CN110794007A - 一种气体传感器结构及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种气体传感器结构及其制造方法，该结构包括硅片衬底上形成待测气体感测器件、标准气体感测器件、处理单元和输出单元；待测气体感测器件包括第一加热器、第一微通道和第一热敏电阻探测单元，标准气体感测器件包括第二加热器、第二微通道和第二热敏电阻探测单元；第一和第二微通道成对设置，第一和第二加热器分别设置在第一和第二微通道的入口内，第一和第二热敏电阻探测单元分别设置在第一和第二微通道的出口内，第一微通道用于通入待测气体，第二微通道用于通入标准气体。该方法包括在衬底上沉积牺牲层，制造加热器和探测单元，在牺牲层内刻蚀除形成沟槽，用隔热层材料填充并将整个结构覆盖，最后通过结构两侧将其释放形成器件结构。

Description

一种气体传感器结构及其制造方法

技术领域

本发明涉及集成电路的制造领域，具体涉及一种气体传感器结构及其制造方法。

背景技术

气体传感器为一种将某种气体体积分数转化成对应电信号的转换器。现有技术中的传统气体传感器一般使用金属氧化物对气体进行吸附，或者利用电化学方法(电解质吸附气体后电导变化)，来实现对气体的检测，并且，探测头通过气体样品种类选择性比较大，尤其是包括滤除杂质和干扰气体，对后续的数据处理过程形成不确定性。此外，上述这些气体感测方法，往往存在成本高、体积大等问题，无法满足低成本、小型化等市场需求。

因此，如何满足上述市场需求，已成为业界对气体传感器产品设计的一个重要考量因素。

发明内容

本发明的目的在于提供一种气体传感器结构及其制造方法，为实现上述目的，其技术方案如下：

一种气体传感器结构，其包括硅片衬底上形成的待测气体感测器件、标准气体感测器件、处理单元和输出单元；所述待测气体感测器件包括第一加热器、第一微通道和第一热敏电阻探测单元，所述标准气体感测器件包括第二加热器、第二微通道和第二热敏电阻探测单元；所述第一微通道和第二微通道成对设置，所述第一加热器和第二加热器分别设置在所述第一微通道和第二微通道的入口内，所述第一热敏电阻探测单元和第二热敏电阻探测单元分别设置在所述第一微通道和第二微通道的出口内，所述第一微通道用于通入待测气体，所述第二微通道用于通入标准气体；

在使用时，所述待测气体和标准气体同时进入所述第一微通道和第二微通道，所述待测气体和标准气体分别被所述第一加热器和第二加热器加热后，通过所述第一微通道和第二微通道传到所述热敏电阻探测单元处；所述第一热敏电阻探测单元和第二热敏电阻探测单元分别感测所述待测气体和标准气体的温度，通过所述处理单元对所述待测气体和标准气体的温度差异进行匹配性比对，对所述待测气体及其浓度进行识别和判断，并将识别结果由所述输出单元输出。

进一步，所述第一微通道和第二微通道在所述硅片衬底上以上下叠层架构设置，或者，所述第一微通道和第二微通道在所述硅片衬底平面内以对称架构设置。

进一步，所述第一加热器和第二加热器为多层电阻架构，以对所述待测气体和标准气体进行均匀加热。

进一步，所述多层电阻架构中的每一层形状为蛇形或脉冲型。

进一步，所述第一加热器和第二加热器的材料为与CMOS工艺兼容的TiN、TaN、Ta或W。

进一步，所述第一微通道和第二微通道周围设置有隔热层。

进一步，所述第一热敏电阻探测单元和第二热敏电阻探测单元为多层结构，以均匀探测气体温度。

进一步，所述第一热敏电阻探测单元和第二热敏电阻探测单元的材料包括掺杂非晶硅、氧化钒或Pt。

进一步，所述第一热敏电阻探测单元和第二热敏电阻探测单元通过微桥结构与所述硅片衬底进行热隔离。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种气体传感器结构的制造方法，其包括如下步骤：

