，还原或氧化)气体，例如硫化氢、一氧化二氮、一氧化碳和VOC，但对非反应性气体或低反应性气体通常较不敏感，例如二氧化碳或氮气。此外，热导率感测比化学电阻器感测具有更低的分辨率，但是可以检测非反应性气体，例如二氧化碳。因此，本文所述的各个方面利用具有化学电阻器和热导率感测能力的CMOS集成的气体传感器。本文描述了新颖的气体传感器和方法，其可以经由相同的气体传感器在热导率测量和化学电阻器测量之间切换，这继而可以导致气体传感器装置在更广的浓度范围内比常规的气体传感器对范围更广的气体种类敏感。
图4呈现了根据本公开的一个或多个实施例的用于操作多模式气体传感器(例如，可以根据化学感测模式和/或热感测模式进行操作的气体传感器)的示例性方法400的流程图。通过利用以下关于方法400所述的多种感测技术，可以通过单个气体传感器执行感测化学敏感气体(例如，一氧化碳、VOC，硫等)以及非化学敏感气体(例如，二氧化碳、氮气等)。为了说明的清楚，下面结合图1所示的气体传感器100描述结合方法400执行的各种动作。然而，应当理解，可以使用任何合适的气体传感器来执行方法400。
在框402处，通过闭环温度控制将加热元件123设定为恒定的感测温度TS。在一个实施例中，利用ASIC 104和/或其他集成电路来调节加热元件的温度。例如，可以将恒定的起始功率水平提供给加热元件123，并且可以基于由温度传感器124测量的加热元件123的温度和/或通过其他信息来调节此功率水平(例如，通过ASIC 104或其他控制组件)，所述其他信息可以直接或间接地从加热元件123反馈到控制部件。
在框404处，测量在化学电阻器处(例如化学感测元件121处)的电阻。如上所述，化学感测元件121被配置为响应于暴露于化学感测元件121周围的环境中的一种或多种反应性气体而具有各种化学和/或电特性。这里，化学感测元件121通过腔室结构126中的排气孔127暴露于环境中的气体，并且测量化学感测元件121的电阻(如果有的话)的最终变化。为了确保在框404执行的测量的一致性，在执行测量的同时，加热元件123继续保持在感测温度TS。
在框406处，将在框404处测量的化学电阻器的电阻与参考电阻进行比较。参考电阻可以是例如化学感测元件121在固定情况下的先前测量的电阻、恒定值等。一方面，腔室结构126的排气孔127是可控的(例如，经由通过ASIC 104等控制的MEMS系统)，从而可以在关闭排气孔127并阻止环境气体流向化学感测元件121的同时在化学感测元件121处测量参考电阻，且框404处的测量可以在打开排气孔127时进行。如果在框404处观察到参考电阻与电阻之间存在变化，例如，使得所述电阻之间的差大于阈值或公差值，则方法400进行到框408。否则，方法400进行到框410。下面描述与框408和框410相关的操作。如果有使用的话，在框406处应用的公差值可以大于或等于零。因此，如在框406处观察到的，超过特定公差的化学电阻器的电阻的任何改变都可以导致方法400分岔到框408。
在框408，利用在框406观察到的电阻变化来对环境中的气体种类进行分类并计算其浓度。这些操作可以在气体传感器100本身处发生(例如，经由ASIC 104和/或其他组件)，或者可替代地，可以将从气体传感器100收集的电阻测量值和/或其他信息传送到外部计算设备以进行进一步计算。可以基于预定义的数据来执行气体分类和浓度测量，例如，使各个电阻测量值与气体和/或气体浓度具有关联性的查找表等。而且，或替代地，可以采用机器学习和/或其他人工智能来训练气体分类和/或浓度测量。在一个示例中，基于对各个传感器注释执行的数据分析，模式识别算法可用于确定当前的气体种类。然后可以将气体种类和传感器响应数据与查找表结合使用以确定气体浓度。其他技术也是可能的。如上所述对环境气体进行分类之后，此方法接着返回到框404以执行其他的感测操作。
