CN111380918B - 一种多检测电极的悬臂梁气体传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多检测电极的悬臂梁气体传感器，包括悬臂梁，在所述悬臂梁上集成多个检测电极，多个检测电极分布在悬臂梁的不同位置，所述悬臂梁的不同位置温度不同。本发明多检测电极的气体传感器，多对检测电极分别分布在悬臂梁的不同位置，由于悬臂梁温度分布呈梯度变化，因此每一对检测电极所在区域的温度不同，即使使用同样的气敏材料，在气体来临时，每一对检测电极上获得的气体响应不同，可用于一定程度上的气体识别。

Description

一种多检测电极的悬臂梁气体传感器

技术领域

本发明涉及MEMS(微机电系统)气体传感器技术领域，具体为一种多检测电极的悬臂梁气体传感器。

背景技术

基于金属氧化物半导体(MOS)材料的MEMS气体传感器以其低功耗、快响应、小尺寸、低成本、易与CMOS电路结合以及广泛的检测范围等优势，在物联网和气味智能识别上有着广阔的前景。

传统的MOS类MEMS气体传感器主要以基于封闭膜式和悬浮膜式的研究居多，前者具有较高的机械强度，如公开号为CN 105987935 A提供的MEMS气体传感器及其制作方法，这种封闭膜式的气体传感器通常的功耗在50-100毫瓦，后者具有较低的功耗和较快的热响应速度，直流功耗可低至20毫瓦，热响应速度可达数十毫秒，如专利CN 205449863 U提供的一种具有4支撑悬臂梁4层结构的电阻式气体传感器和专利CN 205449859 U提供的一种具有两支撑悬臂梁4层结构的电阻式气体传感器。以上类型的气体传感器通常包括自下而上的硅衬底、支撑膜、加热器、隔离膜、叉指电极和敏感材料层。

为了进一步降低功耗、提升热响应速度和提高集成度，专利CN 208313881 U提出了一种单悬臂梁气体传感器及传感器阵列，该结构包括自下而上的硅衬底、支撑膜、加热器、隔离膜、检测电极和敏感材料层，将传感器的有效区域制作在一根细长悬臂梁的自由端，并省去了蛇形绕线、螺旋形绕线或折线形绕线的加热器结构以及叉指电极结构。这种悬臂梁式气体传感器功耗可低至几个毫瓦，热响应时间可到数百微秒。

气味识别是气体传感器的重要应用领域之一，由于不同的气体有着不同的特性而每一个传感器对不同气体的响应程度有差别，所以现有的主流的气味识别设备或者电子鼻设备通常会用多类型的气体传感器搭建一个多路传感器阵列，每个传感器用来监测某种特殊的气体，如公布号为CN 109540978 A提供的气味识别设备。

尽管单悬臂梁的气体传感器已经将功耗降低到了非常地的程度，但是其核心区域在悬臂梁的顶端，利用的是悬臂梁顶端最高温度区域，而大多数气敏材料事实上在一定的温度范围内都有响应，因此不可避免有大量的热量分布于整个悬臂梁却被浪费掉。

对于气体识别来说，通常需要多种不同的气体传感器，而现有的技术通常是使用分立器件，在同样的MEMS微型加热器上添加不同的气敏材料，这会极大增加了传感器的制造程序的复杂度，降低了工艺的统一性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于如何充分利用传感器不同位置温度不同的特点，提高检测效率，降低检测成本。

本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：

一种多检测电极的悬臂梁气体传感器，包括悬臂梁，在所述单悬臂梁上集成多个检测电极，所述多个检测电极分布在单悬臂梁的不同位置；所述悬臂梁的不同位置温度不同。

优选的，所述多个检测电极检测相同敏感材料或不同敏感材料。

优选的，所述检测电极包括正端电极和负端电极，正端电极与负端电极之间具有间隙，形成检测点位，敏感材料涂覆在检测点位上，将正端电极与负端电极导通。

优选的，所述负端电极为公共端，与多个正端电极组成多个电极对。

优选的，所述正端电极通过正端导线与正端引脚电性连接，负端电极通过负端导线与负端引脚电性连接；所述正端引脚和负端引脚设置在悬臂梁以外的区域上。

优选的，所述悬臂梁为长条形结构；多根所述正端导线和负端导线沿悬臂梁宽度方向间隔布设，正端导线的第一端与对应的正端引脚电性连接，第二端沿悬臂梁长度方向呈阶梯间隔布设，形成所述正端电极，所述负端导线形成所述负端电极；所述正端导线的第二端与负端导线之间具有间隙形成所述检测点位。

