CN117871601A - 一种恒温热导率气体传感器及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种恒温热导率气体传感器及制备方法，包括衬底、位于所述衬底上的绝缘层、位于所述绝缘层上的温控层与位于所述温控层上的保护层；所述温控层包括至少一个加热单元、多个制冷单元与多个测温单元，所述多个制冷单元位于所述加热单元的两侧，所述多个测温单元位于所述加热单元的两侧，且所述制冷单元和所述测温单元交替排布。本发明采用制冷单元进行主动降温，与加热单元、测温单元共同配合，使得恒温热导率气体传感器整体的工作温度达到实时稳定，且极大地减少了恒温热导率气体传感器恢复温度平衡的时间，也大大提高了温度控制的均匀性，有利于提升恒温热导率气体传感器进行气体检测的及时性和准确度，降低安全隐患。

Description

一种恒温热导率气体传感器及制备方法

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种恒温热导率气体传感器及制备方法。

背景技术

利用气体热导率不同进行气体浓度测试，是一种常见的气体检测方式，但由于不同温度下气体热导率会变化，导致许多非恒温工作模式下的传感器检测准确度下降。所以，为获得高精度气体检测结果，需要恒温工作电路，使热导率气体传感器的工作温度不会随环境温度变化而变化。

现有技术中实现恒温工作方式的电路，通常只能依靠控制加热电流或电压大小、或者通断电时间，当气体传感器的温度高于工作温度时，就只能依靠自然降温；则当环境温度骤变时，有效读出数据会出现延迟，不能及时反馈精确气体浓度值；若用于检测高危险气体(如氢气)，读出数据延迟有可能造成极严重的安全隐患。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明提供了一种恒温热导率气体传感器及制备方法，具体技术方案如下：

本发明提供的一种恒温热导率气体传感器，包括衬底、位于所述衬底上的绝缘层、位于所述绝缘层上的温控层与位于所述温控层上的保护层；

所述温控层包括至少一个加热单元、多个制冷单元与多个测温单元，所述多个制冷单元位于所述加热单元的两侧，所述多个测温单元位于所述加热单元的两侧，且所述制冷单元和所述测温单元交替排布。

进一步地，所述制冷单元包括多组热电偶，每组所述热电偶中其一的材料为第一掺杂多晶硅，另一的材料包括第二掺杂多晶硅和金属中的至少一种，所述第一掺杂多晶硅与所述第二掺杂多晶硅互为反型。

进一步地，所述制冷单元包括第一端与第二端，所述第一端远离所述加热单元设置，用于与外部电源电性连接；所述第二端靠近所述加热单元设置，用于在所述第一端上施加电压的情况下吸收热量。

进一步地，所述衬底设有绝热腔，所述绝热腔开设于所述衬底背离所述绝缘层的表面；所述绝热腔位于所述制冷单元的第二端和所述加热单元的下方，且所述制冷单元的第一端位于所述绝热腔以外。

进一步地，所述恒温热导率气体传感器包括至少一组焊盘组件，所述焊盘组件位于所述温控层的两侧；

所述焊盘组件包括第一焊盘、第二焊盘与第三焊盘，所述第一焊盘与所述加热单元电性连接，所述第二焊盘与所述制冷单元电性连接，所述第三焊盘与所述测温单元电性连接。

进一步地，所述保护层设有至少一个连接窗口，所述至少一个连接窗口贯穿所述保护层，用于供所述焊盘组件与外部电源电性连接。

优选地，所述加热单元的材料包括多晶硅和金属材料中的至少一种，所述金属材料包括铝、钛、金、铂和硅铝合金中的至少一种。

进一步地，所述测温单元采用热电堆或者热电阻。

进一步地，所述恒温热导率气体传感器满足以下特征中的至少其一：

所述绝缘层的材料包括氧化硅、氮化硅中的一种或多种的复合；

所述保护层的材料包括氧化硅、氮化硅中的一种或多种的复合。

本发明还提供了一种恒温热导率气体传感器的制备方法，包括：

提供表面具有绝缘层的衬底；

在所述绝缘层上形成温控层；所述温控层包括至少一个加热单元、多个制冷单元与多个测温单元，所述多个制冷单元位于所述加热单元的两侧，所述多个测温单元位于所述加热单元的两侧，且所述制冷单元和所述测温单元交替排布；