步骤S1：在硅片衬底上沉积一隔热层和一牺牲层，分别在述硅片衬底上形成第一微通道和第二微通道的第一层区域、第一加热器和第二加热器的第一层区域、以及第一热敏电阻探测单元和第二热敏电阻探测单元的第一层区域；其中，所述第一微通道和第二微通道成对设置，所述第一加热器和第二加热器分别设置在所述第一微通道和第二微通道的入口内，所述第一热敏电阻探测单元和第二热敏电阻探测单元分别设置在所述第一微通道和第二微通道的出口内，所述第一微通道用于通入待测气体，所述第二微通道用于通入标准气体；

步骤S2：再在沉积一层牺牲层，分别在所述硅片衬底上形成所述第一微通道和第二微通道的第二层区域、所述第一加热器和第二加热器的第二层区域、以及所述第一热敏电阻探测单元和第二热敏电阻探测单元的第二层区域，以此类推，最终形成所述第一微通道和第二微通道、所述第一加热器和第二加热器、以及所述第一热敏电阻探测单元和第二热敏电阻探测单元的多层结构；

步骤S3：在所述牺牲层内刻蚀深沟槽，并在深沟槽内填充隔热材料以形成隔热层，所述隔热层填充沟槽内部，并覆盖沟槽外牺牲层表面区域，除了所述第一微通道和第二微通道的进气口和出气口；

步骤S4：通过所述第一微通道和第二微通道的进气口和出气口进行释放，形成所述气体传感器结构。

从上述技术方案可以看出，本发明提供的气体传感器及其制造防方法，通过与CMOS工艺兼容的方案，在硅片上形成加热器、微通道和热敏电阻探测器件，同时设置有隔热层。另外，为了增强信号读取的灵敏度，将上述结构制作成对称结构，当待测气体通入该器件时，同时将标准气体通入对称结构中，保证气体流量一致的情况下，由于气体热导率不同，经加热器传导到热敏探测器端所引起的温度不同，热敏电阻在该温度下的阻值不同，利用处理单元(例如，积分电路)，将上述信号放大，并对比之前存储的标注数据，从而得到对气体的分辨和识别。

附图说明

图1所示为本发明实施例中待测气体感测器件和标准气体感测器件位置关系(对称)示意图

图2所示为本发明实施例中待测气体感测器件和标准气体感测器件位置关系(层叠)示意图

图3所示为本发明实施例中处理单元的电路示意图

图4所示为本发明实施例中微通道、加热器和热敏电阻探测单元的剖面结构示意图

图5所示为本发明实施例中微通道、加热器和热敏电阻探测单元的剖面结构示意图

具体实施方式

下面结合附图1-4，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

本发明提供了一种与CMOS工艺兼容的气体传感器，在硅片上形成加热器、微通道和热敏电阻探测单元，同时设置有隔热层。具体地，该气体传感器可以包括硅片衬底上形成待测气体感测器件、标准气体感测器件、处理单元和输出单元。所述待测气体感测器件包括第一加热器、第一微通道和第一热敏电阻探测单元，标准气体感测器件包括第二加热器、第二微通道和第二热敏电阻探测单元。

在本发明的实施例中，第一微通道和第二微通道是成对设置的。即当待测气体通入该气体传感器的第一微通道时，同时将标准气体通入对称结构的该气体传感器的第二微通道，以确保气体流量一致的情况。

为了增强信号读取的灵敏度，将第一微通道和第二微通道制作成对称结构，较佳地，第一微通道和第二微通道在所述硅片衬底上以上下叠层架构设置(如图2所示)，该架构可以保证通道长度等器件匹配更佳；或者，第一微通道和第二微通道在所述硅片衬底平面内以对称架构设置(如图1所示)，该架构可以实现更佳均匀的图形密度，以及更佳优化的器件图形匹配设计，从而提升其匹配性。需要说明的是，为叙述方便起见，该待测气体感测器件中的元件均以“第一XX”命名，该标准气体感测器件中的元件均以“第二XX”命名。

