一种MEMS半导体气体传感器及其制造方法、及气体检测方法

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一种MEMS半导体气体传感器及其制造方法、及气体检测方法\n技术领域\n[0001] 本发明涉及气体检测用传感器，具体是一种MEMS半导体气体传感器及其制造方法、及气体检测方法。\n背景技术\n[0002] 人类生产、居住、生活的各种环境充斥着各种气体，对于气体的检测，特别是对有毒、有害、易燃易爆气体的探测是保证人们安全生产、健康居住、舒适生活的重要手段。气体传感器广泛应用于石油、石化、燃气、冶金、电力、汽车工业、环境卫生、气象检测、医疗健康、智能家居、信息技术等领域。已有的气体传感器中，以半导体气体传感器应用最为广泛。\n[0003] 随着MEMS(Micro Electromechanical System，即微电子机械系统)技术的快速发展，气体传感器也已向微型化、智能化、集成化和低功耗方向发展，采用MEMS技术制作的微结构气体传感器，将加热元件和敏感元件集成为一体，优化了气体传感器的性能，能极大提高气体传感器的灵敏度、可靠性和一致性。\n[0004] 目前，国内外的半导体气体传感器主要用于检测可燃性气体和有毒气体，在防止中毒和燃烧爆炸方面起着日益重要的作用。大多数半导体气体传感器的气敏性能都依赖于工作温度，目前实用化的SnO2系、ZnO系气敏元件等半导体气体传感器的工作温度在300℃～500℃，低温加热的半导体气体传感器的工作温度为室温～150℃，因而必须配置一个加热器，给气体敏感元件加热到所需的工作温度。目前常用的技术手段为稳压处理，即通过控制工作电压，进而控制加热功率，以达到控制传感器工作温度的目的。但这种方法并不能控制环境温度变化引起的半导体气体传感器敏感材料工作温度的变化，也就无法控制传感器因此产生的性能变化。\n[0005] 实际应用中，只能对半导体气体传感器受温度影响后的信号进行补偿，即对环境温度变化造成的零点漂移、灵敏度漂移等进行补偿，但并不能对环境温度变化造成的响应恢复速率、线性度、选择性等性能影响进行补偿。这种方法由于具有较大的滞后性，不能有效地减小环境温度对体气体传感器各性能的不利影响。\n发明内容\n[0006] 传统的气体传感器只能对半导体气体传感器受温度影响后的信号进行补偿，由于处理滞后，往往不能保证传感器的性能，达不到理想的测试效果。针对现有技术的不足，本发明的思路为：在调整传感器工作温度时同时考虑环境温度的影响，即在考虑环境温度的前提下一步调整传感器至合适的工作温度，消除传统处理方式由于处理滞后所引起的传感器性能不佳的缺陷。\n[0007] 为实现上述目的，本发明提供了一种MEMS半导体气体传感器，包括具有中空部的衬底和形成于所述衬底上的感测模块，所述感测模块包括依次层叠设置的第一绝缘层、加热电阻、第二绝缘层、测试电极和气体敏感层，其中，所述第一绝缘层以遮盖所述中空部的状态设置在所述衬底上，所述气体敏感层的上表面暴露于待测气体中，所述传感器还包括控制模块和温度检测模块，所述温度检测模块、加热电阻和测试电极分别与所述控制模块连接；所述温度检测模块用于检测环境温度并将所述环境温度反馈至控制模块，所述控制模块根据所述环境温度调整加热电阻的加热功率，进而控制所述气体敏感层的温度至所需的工作温度。\n[0008] 作为本发明的优选方式，所述控制模块为ASIC电路(专用集成电路)，所述温度检测模块为测温电阻。所述ASIC电路和测温电阻形成于所述衬底上。\n[0009] 具体的，所述衬底采用双面抛光双面氧化的硅片制成；所述气体敏感层采用金属氧化物半导体材料制成，所述金属氧化物半导体材料选自SnO2、WO3、In2O3和ZnO中的一种；\n所述加热电阻和测温电阻均采用铂；所述测试电极采用金；所述第一绝缘层、第二绝缘层采用氧化硅或氮化硅。