CN113049634B - 一种基于热效应的微型气体传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于热效应的微型气体传感器，包括由第一PCB、第二PCB和支撑体构成的腔体，所述腔体内位于第一PCB上设置红外探测器，所述腔体内位于第二PCB上设置微加热器，所述红外探测器与微加热器相对设置，且分别电连接到第一PCB和第二PCB上；所述微加热器上方设置气体敏感膜；所述支撑体上开设有进气口和出气口；所述红外探测器和微加热器均采用MEMS工艺制作而成。本发明所公开的微型气体传感器具有体积小、成本低、制备简单、容易批量生产等优势，在气体敏感膜吸附气体分子并发生反应后，可通过红外探测器检测气体敏感膜表面的温度变化，实现更快的响应速度。
Description
技术领域
本发明涉及气体检测技术领域，特别涉及一种基于热效应的微型气体传感器。
背景技术
有毒、有害、易燃易爆气体严重影响着人们的健康生活和安全生产，因此，对气体的快速、准确检测有着极其重要的意义。目前，气体传感器已广泛应用于国民生产和日常生活的方方面面，大到工业生产中的有毒气体、易燃易爆气体的检测，小到家居环境中的有害气体的监测和预警等，都展现出气体传感器的独特优势和广阔前景。
传统的气体检测设备，如基于质谱、能谱和色谱的气体检测仪，体积较大且价格较高，相比之下，采用MEMS技术制造的气体传感器，尤其是采用金属氧化物气敏材料的半导体气体传感器，以其体积小、功耗低、灵敏度高、稳定性好、可批量生产等优点，成为国内外气体传感器领域的研究热点。金属氧化物半导体气体传感器的工作原理是：利用金属氧化物制作气体敏感膜，在一定的温度下，气体分子在膜表面与金属氧化物反应使其电阻率发生变化，并通过叉指电极探测到这种变化，从而实现对气体浓度及成分的检测。由于气体分子与金属氧化物反应需要较高的温度，需要在气体敏感薄膜下制作微加热器以提供一定的温度。
金属氧化物半导体气体传感器虽具有较高的灵敏度和较好的稳定性，但现有方案中通过叉指电极探测气体敏感膜材料内部的电阻率变化来检测气体，其响应时间通常需要几秒甚至几十秒，响应速度有待进一步提高。尤其是在石油勘测、矿井安全、燃气泄漏、化工过程控制等领域，多一秒等待便多一分危险。因此，有必要发展一种新型气体传感器以实现对气体的快速检测。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于热效应的微型气体传感器，通过探测气体敏感膜表面的温度变化，来实现对气体浓度和成分的快速、准确检测。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种基于热效应的微型气体传感器，包括由第一PCB、第二PCB和支撑体构成的腔体，所述腔体内位于第一PCB上设置红外探测器，所述腔体内位于第二PCB上设置微加热器，所述红外探测器与微加热器相对设置，且分别电连接到第一PCB和第二PCB上；所述微加热器上方设置气体敏感膜；所述支撑体上开设有进气口和出气口；
所述红外探测器采用MEMS工艺制作而成，其结构包括：
衬底一，设有沿上下向贯通的隔热腔体一；
支撑层一，形成于衬底一的上表面；
热电堆单元，形成于支撑层上，且局部位于隔热腔体的上方，从下至上依次包括第一热偶层、第一绝缘层和第二热偶层，且第一热偶层、第二热偶层通过第一绝缘层中的通孔连接，以形成热电堆；
第二绝缘层，覆盖第二热偶层，且局部刻蚀出通孔以暴露部分第二热偶层；
红外吸收层，形成于第二绝缘层的上表面；
所述微加热器采用MEMS工艺制作，其结构包括：
衬底二，设有沿上下向贯通的隔热腔体二；
支撑层二，形成于衬底二的上表面；
加热电阻和加热电极，形成于支撑层二的上表面，且加热电极位于隔热腔体二的上方；