请参阅图1，图1所示为本发明实施例中待测气体感测器件和标准气体感测器件位置关系(对称)示意图。如图所示，待测气体感测器件位于上部通道，标准气体感测器件位于下部通道。具体地，第一微通道和第二微通道在硅片衬底平面内以对称架构设置的。第一加热器和第二加热器分别设置在所述第一微通道和第二微通道的入口内，第一热敏电阻探测单元和第二热敏电阻探测单元分别设置在所述第一微通道和第二微通道的出口内，第一微通道用于通入待测气体，第二微通道用于通入标准气体。

具体地，其工作原理如下：

在使用时，待测气体和标准气体同时进入第一微通道和第二微通道，待测气体和标准气体分别被第一加热器和第二加热器加热后，通过第一微通道和第二微通道传到热敏电阻探测单元处；第一热敏电阻探测单元和第二热敏电阻探测单元分别感测待测气体和标准气体的温度，由于热导不同，最终在第一热敏电阻探测单元和第二热敏电阻探测单元感应端得到的温度不同，通过处理单元对待测气体和标准气体的温度差异进行匹配性比对，对待测气体及其浓度进行识别和判断，并将识别结果由输出单元输出。

请参阅图3，图3所示为本发明实施例中处理单元的电路示意图。如图所示，该电路包括第一热敏电阻探测单元(待测气体对应的温敏电阻)、第二热敏电阻探测单元(标准气体对应的温敏电阻)、积分放大器、用于控制测试待测气体启动的MOS晶体管和用于控制测试标准气体启动的MOS晶体管。通常，用于控制测试待测气体启动的MOS晶体管和用于控制测试标准气体启动的MOS晶体管通过控制同时启动测试过程。

请参阅图4，图4所示为本发明实施例中微通道、多层加热器和热敏电阻探测单元的剖面结构示意图。如图所示，微通道(包括第一微通道和第二微通道)周围四边可以设置有隔热层，以避免过多的热量被散失掉。加热器(包括第一加热器和第二加热器)为可以多层电阻架构，以对所述待测气体和标准气体进行均匀加热。所述多层电阻架构中的每一层形状为蛇形或脉冲型等类似结构。第一加热器和第二加热器的材料可以为与CMOS工艺兼容的TiN、TaN、Ta或W。并且，多层热敏电阻探测单元(包括第一热敏电阻探测单元和第二热敏电阻探测单元)也可以为多层结构，以均匀探测气体温度。

在本发明的较佳实施例中，第一热敏电阻探测单元和第二热敏电阻探测单元可以通过微桥结构与所述硅片衬底进行热隔离。

请参阅图5，图5所示为本发明实施例中多层结构的微通道、加热器和热敏电阻探测单元形成过程示意图。如图所示，图中最左端的是微通道的形成过程，中间是多层结构加热器的形成过程，最右端的是热敏电阻探测单元的形成过程。

具体地，本发明气体传感器结构的制造方法，其包括如下步骤：

步骤S1：硅片衬底上沉积一隔热层和一牺牲层，分别在硅片衬底上形成所述第一微通道和第二微通道的第一层区域、所述第一加热器和第二加热器的第一层区域、以及所述第一热敏电阻探测单元和第二热敏电阻探测单元的第一层区域；其中，第一微通道和第二微通道成对设置，第一加热器和第二加热器分别设置在第一微通道和第二微通道的入口内，第一热敏电阻探测单元和第二热敏电阻探测单元分别设置在第一微通道和第二微通道的出口内，第一微通道用于通入待测气体，第二微通道用于通入标准气体；

步骤S2：再在沉积一层牺牲层，分别在所述硅片衬底上形成第一微通道和第二微通道的第二层区域、第一加热器和第二加热器的第二层区域、以及所述第一热敏电阻探测单元和第二热敏电阻探测单元的第二层区域，以此类推，最终形成第一微通道和第二微通道、第一加热器和第二加热器、以及第一热敏电阻探测单元和第二热敏电阻探测单元的多层结构；

步骤S3：在牺牲层内刻蚀深沟槽，并在深沟槽内填充隔热材料以形成隔热层，所述隔热层填充沟槽内部，并覆盖沟槽外牺牲层表面区域除了第一微通道和第二微通道的进气口和出气口；