在形成有所述温控层的绝缘层上形成保护层。

实施本发明，具有如下有益效果：

本发明采用制冷单元进行主动降温，该制冷单元与加热单元、测温单元共同配合，使得温控层以及恒温热导率气体传感器整体的工作温度达到实时稳定，相比于现有依靠自然降温恢复温度平衡的方式，极大地减少了恒温热导率气体传感器恢复温度平衡的时间，有利于提升恒温热导率气体传感器的及时性和准确度，降低安全隐患；同时，制冷单元分布于加热单元两侧，且与测温单元交替排布，能够大大提高温度控制的均匀性，有利于进一步提升气体检测的精确度和可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例中所使用的附图作简单的介绍，其中相同的零部件用相同的附图标记表示。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的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。

图1为本发明实施例提供的一种恒温热导率气体传感器的结构剖面图；

图2为本发明实施例提供的一种恒温热导率气体传感器中温控层的俯视图；

图3为图2中温控层的局部结构放大图；

图4为本发明实施例提供的一种恒温热导率气体传感器的制备方法的逻辑图。

其中，图中附图标记对应为：

1-衬底，11-绝热腔，2-绝缘层，3-温控层，31-加热单元，32-制冷单元，320-第一端，321-第二端，33-测温单元，4-保护层，5-焊盘组件，51-第一焊盘，52-第二焊盘，53-第三焊盘。

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，本申请的描述中，对于以下定义的术语，除非在权利要求书或本说明书中的其他地方给出一个不同的定义，否则应当应用这些定义。所有数值无论是否被明确指示，在此均被定义为由术语“约”修饰。术语“约”大体上是指一个数值范围，本领域的普通技术人员将该数值范围视为等同于所陈述的值以产生实质上相同的性质、功能、结果等。由一个低值和一个高值指示的一个数值范围被定义为包括该数值范围内包括的所有数值以及该数值范围内包括的所有子范围。

需要说明的是，本申请的描述中，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。

需要说明的是，在本申请的描述中，术语“在…上”、“在…之上”、“在…上面”、“在…上方”的含义应该以最广义的方式解释，意味着包含这些术语的描述解释为“部件可以以直接接触的方式设置在另一部件上，也可以在部件与部件之间存在中间部件或层”。此外，为了便于描述，本申请还可能使用诸如“在…下”、“在…下方”、“在…之下”、“在…上”、“在…之上”、“在…上方”、“下部”、“上部”等空间相对术语来描述一个元件或部件与附图中所示的另一元件或部件的关系。除了在图中描述的方位之外，空间相对术语还意图涵盖装置在使用或操作中的不同方位。设备可以以其他方式定向(旋转90°或以其他定向)，并且在本申请中使用的空间相对描述语可以被同样地相应地解释。

本申请中所使用的术语“层”是指包括具有一定厚度的区域的材料部分。层可以在整个下层或上层结构上延伸，或者可以在下层或上层结构的局部范围延伸。此外，层可以是均质或不均质连续结构的区域，其厚度小于连续结构的厚度。例如，层可以位于连续结构的顶表面和底表面之间或在其之间的任何一对水平平面之间。层可以水平地、垂直地和/或沿着锥形表面延伸。一层可以包括多层。例如，重布线层可以包括一个或多个掺杂或未掺杂的半导体层，并且可以具有相同或不同的材料。

应当理解地，本申请中所使用的“面”是指衬底或芯片等的XY平面，对应于半导体结构的XY平面，“厚度方向”或“高度方向”等是指相对于XY平面的Z向，Z向可以垂直于XY平面。

针对现有技术中，热导气体传感器芯片在温度高于工作温度时只能依靠自然降温导致读取数据延迟、检测准确度低的问题，本发明实施例提供了一种恒温热导率气体传感器及制备方法，以下结合图1-3介绍本发明实施例提供的一种恒温热导率气体传感器。

