CN113984845A - 一种氢气检测芯片及制造方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种氢气检测芯片及制造方法，其中，一种氢气检测芯片，包括硅基底层和位于硅基底层上的绝缘层，绝缘层上设置有电阻单元；电阻单元包括压敏电阻、加热电阻、测温电阻和氢敏电阻；硅基底层的内部开设出空腔；压敏电阻设置在空腔的边缘位置，加热电阻、测温电阻和氢敏电阻靠近空腔的中部位置设置。通过在硅基底层内开设空腔，将绝缘层上的压敏电阻设置在空腔的边缘位置，再结合加热电阻、测温电阻和氢敏电阻，本发明实现了一颗芯片同时具备加热、测温、氢气检测和压力检测功能，进而能够直接根据压力变化值对氢气浓度输出值进行校准，得到真实环境中的氢气浓度值。

Description

一种氢气检测芯片及制造方法
技术领域
本申请涉及氢气检测技术领域，特别涉及一种氢气检测芯片及制造方法。
背景技术
钯合金薄膜检测氢气原理为：钯合金薄膜电阻吸收氢原子后，导致其电阻值变化。根据Sievert定理：双原子分子在固体中的溶解度与其压力的平方根成正比，即
Figure BDA0003319865430000011
其中C为氢原子在钯原子中的溶解度，K为Sievert常数，P为环境中氢气分压。所以，传感器的检测结果只有在考虑压强变化时才是可靠的。
然而现有技术中，钯合金薄膜氢气传感器没有考虑压强对氢气检测结果的影响。以利用氢气传感器检测变压器绝缘油中溶解氢的浓度值为例，目前设备厂商为了减少油压变化导致的误差，想尽办法加装一个压力传感器，但是变压器套管狭窄的空间使加装压力传感器非常困难。另外，一些特高压变压器套管长达数米，传感器一般安装于其底部，此处油压相对于液面处约高了一个大气压，传感器若不事先单独校准，示数也会有误差。
发明内容
本申请提供一种氢气检测芯片及制造方法，能够在输出端直接根据压力变化值对氢气浓度输出值进行校准，至少避免检测结果失效、检测结果误差大、额外增加传感器困难的问题。
本发明实施例提供了一种氢气检测芯片，包括：
硅基底层和位于硅基底层上的绝缘层，绝缘层上设置有电阻单元；
电阻单元包括压敏电阻、加热电阻、测温电阻和氢敏电阻；
硅基底层的内部开设出空腔；压敏电阻设置在空腔的边缘位置，加热电阻、测温电阻和氢敏电阻靠近空腔的中部位置设置。
可选的，该氢气检测芯片还包括连接电阻；连接电阻分别与压敏电阻、加热电阻、测温电阻和氢敏电阻相连。
可选的，该氢气检测芯片还包括与连接电阻相连的焊盘区。
可选的，焊盘区内的焊盘集中分布于同一侧。
可选的，该氢气检测芯片还包括保护层；保护层覆盖电阻单元和连接电阻。
可选的，压敏电阻的材质为掺杂硅；压敏电阻与连接电阻相接触区域的掺杂浓度大于压敏电阻其它区域的掺杂浓度；其它区域是指未与连接电阻相接触的区域。
可选的，氢敏电阻的材质为钯合金。
可选的，加热电阻、测温电阻、连接电阻和焊盘区的材质均为铂。
本发明实施例提供了一种氢气检测芯片制造方法，包括：
对带有绝缘层的硅衬底中的硅顶层进行压敏电阻成型处理，得到压敏电阻；带有绝缘层的硅衬底包括硅基底层、绝缘层和硅顶层；
在绝缘层上分别形成氢敏电阻、加热电阻和测温电阻；压敏电阻、加热电阻、测温电阻和氢敏电阻构成电阻单元；
在硅基底层的内部开设出空腔；空腔的边缘靠近压敏电阻，空腔的中部位置靠近加热电阻、测温电阻和氢敏电阻。
可选的，在绝缘层上形成与电阻单元相连的连接电阻和与连接电阻相连的焊盘区；在绝缘层上生长一层保护层，并去除焊盘区上的保护层，以暴露焊盘区。
本发明的有益效果是：通过在硅基底层内开设空腔，并将绝缘层上的压敏电阻设置在空腔的边缘位置，制作出带有压力检测功能的氢气检测芯片。再结合加热电阻、测温电阻和氢敏电阻，实现一颗芯片同时具备加热、测温、氢气检测和压力检测功能。进而在实际使用芯片时，能够在输出端直接根据压力变化值对氢气浓度输出值进行校准，得到真实环境中的氢气浓度值。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案和优点，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的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。
图1是本发明实施例提供的一种氢气检测芯片的俯视示意图；
图2是图1在A-A处的剖视图；为方便理解，将焊盘区移到了图2，同时对压敏电阻、加热电阻、测温电阻和氢敏电阻作了简化处理，只突出各个部分的相对位置；