优选的，所述悬臂梁为多个，多个悬臂梁之间各自独立，或者相交，或者部分独立、部分相交。

优选的，所述传感器还包括深槽，所述悬臂梁为横跨深槽的一字梁；所述负端导线沿一字梁长度方向的中线铺设；

多个正端导线设置在负端导线的同侧或不同侧，形成多个检测电极对。

优选的，所述敏感材料层覆盖检测点位，或覆盖整根悬臂梁，或覆盖多根悬臂梁。

优选的，还包括加热层，所述加热层包括加热丝和正加热电极、负加热电极，所述加热电极设置在支撑膜上，所述加热丝的两端分别与正加热电极、负加热电极电性连接，加热丝布设在悬臂梁上，且位于检测电极对下方。

优选的，每个悬臂梁对应一个加热器，或相邻两个悬臂梁公用一个加热器。

优选的，所述加热丝经过所述检测点位。

本发明的优点在于：

本发明所述多检测电极的悬臂梁气体传感器，多对检测电极分别分布在悬臂梁的不同位置，在传感器工作时，由于悬臂梁的固定端与衬底相连，热量会从固定端导走，所以从悬臂梁的自由端到固定端有从高到低的温度分布，并且固定端的温度将非常接近衬底温度。因此每一对检测电极所在区域的温度不同，即使使用同样的气敏材料，在气体来临时，每一对检测电极上获得的气体响应不同，可用于一定程度上的气体识别。

多个检测电极检测相同或不同敏感材料，降低工艺难度，提高检测效率。

通过多个悬臂梁的设计，可满足不同检测需求，传感器适应性广，尤其是多个悬臂梁的不同结构组合方式，便于选择合适的结构设置检测单元。

沿悬臂梁长度方向分布检测点位，充分利用悬臂梁不同位置的温度，提高检测效率和精度。

一字型悬臂梁强度更大，基于其较长，可分段设置多个检测单元，提高传感器的使用效率。

敏感材料记载方式多样，满足不同工艺要求。敏感材料可以是一种或多种，一种时可一次工艺加载，多种时可分多次加载。

通过共用加热器，可进一步减少电极数量，减小传感器体积，实现微型化，且可以达到对于不同检测单元同步加热，提高检测精度。

加热丝经过检测点位，针对敏感材料进行加热，充分利用温度，可一定程度上降低气体传感器的平均功耗。

附图说明

图1为本发明实施例中多检测电极的气体传感器的爆炸结构示意图；

图2为本发明实施例中多检测电极的气体传感器的整体结构示意图；

图3为图1中A部放大结构示意图；

图4为本发明实施例中多检测电极的气体传感器中具有公共端的正端导线第二端部不弯折的结构示意图；

图5为本发明实施例中多检测电极的气体传感器中没有公共端的正端导线第二端部不弯折的结构示意图；

图6为本发明实施例中多检测电极的气体传感器中敏感材料覆盖所有检测点位的结构示意图；

图7为本发明实施例中多检测电极的气体传感器中一字型悬臂梁的结构示意图；

图8为本发明实施例中多检测电极的气体传感器单悬臂梁与一字型悬臂梁组合的结构示意图；

图9为本发明实施例中多检测电极的气体传感器十字型悬臂梁及加热丝弯折U型再弯折90°的布设结构示意图；

图10为本发明实施例中多检测电极的气体传感器十字型悬臂梁及单根加热丝弯折90°的布设结构示意图；

图11为本发明实施例中多检测电极的气体传感器十字悬臂梁每个梁臂上分别布设一个检测单元的结构示意图；

图12为本发明实施例中多检测电极的气体传感器十字悬梁中一字悬臂梁及单悬臂梁中的检测单元布设结构示意图；

图13为本发明实施例中多检测电极的气体传感器具有多个单悬臂梁的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

