CN116087282A - 一种mems气体传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种MEMS气体传感器，涉及气体测量领域，该传感器，包括：传感器本体、测试电极、加热电极、气敏薄膜、腐蚀窗口和植球部；传感器本体由底到顶依次包括：第一绝缘层、第一衬底、介质层和第二绝缘层；传感器本体上开设有多个硅通孔；多个硅通孔围成测试区域；加热电极位于介质层的上方且与对应的第一硅通孔连接；第二绝缘层覆盖加热电极；测试电极位于第二绝缘层上方且贯穿第二绝缘层与对应的第二硅通孔连接；加热电极为蛇形电极；测试电极为叉指电极；在传感器本体对应的测试区域的边缘处由顶向底刻蚀至衬底内部，得到边缘的刻蚀区和中间的目标区域；刻蚀区设置腐蚀窗口；目标区域设置气敏薄膜。本发明能提高传感器的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及气体测量领域，特别是涉及一种MEMS气体传感器。
背景技术
气体传感器作为感知环境重要媒介，已得到了长足的发展，并被广泛应用于环境、医疗、化工、国防等重要领域，成为微电子器件领域发展的重要方向之一。随着微纳加工技术的不断进步，气体传感器也逐渐走向高级程度与微型化。
随着制造水平的提高，微机电系统(Micro Electro Mechanical System，MEMS)技术被逐渐应用于气体传感器领域。相比于传统传感器，MEMS传感器体积更小、重量更轻、功耗更低、成本更低，更加适用于在智能设备与可穿戴设备上的集成。因此，MEMS气体传感器逐渐成为该领域的重要方向之一。
目前，MEMS气体传感器的稳定性仍有待提高。
发明内容
基于此，本发明实施例提供一种MEMS气体传感器，以提高稳定性。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种MEMS气体传感器，包括：传感器本体、测试电极、加热电极、气敏薄膜、腐蚀窗口和植球部；
所述传感器本体由底到顶依次包括：第一绝缘层、第一衬底、介质层和第二绝缘层；所述传感器本体上开设有多个硅通孔；所述硅通孔贯穿所述第一绝缘层、所述第一衬底和所述介质层；在所述第一绝缘层靠近所述硅通孔处设置所述植球部；
多个所述硅通孔围成测试区域；所述硅通孔包括第一硅通孔和第二硅通孔；所述加热电极位于所述介质层的上方且与对应的所述第一硅通孔连接；所述第二绝缘层覆盖所述加热电极；所述测试电极位于所述第二绝缘层上方且贯穿所述第二绝缘层与对应的所述第二硅通孔连接；所述加热电极为蛇形电极；所述测试电极为叉指电极；
在所述传感器本体对应的测试区域的边缘处由顶向底刻蚀至所述衬底内部，得到边缘的刻蚀区和中间的目标区域；所述刻蚀区设置所述腐蚀窗口；所述目标区域设置所述气敏薄膜；所述加热电极和所述测试电极均覆盖所述目标区域。
可选地，所述MEMS气体传感器，还包括：盖帽层；所述盖帽层位于所述传感器本体的顶部。
可选地，所述盖帽层，包括：第二衬底和键合环；
所述第二衬底由顶向底开设通气孔；在所述通气孔的底端侧的周围开设凹槽；所述键合环位于所述第二衬底的底部；所述键合环的直径均大于所述通气孔的直径和所述凹槽的直径；所述第二衬底通过所述键合环设置在所述传感器本体的顶部，使所述气敏薄膜通过所述通气孔暴露在环境中。
可选地，所述介质层由底到顶依次包括：第一氧化硅层、氮化硅层和第二氧化硅层。
可选地，所述植球部，包括：位于所述硅通孔处的植球电极以及位于所述植球电极底部的植球。
可选地，所述介质层为ONO介质层。
可选地，所述测试电极和所述加热电极的材料均为钛或铂。
