TWI523808B - 微機電氣體感測裝置 - Google Patents

Description

微機電氣體感測裝置

一種氣體感測裝置，特別有關於一種微機電氣體感測裝置。

一般來說，氣體檢測在環境監控、家用警報、化工控制、溫室環境控制領域有著廣泛的應用。對於具有無色和無味的特性的有毒氣體，例如一氧化碳(CO)，人類的視覺和嗅覺無法辨識它們的存在。當毒性氣體在空氣中的含量超過一定的範圍，人體便會產生輕則頭痛、暈旋、嘔吐的症狀，嚴重的甚至會休克、死亡。若有氣體分析的儀器或裝置，對密閉空間或通風不良的環境裡的氣體成分做即時的監測，便能在毒性氣體的濃度超出人類可允許的範圍時，及時的發出警報的聲響，防止不幸和災害的發生。

一般化學實驗室和品管檢驗室所使用的氣體分析設備雖然具有高準確度、高靈敏度與低偵測極限等優點，但是它們因有體積龐大、不易攜帶、耗電性高、儀器構造複雜及價格昂貴等缺點，所以在應用上受到極大的限制。因此，電氣體感測器仍有改善的空間。

本發明提供一種微機電氣體感測裝置，藉以使溫度均勻的施加，使微機電氣體感測裝置具有積體化與製作批次化的能力，以及避免微機電氣體感測裝置所產生的熱擴散至其他部分，而影響到週遭電路元件的運作。

本發明所揭露之一種微機電氣體感測裝置，包括基板、氧化層、加熱單元、導熱金屬層、鈍化層與感測單元層。基板具有第一空腔。 氧化層具有第一面與相對第一面的第二面，氧化層配置於基板上，並覆蓋第一空腔，且第一面與基板接觸。加熱單元配置於氧化層內，且鄰近於氧化層的第一面。導熱金屬層配置於加熱單元與氧化層的第二面之間。鈍化層配置於氧化層的第二面上，且具有至少一孔洞。感測單元層配置於鈍化層上，且透過至少一孔洞與導熱金屬層電性連接。

在一實施例中，前述氧化層更包括第二空腔與第三空腔，其中第二空腔與第三空腔分別位於導熱金屬層的相對兩側。

在一實施例中，前述第二空腔與第三空腔以電感耦合式電漿蝕刻形成。

在一實施例中，加熱單元的材料為多晶矽。

在一實施例中，前述導熱金屬層包括第一金屬層、第一接觸層、第二金屬層、第二接觸層、第三金屬層、第三接觸層、第四金屬層，配置於該第三接觸層上、第四接觸層、第五金屬層、第五接觸層與第六金屬層。第一金屬層鄰近於加熱單元。第一接觸層配置於第一金屬層上。第二金屬層配置於第一接觸層上。第二接觸層配置於第二金屬層上。第三金屬層配置於第二接觸層上。第三接觸層配置於第三金屬層上。第四金屬層配置於第三接觸層上。第四接觸層配置於第四金屬層上。第五金屬層配置於第四接觸層上。第五接觸層配置於第五金屬層上。第六金屬層配置於第五接觸層上，且第六金屬層透過至少一孔洞與感測單元層電性連接。

在一實施例中，前述第一金屬層、第二金屬層、第三金屬層、第四金屬層、第五金屬層與第六金屬層的材料為鋁，第一接觸層、第二接觸層、第三接觸層、第四接觸層與第五接觸層的材料為鎢。

在一實施例中，前述感測單元層的材料為金、鋁、銀、鉑、銅、鈦、鉬、鉭、鎢與鉻。

在一實施例中，前述感測單元層的製程溫度為400度至450度。

本發明所揭露之微機電氣體感測裝置，藉由將導熱金屬層 配置於加熱單元與感測單元層之間，以均勻的使加熱單元所產生的溫度施加在感測單元層。另外，藉由導熱金屬層將加熱單元130與感測單元層隔開，以使微機電氣體感測裝置具有積體化與製作批次化的能力。此外，進一步藉由導熱金屬層的相對兩側設置第二空腔及第三空腔，可有效將加熱單元所產生的熱局限於加熱單元與感測單元層的區域，以避免加熱單元所產生的熱擴散至氧化層的其他部分，而影響到週遭電路元件的運作。