参阅图1与图2，本发明实施例提供的一种恒温热导率气体传感器，包括衬底1、位于衬底1上的绝缘层2、位于绝缘层2上的温控层3与位于温控层3上的保护层4；其中，温控层3包括至少一个加热单元31、多个制冷单元32与多个测温单元33，加热单元31用于升高温控层3的温度，制冷单元32用于降低温控层3的温度，使得该恒温热导率气体传感器具有加热功能和制冷功能，能够灵活、主动、快速地对温控层3及恒温热导率气体传感器的温度进行调节，及时有效地恢复到恒温热导率气体传感器的温度；如图2所示，多个制冷单元32位于加热单元31的两侧，多个测温单元33位于加热单元31的两侧，制冷单元32和测温单元33各自与加热单元31之间的距离较近，也能够大大加快温度平衡的速率，且制冷单元32和测温单元33交替排布，两者平行设置能够大大提升温控的均匀性，有利于提升测温单元33进行测温以及该恒温热导率气体传感器进行气体检测的及时性、准确性和可靠性。

具体地，加热单元31的材料包括多晶硅和金属材料中的至少一种，金属材料包括铝、钛、金、铂和硅铝合金中的至少一种，导热性好，加热效率高。

如图2所示，在一些示例性的实施方式中，加热单元31为条形结构，有利于扩大加热面积，也有利于热量在加热单元31两侧的分布均匀性；在一些示例性的实施方式中，制冷单元32为条形结构，分布于加热单元31两侧，能够靠近加热单元31进行温度调节，有利于提升制冷特性，也有利于提升测温特性的准确性；在另一些示例性的实施方式中，测温单元33为条形结构，能够更加靠近与加热单元31和制冷单元32，有利于提升测温特性。

其中，在平行于衬底1表面的平面方向上，在一些示例性的实施方式中，制冷单元32可以沿垂直于加热单元31延伸方向的方向延伸，即制冷单元32与加热单元31之间相互垂直；在另一些示例性的实施方式中，制冷单元32的延伸方向可以与加热单元31的延伸方向之间形成锐角，进一步地，位于加热单元31两侧的制冷单元32的延伸方向相互平行，或者位于加热单元31一侧的制冷单元32与加热单元31之间形成的夹角和位于加热单元31另一侧的制冷单元32与加热单元31之间形成的夹角相等，设置形状灵活多样。

此外，在加热单元31的延伸方向上，在同等长度范围内，制冷单元32和测温单元33分布的数量越多，制冷单元32的宽度越细，能够进一步提升温控均匀性，有利于提升测温精度。

具体地，在一些示例性的实施方式中，加热单元31两侧的制冷单元32对称设置，相应地加热单元31两侧的测温单元33对称设置；在另一些示例性的实施方式中，加热单元31两侧的制冷单元32错位设置，相应地加热单元31两侧的测温单元33也错位设置，即如图1所示，在加热单元31的同一位置上，一侧为制冷单元32，另一侧为测温单元33，有利于提升温度调节的均匀性和平衡性。

具体地，制冷单元32包括多组热电偶，每组热电偶中其一的材料为第一掺杂多晶硅，另一的材料包括第二掺杂多晶硅和金属中的至少一种，其中，第一掺杂多晶硅与第二掺杂多晶硅互为反型，金属包括铝和钛中的一种或多种的复合；如此，制冷单元32能够利用逆塞贝克效应原理，通过在恒温热导率气体传感器上集成的多个半导体热电偶结构，在该制冷单元32的一端施加一定电压，便可在制冷单元32的另一端实现制冷功能，相比于传统传感器只能依靠自然降温的方式，该制冷单元32能够配合加热单元31更快速地达到温度平衡，有利于提升检测及时性和精准度。

塞贝克效应的原理是基于热电效应，即温度梯度引起的电势差；当两种不同材料的接触点处于不同温度下时，不同材料之间会形成一个温度梯度，而当两种材料分别具有不同的热电导率和电子迁移率，在两者的接触点附近就会产生一个电势差；反之，在两个具有不同热电导率和电子迁移率的材料一端施加电压，两者的另一个接触点会产生一个温度梯度，则通过控制电压，即可控制该接触点处制冷。

