CN118150667A - 传感器 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种传感器，包括基层、支撑层、加热层和基底，所述加热层至少部分位于所述基层和所述支撑层之间，所述基层与所述加热层连接，所述加热层与所述支撑层连接，所述支撑层与所述基底连接；所述传感器具有热辐射区，所述热辐射区自所述加热层向远离所述支撑层的方向延伸扩散，在所述基层厚度方向，所述热辐射区能够穿透所述基层。本申请中，所述加热层至少部分位于所述基层和所述支撑层之间，基层减少了加热层与待检测气体的接触，提高了设备的可靠性。
Description
技术领域
本申请涉及传感器技术领域，尤其涉及一种传感器。
背景技术
相关技术中，MEMS(Micro Electromechanical System，微机电系统)传感器是通过半导体工艺加工制作的，起始于硅晶圆基底，在基底上设置支撑层，在支撑层上设置加热层和辐射层。但在实际应用过程中，由于待检测气体中可能存在有害气体，加热层与检测气体接触，会出现氧化腐蚀等情况，会对加热效果产生负面影响，从而降低了传感器的可靠性。
发明内容
本申请的在于提供了一种传感器，包括基层、支撑层、加热层和基底，所述加热层至少部分位于所述基层和所述支撑层之间，所述基层与所述加热层连接，所述加热层与所述支撑层连接，所述支撑层与所述基底连接；
所述传感器具有热辐射区，所述热辐射区自所述加热层向远离所述支撑层的方向延伸扩散，在所述基层厚度方向，所述热辐射区能够穿透所述基层。
本申请中，所述加热层至少部分位于所述基层和所述支撑层之间，基层减少了加热层与待检测气体的接触，提高了传感器的可靠性。
附图说明
图1是本申请中传感器一种实施方式的剖视图；
图2是本申请中传感器另一种实施方式的剖视图。
具体实施方式
下面结合附图，对本申请示例性实施例进行详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施方式中的特征可以相互组合。
相关技术中的传感器，包括支撑层、加热层和基底，基底与支撑层连接，加热层则设置在支撑层表面，支撑层提供了加热层连接的点位并且对加热层提供支撑，使得整体结构更加稳定。在实际应用时，也会在加热层表面沉积辐射层，从而用作不同型号的传感器。但由于待检测气体的不确定性，或者待检测气体具有腐蚀性等有害特性，当用其对气体进行检测时，会对加热层结构造成不利影响，从而影响气体检测的准确性以及传感器整体结构的可靠性。(为便于理解，全文中相关技术中的特征与本申请中的特征名称相同，同时也为了便于区分，对于相关技术中的特征描述未加标号。)
本申请提供了一种传感器，如图1-2所示，其具体结构包括基层1、支撑层2、加热层3和基底4，加热层3至少部分位于基层1和支撑层2之间，基层1与加热层3连接，加热层3与支撑层2连接，支撑层2与基底4连接；传感器具有热辐射区5，热辐射区5自加热层3向远离支撑层2的方向延伸扩散，在基层1厚度方向，热辐射区5能够贯穿基层1。
基底4为整体结构提供连接支撑的点位，便于支撑层2的连接固定，从而便于加热层3与支撑层2的连接，使得传感器整体的结构更加稳定。在加热层3与支撑层2的表面连接后，在加热层3的表面设置基层1，基层1与加热层3的表面连接，在加热层3的厚度方向上，基层1与支撑层2分别位于加热层3的两侧，基层1覆盖连接于加热层3的表面，对加热层3起到保护的作用，一方面可防止外部环境对加热层3的影响，如碰撞、灰尘堆积等情况，另一方面可防止检测气体时，一些有害气体与加热层3接触，基层1可减少加热层3与气体的直接接触，减少对加热层3造成的不利影响。基层1的材质可为氮化硅。
热辐射区5为主要检测气体的区域，其通过加热层3的发热，其热辐射所辐射的区域，当有气体从该区域通过时，可对气体进行感应检测，基层1的设置不会阻碍加热层3产生的热辐射，也不会阻碍热辐射区5的扩散，热辐射可穿透基层1对通过基层1表面的气体进行感应检测。其中，加热层3的材质可为金属钨或者铂。
进一步的，支撑层2包括第一支撑层201和第二支撑层202，在基层1的厚度方向上，第一支撑层201和第二支撑层202层叠连接，第一支撑层201部分与加热层3连接，第一支撑层201另一部分与基层1连接，第二支撑层202与基底4连接。
相关技术中，支撑层为单层结构，虽然结构更为简单，但传感器在实际工作状态下，加热层可加热至300-400摄氏度的高温，会引起支撑层结构的形变，长此以往，会使得结构出现翘曲、变形，甚至无法满足正常使用。