有關本發明的特徵與實作，茲配合圖式作實施例詳細說明如下。

100‧‧‧微機電氣體感測裝置

110‧‧‧基板

111‧‧‧第一空腔

112、113‧‧‧子基板

120‧‧‧氧化層

121‧‧‧第一面

122‧‧‧第二面

130‧‧‧加熱單元

140‧‧‧導熱金屬層

141‧‧‧第一金屬層

142‧‧‧第一接觸層

143‧‧‧第二金屬層

144‧‧‧第二接觸層

145‧‧‧第三金屬層

146‧‧‧第三接觸層

147‧‧‧第四金屬層

148‧‧‧第四接觸層

149‧‧‧第五金屬層

150‧‧‧第五接觸層

151‧‧‧第六金屬層

160‧‧‧鈍化層

161、162‧‧‧孔洞

170‧‧‧感測單元層

180‧‧‧電路元件

210‧‧‧第二空腔

220‧‧‧第三空腔

第1圖為本發明之微機電氣體感測裝置的示意圖。

第2圖為本發明之微機電氣體感測裝置的另一示意圖。

以下所列舉的各實施例中，將以相同的標號代表相同或相似的元件。

請參考「第1圖」所示，其為本發明之微機電氣體感測裝置的示意圖。微機電氣體感測裝置100包括基板110、氧化層120、加熱單元130、導熱金屬層140、鈍化層(Passivation Layer)160、感測單元層170及電路元件180。

基板110具有第一空腔111。在本實施例中，第一空腔111可以經由半導體製程處理而形成，而此半導體製程處理例如為乾蝕刻。並且，在形成第一空腔111後，第一空腔111會將基板110區分成子基板112及113，亦即第一空腔111位於子基板112及113之間。

氧化層120具有第一面121與相對第一面的第二面122。氧化層120配置於基板110上，並覆蓋第一空腔111。而氧化層120的第一面121與基板110接觸，進一步來說，氧化層120的第一面121與子基板112及113接觸。

加熱單元130配置於氧化層120內，且鄰近於氧化層120的第一面121。進一步來說，加熱單元130設置的位置可對應第一空腔111，亦即加熱單元130鄰近第一空腔111，且位於第一空腔111之上。

導熱金屬層140配置於加熱單元130與氧化層120的第二面122之間。進一步來說，導熱金屬層140包括第一金屬層141、第一接觸層142、第二金屬層143、第二接觸層144、第三金屬層145、第三接觸層146、第四金屬層147、第四接觸層148、第五金屬層149、第五接觸層150與第六金屬層151。

第一金屬層141鄰近於加熱單元130。第一接觸層142配置於第一金屬層141上。第二金屬層143配置於第一接觸層142上。第二接觸層144配置於第二金屬層143上。第三金屬層145配置於第二接觸層144上。第三接觸層146配置於第三金屬層145上。第四金屬層147配置於第三接觸層146上。第四接觸層148配置於第四金屬層147上。第五金屬層149配置於第四接觸層148上。第五接觸層150配置於第五金屬層149上。第六金屬層151配置於第五接觸層150上。

也就是說，導熱金屬層140藉由第一金屬層141、第一接觸層142、第二金屬層143、第二接觸層144、第三金屬層145、第三接觸層146、第四金屬層147、第四接觸層148、第五金屬層149、第五接觸層150與第六金屬層151以沉積的方式堆疊而成。並且，在本實施例中，第一金屬層141、第二金屬層143、第三金屬層145、第四金屬層147、第五金屬層149與第六金屬層151的材料為鋁(Al)，而第一接觸層142、第二接觸層144、第三接觸層146、第四接觸層148與第五接觸層150的材料為鎢(W)。

鈍化層160配置於氧化層120的第二面122上，且具有孔洞161、162。感測單元層170配置於鈍化層160上，並且感測單元層170例如透過前述孔洞161、162與導熱金屬層140電性連接。進一步來說，感測單元層170例如透過孔洞161、162與導熱金屬層140的第六金屬層151電性連接。電路元件180配置於子氧化層112與氧化層120之間。

在本實施例中，加熱單元130的材料例如為多晶矽(Poly-silicon)，且加熱單元130還包括有加熱器及溫度計。並且，加熱單元130的加熱器的目的為用以增加載子從價電帶越過能階到達導電帶的機率。而加熱單元130的溫度計用以感測加熱器的溫度。

另外，感測單元層170的材料例如為金(Au)、鋁(Al)、銀(Ag)、鉑(Pt)、銅(Cu)、鈦(Ti)、鉬(Mo)、鉭(Ta)、鎢(W)與鉻(Cr)。而感測單元層170例如透過光罩定義圖形，並透過沉積方式製作，其中感測單元層170的製程溫度維持約400度(℃)至450度，以進行金屬氧化的過程。並且，本實施例之感測單元層170用以感測特定氣體，例如一氧化碳。

如此一來，藉由上述的配置關係，加熱單元130所提供的熱，可透過導熱金屬層140將熱傳遞至感測單元層170，以均勻的使加熱單元130所產升的溫度施加在感測單元層170。另外，藉由導熱金屬層將加熱單元130與感測單元層170隔開，以使微機電氣體感測裝置100具有積體化與製作批次化的能力。

