CN110988050A - 一种带温度感测功能的mems气体传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种带温度感测功能的MEMS气体传感器，包括：衬底、第一绝缘支撑层、电阻加热层、第二绝缘支撑层、第一叉指电极、第二叉指电极、温度感测电极及气敏材料层；第一绝缘支撑层设置在衬底上，电阻加热层设置在第一绝缘支撑层上，第二绝缘支撑层覆盖在电阻加热层上；第一叉指电极、第二叉指电极和温度感测电极设置在第二绝缘支撑层上；气敏材料层覆盖在第一叉指电极、第二叉指电极和温度感测电极上；第一叉指电极、第二叉指电极和温度感测电极位于同一层内，温度感测电极位于第一叉指电极和第二叉指电极之间。本发明提供的带温度感测功能的MEMS气体传感器，电阻加热层在寿命周期内不需要长时间承受较大电流的冲击，可解决电阻老化的技术问题。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，特别涉及一种带温度感测功能的MEMS气体传感器及其制备方法。
背景技术
气体传感器是一种将气体的成分、浓度等信息转化为可以被人员、仪器仪表、计算机等利用的信息的装置。MEMS金属氧化物半导体气体传感器因其寿命长、尺寸小、功耗低和成本低获得了广泛的应用。MEMS金属氧化物半导体气体传感器属于化学传感器的一类，工作时MEMS微热盘芯片提供气体传感器工作所需要的温度条件，待检测气体与半导体气敏材料发生化学反应，改变半导体气敏材料的电阻率，通过测试半导体检测气敏材料敏感电阻的变化，从而可以推测出有害气体的浓度。
气体传感器的基本特性包括灵敏度、选择性以及稳定性等，MEMS金属氧化物半导体气体传感器虽然有较高的灵敏度和较好的稳定性，但是其针对特定待检测气体的选择性往往较差，限制了其应用于气味识别等领域。
现有的气味识别系统设计分为两大类，一类是通过多个气体传感器阵列，阵列中每个气体传感器采用不同特性的气敏材料，通过模式识别算法来识别气体种类。第二类是采用一个气体传感器，通过调制气体传感器的工作温度，得到不同温度下同一个气体传感器对环境气体的响应特性，通过特征分析得到气体种类和浓度相关信息。很明显，第二类设计理论上具有更低的成本，因此，采用第二类设计，或者采用较少个数的气体传感器同时进行温度调制工作的融合方案将成为气味识别技术的主流。而此类技术方案的核心点在于：如何精确控制芯片的工作温度。
在MEMS微热盘芯片工作时，容易受到环境温度、背景气体热导率变化的影响而改变其工作温度，最佳的方案是采用感温元件实时测试芯片的工作温度，进而通过控制加热功率来实现恒定温度。一种现有的方案是电阻加热层采用Pt或其合金材料，电阻加热层同时是很好的温度感测电极，通过测试Pt或其合金材料的电阻可以反映芯片实际工作的温度。这种方案通过共用电阻加热层和温度感测电极层设计，实现了较低的成本，但在实际应用中，存在下述问题：首先，电阻加热层在寿命周期内需要长时间承受较大电流的冲击，造成了温度感测电极较严重的电阻老化效应，在使用寿命周期内无定期温度校准时，容易导致恒定温度漂移；其次，温度恒定过程中调整加热功率一般通过调整PWM的占空比来实现，MEMS微热盘具有很快的升降温速率(一般1-20mS内)，为了工作温度的恒定，需要采用较高频率的PWM波(≥10kHz)进行加热功率控制，在电阻加热层(也是温度感测电极)的电阻测量中，需要在PWM波高电平(或低电平)时间周期内进行，较短时间的采样窗口需要微控器(MCU)芯片工作在较高的主频下，主频的升高意味着MCU更大的功率消耗，增加了低功耗应用的难度。另外，为更进一步降低MEMS微热盘芯片的生产成本，当采用其它的电阻加热层材料来替代Pt或其合金材料时，需要增加单独的温度感测电极层来实现对MEMS微热盘加热温度的测量，这会造成成本的额外增加。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的共用电阻加热层和温度感测电极层设计而导致的温度感测电极较严重的电阻老化和功耗升高的技术问题，提供了一种带温度感测功能的MEMS气体传感器及其制备方法。