而第一支撑层201和第二支撑层202的设置可进一步提高了结构的稳定性，其中第一支撑层201和第二支撑层202在受力时，为应力相反的两种材料，若第一支撑层201表现为正应力，则第二支撑层202则表现为负应力，第二支撑层202为第一支撑层201的应力匹配层。传感器在实际使用时，加热层3的加热产生的高温，使得第一支撑层201和第二支撑层202产生相应的应力，由于第一支撑层201和第二支撑层202为应力相反的材料，二者产生的力相互抵消，可减少因为应力形变造成传感器结构的翘曲变形，从而影响正常使用。第一支撑层201的材质可为二氧化硅，第二支撑层202的材质可为氮化硅。
如图1-2所示，基层1具有第一凹槽101，第一凹槽101自基层1靠近支撑层2的一侧向远离支撑层2的方向凹陷；加热层3至少部分位于第一凹槽101内。
第一凹槽101的设置提供了加热层3连接安装的点位，便于对加热层3进行定位安装，另一方面也便于识别出加热层3所在的位置，在各层级结构连接固定后装配置传感器壳体内时，也便于将加热层3所在的区域对准壳体的进气口方向，便于对气体进行检测，壳体结构在相关技术中均有记载，在此不作过多赘述。
如图2所示，在一实施方式中，第一支撑层201包括第一支层2011和第二支层2012，第一支层2011至少部分位于第一凹槽101内，第二支层2012至少部分位于基层1和第二支撑层202之间；第一支层2011和第二支层2012间隔设置。
第一支层2011可对加热层3和部分基层1进行支撑，第二支层2012可对另一部分基层1进行支撑，第一支层2011和第二支层2012的间隔设置也降低了加热层3的热传导损失。传感器在工作过程中，加热层3发热后温度升高，与加热层3接触的第一支撑层201也会随之被加热，若是第一支层2011和第二支层2012为一体结构，从而形成的第一支撑层201，那么第一支层2011被加热后会将热量传递至第二支层2012，而第二支层2012相较于第一支层2011更远离加热层3，不仅无法对流经的气体进行加热感应检测，还会造成热量的损失。
而将第一支层2011和第二支层2012间隔设置，可减少第一支层2011和第二支层2012之间的热传导，同时第一支层2011和第二支层2012也可起到支撑的作用。
进一步的，基层1具有第二凹槽102，第二凹槽102自基层1远离支撑层2的一侧向靠近支撑层2的方向凹陷；在与基层1厚度方向垂直的方向上，第二凹槽102至少部分位于第一支层2011和第二支层2012之间。
第二凹槽102的设置也起到了一定的隔热作用，防止加热层3产生的热量通过基层1散逸出去，若是没有第二凹槽102，那么基层1在与第一支撑层201和加热层3连接后，除了与加热层3对应连接的部分，基层1的其余部分均会沿着第一支撑层201所在平面水平延伸，此时加热层3加热后，热量可能会沿着水平方向通过基层1散逸出去，造成一定的热量损失。
而第二凹槽102的设置，并且第二凹槽102可位于第一支层2011和第二支层2012之间的间隔内，使得第二凹槽102是朝向低于加热层3的方向延伸的。进一步避免了加热层3产生的热量在水平方向上，通过基层1再水平方向上的传导，从而导致热量散逸出去。
在第一实施例中，在基层1的表面不沉积任何材料，此时传感器用作热导气体传感器，在传感器实际工作时，待检测的气体于基层1表面的热辐射区5流经，可通过气体流通过前后的功率损失，计算出气体的导热系数，进而得出气体的浓度。
在另一实施例中，传感器包括介质层6，介质层6与基层1连接，在基层1的厚度方向上，介质层6与加热层3分别位于基层1的相反两侧；介质层6至少部分位于热辐射区5内。
在一实施方式中，介质层6的材质为黑硅材料、无形碳材料或黑金属材料。传感器在工作状态下，加热层3在加热过程中通过黑硅材料、无形碳材料或黑金属材料可以辐射出9微米甚至十几微米的红外光，用作黑体光源对气体进行检测。
在另一实施方式中，介质层6的材质为氧化锡。在基层1的表面沉积氧化锡或者其它金属氧化物材料，用作MOS型的气体浓度传感器，在此实施方式中，介质层还包括叉指电极，叉指电极与基层1连接，氧化锡可沉积于叉指电极表面，氧化锡可与流经其表面的气体发生反应，导致气敏材料的电阻发生变化，进而通过叉指电极传导出电阻变化，从而得出气体的种类和浓度。
传感器中由各层级连接构成的微加热平台结构简单，制备方便，方便各器件之间的连接组合。相关技术中的传感器中的微加热平台结构复杂，根据不同的器件需要采用不同的结构设计，导致各个器件之间的互换性较差，无法形成统一的设计，对于量产也较为困难，成本也会随之加高。