具体地，如图3所示，该制冷单元32包括第一端320与第二端321，第一端320远离加热单元31设置，且该第一端320的长度远小于第二端321的长度，该第一端320为施加电压端，用于与外部电源电性连接，以便于向制冷单元32施加电压；第二端321靠近加热单元31设置，为制冷端，用于在第一端320上施加电压的情况下吸收热量，以降低第二端321周围的温度；此外，在一些温度较为多变的场景下，第二端321还能够与加热单元31相互配合，吸收加热单元31产生的热量，从而更高效地调节温度，维持温度的实时稳定，灵敏度高，可靠性好。

具体地，测温单元33采用热电堆或者热电阻，测温精度高，稳定性好；在一些示例性的实施方式中，测温单元33的材料包括镍、铂与掺杂硅中的至少一种。

具体地，如图1所示，衬底1设有绝热腔11，绝热腔11开设于衬底1背离绝缘层2的表面，并且，如图2所示，绝热腔11位于制冷单元32的第二端321和加热单元31的下方，用于对温控层3进行保温，避免外界温度的影响，也有利于维持加热单元31和制冷单元32进行控温后温控层3的温度稳定性；在一些优选实施例中，该绝热腔11贯穿衬底1，使得绝热腔11与绝缘层2相接触形成保温结构；此外，在平行于衬底1表面的平面方向上，该绝热腔11的横截面积大于加热单元31，或者该加热单元31的边界在绝热腔11的边界范围之内，而制冷单元32的第一端320位于绝热腔11以外，第二端321位于绝热腔11范围以内，即制冷单元32跨越绝热腔11的边界，便于在施加电压的状态下，制冷单元32的两端之间形成温度差而实现制冷。

具体地，在一些示例性的实施方式中，衬底1的材料为硅，材料易得，开槽简单方便，工艺成熟；在一些示例性的实施方式中，绝缘层2的材料包括氧化硅、氮化硅中的一种或多种的复合，绝缘性好，同时具有良好的支撑性。

具体地，保护层4的材料包括氧化硅、氮化硅中的一种或多种的复合，具有一定的绝缘和屏蔽能力，对温控层3的保护效果好。

具体地，如图1所示，恒温热导率气体传感器包括至少一组焊盘组件5，焊盘组件5位于温控层3的两侧，具体是在平行于衬底1表面的平面方向上，焊盘组件5位于绝热腔11之外，并且位于制冷单元32的第一端320之外，该焊盘组件5与加热单元31以及制冷单元32的第二端321之间的距离较远，对温控层3控温过程的干扰较小，有利于提升温控层3整体的温控有效性，使得温度动态稳定在工作温度范围内。

具体地，如图2所示，焊盘组件5用于与外部电源电性连接，该焊盘组件5包括第一焊盘51、第二焊盘52与第三焊盘53，其中，第一焊盘51与加热单元31电性连接，以通过第一焊盘51导通加热单元31，产生热量，升高温控层3的温度；示例性地，焊盘组件5具有两个第一焊盘51，两个第一焊盘51分别用于与外部电源的正极和负极连接，且两个第一焊盘51分别于加热单元31的两端连接，形成正极、第一焊盘51、加热单元31、另一个第一焊盘51到负极的导电回路。

具体地，第二焊盘52与制冷单元32电性连接，以通过第二焊盘52导通制冷单元32，主动吸收热量进行制冷，降低温控层3的温度；其中，一侧的制冷单元32与另一侧的制冷单元32之间串联，可以通过金属接线串联，也可以通过制冷单元32的材料在远离绝热腔11(或者加热单元31与第二端321)的区域形成连接结构，既实现有效的电连接，又避免影响温控精度。