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种带温度感测功能的MEMS气体传感器，其特征在于，包括：衬底、第一绝缘支撑层、电阻加热层、第二绝缘支撑层、第一叉指电极、第二叉指电极、温度感测电极及气敏材料层；所述第一绝缘支撑层设置在所述衬底上，所述电阻加热层设置在所述第一绝缘支撑层上，所述第二绝缘支撑层覆盖在所述电阻加热层上；所述第一叉指电极、第二叉指电极和所述温度感测电极设置在所述第二绝缘支撑层上；所述气敏材料层覆盖在所述第一叉指电极、第二叉指电极和温度感测电极上；所述第一叉指电极、第二叉指电极和所述温度感测电极位于同一层内，所述温度感测电极位于所述第一叉指电极和第二叉指电极之间。
其优选方案中，所述衬底的材料为是单晶硅、多晶硅、石英、蓝宝石、氧化钇、多孔阳极氧化铝或多孔硅。
其优选方案中，所述第一绝缘支撑层的材料为氮化硅、氧化硅或氮氧化硅。
其优选方案中，所述第二绝缘支撑层的材料为氮化硅、氧化硅或氮氧化硅。
其优选方案中，所述电阻加热层的材料为贱金属、贱金属合金、掺杂单晶硅、掺杂多晶硅、导电金属碳化物、导电金属氮化物或导电金属氧化物。
本发明还提供了一种带温度感测功能的MEMS气体传感器的制备方法，包括以下步骤：
在衬底上沉积第一绝缘支撑层；
在所述第一绝缘支撑层上沉积电阻加热层；
沉积第二绝缘支撑层，所述第二绝缘支撑层覆盖电阻加热层和第一绝缘支撑层；
在所述第二绝缘支撑层上沉积第一叉指电极、第二叉指电极和温度感测电极；
光刻开通孔，形成焊盘；
释放悬膜，形成MEMS温度隔离结构；
沉积气敏材料层，所述沉积气敏材料层覆盖第一叉指电极、第二叉指电极和温度感测电极测量区域。
本发明还提供了一种带温度感测功能的MEMS气体传感器的制备方法，包括以下步骤：
在衬底上沉积第一绝缘支撑层；
在所述第一绝缘支撑层上沉积电阻加热层；
沉积第二绝缘支撑层，所述第二绝缘支撑层覆盖电阻加热层和第一绝缘支撑层；
在所述第二绝缘支撑层上沉积第一叉指电极、第二叉指电极和温度感测电极；
光刻开通孔，形成焊盘；
释放悬膜，形成MEMS温度隔离结构；
沉积气敏材料层，所述沉积气敏材料层覆盖第一叉指电极、第二叉指电极和温度感测电极测量区域。
本发明提供的带温度感测功能的MEMS气体传感器及其制备方法至少具备以下有益效果或优点：
本发明提供的带温度感测功能的MEMS气体传感器，第一绝缘支撑层设置在衬底上，电阻加热层设置在第一绝缘支撑层上，第二绝缘支撑层覆盖在电阻加热层上；第一叉指电极、第二叉指电极和温度感测电极设置在第二绝缘支撑层上；气敏材料层覆盖在第一叉指电极、第二叉指电极和温度感测电极上；第一叉指电极、第二叉指电极和温度感测电极位于同一层内，温度感测电极位于第一叉指电极和第二叉指电极之间。测量温度感测电极一端与温度感测电极另一端之间的电阻，可得出MEMS微热盘工作温度；测量第一叉指电极与第二叉指电极之间的气敏材料层敏感电阻，可得出有害气体浓度值。由于电阻加热层与温度感测电极分开设置，电阻加热层在寿命周期内不需要长时间承受较大电流的冲击，可解决电阻老化的技术问题。本发明提供的带温度感测功能的MEMS气体传感器在电阻测量中，不需要升高微控器芯片的主频，降低了功耗。
附图说明
图1为本发明实施例提供的带温度感测功能的MEMS气体传感器结构示意图；
图2为A-A剖视图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1-衬底，2-第一绝缘支撑层，3-电阻加热层，4-第二绝缘支撑层，5-第一叉指电极，6-气敏材料层，7-第二叉指电极，8-温度感测电极，8A-温度感测电极的一端，8B-温度感测电极的另一端。
具体实施方式
本发明针对现有技术中存在的共用电阻加热层和温度感测电极层设计而导致的温度感测电极较严重的电阻老化和功耗升高的技术问题，提供了一种带温度感测功能的MEMS气体传感器及其制备方法。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参见图1及图2，本发明实施例提供了一种带温度感测功能的MEMS气体传感器，其主要包括：衬底1、第一绝缘支撑层2、电阻加热层3、第二绝缘支撑层4、第一叉指电极5、第二叉指电极7、温度感测电极8及气敏材料层6。第一绝缘支撑层2设置在衬底1上，电阻加热层3设置在第一绝缘支撑层2上，第二绝缘支撑层4覆盖在电阻加热层3上。第一叉指电极5、第二叉指电极7和温度感测电极8设置在第二绝缘支撑层4上。气敏材料层6覆盖在第一叉指电极5、第二叉指电极7和温度感测电极8上。第一叉指电极5、第二叉指电极7和温度感测电极8位于同一层内，温度感测电极8位于第一叉指电极5和第二叉指电极7之间。
