一種氣體感測器及感測器陣列

《一種氣體感測器及感測器陣列》是合肥微納感測技術有限公司於2018年5月11日申請的專利，該專專利公布號：CN208313878U，專利公布日：2019年1月1日，發明人是：許磊、彭書峰、謝東成、周睿穎。

《一種氣體感測器及感測器陣列》公開了一種氣體感測器，包括依次層疊設定的矽襯底、檢測電極、第一隔離膜、加熱電阻和第二隔離膜，具有基體結構和自由端捲曲的懸臂結構，在懸臂結構的端部上設有氣敏材料。該發明還提供了一種由氣體感測器組成的感測器陣列，該發明的優點在於，該感測器功耗低、尺寸小、集成度高，加熱均勻，檢測回響速度更快，並具有生產工藝簡單，易於定位，有效提高了生產效率的好處。

2021年8月16日，《一種氣體感測器及感測器陣列》獲得安徽省第八屆專利獎優秀獎。

（概述圖為《一種氣體感測器及感測器陣列》的摘要附圖）

基本介紹

• 中文名：一種氣體感測器及感測器陣列
• 公布號：CN208313878U
• 公布日：2019年1月1日
• 申請號：2018207097001
• 申請日：2018年5月11日
• 申請人：合肥微納感測技術有限公司
• 地址：安徽省合肥市高新區創新大道2800號創新產業園二期F3樓16層1608-1610室
• 發明人：許磊、彭書峰、謝東成、周睿穎
• Int.Cl.：G01N27/12(2006.01)I、G01N27/12
• 專利代理機構：合肥市浩智運專利代理事務所
• 代理人：王亞洲
• 類別：發明專利

專利背景

基於微電子機械系統（MEMS）技術的氣體感測器，由於其小尺寸、低功耗、高靈敏度和快速回響等特點，逐步顯現出巨大的套用潛力，將有望取代基於傳統技術的氣體感測器，在物聯網、移動端和人工智慧等領域廣泛套用。而在MEMS氣體感測器中，又因採用金屬氧化物半導體（MOS）材料的感測器具有廣泛的檢測範圍，在未來的大規模套用中具有更為廣闊的市場空間。截至2018年5月，MEMSMOS氣體感測器中，主要以基於懸膜式微型加熱器的研究居多，該結構的感測器具有較低的功耗，一般可低至20毫瓦，如專利號為201520759054.6的實用新型專利提供了一種具有四支撐懸樑四層結構的電阻式氣體感測器，其具有自下而上依次設定的矽襯底框架、加熱膜層、加熱電極層和敏感膜層，其中加熱膜層包括加熱膜區，該加熱膜區通過四根懸樑與矽襯底框架連線。又如專利號為CN201520759055.0的實用新型專利提供了一種具有兩支撐懸樑四層結構的電阻式氣體感測器，該感測器也包括自下而上依次設定的矽襯底框架、加熱膜層、加熱電極層和敏感膜層，其中加熱膜層包括加熱膜區，該加熱膜區通過兩根懸樑與矽襯底框架連線。這些多懸樑式氣體感測器功耗雖然較低，但隨著移動端和物聯網套用的高速發展，其已不能滿足需要。同時多懸樑式氣體感測器在製備時，存在工藝複雜、定位困難、效率低下的問題。