具体地，第三焊盘53与测温单元33电性连接，以导通测温单元33进行温度检测以及气体检测；类似地，一侧的测温单元33与另一侧的测温单元33之间串联，可以通过金属接线串联，也可以通过测温单元33的材料在远离绝热腔11(或者加热单元31与第二端321)的区域形成连接结构。

此外，需要说明的是，图1中焊盘组件5的相对位置为简化示意图，仅用作示例，在真实结构中，焊盘组件5位于保护层4中和/或与温控层3同层，保护层4也起到一定的保护焊盘组件5的作用，并且，在该恒温热导率气体传感器中存在多层金属互联结构使得焊盘组件5与温控层3电性连接，以提升电性连接的可靠性。

具体地，保护层4设有至少一个连接窗口(未示出)，至少一个连接窗口贯穿保护层4，用于供焊盘组件5与外部电源电性连接；其中，焊盘组件5位于加热单元31和制冷单元32之外的区域，其上方也由保护层4进行保护，该连接窗口的横截面积小于等于焊盘组件5的横截面积，即该连接窗口暴露至少部分焊盘组件5，只要预留出足够焊盘组件5与外部电源接触的区域即可；示例性地，该连接窗口可以为连接孔，连接孔的直径远小于焊盘组件5的宽度，通过金属接线或者引针等引出结构能够穿过连接孔与焊盘组件5相接触，从而实现焊盘组件5与外部电源的电性连接，导通温控层3进行温度调控，使得恒温热导率气体传感器的温度能够动态维持在工作温度，提升气体检测的及时性、精确度和稳定性。

另一方面，如图4所示，本发明实施例还提供了一种恒温热导率气体传感器的制备方法，包括：

S1，提供表面具有绝缘层的衬底；

S2，在所述绝缘层上形成温控层；所述温控层包括至少一个加热单元、多个制冷单元与多个测温单元，所述多个制冷单元位于所述加热单元的两侧，所述多个测温单元位于所述加热单元的两侧，且所述制冷单元和所述测温单元交替排布；

S3，在形成有所述温控层的绝缘层上形成保护层。

其中，S1步骤中表面具有绝缘层的衬底具体可以通过提供衬底，并在衬底上沉积绝缘层得到，此时，衬底和绝缘层为后续各层结构的形成提供可靠的支撑。

温控层中，加热单元、制冷单元和测温单元分别为具有不同形状的图案化结构，均可以通过沉积再图案化蚀刻的工艺形成；此外，加热单元、制冷单元和测温单元同层设置，在形成温控层的过程中，加热单元、制冷单元和测温单元可以以任一顺序形成；例如，在一些实施例中，在温控层的形成过程中，先在绝缘层上形成加热单元，再在具有加热单元的绝缘层上形成制冷单元，之后在具有加热单元和制冷单元的绝缘层上形成测温单元，制冷单元和测温单元均靠近加热单元设置，则首先形成加热单元有利于对制冷单元和测温单元的定位，从而提升制备便捷性。

具体地，在一些示例性的实施方式中，在形成有所述温控层的绝缘层上形成保护层之后，所述制备方法还包括：

在所述保护层中形成至少一个连接窗口；所述至少一个连接窗口贯穿所述保护层；

穿过所述连接窗口，形成至少一组焊盘组件；所述焊盘组件位于所述温控层的两侧。

其中，连接窗口的形成位置具体可以在加热单元、制冷单元和测温单元的两端，以便于通过连接窗口形成焊盘组件后，焊盘组件能够与加热单元的两端、制冷单元的两端和测温单元的两端电性连接，从而在导通状态下形成电流回路。

具体地，在一些示例性的实施方式中，所述制备方法还包括：

翻转所述衬底，并在所述衬底背离所述温控层的一侧表面形成绝热腔；所述绝热腔位于所述制冷单元的第二端和所述加热单元的下方，且所述制冷单元的第一端位于所述绝热腔以外。

该步骤可以在形成绝缘层之后进行；优选地，该步骤在形成至少一组焊盘组件之后进行，则衬底在温控层和保护层等的形成过程中能够提供更好的支撑效果，有利于提升温控层和保护层等的结构精度和结构强度，进而有利于提升恒温热导率气体传感器的结构精度和性能，并且，此时衬底上方的温控层和保护层都已经形成，也便于确定绝热腔的开槽位置，提升整体结构的制备精度。