第三绝缘层，覆盖加热电阻及加热电极，并局部刻蚀出通孔三以暴露部分加热电极。
上述方案中，所述衬底一和衬底二为半导体衬底，选自硅衬底、锗衬底、SOI衬底、GeOI衬底中的一种。
上述方案中，所述隔热腔体一和隔热腔体二的截面形状包括矩形或梯形，采用干法刻蚀和各向异性湿法腐蚀的方法形成。
上述方案中，所述支撑层一和支撑层二、第一绝缘层、第二绝缘层和第三绝缘层的材料选自氧化硅、氮化硅中的一种或两种组合，其中，氧化硅采用热氧化、低应力化学气相淀积或等离子体化学气相淀积的方法形成，氮化硅通过低压力化学气相沉积或等离子体化学气相沉积的方法形成。
上述方案中，所述第一热偶层、第二热偶层、加热电阻和加热电极的材料选自P型多晶硅、N型多晶硅、金属中的一种，其中，P型多晶硅和N型多晶硅通过低应力化学气相淀积、离子注入、退火、刻蚀工艺的组合形成，金属通过剥离工艺形成，或通过先溅射或蒸镀后刻蚀的方法形成。
上述方案中，所述红外吸收层的材料为氮化硅，或氮化硅与氧化硅的组合，其中，氧化硅和氮化硅均可通过低应力化学气相淀积或等离子体化学气相淀积的方法形成。
上述方案中，所述气体敏感膜的材料为金属氧化物，包括氧化锌、氧化锡、氧化钛、氧化镍、氧化钨中的一种，通过气相法、液相法或固相法的一种形成。
上述方案中，实现红外探测器与第一PCB、微加热器与第二PCB之间电连接的方法为球焊、楔焊的一种，采用的材料为金、铜、银、铝中的一种。
通过上述技术方案，本发明提供的一种基于热效应的微型气体传感器具有如下有益效果：
本发明提供的微型气体传感器采用MEMS技术制造的微加热器和红外探测器进行气体检测，有体积小、成本低、制备简单、容易批量生产等优势；此外，气体分子在气体敏感膜表面发生反应后，通过红外探测器探测敏感膜表面的温度变化，相比现有技术通过叉指电极探测气体敏感膜材料内部的电阻率的方法可实现更快的响应速度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本发明实施例所公开的一种基于热效应的微型气体传感器的结构示意图；
图2为本发明实施例所采用的红外探测器的剖面示意图；
图3为本发明实施例所采用的微加热器的剖面示意图。
图中，1、红外探测器；2、微加热器；3、气体敏感膜；41、第一PCB；42、第二PCB；5、支撑体；51、进气口；52、出气口；101、衬底一；201、衬底二；102、支撑层一；202、支撑层二；103、第一热偶层；104、第一绝缘层；105、第二热偶层；106、第二绝缘层；107、红外吸收层；1041、通孔一；1061、通孔二；203、加热电阻；204、加热电极；205、第三绝缘层；1011、隔热腔体一；2011、隔热腔体二；2051、通孔三。
具体实施方式
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、完整地描述。
本发明提供了一种基于热效应的微型气体传感器，请参阅图1，包括红外探测器1、微加热器2、形成于微加热器2表面的气体敏感膜3以及由第一PCB 41、第二PCB 42和支撑体5构成的腔体；红外探测器1与微加热器2相对设置，且分别电连接到第一PCB 41、第二PCB42上；此外，支撑体5上还开设有进气口51和出气口52。
具体地，红外探测器1采用MEMS工艺制作而成。请参阅图2，在本发明的实施例中，红外探测器1包括：
衬底一101，设有沿上下向贯通的隔热腔体一1011；
支撑层一102，形成于衬底一101的上表面；
热电堆单元，形成于支撑层一102上，且局部位于隔热腔体一1011的上方，从下至上依次包括第一热偶层103、第一绝缘层104和第二热偶层105，且第一热偶层103、第二热偶层105通过第一绝缘层104中的通孔一1041连接，以形成热电堆；