本发明实施例提供的带温度感测功能的MEMS气体传感器，衬底1的材料为是单晶硅、多晶硅、石英、蓝宝石、氧化钇、多孔阳极氧化铝或多孔硅。其中，单晶硅(包括N型和P型掺杂的硅晶体)应用于MEMS衬底中，其优点是容易在衬底1上集成CMOS集成电路，具有成熟的MEMS工艺方案、设备。多晶硅具有比单晶硅更低的成本，工艺方案、设备与单晶硅类似，可以降低MEMS衬底成本。石英的热导系数约为7.6W/mK，衬底的热导系数约为150W/mK，石英的热导系数约为Si的热导系数的1/20；蓝宝石的热导系数约为45W/mK，约为Si衬底热导系数的1/3；氧化钇的热导系数约为5W/mK，约为Si衬底热导系数的1/30；采用石英、蓝宝石或氧化钇衬底可以实现更好的温度隔离。除了上述材料之外，也可以选择多孔材料作为衬底，如阳极氧化铝和多孔硅衬底，空气的热导率仅为0.01-0.04W/mK，选择多孔材料作为衬底可以实现更低的热导率。
本发明实施例提供的带温度感测功能的MEMS气体传感器，第一绝缘支撑层2的材料为氮化硅、氧化硅、氮氧化硅、石英、蓝宝石或氧化钇。第二绝缘支撑层4的材料为氮化硅、氧化硅、氮氧化硅、石英、蓝宝石或氧化钇。采用CVD(化学气相沉积)工艺形成的氮化硅绝缘薄膜支撑层具有较高的力学强度，能够承受MEMS高温工作导致的热应力；采用CVD工艺形成的氧化硅薄膜具有较低的热导系数，可以实现更好的温度隔离；采用CVD工艺形成的氮氧化硅薄膜，可以调配薄膜力学性能、热导系数、薄膜应力，实现高度可靠的MEMS微热盘结构。
本发明实施例提供的带温度感测功能的MEMS气体传感器，电阻加热层3的材料为贱金属、贱金属合金、掺杂单晶硅、掺杂多晶硅、导电金属碳化物、导电金属氮化物或导电金属氧化物。其中，电阻加热层3材料采用Ti、W等贱金属、贱金属合金，可以降低电极材料成本，更好兼容传统CMOS工艺。电阻加热层3材料采用掺杂单晶硅、掺杂多晶硅，可以降低电阻加热层与薄膜支撑层之间热膨胀系数失配，同时降低材料成本，更好兼容传统的CMOS工艺。电阻加热层3材料采用合适的导电金属碳化物、导电金属氮化物或导电金属氧化物，可以降低电阻加热层与薄膜支撑层之间热膨胀系数失配，改善MEMS微热盘的耐高温性能，同时降低材料成本。
本发明一种带温度感测功能的MEMS气体传感器，其MEMS微热盘工作温度测量和气敏材料层6敏感电阻测量，可以按照下述两种方法之一进行：
方法一：
测量温度感测电极一端8A与温度感测电极另一端8B之间的电阻，得出MEMS微热盘工作温度。将温度感测电极一端8A与温度感测电极另一端8B断开，测量第一叉指电极5与第二叉指电极7之间的气敏材料层6敏感电阻，得出有害气体浓度值。
例如，Pt温度感测电极感测温度具有较好的线性度，温度感测电极层的电阻为Rt，温度感测电极材料的温度系数为K,25℃下温度感测电极层的电阻为Rt0,则微热盘工作温度T为:
T＝25+(Rt-Rt0)/K；
气敏材料层的电阻为Rg，在清洁空气下气敏材料层的基准电阻为R0，根据电阻比值R0/Rg,结合气敏材料层的敏感特性曲线，可以得到有害气体浓度C＝f(R0/Rg)。
方法二：
测量温度感测电极一端8A与温度感测电极另一端8B之间的电阻，得出MEMS微热盘工作温度。将温度感测电极一端8A与温度感测电极另一端8B作为一极，将第一叉指电极5和第二叉指电极7作为另一极，测量两极之间的气敏材料层6的敏感电阻，进而得出有害气体浓度值。MEMS微热盘工作温度测量和气敏材料层6的敏感电阻测量交替周期进行。
在气敏材料电阻率较多时，采用这种电阻连接方式测试敏感电阻，可以有效增加测试电场强度，增大测量敏感电流，改善敏感电阻测量精度。
实施例二
本发明实施例还提供了一种带温度感测功能的MEMS气体传感器的制备方法，包括以下步骤：
步骤S10、在衬底1上沉积第一绝缘支撑层2。
步骤S20、在第一绝缘支撑层2上沉积电阻加热层3。