本申请中传感器的微加热平台，结构设计简单更为统一，通过在基层1上沉积不同的介质层6形成不同类型的传感元件，器件之间的互换性也更高，更适合量化生产，也大大降低了生产的成本。
如图1-2所示，传感器包括至少两个基底4，相邻基底4之间具有间隔7。
基底4在对传感器各层级结构进行支撑的同时，间隔7的设置可进一步减少热传导导致的热量损失。在加热层3的厚度方向上，间隔7的位置与加热层3至少部分相对应，加热层3产生的热量不仅可朝向基层1辐射延伸，也会朝着基底4的方向辐射延伸，而间隔7可减少与各层级的接触导致的热传导。基底4的材料可为单晶硅。
若是不设置间隔7，基底4与支撑层2直接接触，而支撑层2与加热层3直接接触，因此热量会从支撑层2传递至基底4，从而通过基底4快速散逸出去，会对传感器整体的工作效率产生影响。
另外，传感器包括电极8，电极8与基层1连接，电极8与加热层3电连接。电极8用于电路连通。
以上实施方式仅用于说明本申请而并非限制本申请所描述的技术方案，对本申请的理解应该以所属技术领域的技术人员为基础，尽管本说明书参照上述的实施方式对本申请已进行了详细的说明，但是，本领域的普通技术人员应当理解，所属技术领域的技术人员仍然可以对本申请进行修改或者等同替换，而一切不脱离本申请的精神和范围的技术方案及其改进，均应涵盖在本申请的权利要求范围内。
Claims (10)
1.一种传感器，其特征在于，包括基层(1)、支撑层(2)、加热层(3)和基底(4)，所述加热层(3)至少部分位于所述基层(1)和所述支撑层(2)之间，所述基层(1)与所述加热层(3)连接，所述加热层(3)与所述支撑层(2)连接，所述支撑层(2)与所述基底(4)连接；
所述传感器具有热辐射区(5)，所述热辐射区(5)自所述加热层(3)向远离所述支撑层(2)的方向延伸扩散，在所述基层(1)厚度方向，所述热辐射区(5)能够穿透所述基层(1)。
2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述支撑层(2)包括第一支撑层(201)和第二支撑层(202)，在所述基层(1)的厚度方向上，所述第一支撑层(201)和第二支撑层(202)层叠连接，所述第一支撑层(201)部分与所述加热层(3)连接，所述第一支撑层(201)另一部分与所述基层(1)连接，所述第二支撑层(202)与所述基底(4)连接。
3.根据权利要求2所述的传感器，其特征在于，所述基层(1)具有第一凹槽(101)，所述第一凹槽(101)自所述基层(1)靠近所述支撑层(2)的一侧向远离所述支撑层(2)的方向凹陷；所述加热层(3)至少部分位于所述第一凹槽(101)内。
4.根据权利要求3所述的传感器，其特征在于，所述第一支撑层(201)包括第一支层(2011)和第二支层(2012)，所述第一支层(2011)至少部分位于所述第一凹槽(101)内，所述第二支层(2012)至少部分位于所述基层(1)和所述第二支撑层(202)之间；
所述第一支层(2011)和所述第二支层(2012)间隔设置。
5.根据权利要求4所述的传感器，其特征在于，所述基层(1)具有第二凹槽(102)，所述第二凹槽(102)自所述基层(1)远离所述支撑层(2)的一侧向靠近所述支撑层(2)的方向凹陷；
在与所述基层(1)厚度方向垂直的方向上，所述第二凹槽(102)至少部分位于所述第一支层(2011)和所述第二支层(2012)之间。
6.根据权利要求1或2所述的传感器，其特征在于，所述传感器包括介质层(6)，所述介质层(6)与所述基层(1)连接，在所述基层(1)的厚度方向上，所述介质层(6)与所述加热层(3)分别位于所述基层(1)的相反两侧；
所述介质层(6)至少部分位于所述热辐射区(5)内。
7.根据权利要求6所述的传感器，其特征在于，所述介质层(6)的材质为黑硅材料、无形碳材料或黑金属材料。
8.根据权利要求6所述的传感器，其特征在于，所述介质层(6)的材质为氧化锡。
9.根据权利要求1或2所述的传感器，其特征在于，所述传感器包括至少两个所述基底(4)，相邻所述基底(4)之间具有间隔(7)。
10.根据权利要求1或2所述的传感器，其特征在于，所述传感器包括电极(8)，所述电极(8)与所述基层(1)连接，所述电极(8)与所述加热层(3)电连接。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |