CN117705890A - 一种集成式气体检测系统及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本申请实施例涉及一种集成式气体检测系统及其制造方法。根据本申请的一些实施例，一种气体检测系统，其包括：入口压电泵单元、出口压电泵单元、以及气体检测单元，气体检测单元的气体通道分别与入口压电泵单元的气体通道和出口压电泵单元的气体通道相连通，气体检测单元在基底上加工而成，入口压电泵单元以及出口压电泵单元均安置于基底上。本申请再一些实施例还涉及制造压电泵的方法，其包括：在衬底上制备压电材料层；以及采用飞秒激光工艺在衬底的背面形成微通道和/或空腔。本申请实施例提供的一种集成式气体检测系统及其制造方法可有效解决传统技术中遇到的问题。

Description

一种集成式气体检测系统及其制造方法

技术领域

本申请实施例大体上涉及半导体技术领域，更具体地，涉及一种集成式气体检测系统及其制造方法。

背景技术

随着智能监测设备的发展，智能手环和智能手表即是一种比较常见的能够进行健康检测的可穿戴设备，被广泛应用，这些设备已不断具有类人嗅觉的功能，不断地要求气体传感器及检测系统集成化、小型化，广泛适用于工业或室内的气体浓度检测、人体呼吸气体的检测等领域。基于对生产与生活两方面的需求，对气体检测系统提出了新的需求。

因此，本申请提出一种集成式气体检测系统及其制造方法。

发明内容

本申请实施例的目的之一在于提供一种集成式气体检测系统及其制造方法，利用半导体工艺制作压电薄膜微泵以实现气体收集功能同时尽可能缩小体积。

本申请一些实施例提供一种气体检测系统，其包括：入口压电泵单元、出口压电泵单元、以及气体检测单元，气体检测单元的气体通道分别与入口压电泵单元的气体通道和出口压电泵单元的气体通道相连通，气体检测单元在基底上加工而成，入口压电泵单元以及出口压电泵单元均安置于基底上。

根据本申请一些实施例，入口压电泵单元包括两个并联的压电泵。

根据本申请一些实施例，出口压电泵单元包括两个串联的压电泵。

本申请另一些实施例还包括一种制造压电泵的方法，其包括：在衬底上制备压电材料层；以及采用飞秒激光工艺在衬底的背面形成微通道和/或空腔。

根据本申请一些实施例，制造压电泵的方法还包括采用飞秒激光工艺在玻璃内部加工流道结构。

根据本申请一些实施例，制造压电泵的方法还包括涂敷凝胶层以形成压电薄膜层。

本申请再一些实施例还提供一种制造气体检测系统的方法，其包括前述制造压电泵的方法。

与现有技术相比，本申请实施例提供的集成式气体检测系统及其制造方法，具有小尺寸、低功耗的特点，可广泛应用于智能检测设备。

附图说明

图 1 为本申请一些实施例的集成式气体检测系统 100 的示意图。

图 2 为本申请另一些实施例的集成式气体检测系统 200 的截面示意图。

图 3 为本申请另一些实施例的压电泵的加工过程示意图。

具体实施方式

为更好的理解本申请实施例的精神，以下结合本申请的部分优选实施例对其作进一步说明。

本申请的实施例将会被详细的描示在下文中。在本申请说明书全文中，将相同或相似的组件以及具有相同或相似的功能的组件通过类似附图标记来表示。在此所描述的有关附图的实施例为说明性质的、图解性质的且用于提供对本申请的基本理解。本申请的实施例不应该被解释为对本申请的限制。

如本文中所使用，术语“大致”、“大体上”、“实质”及“约”用以描述及说明小的变化。当与事件或情形结合使用时，所述术语可指代其中事件或情形精确发生的例子以及其中事件或情形极近似地发生的例子。举例来说，当结合数值使用时，术语可指代小于或等于所述数值的±10%的变化范围，例如小于或等于±5%、小于或等于±4%、小于或等于±3%、小于或等于±2%、小于或等于±1%、小于或等于±0.5%、小于或等于±0.1%、或小于或等于±0.05%。举例来说，如果两个数值之间的差值小于或等于所述值的平均值的±10% (例如小于或等于±5%、小于或等于±4%、小于或等于±3%、小于或等于±2%、小于或等于±1%、小于或等于±0.5%、小于或等于±0.1%、或小于或等于±0.05%)，那么可认为所述两个数值“大体上”相同。

在本说明书中，除非经特别指定或限定之外，相对性的用词例如： “垂直”、“侧面”、 “上部”、“下部”以及其衍生性的用词（例如“上表面”等等）应该解释成引用在讨论中所描述或在附图中所描示的方向。这些相对性的用词仅用于描述上的方便，且并不要求将本申请以特定的方向建构或操作。

另外，有时在本文中以范围格式呈现量、比率和其它数值。应理解，此类范围格式是用于便利及简洁起见，且应灵活地理解，不仅包含明确地指定为范围限制的数值，而且包含涵盖于所述范围内的所有个别数值或子范围，如同明确地指定每一数值及子范围一般。