\n[0010] 本发明还提供了一种MEMS半导体气体传感器的制造方法，包括以下步骤：\n[0011] S1、在衬底上加工形成中空部；\n[0012] S2、在所述中空部上覆盖第一绝缘层，然后在第一绝缘层上依次向上制作加热电阻、第二绝缘层、测试电极和气体敏感层，得到感测模块；\n[0013] S3、在衬底上制作测温电阻，得到温度检测模块；\n[0014] S4、在衬底上制作ASIC电路，并预留出信号接口，得到控制模块；\n[0015] S5、将所述加热电阻、测试电极和测温电阻通过桥接的方式或引线绑定的方式分别与ASIC电路连接。\n[0016] 具体的，上述衬底采用双面抛光双面氧化的硅片制成。\n[0017] 具体的，所述中空部通过深槽工艺加工形成于所述衬底上；所述温度检测模块和控制模块均采用MEMS工艺制作形成于所述衬底上；所述感测模块中，除气体敏感层采用丝网印刷方式形成于所述测试电极上外，感测模块其他部分均采用MEMS工艺制作。\n[0018] 作为本发明的优选，所述步骤S2中在制作测试电极前，先在第二绝缘层上制作一层钛或铬。以提高测试电极与绝缘层的结合强度。\n[0019] 一种基于MEMS半导体气体传感器的气体检测方法，包括以下步骤：\n[0020] 1)温度检测模块检测环境温度并将所测得的环境温度反馈至控制模块；\n[0021] 2)所述控制模块根据所述环境温度调整加热电阻两端的电压，进而自动调整加热电阻的加热功率，从而控制气体敏感层的温度至所需的工作温度。\n[0022] 所述控制模块根据所述环境温度调整加热电阻两端的电压，具体为当所述环境温度上升时，下调所述加热电阻两端的电压，当所述环境温度下降时，上调所述加热电阻两端的电压。\n[0023] 具体的，所述控制模块为ASIC电路，所述温度检测模块为测温电阻。\n[0024] 由于以上技术方案，本发明具有如下有益效果：\n[0025] 1、本发明的传感器可以根据环境温度变化实时调节加热电阻两端的电压，进而自动调整加热电阻的加热功率，从而控制气体敏感层的温度至所需的工作温度。减小甚至消除了由于环境温度变化对气体敏感层造成的响应回复速率、线性度、选择性等性能的不利影响，保证气体传感器的性能，减小环境温度变化带来的测试误差。\n[0026] 2、本发明在调整传感器工作温度时同时考虑环境温度的影响，即在考虑环境温度的前提下一步调整传感器至合适的工作温度，与传统的处理方式相比，本发明不存在处理滞后的缺陷，因而能精确控制传感器的工作温度，提升了传感器的性能。\n[0027] 3、本发明采用MEMS工艺将控制模块、温度检测模块和感测模块集成于同一衬底上，易于实现小型化和批量生产，有利于提高产品的精度和一致性，降低生产成本。\n[0028] 4、本发明方法工艺流程简单易实施，有利于提高生产效率，降低成本。\n附图说明\n[0029] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，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。\n[0030] 图1是本发明气体传感器的结构示意图；\n[0031] 图2是本发明气体传感器的制造方法的流程图；\n[0032] 图中：1-衬底，2-第一绝缘层，3-加热电阻，4-第二绝缘层，5-测试电极，6-气体敏感层，7-测温电阻，8-ASIC电路，9-中空部。\n具体实施方式\n[0033] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。\n[0034] 实施例1：\n[0035] 一种MEMS半导体气体传感器，包括具有中空部9的衬底1、感测模块、控制模块和温度检测模块；所述感测模块形成于所述衬底1上，感测模块包括依次层叠设置的第一绝缘层\n2、加热电阻3、第二绝缘层4、测试电极5和气体敏感层6，其中，所述第一绝缘层2以遮盖所述中空部9的状态设置在衬底1上，所述气体敏感层6的上表面暴露于待测气体中；所述温度检测模块可以是具有测温功能的相关产品，如温敏电阻、温度传感器等，所述控制模块选自具有控制功能的各种控制器，如单片机、DSP(数字信号处理器)、FPGA(现场可编程门阵列)、可编程逻辑控制器等；所述温度检测模块、加热电阻3和测试电极5分别与所述控制模块连接。