替代地，如果如在框406处测量的化学电阻器的电阻的变化小于给定的公差，则将气体传感器100从化学感测模式切换到热感测模式。在框410处，此过程通过停止在框402处发起的闭环温度控制并将加热元件123设定为给定的固定输入功率而开始。
接下来，在框412处，例如，通过温度传感器124来测量传感器像素120的温度。在框412处所测量的温度可以是直接温度测量值或间接测量值。例如，可以测量传感器像素120的温度与TRS 130提供的参考温度之间的差。在一方面，像素120和TRS 130被配置为惠斯通电桥，使得可以使用惠斯通电桥结构来测量像素120和TRS 130的各别温度之间的差。下面参考图5描述可以用于在框412处执行的测量的示例惠斯通电桥。
在框414处，基于在框412处获得的温度测量值来测量在气体传感器100周围的环境中的一种或多种气体的浓度。一方面，基于温度测量值在框412处执行的计算可以是以基于化学电阻器的电阻测量值并以与在框408处执行的计算相似的方式进行测量。同样，或者可替代地，一旦气体种类已经被分类，就可以基于温度传感器响应查找表在框414处来计算气体浓度。在完成与框414相关联的计算之后，方法400可以终止，返回框402以恢复化学电阻器感测或返回框412以恢复热感测。
接下来转向图5，示意图500描绘了示例性惠斯通电桥，所述惠斯通电桥可用于执行与如上所讨论的与热导率感测相关联的温度计算。示意图500中所示的惠斯通电桥设定基于对化学电阻器和温度传感器的电阻变化的检测。通过利用示意图500中所示的惠斯通电桥与气体传感器100相结合，可以在热导率测量过程中增加气体传感器100的灵敏度并且可以减小温度传感器124的漂移和/或噪声。
在一方面，电桥式加热由加热器功率VH而不是Vdd主导。电桥可以基于以下原理操作：与加热元件123相关联的材料与低电阻温度系数(temperature coefficient ofresistance,TCR)相关联，而与温度传感器124相关联的材料与较高的TCR相关联。因此，电桥的输出电压Vout将随着TRS 130使用的环境气体与参考气体之间的热导率差的相应增加而增加。
如示意图500所示，气体传感器100的两个半桥(例如像素120和TRS 130)分别包装在腔室126、136中。封装像素120的腔室126包含排气孔127，使得来自周围环境的气体可以与像素120相互作用。相对地，TRS 130充满具有已知特性的参考气体(例如氮气和/或其他惰性气体)，TRS 130的腔室136在TRS 130和周围环境之间形成不透气的密封以防止交叉污染。
由于TRS 130没有暴露于外界气体，因此温度传感器134的电阻RTS用作具有恒定温度的参考电阻Rref。另外，当二氧化碳和/或其他气体通过排气孔127进入像素120时，进入的气体将改变腔室126的总热导率。结果，像素120和腔室126的温度可基于进入像素120的气体的浓度而改变。由于温度传感器124的TCR，此温度的改变可以引起温度传感器124的电阻RTS改变，这将引起输出电压Vout的相应改变。然后，可以将所得的Vout读数用于计算环境中气体的浓度，如上文关于方法400的框414所述。
图6呈现了根据本公开的一个或多个实施例的用于制造气体传感器的示例性方法600的流程图。在框602处，在衬底上形成介电层。衬底可以包括例如半导体层(例如，硅平板或绝缘体上硅层)。加热元件、温度传感器和传热层嵌入在介电层中。温度传感器用于测量像素的温度并为温度控制提供反馈。加热元件可以通过对电阻加热元件进行标准的CMOS工艺而形成，包括使用多晶硅、钨、氮化钛或碳化硅。温度传感器可以由与加热元件相同的材料并同时形成，从而减少了处理时间和复杂度。温度传感器由其物理特性(例如电阻)随温度而变化的材料制成。也可以包括设计所需的其他装置。例如，可以包括一个或多个ASIC装置，所述ASIC装置用于控制加热(从而控制操作温度)、评估像素温度和/或根据从像素接收到的信号确定气体浓度。ASIC可以被配置为测量化学感测元件的电阻以确定环境中的气体浓度。