步骤S4：通过第一微通道和第二微通道的进气口和出气口进行释放，形成气体传感器结构。

以上所述的仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用以限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种气体传感器结构，其特征在于，包括硅片衬底上形成的待测气体感测器件、标准气体感测器件、处理单元和输出单元；所述待测气体感测器件包括第一加热器、第一微通道和第一热敏电阻探测单元，所述标准气体感测器件包括第二加热器、第二微通道和第二热敏电阻探测单元；所述第一微通道和第二微通道成对设置，所述第一加热器和第二加热器分别设置在所述第一微通道和第二微通道的入口内，所述第一热敏电阻探测单元和第二热敏电阻探测单元分别设置在所述第一微通道和第二微通道的出口内，所述第一微通道用于通入待测气体，所述第二微通道用于通入标准气体；

在使用时，所述待测气体和标准气体同时进入所述第一微通道和第二微通道，所述待测气体和标准气体分别被所述第一加热器和第二加热器加热后，通过所述第一微通道和第二微通道传到所述热敏电阻探测单元处；所述第一热敏电阻探测单元和第二热敏电阻探测单元分别感测所述待测气体和标准气体的温度，通过所述处理单元对所述待测气体和标准气体的温度差异进行匹配性比对，对所述待测气体及其浓度进行识别和判断，并将识别结果由所述输出单元输出。

2.根据权利要求1所述的气体传感器结构，其特征在于，所述第一微通道和第二微通道在所述硅片衬底上以上下叠层架构设置，或者，所述第一微通道和第二微通道在所述硅片衬底平面内以对称架构设置。

3.根据权利要求1所述的气体传感器结构，其特征在于，所述第一加热器和第二加热器为多层电阻架构，以对所述待测气体和标准气体进行均匀加热。

4.根据权利要求3所述的气体传感器结构，其特征在于，所述多层电阻架构中的每一层形状为蛇形或脉冲型。

5.根据权利要求4所述的气体传感器结构，其特征在于，所述第一加热器和第二加热器的材料包括TiN、TaN、Ta或W。

6.根据权利要求1所述的气体传感器结构，其特征在于，所述第一微通道和第二微通道周围设置有隔热层。

7.根据权利要求1所述的气体传感器结构，其特征在于，所述第一热敏电阻探测单元和第二热敏电阻探测单元为多层结构，以均匀探测气体温度。

8.根据权利要求7所述的气体传感器结构，其特征在于，所述第一热敏电阻探测单元和第二热敏电阻探测单元的材料包括掺杂非晶硅、氧化钒或Pt。

9.根据权利要求1所述的气体传感器结构，其特征在于，所述第一热敏电阻探测单元和第二热敏电阻探测单元通过微桥结构与所述硅片衬底进行热隔离。

10.一种气体传感器结构的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1：在硅片衬底上沉积一隔热层和一牺牲层，分别在硅片衬底上形成第一微通道和第二微通道的第一层区域、第一加热器和第二加热器的第一层区域、以及第一热敏电阻探测单元和第二热敏电阻探测单元的第一层区域；其中，所述第一微通道和第二微通道成对设置，所述第一加热器和第二加热器分别设置在所述第一微通道和第二微通道的入口内，所述第一热敏电阻探测单元和第二热敏电阻探测单元分别设置在所述第一微通道和第二微通道的出口内，所述第一微通道用于通入待测气体，所述第二微通道用于通入标准气体；

步骤S2：再在沉积一层牺牲层，分别在所述硅片衬底上形成所述第一微通道和第二微通道的第二层区域、所述第一加热器和第二加热器的第二层区域、以及所述第一热敏电阻探测单元和第二热敏电阻探测单元的第二层区域，以此类推，最终形成所述第一微通道和第二微通道、所述第一加热器和第二加热器、以及所述第一热敏电阻探测单元和第二热敏电阻探测单元的多层结构；

步骤S3：在所述牺牲层内刻蚀深沟槽，并在深沟槽内填充隔热材料以形成隔热层，所述隔热层填充沟槽内部，并覆盖沟槽外除所述第一微通道和第二微通道的进气口和出气口以外的牺牲层表面区域；

步骤S4：通过所述第一微通道和第二微通道的进气口和出气口进行释放，形成所述气体传感器结构。

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