图 1 为本申请一些实施例的集成式气体检测系统 100 的结构示意图。

如图 1 所示，上图为集成式气体检测系统 100 的俯视结构示意图，下图为横截面示意图，集成式气体检测系统 100 包括：入口压电泵单元 101、出口压电泵单元 102、以及气体检测单元 103，气体检测单元 103 的气体通道分别与入口压电泵单元 101 的气体通道和出口压电泵单元 102 的气体通道相连通，气体检测单元 103 在基底 105 上加工而成，入口压电泵单元 101 以及出口压电泵单元 102均安置于基底 105 上。为保证检测系统高效工作，对气体收集排除微泵进行差异化设计，减小背压，促进气体单向流通。

气体检测单元 103 可包括气体传感器 110，也可包括由多个气体传感器 110，构成的气体传感器阵列 118，气体传感器阵列用于采集相关气体数据，根据需求可沉积不同气敏材料，通过模式识别算法实现气体识别、监控、报警等功能。气体传感器包括 MOS 传感器，气体传感器阵列可集成多种感应材料，对气体检验腔体 119 中各种复杂的气味进行识别，实现电子鼻功能。

集成式气体检测系统还包括数据处理芯片。数据处理芯片控制压电泵工作状态、采集及处理气体传感器数据。

集成式气体检测系统通过压电气泵推送气体，实现气体流量控制的自动化，由于压电微泵工作状态为脉冲式，为实现气体泵送无间断且连续稳定，通过并联多个微泵，控制微泵输入脉冲时序实现气体稳定泵送；通过合理气路设计，将环境样本气体推送至所述气体检测腔体中，实现气体推送。最后通过后置压电泵排除气体实现气体流通。

压电泵工作原理：如图 1 所示，压电材料通以正弦激励，其会产生上下往复振动，当压电材料向上振动时，泵腔 120 的体积增大，腔内气压变小，促使环境气体从入口 121流入；当压电材料向下振动时，泵腔体积减小，腔内气压变大，促使腔内气体从出口 122 排出；为保证气体单向流通，同时尽可能缩小压电泵体积，可将压电泵设计为无阀压电泵，对泵腔出入口设计特殊结构、以控制出入口流阻差、减小气流回流实现气体泵送。

根据本申请一些实施例，可结合飞秒激光工艺加工特斯拉管三维结构，使特斯拉管在 z 方向具有倾斜角度（10°-30°）以增强流阻(也可在出入口流道内部添加三维流阻结构，例如三角柱、环形柱等以增强流阻) ；同时由于压电材料特性，单个微泵在工作时一半时间泵吸、一半时间泵出、为保证气体无间断稳定流量供应，入口压电泵单元可包括并联的两个微泵，控制压电驱动时序，一个微泵在泵吸时，另一个微泵在泵出，实现了气体泵送过程的无间断。

为增强气体检测效率、增加气体流通性，出口压电泵单元可包括串联的多个（例如2 个）压电泵，以增加输出流量，减少背压，促进气体单向导通。

对于 MOS 气体传感器，其工作原理是基于金属氧化物半导体(MOS)的电学特性。当空气中的气体分子与金属氧化物半导体材料接触时，会发生化学反应，导致电子的浓度发生变化，这种变化会导致工作电极上的电阻值发生变化，从而监控气体种类与浓度。

当两个压电泵单元工作一段时间后，环境气体收集、推送至气体检测腔体内，气体检测腔体由不同气体响应的气敏单元组成阵列组成，在混杂气氛中气敏单元阵列响应形成图谱（气味指纹），结合 AI 模式识别算法，并与气味指纹库比对，可识别样品种类并进行分级，进一步丰富智能检测设备的使用功能。

本申请提出的气体检测系统可基于 MEMS 工艺制作。

图 2 为本申请另一些实施例的集成式气体检测系统 200 的截面示意图。

本申请另一些实施例还提供一种制造压电泵的方法，其包括：在衬底 210上制备压电材料层；以及采用飞秒激光工艺在衬底的背面形成微通道和/或空腔。

根据本申请一些实施例，可在玻璃衬底上加工压电微泵，利用飞秒激光对玻璃衬底进行改性处理，刻蚀压电泵出入口通道与腔体结构，采用飞秒激光工艺在玻璃内部加工流道结构，可以增强压电陶瓷在往复震动过程可靠性；在硅基上加工气体传感器阵列，通过键合工艺，将玻璃同硅片键合，集成气体检测系统。

图 3 为本申请另一些实施例的压电泵的加工过程示意图。

压电泵的具体加工过程可参考如下步骤：

(a) 采用 CVD 工艺，在衬底表面沉积一定厚度的氧化层，例如在玻璃基底表面沉积 SiO2，约 200nm，以作为压电材料支撑弹性层，玻璃厚度可为约500um-5000um；