在框604处，在介电层上形成接触电极。接触电极电连接到化学感测材料，并用于检测随着目标气体浓度改变的化学感测材料的变化。接触电极可以由包括贵金属或氮化钛的导电材料制成。可以使用常规的CMOS加工技术来形成接触电极，常规的CMOS加工技术包括通过溅射沉积、随后的光刻图案化以及不想要的沉积材料的去除。
在框606处，将介电层蚀刻到像素下方的衬底或层。此蚀刻可以通过湿蚀刻或干蚀刻来完成，并且可以是各向同性的或各向异性的。在一实例中，蚀刻是各向异性蚀刻，例如深反应离子蚀刻。
在框608处，蚀刻像素下方的衬底或区域以从衬底或下层的主要部分释放像素。此蚀刻可以通过湿蚀刻或干蚀刻来完成，并且可以是各向同性的或各向异性的。在一实例中，蚀刻是各向同性气体或等离子体蚀刻，例如二氟化氙蚀刻或六氟化硫蚀刻。在此蚀刻步骤中，蚀刻或以其他方式去除像素下方的衬底或层的一部分以创建热隔离腔，所述热隔离腔将像素与衬底的主要部分热隔离。热隔离腔允许化学传感器与同一芯片上的其他装置(例如ASIC)集成。热隔离腔保护芯片上的其他装置免受加热元件产生的热量的影响，并减少了将像素加热到操作温度所需的功耗，因为较少的热量从像素分散到衬底的主要部分。介电层为气体传感器像素的元件提供机械支撑。在某些位置，来自芯片的主要部分的介电层连接到像素中的介电层。这种连接提供了机械支撑，并允许与接触电极、加热元件和温度传感器的电性连接。
在框610处，在接触电极上形成化学感测层。化学感测材料可以是金属氧化物，例如铬、锰、镍、铜、锡、铟、钨、钛、钒、铁、锗、铌、钼、钽、镧、铈和钕的氧化物。或者，化学感测材料可以是复合氧化物，包括二元、三元、四元和复合金属氧化物。金属氧化物气体传感器成本低并且具有生产灵活性，易于使用，并且具有大量可检测气体/可能的应用领域。因此，可以选择特定应用中使用的金属氧化物以对某些化学物质敏感。金属氧化物还可以很好地用作化学感测材料，因为它们可用于通过电导率变化以及通过测量电容、功函数、质量、光学特性或反应能的变化来检测化学变化。化学感测层可以通过诸如打印、溅射沉积、CVD或外延生长的技术形成。化学感测层的沉积可以包括根据定义的布置以金属氧化物化合物涂覆电极的图案。化学感测材料的这种沉积或打印是有优点的，因为它避免了常规光刻和掩膜的问题和成本，并且可以在像素从悬置在隔离腔上方的衬底上释放之后用于形成化学感测结构。
图7-12示出了根据本公开的一个或多个实施例的用于制造化学传感器的示例性方法的各个阶段。图7示出了具有在衬底701上形成的介电层702的常规CMOS晶圆700。衬底701可以包括例如半导体层(例如，硅平板或绝缘体上硅层)。加热元件723嵌入在介电层中。图7中的示例性实施例示出了单个加热元件723，但是实际装置可以包含设计所需的许多加热元件(以及本文所述的其他元件)。温度传感器724也嵌入在介电层702中。加热元件723可以通过标准CMOS工艺形成以用于电阻加热元件，包括使用多晶硅、钨、氮化钛或碳化硅。温度传感器724可以由与加热元件723相同的材料并同时形成，从而减少了处理时间和复杂度。温度传感器724由其物理特性(例如电阻)随温度变化的材料制成。还可包括所需设计所需的其他装置。例如，可以包括一个或多个ASIC装置704，所述ASIC装置704用于控制加热、评估像素温度和/或根据从像素接收的信号来确定化学物质的浓度。如图7进一步所示，传热或热分布层725也嵌入在介电层702中。传热层725使来自加热元件723的热更均匀地分布到装置的其他部分，包括下列关于图11所制造的化学感测层1121。在一示例中，传热层725是通过标准CMOS工艺形成的金属层。