图3是本发明实施例提供的一种压敏电阻和空腔配合工作的示意图；
图4是本发明实施例提供的一种氢气检测芯片制备方法的流程示意图。
图中附图标记对应为：1-硅基底层；2-绝缘层；3-压敏电阻；4-加热电阻；5-测温电阻；6-氢敏电阻；7-焊盘区；8-保护层；9-基板；101-空腔；301-压敏电阻与连接电阻相接触区域。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或服务器不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
实施例一
请参阅图1和图2，图1是本发明实施例提供的一种氢气检测芯片的俯视示意图，图2是图1在A-A处的剖视图。该氢气检测芯片包括硅基底层1和位于硅基底层1上的绝缘层2，绝缘层2上设置有电阻单元。电阻单元包括压敏电阻3、加热电阻4、测温电阻5和氢敏电阻6，可选的，压敏电阻3的材质为掺杂硅，厚度为0.1-10微米；加热电阻4和测温电阻5的材质均为铂，厚度均为10-1000纳米；氢敏电阻6的材质为钯合金，厚度为10-1000纳米。
硅基底层1的内部开设出空腔101，可选的，空腔101形状为圆形，直径为0.2-2毫米。压敏电阻3设置在空腔101的边缘位置，当外界压力变化时，此处形变量最大，便于感测压力信号。如图3(a)所示，当外部环境为常压时，压敏电阻3无形变，无压力信号输出；如图3(b)所示，当外部环境压强增大时，压敏电阻3发生形变，有压力信号值输出。相反，加热电阻4、测温电阻5和氢敏电阻6则靠近空腔101的中部位置设置，此处温场分布均匀，氢敏感测值稳定。
该氢气检测芯片还包括连接电阻，连接电阻分别与压敏电阻3、加热电阻4、测温电阻5和氢敏电阻6相连。另外，该氢气检测芯片还包括与连接电阻相连的焊盘区7。也即，电阻单元通过连接电阻和焊盘区7相连。具体地，焊盘区7内的焊盘集中分布于同一侧，便于在该芯片往基板9上绑线后，对焊线进行封胶保护。可选的，连接电阻和焊盘区7的材质均为铂。
作为一种具体的实施方式，压敏电阻3的材质为掺杂硅。显然，掺杂浓度不同，表现出来的电性能也不同。为了兼顾压敏性能和连接性能，压敏电阻与连接电阻相接触区域301的掺杂浓度大于压敏电阻3其它区域的掺杂浓度。其中，其它区域是指未与连接电阻相接触的区域。因此，该压敏电阻与连接电阻相接触区域301可以称为重掺杂欧姆接触区。
如图2所示，该氢气检测芯片还包括保护层8，保护层8用于覆盖电阻单元和连接电阻。可选的，保护层8的材质为氧化硅或氮化硅，厚度为10-1000纳米。
综上所述，芯片在实际使用时，测温电阻5用于实时监控芯片温度，并反馈给加热电阻4来控温，使芯片工作在稳定温度条件下，一般为60-150℃。空腔101远离绝缘层2的一面涂有固晶胶，用于将芯片粘接在基板9上。如此，空腔101成为密闭状态，空腔101内压强即为恒定的1个标准大气压。在外围气压不变时，空腔101无形变，压敏电阻3无信号输出，氢敏电阻6输出值即为真实的环境氢气浓度值。当外部气压改变(通常是增大)时，空腔101因承受压力而发生下凹形变，此时压敏电阻3有信号输出，压敏电阻3输出值为当前环境压力值。根据该环境压力值，对氢敏电阻6输出值做修正，从而得到真实的环境氢气浓度值。
实施例二
本发明实施例提供一种氢气检测芯片制造方法，图4所示的该制备方法包括：
S201：对带有绝缘层2的硅衬底中的硅顶层进行压敏电阻3成型处理，得到压敏电阻3。
带有绝缘层2的硅衬底(Silicon-On-Insulator，简称SOI)包括硅基底层1、绝缘层2和硅顶层。作为一种具体的实施方式，硅顶层的厚度为0.1-10微米，压敏电阻3成型处理包括光刻、离子注入、退火；或光刻、扩散、退火。
S202：在绝缘层2上形成氢敏电阻6。
作为一种具体的实施方式，利用磁控溅射或电子束蒸发设备，在绝缘层2上生长一层钯合金薄膜，厚度为10-1000纳米。对钯合金薄膜进行氢敏电阻6成型处理，得到氢敏电阻6。其中，氢敏电阻6成型处理包括光刻、刻蚀；或光刻、剥离。
S203：在绝缘层2上分别形成加热电阻4、测温电阻5、与电阻单元相连的连接电阻和与连接电阻相连的焊盘区7。
作为一种具体的实施方式，利用磁控溅射或电子束蒸发设备，在绝缘层2上生长一层铂薄膜，厚度为10-1000纳米。对铂薄膜进行铂电阻成型处理，分别得到加热电阻4、测温电阻5、连接电阻和焊盘区7。其中，铂电阻成型处理包括光刻、刻蚀；或光刻、剥离。
压敏电阻3、加热电阻4、测温电阻5和氢敏电阻6构成电阻单元，且本发明实施例对S202和S203的执行顺序没有要求。