發明內容

專利目的

《一種氣體感測器及感測器陣列》所要解決的技術問題在於：如何進一步降低懸樑式氣體感測器的功耗。

技術方案

《一種氣體感測器及感測器陣列》具有基體結構和懸樑結構，包括自下而上依次層疊設定的如下各部分：矽襯底；檢測電極，包括第一基部，所述第一基部的一側邊設有向上翹曲的第一懸臂，所述第一懸臂的自由端設有第一捲曲部；第一基部遠離第一懸臂的一側設有第一視窗，所述第一懸臂上設有第二視窗，該第二視窗沿第一懸臂延伸至第一捲曲部，並將第一捲曲部分割，第二視窗與第一視窗聯通，將檢測電極分割為兩部分；第一基部位於第一視窗兩側的位置處分別設有第一引線；第一隔離膜，為氮化矽層，包括第二基部，所述第二基部的一側邊設有向上翹曲的第二懸臂，所述第二懸臂的自由端設有第二捲曲部；第二基部對應於第一引線的位置設有第一透過孔，所述第一引線穿過第一透過孔暴露在外；加熱電阻，包括第三基部，所述第三基部的一側邊設有向上翹曲的第三懸臂，所述第三懸臂的自由端設有第三捲曲部；第三基部背離第三懸臂的一側設有第三視窗，所述第三懸臂上設有第四視窗，該第四視窗沿第三懸臂延伸至第三捲曲部，第四視窗與第三視窗聯通；第三基部位於第三視窗兩側的位置處分別設有第二引線；所述加熱電阻的厚度小於第一隔離膜的厚度，且加熱電阻不覆蓋第一基部；第二隔離膜，為氮化矽層，包括第四基部，所述第四基部的一側邊設有向上翹曲的第四懸臂，所述第四懸臂的自由端設有第四捲曲部；第四基部上對應於第二引線的位置設有第二透過孔；且第四基部不遮蓋第一透過孔；所述第一基部、第二基部、第三基部和第四基部對應設定形成所述基體結構；所述第一懸臂、第二懸臂、第三懸臂和第四懸臂對應設定，且所述第一捲曲部、第二捲曲部、第三捲曲部及第四捲曲部由內至外依次設定形成所述懸樑結構；所述第一捲曲部外包裹有氣敏材料。

優選地，《一種氣體感測器及感測器陣列》所述的一種氣體感測器，所述第一懸臂、第二懸臂、第三懸臂和第四懸臂的水平投影呈矩形。優選地，該發明所述的一種氣體感測器，所述第一懸臂、第二懸臂、第三懸臂和第四懸臂的水平投影呈等腰梯形，且沿遠離基體結構的方向，所述第一懸臂、第二懸臂、第三懸臂和第四懸臂的寬度逐漸增大。優選地，該發明所述的一種氣體感測器，所述第一隔離膜上設有第一孔，所述第一孔自第二懸臂靠近第二基部的一端延伸至第二捲曲部。優選地，該發明所述的一種氣體感測器，所述第二隔離膜上設有第二孔，所述第二孔自第四懸臂靠近第四基部的一端延伸至第四捲曲部，並與第一孔對應設定。優選地，該發明所述的一種氣體感測器，所述第三基部位、第四基部於第一透過孔朝向第二懸臂的一側；或第三基部位於第一透過孔背離第二懸臂的一側，第三懸臂位於兩個第一透過孔之間，且第四基部上對應於第一透過孔的位置設有第三透過孔。優選地，該發明所述的一種氣體感測器，所檢測電極、第一隔離膜、加熱電阻、第二隔離膜的厚度均為1000埃米-10000埃米。該發明提供了一種氣體感測器陣列，其特徵在於，其由多個如上述的氣體感測器構成。

改善效果

《一種氣體感測器及感測器陣列》技術方案採用單懸樑式結構，將有效區設定在懸樑端部，通過減小有效區面積和降低懸樑數量使得感測器的功耗降至1毫瓦；該感測器的捲曲結構比同等面積的平面型結構載入更多的敏感材料，有利於提供感測器的靈敏度和穩定性；加熱電阻位於捲曲結構的內部，由內而外進行加熱，有利於提高加熱效率和溫度均勻性；檢測電極位於捲曲結構的外部，直接檢測附著在電極外部的氣敏材料，與氣體的接觸面積大，有利於提高靈敏度和回響速度；捲曲的單懸樑式的感測器尺寸更小、集成度更高，集成度較2018年5年以前的多懸樑式結構提高一個數量級；該發明提出的捲曲的單懸樑式氣體感測器的製備方法工藝簡單、易於定位，有效提高了生產效率，同時也更易於製備具有氣質材料的複合結構的氣敏材料。