如图1、图2所示，本实施例一种多检测电极的气体传感器，传感器自上而下依次包括敏感材料层1、检测电极层2、隔离层3、加热层4、支撑层5、硅衬底6；

如图1所示，本实施例采用<100>晶向的硅衬底6，在硅衬底6表面设置有支撑层5，支撑层5可以是在硅衬底6表面采用PECVD或LPCVD沉积氧化硅和氮化硅的单层膜或复合膜，即支撑膜，支撑膜为绝缘膜，总厚度为2微米，并刻蚀有形成悬臂梁51结构的窗口，采用湿法刻蚀在硅衬底6表面形成深槽61，所述窗口让深槽61裸露；悬臂梁51延伸至深槽61区域，深槽61可以对悬臂梁51进行隔热，防止悬臂梁51上热量被导走。本实施例中，悬臂梁51大致为长条形。

加热层4包括加热丝41(金属丝)和正加热电极42、负加热电极43，正加热电极42、负加热电极43设置在支撑膜5上除悬臂梁51之外的膜体上，即设置在连接悬臂梁51固定端的支撑膜5上。加热丝41的两端分别与正加热电极42、负加热电极43电性连接，加热丝41其他部分布设在悬臂梁51上，可以使悬臂梁51的各个位置温度不同，得到想要的温度梯度。

在加热层4上，采用PECVD沉积350-500纳米的氮化硅作为隔离膜，形成隔离层3，用于隔离加热层4和检测电极层2；隔离层3上采用湿法刻蚀有释放正加热电极42、负加热电极43的第一窗口31，以及采用湿法刻蚀形成释放悬臂梁51结构的第二窗口32。本实施例中的隔离层3不限于氮化硅形成的隔离膜，还可能是其他形式或材料形成的隔离层，只要能隔离加热层4和检测电极层2即可。

检测电极层2包括至少一个检测单元2’；检测单元2’包括多个电极对，以4对电极对为例说明具体结构，如图2所示，该检测单元2’包括5个引脚20、21、22、23、24，其中20为公用端，为负端引脚，其余4个为正端引脚。本实施例中，如图3所示，负端引脚20通过负端导线202延伸至悬臂梁51上，形成公用负端电极，4个正端引脚21、22、23、24通过4根正端导线201延伸至悬臂梁上，形成4个正端电极，与负端电极分别形成4对检测电极对210、220、230、240，4个电极对210、220、230、240均包括检测点位，4个检测点位上分别覆盖敏感材料11、12、13、14(结合图1所示)，敏感材料为氧化锡、氧化铟、氧化钨、氧化锌等，覆盖在检测点位后，可导通检测电路。

本实施例中，悬臂梁51为长条形结构。多根正端导线201沿悬臂梁51宽度方向间隔布设，正端导线201的第一端分别与对应的正端引脚21(或者22、23、24)电性连接，第二端沿悬臂梁51长度方向呈阶梯间隔布设；正端导线201的第二端与负端导线202之间具有间隙形成检测点位。为了便于4个电极对的4个检测点位沿悬臂梁51长度方向一字排布，本实施例将正端导线201的第二端朝向负端导线202弯折，使多个检测点位尺寸相同，加热丝41直线排布依次经过多个检测点位，对检测点位上的敏感材料加热。采用公共端，可减小传感器尺寸，进一步实现传感器的微型化。

当然，如图4、图5所示，正端导线201的第二端可以不弯折，形成的检测点位尺寸不同，对于检测结果几乎无影响。

当然，还可以每个正端引脚21、22、23、24对应一个负端引脚20，如图5所示。为了满足多根正端导线和负端导线202的布设，需要较宽的悬臂梁51。布设原则依然是检测点位成直线间断排布即可，便于加热丝41依次经过检测点位。当然，检测点位也可以不在一条直线布设，只要加热器的布设满足检测时气体传感器的温度需求即可。

本实施例中，悬臂梁51可以为单个，也可以为多个，具体结构为：

第一种，单根悬臂梁51：

如图1所示，单根悬臂梁51一端与支撑膜其它部分相连，另一端为自由端，延伸至深槽61区域。在单根悬臂梁51上，依次布设加热层4、隔离层3、检测电极层2。为了结构的合理性，将深槽61偏心刻蚀在硅衬底6的一侧，留出较大面积的另一侧，用以布设加热层4的正、负加热电极42、43、检测电极层2的正端引脚21、22、23、24、负端引脚20等。加热丝41采用U型铺设在悬臂梁51上，U型加热丝41的一侧或两侧依次经过多个检测点位，以满足对敏感材料的加热需求。