第二绝缘层106，覆盖第二热偶层105，且局部刻蚀出通孔二1061以暴露部分第二热偶层105；
红外吸收层107，形成于第二绝缘层106的上表面。
具体地，微加热器2同样采用MEMS工艺制作。请参阅图3，在本发明的实施例中，微加热器2包括：
衬底二201，设有沿上下向贯通的隔热腔体二2011；
支撑层二202，形成于衬底二201的上表面；
加热电阻203和加热电极204，形成于支撑层二202的上表面，且加热电极203位于隔热腔体二2011的上方；
第三绝缘层205，覆盖加热电阻203及加热电极204，并局部刻蚀出通孔三2051以暴露部分加热电极204。
进一步地，衬底101和201为常见的半导体衬底，包括但不限于硅衬底、锗衬底、SOI衬底、GeOI衬底的一种；在本发明的实施例中，衬底101和201均为单晶硅衬底。
进一步地，隔热腔体一1011和隔热腔体二2011的截面形状包括但不限于矩形、梯形的一种，采用干法刻蚀和各向异性湿法腐蚀的方法形成；在本发明的实施例中，隔热腔体一1011和隔热腔体二2011均具有矩形截面，采用干法刻蚀的方法形成。
进一步地，支撑层一102和支撑层二202、第一绝缘层104和第二绝缘层106和第三绝缘层205的材料为氧化硅、氮化硅的一种或两种组合，其中，氧化硅可采用热氧化、低应力化学气相淀积、等离子体化学气相淀积的方法形成，氮化硅可通过低压力化学气相沉积、等离子体化学气相沉积的方法形成；在本发明的实施例中，支撑层一102和支撑层二202均由氧化硅和氮化硅复合而成，其中，氧化硅通过热氧化的方法形成，氮化硅通过低应力化学气相淀积的方法形成，第一绝缘层104、第二绝缘层106和第三绝缘层205的材料均为氧化硅，均通过低应力化学气相淀积的方法形成。
进一步地，第一热偶层103、第二热偶层105、加热电阻203和加热电极204的材料为P型多晶硅、N型多晶硅、金属的一种；其中，P型多晶硅或N型多晶硅通过低应力化学气相淀积、离子注入、退火、刻蚀工艺的组合形成，金属通过剥离工艺形成，或通过先溅射或蒸镀后刻蚀的方法形成；在本发明的实施例中，第一热偶层103的材料为P型多晶硅，第二热偶层105的材料为铝，加热电阻203和加热电极204的材料均为铂，其中，P型多晶硅通过低应力化学气相淀积、硼离子注入、退火、刻蚀工艺的组合形成，铝和铂均通过剥离工艺形成。
具体地，红外吸收层107的材料为氮化硅，或为氮化硅与氧化硅的组合，其中，氧化硅和氮化硅均可通过低应力化学气相淀积、等离子体化学气相淀积的方法形成；在本发明的实施例中，红外吸收层107的材料为氮化硅，通过等离子体化学气相淀积的方法形成。
具体地，气体敏感膜3的材料为金属氧化物，包括但不限于氧化锌、氧化锡、氧化钛、氧化镍、氧化钨的一种，可通过气相法、液相法或固相法的一种形成；实际应用中，可根据待测气体进行材料选择。
具体地，实现红外探测器1与第一PCB 41、微加热器2与第二PCB 42之间电连接的方法为球焊、楔焊的一种，采用的材料包括但不限于金、铜、银、铝的一种；在本发明的实施例中，采用金丝球焊的方法实现电连接。
需要说明的是，本发明的微型气体传感器的工作原理是：待测气体从进气口51通入腔体后，会被气体敏感膜3吸附并发生氧化还原反应，进而引起气体敏感膜3的表面温度发生变化，这一温度变化可以被相对设置的红外探测器1捕捉到，从而实现对待测气体的检测。气体分子与气体敏感膜3反应需要较高的温度，微加热器2的作用正是提供这一温度。
需要说明的是，待测气体分子被气体敏感膜3吸附并发生氧化还原反应，会在气体分子与气体敏感膜3之间引起电子转移，导致气体敏感膜3的电阻率发生变化，传统的金属氧化物半导体气体传感器正是通过检测这一电阻率变化实现对气体的检测，这种方法需要一定的响应时间。本发明通过红外探测器1探测气体敏感膜1的表面温度变化，可实现更快的响应速度。此外，通过在气体敏感膜3的材料中添加铂，钯，铱等贵金属还可降低待测气体分子吸附的活化能，进一步提高传感器的灵敏度和响应时间。