可选地，所述第一衬底和所述第二衬底的材料均为硅。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明实施例提出了一种MEMS气体传感器，包括：传感器本体、测试电极、加热电极、气敏薄膜、腐蚀窗口和植球部，加热电极采用蛇形电极，蛇形结构与上层结构接触面积大，且结构对称，分布均匀，有利于气敏薄膜的均匀加热，能提高传感器的稳定性；测试电极为叉指电极，可以快速建立稳态信号，并能有效降低气敏薄膜在工作环境下的初始电阻值，从而提高传感器的稳定性。因此，本发明能提高传感器的稳定性。
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，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的MEMS气体传感器的剖面结构图；
图2为本发明实施例提供的加热电极、测试电极以及气敏薄膜的相对位置示意图；
图3为本发明实施例提供的盖帽层的结构示意图。
符号说明：
传感器本体-1，测试电极-2，加热电极-3，气敏薄膜-4，腐蚀窗口-5，第一绝缘层-6，第一衬底-7，第二绝缘层-8，硅通孔-9，第二衬底-10，键合环-11，第一氧化硅层-12，氮化硅层-13，第二氧化硅层-14，植球电极-15，植球-16，通气孔-17，凹槽-18。
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，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。基于本发明中的实施例，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。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明实施例提供的MEMS气体传感器的结构图。参见图1，本实施例的MEMS气体传感器，包括：传感器本体1、测试电极2、加热电极3、气敏薄膜4、腐蚀窗口5和植球部。
所述传感器本体1由底到顶依次包括：第一绝缘层6、第一衬底7、介质层和第二绝缘层8；所述传感器本体1上开设有多个硅通孔9；所述硅通孔9贯穿所述第一绝缘层6、所述第一衬底7和所述介质层；在所述第一绝缘层6靠近所述硅通孔9处设置所述植球部。
多个所述硅通孔9围成测试区域；所述硅通孔9包括第一硅通孔和第二硅通孔；所述加热电极3位于所述介质层的上方且与对应的所述第一硅通孔连接；所述第二绝缘层8覆盖所述加热电极3；所述测试电极2位于所述第二绝缘层8上方且贯穿所述第二绝缘层8与对应的所述第二硅通孔连接；所述加热电极3为蛇形电极；所述测试电极2为叉指电极。
在所述传感器本体1对应的测试区域的边缘处由顶向底刻蚀至所述衬底内部，得到边缘的刻蚀区和中间的目标区域；所述刻蚀区设置所述腐蚀窗口5；所述目标区域设置所述气敏薄膜4；所述加热电极3和所述测试电极2均覆盖所述目标区域。加热电极3、测试电极2以及气敏薄膜4的相对位置如图2所示。
加热电极3采用蛇形电极，蛇形电极与上层结构接触面积大，且结构对称，分布均匀，有利于气敏薄膜4的均匀加热，提高传感器的稳定性；测试电极2采用叉指电极形状，可以快速建立稳态信号，并能有效降低气敏薄膜4在工作环境下的初始电阻值，提高传感器的稳定性；腐蚀窗口5的设置使得传感器更加适用于腐蚀性工业环境，能够限制腐蚀。
在一个示例中，所述MEMS气体传感器，还包括：盖帽层；所述盖帽层位于所述传感器本体1的顶部。
参见图3，所述盖帽层，包括：第二衬底10和键合环11。
所述第二衬底10由顶向底开设通气孔17；在所述通气孔17的底端侧的周围开设凹槽18；所述键合环11位于所述第二衬底10的底部；所述键合环11的直径均大于所述通气孔17的直径和所述凹槽18的直径；所述第二衬底10通过所述键合环11设置在所述传感器本体1的顶部，使所述气敏薄膜4通过所述通气孔暴露在环境中。
在另一个示例中，所述介质层由底到顶依次包括：第一氧化硅层12、氮化硅层13和第二氧化硅层14。