敏感材料可以覆盖整个悬臂梁51，或覆盖检测点位所在的一侧，如图6，也可以采用多块小面积的敏感材料11、12、13、14分别覆盖检测点位，如图1、图2。当采用整体覆盖时，由于与各个电极对组成电路的分段电阻不同(类似于滑动变阻器原理)，测得结果依然准确。当然，也可以采用半边覆盖、半边裸露的方式，只要满足每个检测点位通过敏感材料导通电路即可。每个检测点位的敏感材料可以相同，也可以不同，根据检测需求而定。

悬臂梁51的自由端可以平行设置在深槽61上方，也可以向上翘曲或卷曲设置在深槽61上方。

第二种，一字型悬臂梁51：

如图7所示，一字型悬臂梁51横跨深槽61区域，两端均与支撑膜除窗口外的其他膜体连接。由于一字型悬臂梁51较长，可以设置两个检测单元2’。具体结构为：负端导线202沿一字梁长度方向的中线铺设，在负端导线202的两侧分别布设一个检测单元2’，且两个检测单元2’分别位于一字型悬臂梁51的两个半段上。加热丝41可以为一字型从一字型悬臂梁51一端至另一端铺设，此时由于两个检测单元2’检测点位不在同一直线上，所以要求加热丝41具有一定宽度，能够同时覆盖两个检测单元2’的检测点位，该种结构的加热器的正负电极分别位于一字型悬臂梁两端的支撑膜5上。当然，加热丝41同样可以此采用U型，U型弯折后的两条金属丝分别经过两个检测单元2’的检测点位。

为了便于布设正端引脚21、22、23、24和负端引脚20，可以将深槽61刻蚀在硅衬底6的中央位置，使一字型悬臂梁51两端的支撑膜上均有空间布设21、22、23、24和负端引脚20。将检测单元的电极设置在除悬臂梁以外的支撑膜上，以减小悬臂梁的面积，减少热量损失，进一步降低功耗。两个检测单元2’的正端引脚21、22、23、24分别布设在相应的一端，负端引脚20布设在任意一端都可以。

敏感材料的布设参考单根悬臂梁51中的布设方式。

第三种，单悬臂梁与一字悬臂梁组合

如图8所示，在一字悬臂梁的两侧分别布设一个单悬臂梁。除了图8的组合方式以外，单悬臂梁还可能设置在一字悬臂梁的一侧。单悬臂梁和一字悬臂梁的数量可以根据使用需要来设置。

第四种，十字悬臂梁：

十字悬臂梁51可以是垂直的交叉结构，也可以为非垂直的交叉结构。可以按照4个的单悬臂梁51的方式布设加热丝41、检测单元2’，如图11所示，也可以按照两个单悬臂梁51和一个一字型悬臂梁51来布设加热丝41和检测单元2’，如图12所示。当采用4个单悬臂梁51方式时，相邻两个单悬臂梁51可采用一根金属丝加热，具体为金属丝弯折成U型后再整体弯折90°，与相邻两个单悬臂梁51适配，如图9所示，或者直接将金属丝弯折90°与两个相邻的单悬臂梁51适配，如图10所示。

敏感材料的布设参考单根悬臂梁51中的布设方式。

除上述四种悬臂梁51结构外，还可以在深槽61上方设置其他数量的悬臂梁结构，可各自独立，可互相连接,如图8至图13所示，加热丝41和检测单元2’的布设原理同上，可根据需要自由组合。

与一种多检测电极的悬臂梁气体传感器对应的，本实施例还提供一种多检测电极的悬臂梁气体传感器制作方法，包括以下步骤：

步骤1、选取<100>晶向的单抛或双抛硅圆片作为衬底；

步骤2、在硅片的正面(通常为抛光面)用PECVD或LPCVD沉积氧化硅和氮化硅的单层膜或复合膜作为支撑膜，总厚度为2微米；在硅片的背面(通常为非抛光面或抛光面)用PECVD或LPCVD沉积200-500纳米的氮化硅作为湿法刻蚀的保护膜；