综上所述，本发明的微型气体传感器以采用MEMS技术制造的微加热器和红外探测器为基础，有体积小、成本低、制备简单、容易批量生产等优势；此外，气体分子在敏感膜表面发生反应后，相比现有方案中通过叉指电极探测敏感材料内部的电阻率变化，本发明通过红外探测器探测敏感膜表面的温度变化，可实现更快的响应速度。
所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (8)
1.一种基于热效应的微型气体传感器，其特征在于，包括由第一PCB、第二PCB和支撑体构成的腔体，所述腔体内位于第一PCB上设置红外探测器，所述腔体内位于第二PCB上设置微加热器，所述红外探测器与微加热器相对设置，且分别电连接到第一PCB和第二PCB上；所述微加热器上方设置气体敏感膜；所述支撑体上开设有进气口和出气口；
所述红外探测器采用MEMS工艺制作而成，其结构包括：
衬底一，设有沿上下向贯通的隔热腔体一；
支撑层一，形成于衬底一的上表面；
热电堆单元，形成于支撑层上，且局部位于隔热腔体的上方，从下至上依次包括第一热偶层、第一绝缘层和第二热偶层，且第一热偶层、第二热偶层通过第一绝缘层中的通孔一连接，以形成热电堆；
第二绝缘层，覆盖第二热偶层，且局部刻蚀出通孔二以暴露部分第二热偶层；
红外吸收层，形成于第二绝缘层的上表面；
所述微加热器采用MEMS工艺制作，其结构包括：
衬底二，设有沿上下向贯通的隔热腔体二；
支撑层二，形成于衬底二的上表面；
加热电阻和加热电极，形成于支撑层二的上表面，且加热电极位于隔热腔体二的上方；
第三绝缘层，覆盖加热电阻及加热电极，并局部刻蚀出通孔三以暴露部分加热电极。
2.根据权利要求1所述的一种基于热效应的微型气体传感器，其特征在于，所述衬底一和衬底二为半导体衬底，选自硅衬底、锗衬底、SOI衬底、GeOI衬底中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种基于热效应的微型气体传感器，其特征在于，所述隔热腔体一和隔热腔体二的截面形状包括矩形或梯形，采用干法刻蚀和各向异性湿法腐蚀的方法形成。
4.根据权利要求1所述的一种基于热效应的微型气体传感器，其特征在于，所述支撑层一和支撑层二、第一绝缘层、第二绝缘层和第三绝缘层的材料选自氧化硅、氮化硅中的一种或两种组合，其中，氧化硅采用热氧化、低应力化学气相淀积或等离子体化学气相淀积的方法形成，氮化硅通过低压力化学气相沉积或等离子体化学气相沉积的方法形成。
5.根据权利要求1所述的一种基于热效应的微型气体传感器，其特征在于，所述第一热偶层、第二热偶层、加热电阻和加热电极的材料选自P型多晶硅、N型多晶硅、金属中的一种，其中，P型多晶硅和N型多晶硅通过低应力化学气相淀积、离子注入、退火、刻蚀工艺的组合形成，金属通过剥离工艺形成，或通过先溅射或蒸镀后刻蚀的方法形成。
6.根据权利要求1所述的一种基于热效应的微型气体传感器，其特征在于，所述红外吸收层的材料为氮化硅，或氮化硅与氧化硅的组合，其中，氧化硅和氮化硅均可通过低应力化学气相淀积或等离子体化学气相淀积的方法形成。
7.根据权利要求1所述的一种基于热效应的微型气体传感器，其特征在于，所述气体敏感膜的材料为金属氧化物，包括氧化锌、氧化锡、氧化钛、氧化镍、氧化钨中的一种，通过气相法、液相法或固相法的一种形成。
8.根据权利要求1所述的一种基于热效应的微型气体传感器，其特征在于，实现红外探测器与第一PCB、微加热器与第二PCB之间电连接的方法为球焊、楔焊的一种，采用的材料为金、铜、银、铝中的一种。
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