图8示出了处理图7中的晶圆700的后续步骤。除了图7中所示的元件外，图8中的晶圆800还具有形成在介电层702上的接触电极822。接触电极822由包括例如贵金属或氮化钛的导电材料制成。可以使用常规的CMOS加工技术来形成接触电极822，所述常规的CMOS加工技术包括通过溅射沉积、随后的光刻图案化以及不想要的沉积材料的去除。
图9示出了处理图8中的晶圆800的后续步骤。除了图8所示的元件外，图9中的晶圆900在介电层中具有蚀刻部分960。蚀刻部分960被蚀刻到介电层702下方的衬底或层。此蚀刻可以通过湿蚀刻或干蚀刻来完成，并且可以是各向同性的或各向异性的。在一个优选的方法中，如图9所示，所述蚀刻是各向异性蚀刻，例如深反应离子蚀刻。
图10示出了处理图9中的晶圆900的后续步骤。除了图9中所示的元件外，图10的晶圆1000示出了在介电层702下面的衬底或区域701中形成隔离腔1003。在图10示出的步骤中，蚀刻介电层702下方的衬底或区域701以从衬底或下层701的主要部分释放像素区域下方的介电层702的一部分。此蚀刻可以通过湿蚀刻或干蚀刻来完成，它可以是各向同性或各向异性的。在一个优选的方法中，如图10所示，所述蚀刻是各向同性气体或等离子体蚀刻，例如二氟化氙蚀刻或六氟化硫蚀刻。在此蚀刻步骤中，蚀刻或以其他方式去除像素下方的衬底或层的一部分以创建热隔离腔1003，所述热隔离腔1003将像素与衬底的主要部分热隔离。热隔离腔1003允许化学传感器与同一芯片上的其他装置(例如，ASIC 704)集成。热隔离腔1003保护芯片上的其他装置免受加热元件产生的热量的可能的热损害，并减少了将像素加热至操作温度所需的功耗，因为较少的热量从像素散发到衬底主要部分。介电层702为气体传感器像素的元件提供机械支撑。在某些位置，来自芯片的主要部分的介电层702连接到像素中的介电层702。这种连接提供了机械支撑，并允许与接触电极、加热元件和温度传感器的电气连接。
除了图10中所示的元件，图11中的晶圆1100示出了在接触电极822上形成化学感测层1121。化学感测材料1121可以由金属氧化物例如铬、锰、镍、铜、锡、铟、钨、钛、钒、铁、锗、铌、钼、钽、镧、铈和钕的氧化物组成。或者，化学感测材料1121可以由包括二元、三元、四元和复合金属氧化物的复合氧化物组成。金属氧化物气体传感器成本低并且具有生产灵活性，易于使用，并且具有大量可检测气体/可能的应用领域。因此，可以选择特定应用中使用的金属氧化物以对某些化学物质敏感。金属氧化物还可以很好地用作化学传感材料，因为它们可用于通过电导率变化以及通过测量电容、功函数、质量、光学特性或反应能的变化来检测化学变化。化学感测层可以通过诸如打印、溅射沉积、CVD或外延生长的技术形成。打印化学感测材料将具有优点，因为它避免了常规光刻和掩膜的问题和成本，并且可以在像素从悬置于隔离腔上方的衬底上释放之后用于形成化学感测结构。接触电极822电连接至化学感测材料1121，并用于随着目标气体的浓度变化而检测化学感测材料中的变化。
除了图11所示的元件之外，图12中的晶圆1200示出了封装传感器像素的腔室或壳体结构1226的形成。腔室1226由不透气的材料组成，其防止腔室1226内部的气体和腔室1226外部的环境中的气体混合。腔室1226可以可选地包括排气孔1227，所述排气孔1227能够限制气体从环境流入到像素中。排气孔1227可以是固定结构或可控制的，例如使得排气孔1227可以在第一时间打开并且在第二时间关闭。
图13呈现了根据本公开的一个或多个实施例的用于制造气体传感器的另一示例性方法1300的流程图。在一方面，在各个框1302-1310处执行的操作与在图6中所示的各个框602-610处执行的操作相似。与方法600相反，在框1304处蚀刻介电层，并在框1306处蚀刻介电层之后形成接触电极。