請參考「第2圖」所示，其為本發明之微機電氣體感測裝置的另一示意圖。微機電氣體感測裝置200除了包括基板110、氧化層120、加熱單元130、導熱金屬層140、鈍化層(Passivation Layer)160、感測單元層170及電路元件180外，氧化層120還進一步包括第二空腔210及第三空腔220。

在本實施例中，第二空腔210及第三空腔220分別位於導熱金屬層140的相對兩側。並且，第二空腔210及第三空腔220可以經由半導體製程處理而形成，而此半導體製程處理例如為電感耦合式電漿(Inductively Coupled Plasma,ICP)蝕刻形成。如此一來，藉由於導熱金屬層140的相對兩側設置第二空腔210及第三空腔220，可有效將加熱單元130所產生的熱局限於加熱單元130與感測單元層130的區域，以避免加熱單元130所產生的熱擴散至氧化層120的其他部分，而影響到週遭電路元件的運作。

本發明之實施例所提出的微機電氣體感測裝置，其藉由將導熱金屬層配置於加熱單元與感測單元層之間，以均勻的使加熱單元所產生的溫度施加在感測單元層。另外，藉由導熱金屬層將加熱單元130與感測單元層隔開，以使微機電氣體感測裝置具有積體化與製作批次化的能力。此外，進一步藉由導熱金屬層的相對兩側設置第二空腔及第三空腔，可有效將加熱單元所產生的熱局限於加熱單元與感測單元層的區域，以避免加熱單元所產生的熱擴散至氧化層的其他部分，而影響到週遭電路元件的運作。

雖然本發明以前述之實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習相像技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之專利保護範圍須視本說明書所附之申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧微機電氣體感測裝置

110‧‧‧基板

111‧‧‧第一空腔

112、113‧‧‧子基板

120‧‧‧氧化層

121‧‧‧第一面

122‧‧‧第二面

130‧‧‧加熱單元

140‧‧‧導熱金屬層

141‧‧‧第一金屬層

142‧‧‧第一接觸層

143‧‧‧第二金屬層

144‧‧‧第二接觸層

145‧‧‧第三金屬層

146‧‧‧第三接觸層

147‧‧‧第四金屬層

148‧‧‧第四接觸層

149‧‧‧第五金屬層

150‧‧‧第五接觸層

151‧‧‧第六金屬層

160‧‧‧鈍化層

161、162‧‧‧孔洞

170‧‧‧感測單元層

180‧‧‧電路元件

Claims (7)

1. 一種微機電氣體感測裝置，包括：一基板，具有一第一空腔；一氧化層，具有一第一面與相對該第一面的一第二面，該氧化層配置於該基板上，並覆蓋該第一空腔，且該第一面與該基板接觸；一加熱單元，配置於該氧化層內，且鄰近於該氧化層的該第一面；一導熱金屬層，配置於該加熱單元與該氧化層的該第二面之間；一鈍化層，配置於該氧化層的該第二面上，且具有至少一孔洞；以及一感測單元層，配置於該鈍化層上，且透過該至少一孔洞與該導熱金屬層電性連接；其中該氧化層更包括一第二空腔與一第三空腔，其中該第二空腔與該第三空腔分別位於該導熱金屬層的相對兩側。
2. 如請求項1所述之微機電氣體感測裝置，其中該第二空腔與該第三空腔以電感耦合式電漿蝕刻形成。
3. 如請求項1所述之微機電氣體感測裝置，其中該加熱單元的材料為多晶矽。
4. 如請求項1所述之微機電氣體感測裝置，其中該導熱金屬層包括：一第一金屬層，鄰近於該加熱單元；一第一接觸層，配置於該第一金屬層上；一第二金屬層，配置於該第一接觸層上；一第二接觸層，配置於該第二金屬層上；一第三金屬層，配置於該第二接觸層上；一第三接觸層，配置於該第三金屬層上；一第四金屬層，配置於該第三接觸層上；一第四接觸層，配置於該第四金屬層上； 一第五金屬層，配置於該第四接觸層上；一第五接觸層，配置於該第五金屬層上；以及一第六金屬層，配置於該第五接觸層上，且該第六金屬層透過該至少一孔洞與該感測單元層電性連接。
5. 如請求項4所述之微機電氣體感測裝置，其中該第一金屬層、該第二金屬層、該第三金屬層、該第四金屬層、該第五金屬層與該第六金屬層的材料為鋁，該第一接觸層、該第二接觸層、該第三接觸層、該第四接觸層與該第五接觸層的材料為鎢。
6. 如請求項1所述之微機電氣體感測裝置，其中該感測單元層的材料為金、鋁、銀、鉑、銅、鈦、鉬、鉭、鎢與鉻。
7. 如請求項1所述之微機電氣體感測裝置，其中該感測單元層的製程溫度為400度至450度。