步骤3、采用光刻工艺和金属镀膜工艺在支撑膜上面沉积200纳米铂作为形成加热器，光刻工艺可以是紫外光刻，镀膜工艺可以是电子束蒸发镀膜或者磁控溅射镀膜；

步骤4、采用PECVD沉积350-500纳米的氮化硅作为隔离膜；

步骤5、采用如步骤3所述工艺在隔离膜上制作检测电极层2，检测电极材料可以是铂或金；

步骤6、采用光刻工艺和干法刻蚀工艺露出加热器的电极区域；干法刻蚀工艺可以是反应离子刻蚀(RIE)或者感应耦合等离子体刻蚀(ICP-Etch)；

步骤7、采用光刻工艺和干法刻蚀工艺(RIE或ICP-Etch)形成悬臂梁结构；

步骤8、采用氢氧化钾(KOH)或4甲基氢氧化铵(TMAH)硅的各向异性刻蚀液释放出悬臂梁结构；

步骤9、在检测电极的检测点位处加载半导体气敏材料，如氧化锡、氧化铟、氧化钨、氧化锌等。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种多检测电极的悬臂梁气体传感器，其特征在于：包括悬臂梁，在所述悬臂梁上集成多个检测点位，所述悬臂梁纵向上布设有多个检测点位，沿所述悬臂梁纵向布设有加热丝，所述加热丝同时对多个所述检测点位加热；加热丝通电后，所述悬臂梁的自由端到固定端有从高到低的温度分布，所以分布在所述悬臂梁纵向不同位置的检测点位获得的加热温度不同。

2.根据权利要求1所述的一种多检测电极的悬臂梁气体传感器，其特征在于：所述传感器包括检测电极层；所述检测电极层包括多个检测电极对，每个检测电极对具有一个所述检测点位；多个所述检测点位覆盖相同或不同敏感材料；多个检测电极对检测不同温度下的相同敏感材料或不同敏感材料的电压变化值。

3.根据权利要求2所述的一种多检测电极的悬臂梁气体传感器，其特征在于：所述检测电极对包括正端电极和负端电极，正端电极与负端电极之间具有间隙，形成所述检测点位，敏感材料涂覆在检测点位上，将正端电极与负端电极导通。

4.根据权利要求3所述的一种多检测电极的悬臂梁气体传感器，其特征在于：所述负端电极为公共端，与多个正端电极组成多个检测电极对。

5.根据权利要求3所述的一种多检测电极的悬臂梁气体传感器，其特征在于：所述正端电极通过正端导线与正端引脚电性连接，负端电极通过负端导线与负端引脚电性连接；所述正端引脚和负端引脚设置在悬臂梁以外的区域上。

6.根据权利要求5所述的一种多检测电极的悬臂梁气体传感器，其特征在于：所述悬臂梁为长条形结构；多根所述正端导线和负端导线沿悬臂梁宽度方向间隔布设，正端导线的第一端与对应的正端引脚电性连接，第二端沿悬臂梁长度方向呈阶梯间隔布设，形成所述正端电极，所述负端导线形成所述负端电极；所述正端导线的第二端与负端导线之间具有间隙形成所述检测点位。

7.根据权利要求2至6任一所述的一种多检测电极的悬臂梁气体传感器，其特征在于：所述悬臂梁为多个，多个悬臂梁之间各自独立，或者相交，或者部分独立、部分相交。

8.根据权利要求5或6所述的一种多检测电极的悬臂梁气体传感器，其特征在于：所述传感器还包括深槽，所述悬臂梁为横跨深槽的一字梁；所述负端导线沿一字梁长度方向的中线铺设；

多个正端导线设置在负端导线的同侧或不同侧，形成多个检测电极对。

9.根据权利要求7所述的一种多检测电极的悬臂梁气体传感器，其特征在于：所述敏感材料覆盖检测点位，或覆盖整根悬臂梁，或覆盖多根悬臂梁。

10.根据权利要求7所述的一种多检测电极的悬臂梁气体传感器，其特征在于：还包括加热层和支撑层，所述加热层设置在支撑层上；所述支撑层刻蚀有形成所述悬臂梁的窗口；所述加热层包括加热丝和正加热电极、负加热电极，所述加热丝的两端分别与正加热电极、负加热电极电性连接，加热丝布设在悬臂梁上，且位于检测电极对下方。

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