在又一个示例中，所述植球部，包括：位于所述硅通孔处的植球电极15以及位于所述植球电极15底部的植球16。
在又一个示例中，所述气敏薄膜4可以为纳米敏感薄膜。所述介质层可以为ONO介质层。所述测试电极2和所述加热电极3的材料可以为钛或铂等。所述第一衬底7和所述第二衬底10的材料可以为硅。
此外，本实施例的传感器是采用在晶圆上的平面分布设计实现的：在考虑晶圆级封装的工艺兼容性和加工技术精度基础上，对传感器平面分布进行合理设计，提高晶圆上阵列传感器的单元密度，提升整体加工效率。
本实施例的MEMS气体传感器的工作原理如下：
加热电极3用于在通电时产生热量，这些热量能够对气敏薄膜4进行加热，对气敏薄膜4的温度进行调节，使得气敏薄膜4在传感器工作过程中处于工作温度，保证气敏薄膜4可以与气体分子进行特异性结合。第二绝缘层8用于隔绝测试电极2和加热电极3，使得测试电极2和加热电极3互不联通。其中，第二绝缘层8的材料可以为氧化硅、氮化硅等绝缘材料。环境中气体的种类和浓度不同，气敏薄膜4与气体分子的特异性结合存在差异，使得气敏薄膜4的电阻存在差异，在监测过程中向测试电极2施加恒压并测量流过测试电极2的电流值，由于气敏薄膜4因与气体分子的特异性结合导致其电阻存在差异，使得检测到的测试电极2的电流值会发生变化，基于电流值的变化可以确定出气敏薄膜4阻值的变化，进而可以对与气敏薄膜4结合的气体的种类和浓度进行识别。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (8)
1.一种MEMS气体传感器，其特征在于，包括：传感器本体、测试电极、加热电极、气敏薄膜、腐蚀窗口和植球部；
所述传感器本体由底到顶依次包括：第一绝缘层、第一衬底、介质层和第二绝缘层；所述传感器本体上开设有多个硅通孔；所述硅通孔贯穿所述第一绝缘层、所述第一衬底和所述介质层；在所述第一绝缘层靠近所述硅通孔处设置所述植球部；
多个所述硅通孔围成测试区域；所述硅通孔包括第一硅通孔和第二硅通孔；所述加热电极位于所述介质层的上方且与对应的所述第一硅通孔连接；所述第二绝缘层覆盖所述加热电极；所述测试电极位于所述第二绝缘层上方且贯穿所述第二绝缘层与对应的所述第二硅通孔连接；所述加热电极为蛇形电极；所述测试电极为叉指电极；
在所述传感器本体对应的测试区域的边缘处由顶向底刻蚀至所述衬底内部，得到边缘的刻蚀区和中间的目标区域；所述刻蚀区设置所述腐蚀窗口；所述目标区域设置所述气敏薄膜；所述加热电极和所述测试电极均覆盖所述目标区域。
2.根据权利要求1所述的一种MEMS气体传感器，其特征在于，还包括：盖帽层；所述盖帽层位于所述传感器本体的顶部。
3.根据权利要求2所述的一种MEMS气体传感器，其特征在于，所述盖帽层，包括：第二衬底和键合环；
所述第二衬底由顶向底开设通气孔；在所述通气孔的底端侧的周围开设凹槽；所述键合环位于所述第二衬底的底部；所述键合环的直径均大于所述通气孔的直径和所述凹槽的直径；所述第二衬底通过所述键合环设置在所述传感器本体的顶部，使所述气敏薄膜通过所述通气孔暴露在环境中。
4.根据权利要求1所述的一种MEMS气体传感器，其特征在于，所述介质层由底到顶依次包括：第一氧化硅层、氮化硅层和第二氧化硅层。
5.根据权利要求1所述的一种MEMS气体传感器，其特征在于，所述植球部，包括：位于所述硅通孔处的植球电极以及位于所述植球电极底部的植球。
6.根据权利要求1所述的一种MEMS气体传感器，其特征在于，所述介质层为ONO介质层。
7.根据权利要求1所述的一种MEMS气体传感器，其特征在于，所述测试电极和所述加热电极的材料均为钛或铂。
8.根据权利要求3所述的一种MEMS气体传感器，其特征在于，所述第一衬底和所述第二衬底的材料均为硅。
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