S204：在绝缘层2上生长一层保护层8，并去除焊盘区7上的保护层8，以暴露焊盘区7。
作为一种具体的实施方式，利用等离子体增强化学的气相沉积法(PlasmaEnhanced Chemical Vapor Deposition，简称PECVD)生长一层氧化硅或氮化硅作为保护层8，厚度为10-1000纳米。再通过光刻和刻蚀，将焊盘区7上的保护层8去除。
S205：在硅基底层1的内部开设出空腔101；空腔101的边缘靠近压敏电阻3，空腔101的中部位置靠近加热电阻4、测温电阻5和氢敏电阻6。
作为一种具体的实施方式，利用光刻和深硅刻蚀工艺在硅基底层1开设出空腔101，并使空腔101的边缘靠近压敏电阻3，空腔101的中部位置靠近加热电阻4、测温电阻5和氢敏电阻6。
由上述本发明提供的实施例可见，本发明通过在硅基底层内开设空腔，并将绝缘层上的压敏电阻设置在空腔的边缘位置，制作出带有压力检测功能的氢气检测芯片。再结合加热电阻、测温电阻和氢敏电阻，实现一颗芯片同时具备加热、测温、氢气检测和压力检测功能。进而在实际使用芯片时，能够在输出端直接根据压力变化值对氢气浓度输出值进行校准，得到真实环境中的氢气浓度值。
需要说明的是：上述本申请实施例先后顺序仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。且上述对本说明书特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于设备实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
以上所述仅为本申请的较佳实施例，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种氢气检测芯片，其特征在于：包括硅基底层(1)和位于所述硅基底层(1)上的绝缘层(2)，所述绝缘层(2)上设置有电阻单元；
所述电阻单元包括压敏电阻(3)、加热电阻(4)、测温电阻(5)和氢敏电阻(6)；
所述硅基底层(1)的内部开设出空腔(101)；所述压敏电阻(3)设置在所述空腔(101)的边缘位置，所述加热电阻(4)、所述测温电阻(5)和所述氢敏电阻(6)靠近所述空腔(101)的中部位置设置。
2.根据权利要求1所述的氢气检测芯片，其特征在于，还包括连接电阻；
所述连接电阻分别与所述压敏电阻(3)、所述加热电阻(4)、所述测温电阻(5)和所述氢敏电阻(6)相连。
3.根据权利要求2所述的氢气检测芯片，其特征在于，还包括与所述连接电阻相连的焊盘区(7)。
4.根据权利要求3所述的氢气检测芯片，其特征在于，所述焊盘区(7)内的焊盘集中分布于同一侧。
5.根据权利要求1所述的氢气检测芯片，其特征在于，还包括保护层(8)；
所述保护层(8)覆盖所述电阻单元和所述连接电阻。
6.根据权利要求2所述的氢气检测芯片，其特征在于，所述压敏电阻(3)的材质为掺杂硅；
所述压敏电阻与所述连接电阻相接触区域(301)的掺杂浓度大于所述压敏电阻(3)其它区域的掺杂浓度；所述其它区域是指未与所述连接电阻相接触的区域。
7.根据权利要求1所述的氢气检测芯片，其特征在于，所述氢敏电阻(6)的材质为钯合金。
8.根据权利要求3所述的氢气检测芯片，其特征在于，所述加热电阻(4)、所述测温电阻(5)、所述连接电阻和所述焊盘区(7)的材质均为铂。
9.一种氢气检测芯片制造方法，其特征在于，包括：
对带有绝缘层(2)的硅衬底中的硅顶层进行压敏电阻(3)成型处理，得到压敏电阻(3)；所述带有绝缘层(2)的硅衬底包括硅基底层(1)、绝缘层(2)和硅顶层；
在所述绝缘层(2)上分别形成氢敏电阻(6)、加热电阻(4)和测温电阻(5)；所述压敏电阻(3)、加热电阻(4)、测温电阻(5)和氢敏电阻(6)构成电阻单元；
在所述硅基底层(1)的内部开设出空腔(101)；所述空腔(101)的边缘靠近所述压敏电阻(3)，所述空腔(101)的中部位置靠近所述加热电阻(4)、所述测温电阻(5)和所述氢敏电阻(6)。
10.根据权利要求9所述的氢气检测芯片制造方法，其特征在于，在所述硅基底层(1)的内部开设出空腔(101)之前，还包括：
在所述绝缘层(2)上形成与所述电阻单元相连的连接电阻和与所述连接电阻相连的焊盘区(7)；
在所述绝缘层(2)上生长一层保护层(8)，并去除所述焊盘区(7)上的保护层(8)，以暴露所述焊盘区(7)。
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