以上所描述的仅为本发明的一些实施例而已，并不用于限制本发明，本行业的技术人员应当了解，本发明还会有各种变化和改进，任何依照本发明所做的修改、等同替换和改进都落入本发明所要求的保护的范围内。

Claims (10)

1.一种恒温热导率气体传感器，其特征在于，包括衬底(1)、位于所述衬底(1)上的绝缘层(2)、位于所述绝缘层(2)上的温控层(3)与位于所述温控层(3)上的保护层(4)；

所述温控层(3)包括至少一个加热单元(31)、多个制冷单元(32)与多个测温单元(33)，所述多个制冷单元(32)位于所述加热单元(31)的两侧，所述多个测温单元(33)位于所述加热单元(31)的两侧，且所述制冷单元(32)和所述测温单元(33)交替排布。

2.根据权利要求1所述的恒温热导率气体传感器，其特征在于，所述制冷单元(32)包括多组热电偶，每组所述热电偶中其一的材料为第一掺杂多晶硅，另一的材料包括第二掺杂多晶硅和金属中的至少一种，所述第一掺杂多晶硅与所述第二掺杂多晶硅互为反型。

3.根据权利要求1所述的恒温热导率气体传感器，其特征在于，所述制冷单元(32)包括第一端(320)与第二端(321)，所述第一端(320)远离所述加热单元(31)设置，用于与外部电源电性连接；所述第二端(321)靠近所述加热单元(31)设置，用于在所述第一端(320)上施加电压的情况下吸收热量。

4.根据权利要求3所述的恒温热导率气体传感器，其特征在于，所述衬底(1)设有绝热腔(11)，所述绝热腔(11)开设于所述衬底(1)背离所述绝缘层(2)的表面；所述绝热腔(11)位于所述制冷单元(32)的第二端(321)和所述加热单元(31)的下方，且所述制冷单元(32)的第一端(320)位于所述绝热腔(11)以外。

5.根据权利要求1所述的恒温热导率气体传感器，其特征在于，所述恒温热导率气体传感器包括至少一组焊盘组件(5)，所述焊盘组件(5)位于所述温控层(3)的两侧；

所述焊盘组件(5)包括第一焊盘(51)、第二焊盘(52)与第三焊盘(53)，所述第一焊盘(51)与所述加热单元(31)电性连接，所述第二焊盘(52)与所述制冷单元(32)电性连接，所述第三焊盘(53)与所述测温单元(33)电性连接。

6.根据权利要求5所述的恒温热导率气体传感器，其特征在于，所述保护层(4)设有至少一个连接窗口，所述至少一个连接窗口贯穿所述保护层(4)，用于供所述焊盘组件(5)与外部电源电性连接。

7.根据权利要求1-6任一项所述的恒温热导率气体传感器，其特征在于，所述加热单元(31)的材料包括多晶硅和金属材料中的至少一种，所述金属材料包括铝、钛、金、铂和硅铝合金中的至少一种。

8.根据权利要求1-6任一项所述的恒温热导率气体传感器，其特征在于，所述测温单元(33)采用热电堆或者热电阻。

9.根据权利要求1-6任一项所述的恒温热导率气体传感器，其特征在于，所述恒温热导率气体传感器满足以下特征中的至少其一：

所述绝缘层(2)的材料包括氧化硅、氮化硅中的一种或多种的复合；

所述保护层(4)的材料包括氧化硅、氮化硅中的一种或多种的复合。

10.一种恒温热导率气体传感器的制备方法，其特征在于，包括：

提供表面具有绝缘层的衬底；

在所述绝缘层上形成温控层；所述温控层包括至少一个加热单元、多个制冷单元与多个测温单元，所述多个制冷单元位于所述加热单元的两侧，所述多个测温单元位于所述加热单元的两侧，且所述制冷单元和所述测温单元交替排布；

在形成有所述温控层的绝缘层上形成保护层。