附圖說明

圖1為《一種氣體感測器及感測器陣列》實施例一所述的一種氣體感測器的結構示意圖，

圖2為圖1的爆炸示意圖；

圖3為圖2中A處放大示意圖；

圖4為圖2中B處放大示意圖；

圖5為《一種氣體感測器及感測器陣列》實施例二所述的一種氣體感測器的爆炸示意圖；

圖6為《一種氣體感測器及感測器陣列》實施例三所述的一種氣體感測器的爆炸示意圖；

圖7為《一種氣體感測器及感測器陣列》實施例四所述的一種氣體感測器陣列的結構示意圖。

技術領域

《一種氣體感測器及感測器陣列》屬於微電子機械系統和氣體檢測技術領域，具體涉及一種氣體感測器及感測器陣列。

權利要求

1.《一種氣體感測器及感測器陣列》具有基體結構和懸樑結構，包括自下而上依次層疊設定的如下各部分：矽襯底；檢測電極，包括第一基部，所述第一基部的一側邊設有向上翹曲的第一懸臂，所述第一懸臂的自由端設有第一捲曲部；第一基部遠離第一懸臂的一側設有第一視窗，所述第一懸臂上設有第二視窗，該第二視窗沿第一懸臂延伸至第一捲曲部，並將第一捲曲部分割，第二視窗與第一視窗聯通，將檢測電極分割為兩部分；第一基部位於第一視窗兩側的位置處分別設有第一引線；第一隔離膜，為氮化矽層，包括第二基部，所述第二基部的一側邊設有向上翹曲的第二懸臂，所述第二懸臂的自由端設有第二捲曲部；第二基部對應於第一引線的位置設有第一透過孔，所述第一引線穿過第一透過孔暴露在外；加熱電阻，包括第三基部，所述第三基部的一側邊設有向上翹曲的第三懸臂，所述第三懸臂的自由端設有第三捲曲部；第三基部背離第三懸臂的一側設有第三視窗，所述第三懸臂上設有第四視窗，該第四視窗沿第三懸臂延伸至第三捲曲部，第四視窗與第三視窗聯通；第三基部位於第三視窗兩側的位置處分別設有第二引線；所述加熱電阻的厚度小於第一隔離膜的厚度，且加熱電阻不覆蓋第一基部；第二隔離膜，為氮化矽層，包括第四基部，所述第四基部的一側邊設有向上翹曲的第四懸臂，所述第四懸臂的自由端設有第四捲曲部；第四基部上對應於第二引線的位置設有第二透過孔；且第四基部不遮蓋第一透過孔；所述第一基部、第二基部、第三基部和第四基部對應設定形成所述基體結構；所述第一懸臂、第二懸臂、第三懸臂和第四懸臂對應設定，且所述第一捲曲部、第二捲曲部、第三捲曲部及第四捲曲部由內至外依次設定形成所述懸樑結構；所述第一捲曲部外包裹有氣敏材料。

2.根據權利要求1所述的一種氣體感測器，其特徵在於，所述第一懸臂、第二懸臂、第三懸臂和第四懸臂的水平投影呈矩形。

3.根據權利要求1所述的一種氣體感測器，其特徵在於，所述第一懸臂、第二懸臂、第三懸臂和第四懸臂的水平投影呈等腰梯形，且沿遠離基體結構的方向，所述第一懸臂、第二懸臂、第三懸臂和第四懸臂的寬度逐漸增大。

4.根據權利要求1-3任一項所述的一種氣體感測器，其特徵在於，所述第一隔離膜上設有第一孔，所述第一孔自第二懸臂靠近第二基部的一端延伸至第二捲曲部。

5.根據權利要求4所述的一種氣體感測器，其特徵在於，所述第二隔離膜上設有第二孔，所述第二孔自第四懸臂靠近第四基部的一端延伸至第四捲曲部，並與第一孔對應設定。

6.根據權利要求1所述的一種氣體感測器，其特徵在於，所述第三基部、第四基部位於第一透過孔朝向第二懸臂的一側；或第三基部位於第一透過孔背離第二懸臂的一側，且第四基部上對應於第一透過孔設定有第三透過孔，第三懸臂位於兩個第一透過孔之間。