(b) 沉积金属层，例如磁控溅射沉积 Ti/Pt 薄膜，Ti 作为粘结层、Pt 作为下电极材料，厚度分别为约 30nm 和 200nm；

(c) 将 Ti、镐（Zr）和铅（Pb）等盐类溶解在有机溶剂中，经过水解、聚合和缩合反应形成前驱液，并聚合成凝胶，在基底上旋涂凝胶，最后经高温处理形成压电薄膜，并采用干法刻蚀对压电薄膜图形化厚度为约 1.2um；或者为保证其工作寿命采用磁控溅射法制备PZT 薄膜，厚度为约 0.2um，利用溶脱剥离法对其图形化；

(d) 为保证器件具有良好导电性、弹性和抗疲劳特性，上电极为 Cr/Au/Cu复合金属薄膜，并对其图形化，厚度分别为约 0.08um、0.2um、0.5um；

(e)沉积 PI 保护膜保护压电材料，厚度为约 1.1um；

(f)在玻璃背面，调制飞秒激光参数，改性三维流道结构；

(g)在玻璃背面，利用飞秒激光改性压电泵空腔结构；

(h)湿法腐蚀改性后玻璃，形成微流道、与空腔结构。

压电泵采用玻璃衬底，兼容半导体工艺同时，相比较硅基底具有以下优势：

a）由于压电驱动需要往复振动以实现气体驱动，在玻璃衬底上加工压电微泵、相对于硅基芯片的易碎性，玻璃基底可提供较强强度和可靠性；

b)为保证压电气泵性能，其腔体需要一定高度，玻璃基底厚度可控，硅基底通过多片晶圆键合工艺也可实现较大厚度，但气密可靠性低且成本较高；

c)利用飞秒激光技术，通过加工控制参数可实现玻璃表面及内部改性，Si 表面改性容易、内部改性难度很高，同时利用飞秒激光可在玻璃内部刻蚀三维结构，以集成高性能微泵结构；以及

d)材料成本较低，可实现大阵列加工。

气体检测单元的加工过程可参考如下步骤：

（a）如图 2 所示，衬底 205 可选择 6 寸单晶硅衬底，选择（100）晶向，目的是用于湿法腐蚀各向异性的硅，形成隔热空腔；

（b）支撑层 SiO2制备，SiO2通过热氧化工艺生长，热氧化制备的致密度好，应力小，且抗腐蚀性较小；

（c）支撑层 SiNx-SiO2制备，通过低压化学气相沉积（LPCVD）工艺生长，LPCVD 沉积的 SiNx-SiO2 膜；

（d）加热电极的制备，磁控溅射金属 Pt 后采用常规的干法刻蚀工艺，刻蚀电极形貌；

（e）绝缘层制备，绝缘层 SiO2通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)工艺生长，保证加热电极与测试电极的良好绝缘；

（f）测试电极制备，测试电极由金属 Pt 形成叉指电极构成，采用常规的刻蚀工艺；

（g）释放孔刻蚀，通过刻蚀绝缘层和支撑层的介质膜，形成释放孔；

（h）用 TMAH 进行正面硅槽的各向异性腐蚀，形成悬空结构；以及

（i） 采用丝网印刷工艺，沉积气敏材料。

本申请再一些实施例还提供一种制造气体检测系统的方法，其包括前述的制造压电泵的方法。可利用键合工艺，将硅基气体检测单元-玻璃衬底压电微泵单元键合形成集成式气体检测系统，具有低功耗，小尺寸的特点。

本申请提出的集成式气体检测系统，可广泛应用于小型智能检测设备，实现仿造人类的嗅觉系统，将传感技术与模式识别技术、计算机技术等有机地结合在一起，在若干种混合气体复杂的环境中快速地识别出各种气体的浓度，并作出定量分析，及时报警。

本申请的技术内容及技术特点已揭示如上，然而熟悉本领域的技术人员仍可能基于本申请的教示及揭示而作种种不背离本申请精神的替换及修饰。因此，本申请的保护范围应不限于实施例所揭示的内容，而应包括各种不背离本申请的替换及修饰，并为本专利申请权利要求书所涵盖。

Claims (7)

1.一种气体检测系统，其包括：入口压电泵单元、出口压电泵单元、以及气体检测单元，所述气体检测单元的气体通道分别与所述入口压电泵单元的气体通道和所述出口压电泵单元的气体通道相连通，所述气体检测单元在基底上加工而成，所述入口压电泵单元以及所述出口压电泵单元均安置于所述基底上。

2.根据权利要求 1 所述的气体检测系统，其中，所述入口压电泵单元包括两个并联的压电泵。

3.根据权利要求 1 所述的气体检测系统，其中，所述出口压电泵单元包括两个串联的压电泵。

4.一种制造压电泵的方法，其包括：在衬底上制备压电材料层；以及采用飞秒激光工艺在所述衬底的背面形成微通道和/或空腔。

5.根据权利要求 4 所述的方法，其还包括：采用飞秒激光工艺在玻璃内部加工流道结构。

6.根据权利要求 4 所述的方法，其还包括：涂敷凝胶层以形成压电薄膜层。

7.一种制造气体检测系统的方法，其包括根据前述权利要求 4-6 中任一权利要求所述的制造压电泵的方法。