图14呈现了根据本公开的一个或多个实施例的用于感测环境中的气体的示例性方法1400的流程图。在框1402处，将嵌入在传感器像素(例如，像素120)内的化学电阻器暴露于环境中的气体中。在框1404处，将嵌入在传感器像素内的加热器(例如，加热元件123)设定为大于室温的感测温度。在框1406处，响应于在框1404处将加热器设定为感测温度来测量化学电阻器的电阻。在框1408，响应于化学电阻器的电阻与参考电阻之间的差小于阈值的情况下，将固定的功率输入提供给加热器，并且测量传感器像素的温度相对于参考温度(例如，与TRS 130相关的参考温度)。
应当理解，本公开不限于附图中所示的化学传感器。相反，仅出于说明目的而讨论特定化学传感器。
在本说明书中，术语“或”旨在表示包括性的“或”而不是排他性的“或”。也就是说，除非另有说明或从上下文可以清楚地看出，否则“X使用A或B”是旨在表示任何自然的包容性排列。也就是说，如果X使用A；X使用B；或X使用A和B两者，则在任何前述情况下都满足“X使用A或B”。而且，除非另外说明或从上下文清楚地指向单数形式，否则在本说明书和附图中使用的冠词“一”和“一个”通常应被解释为表示“一个或多个”。
另外，术语“示例”和“诸如”在本文中被用来表示用作实例或说明。本文中描述为“示例”或结合“诸如”子句提及的任何实施例或设计不必被解释为比其他实施例或设计更优选或有优势。相反，术语“示例”或“诸如”的使用旨在以具体方式呈现概念。除非上下文另有明确说明，否则权利要求书和说明书中使用的术语“第一”、“第二”、“第三”等仅是为了清楚起见，并不一定表示或暗示任何时间顺序。
上面已经描述的内容包括本公开的一个或多个实施例的示例。当然，出于描述这些示例的目的，不可能描述组件或方法的每种可能的组合，并且可以认识到，本实施例的许多进一步的组合和排列是可能的。因此，本文公开和/或要求保护的实施例旨在涵盖落入详细描述和所附权利要求的精神和范围内的所有这样的改变、修改和变体。此外，就在详细描述或权利要求中使用术语“包括”的程度而言，这样的术语旨在以与术语“包含”相似的方式被包括在内，因为当用作权利要求中的转折语时，“包括”被解释为“包含”。

Claims (18)

1.一种用于感测气体浓度的装置，包含：
传感器像素结构，其悬置于掺杂的半导体衬底上方；
加热元件，其嵌入所述传感器像素结构中并被配置为产生一定量的热量；
第一腔室结构，封装所述传感器像素结构；
排气孔，其位于所述第一腔室结构中，所述排气孔将所述传感器像素结构暴露于环境中；
化学感测元件，其热耦合到所述加热元件，其中所述化学感测元件包含金属氧化物化合物，所述金属氧化物化合物的电阻基于环境中气体的浓度和化学感测元件的操作温度，并且其中所述化学感测元件的操作温度高于室温，并由所述热量决定；
温度传感器，其嵌入在所述传感器像素结构中，并且所述温度传感器配置为响应于所述化学感测元件的操作温度而提供电信号；
温度参考结构，其悬置于所述掺杂的半导体衬底上方并且有别于传感器像素结构，所述温度参考结构被配置为在参考操作温度下操作；
第二腔室结构，其封装所述温度参考结构，所述第二腔室结构在所述温度参考结构和环境之间形成不可渗透的密封；和
控制器，所述控制器机械地耦合到所述半导体衬底并且被配置为将所述装置置于选自经由化学感测来感测所述气体浓度的化学传感器模式和经由热导率感测来感测所述气体浓度的热传感器模式所组成的组的操作模式中。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述温度传感器包含多晶硅。
3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述加热元件包含多晶硅。
4.根据权利要求1所述的装置，还包含集成电路，所述集成电路被配置为向所述加热元件供应电流以产生热量。