7.根據權利要求1所述的一種氣體感測器，其特徵在於，所述檢測電極、第一隔離膜、加熱電阻、第二隔離膜的厚度均為1000-10000埃米。

8.一種氣體感測器陣列，其特徵在於，由多個如權利要求1-7任一項所述的一種氣體感測器構成。

實施方式

• 實施例一

參閱圖1至圖4，該實施例提供的一種氣體感測器，包括矽襯底1、檢測電極2、第一隔離膜3、加熱電阻4、第二隔離膜5和氣敏材料6。該感測器具有基體結構和懸樑結構，一般情況下，基體結構呈矩形，懸樑結構設定在基體結構一長邊的中部，因而，該感測器的水平投影呈“T”型。所述矽襯底1、檢測電極2、第一隔離膜3、加熱電阻4及第二隔離膜5自下而上依次層疊設定，該感測器的具體結構如下：矽襯底1，其上、下端面均呈矩形；所述檢測電極2一般為貴金屬材料電極，如金屬鉑或金。該檢測電極2包括外形呈矩形的第一基部21，所述第一基部21的一長邊的中部設有向上翹曲的第一懸臂22，所述第一懸臂22的自由端設有第一捲曲部23；第一基部21遠離第一懸臂22的一側設有第一視窗24，所述第一懸臂22上設有第二視窗25，該第二視窗25沿第一懸臂22延伸至第一捲曲部23，並將第一捲曲部23分割，第二視窗25與第一視窗24聯通，將檢測電極2分割為兩部分；第一基部21位於第一視窗24兩側的位置處分別設有第一引線（圖中未示出）。所述第一隔離膜3為氮化矽層，其設定目的是對檢測電極2及加熱電極4進行電隔離。第一隔離膜3包括第二基部31，所述第二基部31的一長邊中部設有向上翹曲的第二懸臂32，所述第二懸臂32的自由端設有第二捲曲部33；第二基部32對應於第一引線的位置設有第一透過孔34，所述第一引線穿過第一透過孔34暴露在外；所述加熱電阻4有金屬材料構成，一般為金屬鉑，用以對檢測電極2進行加熱獲得工作所需的溫度。加熱電阻4包括第三基部41，所述第三基部41的一長邊中部設有向上翹曲的第三懸臂42，所述第三懸臂42的自由端設有第三捲曲部43；第三基部41背離第三懸臂42的一側設有第三視窗44，所述第三懸臂42上設有第四視窗45，該第四視窗45沿第三懸臂42延伸至第三捲曲部43，第四視窗45與第三視窗44聯通；第三基部41位於第三視窗44兩側的位置處分別設有第二引線（圖中未示出）；所述加熱電阻4的厚度小於第一隔離膜3的厚度，且加熱電阻4不覆蓋第一基部21；所述第二隔離膜5為氮化矽層，其覆蓋在加熱電阻4上，以避免加熱電阻4與外界接觸而受影響。第二隔離膜包括第四基部51，所述第四基部51的一長邊中部設有向上翹曲的第四懸臂52，所述第四懸臂52的自由端設有第四捲曲部53；第四基部51上對應於第二引線的位置設有第二透過孔54；且第四基部51不遮蓋第一透過孔34；所述第一基部21、第二基部31、第三基部41和第四基部51對應設定形成所述基體結構；所述第一懸臂22、第二懸臂32、第三懸臂42和第四懸臂52對應設定，且所述第一捲曲部23、第二捲曲部33、第三捲曲部43及第四捲曲部53由內至外依次設定形成所述懸樑結構；所述氣敏材料6由納米尺度下的金屬氧化物半導體材料構成，如二氧化錫、氧化鋅或其他氧化物等。其包裹在第一捲曲部23外，由此與檢測電極2電性連線。當氣敏材料6吸附特定氣體分子後，其電阻會發生變化，從而達到檢測氣體的目的。該氣體感測器的核心部分為具有捲曲結構的懸樑結構，用於載入氣敏材料的有效區域也僅在懸樑結構遠離基部機構的端部。一方面，通過減小有效區的面積降低因熱對流和熱輻射引起的熱量散失，另一方面懸樑結構細而長，並向上翹曲，避免了與矽襯底1的接觸，可以大幅降低熱傳導過程中的熱量損失，因而該感測器具有極低的功耗；再一方面，加熱電阻4位於感測器內部，在降低熱量散失的同時，對檢測電極的加熱更加均勻，且檢測電極2位於感測器外部，氣敏材料6包裹在第一捲曲部23上，與待檢測氣體及檢測電極2的接觸面積大，具有更快的回響速度。需要說明的是，該實施例中以基體結構呈矩形、懸樑結構設定在矩形基體結構長邊中部處為例進行介紹，但這並不是嚴格的規定，在實際生產過程中，其基體結構具體形狀及懸樑結構的設定位置根據需要進行設定。該實施例中，所述第一懸臂22、第二懸臂32、第三懸臂42和第四懸臂52的水平投影呈矩形。進一步地，所述第一隔離膜3上設有第一孔35，所述第一孔35自第二懸臂32靠近第二基部31的一端延伸至第二捲曲部33。所述第二隔離膜5上設有第二孔55，所述第二孔55自第四懸臂52靠近第四基部51的一端延伸至第四捲曲部53。感測器上可以只設定第一孔35，或只設定第二孔55，也可同時設定第一孔35和第二孔55。需要注意的是，第一孔35、第二孔55、第二視窗24及第四視窗45的位置應對應。通過設定狹長的第一孔35和/或第二孔55來進一步降低熱傳導過程中的熱量損失。該實施例中，所述第三基部41、第四基部41位均於第一透過孔34朝向第二懸臂32的一側。此外，該實施例所述的檢測電極2、第一隔離膜3、加熱電阻4、第二隔離膜5的厚度均為1000埃米-10000埃米。該實施例中第一視窗24可以為對稱結構，通過設定第一視窗24和第二視窗25將檢測電極2分割成為對稱的兩部分；第三視窗44為對稱結構，通過第三視窗44和第四視窗45使加熱電阻4形成為一對稱結構。需要說明的是，實際生產時，根據需要，第一視窗24和第三視窗44也可以是不對稱的結構，此時檢測電極2及加熱電阻4也為非對稱結構。