步骤S30、沉积第二绝缘支撑层4，所述第二绝缘支撑层4覆盖电阻加热层3和第一绝缘支撑层2。
步骤S40、在第二绝缘支撑层4上沉积第一叉指电极5、第二叉指电极7和温度感测电极8。
步骤S50、光刻开通孔，形成焊盘。
采用光刻胶保护，在焊盘上开窗，采用干法PLASMA蚀刻焊盘区域的第二绝缘支撑层材料，将焊盘电极裸露出来。
步骤S60、释放悬膜，形成MEMS温度隔离结构。
采用氧化物为硬掩膜，在背面光刻，在硬掩膜上开窗，采用ICP深硅蚀刻工艺刻蚀体硅，释放悬膜。
步骤S70、沉积气敏材料层6，沉积气敏材料层6覆盖第一叉指电极5、第二叉指电极7和温度感测电极8测量区域。
本发明实施例提供的带温度感测功能的MEMS气体传感器及其制备方法至少具备以下有益效果或优点：
本发明实施例提供的带温度感测功能的MEMS气体传感器，第一绝缘支撑层设置在衬底上，电阻加热层设置在第一绝缘支撑层上，第二绝缘支撑层覆盖在电阻加热层上；第一叉指电极、第二叉指电极和温度感测电极设置在第二绝缘支撑层上；气敏材料层覆盖在第一叉指电极、第二叉指电极和温度感测电极上；第一叉指电极、第二叉指电极和温度感测电极位于同一层内，温度感测电极位于第一叉指电极和第二叉指电极之间。测量温度感测电极一端与温度感测电极另一端之间的电阻，可得出MEMS微热盘工作温度；测量第一叉指电极与第二叉指电极之间的气敏材料层敏感电阻，可得出有害气体浓度值。由于电阻加热层与温度感测电极分开设置，电阻加热层在寿命周期内不需要长时间承受较大电流的冲击，可解决电阻老化的技术问题。本发明实施例提供的带温度感测功能的MEMS气体传感器在电阻测量中，不需要升高微控器芯片的主频，降低了功耗。
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 (6)
1.一种带温度感测功能的MEMS气体传感器，其特征在于，包括：衬底(1)、第一绝缘支撑层(2)、电阻加热层(3)、第二绝缘支撑层(4)、第一叉指电极(5)、第二叉指电极(7)、温度感测电极(8)及气敏材料层(6)；所述第一绝缘支撑层(2)设置在所述衬底(1)上，所述电阻加热层(3)设置在所述第一绝缘支撑层(2)上，所述第二绝缘支撑层(4)覆盖在所述电阻加热层(3)上；所述第一叉指电极(5)、第二叉指电极(7)和所述温度感测电极(8)设置在所述第二绝缘支撑层(4)上；所述气敏材料层(6)覆盖在所述第一叉指电极(5)、第二叉指电极(7)和温度感测电极(8)上；所述第一叉指电极(5)、第二叉指电极(7)和所述温度感测电极(8)位于同一层内，所述温度感测电极(8)位于所述第一叉指电极(5)和第二叉指电极(7)之间。
2.根据权利要求1所述的带温度感测功能的MEMS气体传感器，其特征在于，所述衬底(1)的材料为是单晶硅、多晶硅、石英、蓝宝石、氧化钇、多孔阳极氧化铝或多孔硅。
3.根据权利要求1所述的带温度感测功能的MEMS气体传感器，其特征在于，所述第一绝缘支撑层(2)的材料为氮化硅、氧化硅或氮氧化硅。
4.根据权利要求1所述的带温度感测功能的MEMS气体传感器，其特征在于，所述第二绝缘支撑层(4)的材料为氮化硅、氧化硅或氮氧化硅。
5.根据权利要求1所述的带温度感测功能的MEMS气体传感器，其特征在于，所述电阻加热层(3)的材料为贱金属、贱金属合金、掺杂单晶硅、掺杂多晶硅、导电金属碳化物、导电金属氮化物或导电金属氧化物。
6.一种带温度感测功能的MEMS气体传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
在衬底(1)上沉积第一绝缘支撑层(2)；
在所述第一绝缘支撑层(2)上沉积电阻加热层(3)；
沉积第二绝缘支撑层(4)，所述第二绝缘支撑层(4)覆盖电阻加热层(3)和第一绝缘支撑层(2)；
在所述第二绝缘支撑层(4)上沉积第一叉指电极(5)、第二叉指电极(7)和温度感测电极(8)；
光刻开通孔，形成焊盘；
释放悬膜，形成MEMS温度隔离结构；
沉积气敏材料层(6)，所述沉积气敏材料层(6)覆盖第一叉指电极(5)、第二叉指电极(7)和温度感测电极(8)测量区域。
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