5.根据权利要求4所述的装置，其中，所述集成电路还被配置为控制所述化学感测元件的操作温度。
6.根据权利要求4所述的装置，其中，所述集成电路还被配置为测量所述化学感测元件的电阻。
7.根据权利要求1所述的装置，其中，所述控制器还被配置为响应于所述化学感测元件所测得的电阻在基本电阻的阈值之内，将所述装置置于所述热传感器模式。
8.根据权利要求1所述的装置，其中，所述温度传感器还被配置为响应于所述控制器将所述装置置于所述热传感器模式中，而响应于所述化学感测元件的操作温度与所述参考操作温度之间的差来提供电信号。
9.根据权利要求1所述的装置，其中，所述温度参考结构包含：
第二加热元件，其嵌入所述温度参考结构；
第二温度传感器，其嵌入所述温度参考结构；
参考气体，其封闭在所述第二腔室结构内；和
第二化学感测元件，其与所述第二加热元件热耦合，其中所述第二化学感测元件包含金属氧化物化合物，所述金属氧化物化合物的电阻基于参考气体的浓度，使得通过所述第二温度传感器测量的所述第二化学感测元件的操作温度实质上等于所述参考操作温度。
10.一种用于感测气体浓度的方法，包含：
将嵌入在悬置于掺杂的半导体衬底上方的传感器像素中的化学电阻器暴露于环境中的气体中；
将嵌入在所述传感器像素中并且热耦合到所述化学电阻器的加热器设定为感测温度，所述感测温度大于室温；
响应于将所述加热器设定为感测温度而测量化学电阻器的电阻；和
响应于所述化学电阻器的电阻和基本电阻之间的差小于阈值，将固定功率输入提供给嵌入在所述传感器像素中的加热器，并测量所述传感器像素相对于参考温度的温度。
11.根据权利要求10所述的方法，还包含基于所述化学电阻器的电阻对所述环境中的气体的种类进行分类。
12.根据权利要求10所述的方法，还包含基于所述化学电阻器的电阻对所述环境中的气体的浓度进行分类。
13.如权利要求10所述的方法，还包含：
响应于嵌入在所述传感器像素中的温度传感器的电阻与参考电阻之间的差小于阈值，将所述传感器像素和温度参考结构置于惠斯通电桥构造中；和
响应于将所述传感器像素和所述温度参考结构置于惠斯通电桥配置中，将固定的功率输入提供给嵌入在所述传感器像素中的加热器和嵌入在所述温度参考结构中的第二加热器。
14.根据权利要求13所述的方法，还包含基于所述传感器像素的温度相对于所述温度参考结构的温度来分类所述环境中的气体浓度。
15.根据权利要求10所述的方法，进一步包含经由闭环温度控制将嵌入在所述传感器像素中的加热器设定为所述感测温度。
16.一种用于感测气体浓度的装置，包含：
掺杂的半导体衬底层；
介电层，悬置在所述半导体衬底层上方，所述介电层包含第一温度传感器、耦合到与一组金属互连相关联的传热层的第一加热元件、第二温度传感器和耦合到所述传热层的第二加热元件；
气体感测层，沉积在所述介电层上，所述气体感测层具有沉积在所述第一温度传感器和所述第一加热元件上的第一部分以及沉积在所述第二温度传感器和所述第二加热元件上的第二部分；
第一壳体结构，封装所述气体感测层的第一部分，所述第一壳体结构具有将所述气体感测层的第一部分暴露于环境的通风口；
第二壳体结构，封装所述气体感测层的第二部分，所述第二壳体结构在所述气体感测层的第二部分和环境之间形成不可渗透的密封；和
控制器，所述控制器嵌入在所述介电层中并且被配置为将所述装置置于选自经由化学感测来感测所述气体浓度的化学传感器模式和经由热导率感测来感测所述气体浓度的热传感器模式所组成的组的操作模式中。
17.根据权利要求16所述的装置，其中，所述介电层包含多晶硅。
18.根据权利要求16所述的装置，其中，所述控制器还被配置为响应于所述气体感测层的第一部分的测量的电阻在基本电阻的阈值之内，将所述装置置于所述热传感器模式。
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