該實施例所述的氣體感測器通過下述方法製備：

（1）取一N型單拋（100）面單拋矽片作為襯底，通過熱氧化的方法，製作一層厚度為1000埃米的氧化矽層作為犧牲層；

（2）製作檢測電極2：採用剝離工藝製備金電極，厚度為1000埃米；

（3）製作第一隔離膜3：採用等離子增強化學氣相沉積法製備氮化矽層，層厚為2000埃米；然後利用反應離子刻蝕或離子束刻蝕刻蝕隔離膜，形成第一透過孔34露出檢測電極2；

（4）製作加熱電阻4：採用剝離工藝製作鉑電阻的加熱電阻絲，厚度為1000埃米；

（5）製備第二隔離膜5：採用等離子採用等離子增強化學氣相沉積法製備氮化矽層，層厚為1000埃米；然後利用反應離子刻蝕或離子束刻蝕刻蝕隔離膜，露出加熱電阻4；

（6）釋放薄膜：先利用反應離子刻蝕或離子束刻蝕徹底刻蝕，露出矽襯底1形成薄膜釋放視窗，然後利用濕法腐蝕工藝刻蝕犧牲層，由於氮化矽層張應力的作用，懸樑結構的翹曲，且其自由端彎曲；

（7）氣敏材料6的載入：在所述懸樑結構的端部沾取二氧化錫氣敏材料，燒結後使其包裹第一捲曲部23，即獲得翹曲的單懸樑式氣體感測器，再在對應位置處設定第一引線、第二引線即可。需要說明的是，該實施例中的矽襯底1還可以選擇雙拋矽片，且其晶向也無嚴格要求，也可以選擇SOI矽片作為襯底，此時犧牲層為頂層矽，其厚度為2微米；所述檢測電極2、第一隔離膜3、加熱電阻4及第二隔離膜5的厚度根據需要在1000埃米-10000埃米的範圍內調整。

• 實施例二

參閱圖5，該實施例與實施例一的區別在於，所述第一懸臂22、第二懸臂32、第三懸臂42和第四懸臂52的水平投影呈等腰梯形，且沿遠離基體結構的方向，所述第一懸臂22、第二懸臂32、第三懸臂42和第四懸臂52的寬度逐漸增大。通過加寬懸樑結構與基體結構的連線寬度，在保留單懸樑式結構所具有的低功耗特點的同時，還提高了整個感測器的機械強度。該實施例中氣體感測器的製備方法與實施例一中方法相同，僅需調控刻蝕條件即可。

• 實施例三

參閱圖6，該實施例與實施例二的區別在於，所述第三基部41位於第一透過孔34背離第二懸臂32的一側，第三懸臂42位於兩個第一透過孔34之間，所述第四基部51上對應於第一透過孔34的位置開設有第三透過孔56，以供第一引線穿出。

• 實施例四

在氣味識別套用中，往往需要將眾多的感測器集成在一起工作，由於上述實施例一至實施例三中所述的具有捲曲結構的單懸樑式感測器因其結構的獨特性，極易實現多個感測器的集成而構成感測器陣列。如圖7所示，該實施例提供了一種感測器陣列，其由上述的具有捲曲結構的單懸樑式感測器平鋪而成，其中各個感測器的懸樑結構均位於基體結構的同一側。當然，也可以根據需要，將各個感測器的懸樑結構分布於基體結構的兩側或採用其他排布方式。將感測器製備成感測器陣列的方法與實施例一中所述氣體感測器製備過程基本相同，其只需要在步驟（6）中，通過設定刻蝕條件，使得釋放薄膜之後形成多個基體結構依次連線，每一基體結構上具有一懸樑結構的感測器陣列；然後在每一懸樑結構的端部根據需要分別沾取相同或不同配方的二氧化物氣敏材料，形成氣體感測器陣列。

榮譽表彰

2021年8月16日，《一種氣體感測器及感測器陣列》獲得安徽省第八屆專利獎優秀獎。