\n温度检测模块用于检测环境温度并将环境温度反馈至控制模块，控制模块根据环境温度调整加热电阻3的加热功率，进而控制气体敏感层6的温度至所需的工作温度。\n[0036] 本实施在考虑环境温度的前提下一步调整传感器至合适的工作温度，与传统的处理方式相比，本发明不存在处理滞后的缺陷，因而能精确控制传感器的工作温度，保证并提升传感器的性能。\n[0037] 实施例2：\n[0038] 请参见附图1，本发明的一种MEMS半导体气体传感器，包括具有中空部9的衬底1以及分别形成于衬底1上的感测模块、ASIC电路8和测温电阻7；感测模块包括自下而上层叠设置的第一绝缘层2、加热电阻3、第二绝缘层4、测试电极5和气体敏感层6，其中，第一绝缘层2以遮盖中空部9的状态设置在衬底1上，气体敏感层6的上表面暴露于待测气体中。测温电阻\n7、加热电阻3和测试电极5分别与ASIC电路8连通。本实施例中，衬底1采用双面抛光双面氧化的硅片制成；加热电阻3和测温电阻7均采用铂；测试电极5采用金；第一绝缘层2采用氮化硅；所述第二绝缘层4采用氧化硅；气体敏感层6采用金属氧化物半导体材料，该金属氧化物半导体材料选自SnO2、WO3、In2O3、ZnO等中的一种。\n[0039] 上述ASIC电路8和测温电阻7均通过MEMS工艺制作形成于衬底1上。感测模块中，除气体敏感层6采用丝网印刷方式形成于测试电极5上外，感测模块其他部分均采用MEMS工艺制作。\n[0040] 本发明气体传感器的工作原理为：测温电阻7检测环境温度并将所测得的环境温度反馈至ASIC电路8，ASIC电路8根据所述环境温度调节加热电阻3两端的电压，进而自动调整加热电阻3的加热功率，从而控制气体敏感层6的温度至所需的工作温度；由于气体敏感层6为金属氧化物半导体材料，该材料在特定工作温度下遇到还原性气体时，材料表面吸附的氧负离子与还原性气体发生氧化还原反应，使半导体表面电阻下降，电导上升，由于电导变化与气体浓度成倒比，故半导体材料表面浓度降低，势垒随之降低，传感器的阻值减小。\n由于在给定的工作条件下和适当的气体浓度范围内，传感器的电阻值和还原性气体浓度之间存在对应关系，因此可以实现气体检测的功能。\n[0041] 相对于实施例1所提供的技术方案，进一步的，本实施例将感测模块、控制模块和温度检测模块集成于同一衬底1上，不仅能精确控制传感器的工作温度，保证并提升传感器的性能，而且易于实现小型化和批量生产，有利于提高产品的精度和一致性，降低生产成本。\n[0042] 请参见图2，本发明的MEMS半导体气体传感器的制造方法包括以下步骤：\n[0043] S1、在衬底上加工形成中空部；\n[0044] 所述衬底采用双面抛光双面氧化的硅片制成，所述中空部通过深槽工艺加工形成于所述衬底上。\n[0045] S2、在所述中空部上覆盖第一绝缘层，然后在第一绝缘层上依次向上制作加热电阻、第二绝缘层、测试电极和气体敏感层，制得感测模块；\n[0046] 本步骤中在制作测试电极前，先在第二绝缘层上制作一层钛或铬，以提高测试电极与绝缘层的结合强度；\n[0047] 所述感测模块中，除气体敏感层采用丝网印刷方式形成于所述测试电极上外，感测模块其他部分均采用MEMS工艺制作。\n[0048] S3、在衬底上制作测温电阻，制得温度检测模块；\n[0049] 所述温度检测模块采用MEMS工艺制作形成于所述衬底上。\n[0050] S4、在衬底上制作ASIC电路，并预留出信号接口，制得控制模块；\n[0051] 所述控制模块采用MEMS工艺制作形成于所述衬底上。\n[0052] S5、将所述加热电阻、测试电极和测温电阻通过桥接的方式或引线绑定的方式分别与ASIC电路连接。\n[0053] 以下介绍本发明方法的具体实施例。\n[0054] (1)通过深槽工艺在由双面抛光双面氧化的硅片制成的衬底1上加工形成中空部\n9，制得气体传感器微热板；\n[0055] (2)在所述中空部9上覆盖一层氮化硅作为第一绝缘层2；在第一绝缘层2表面溅射铂层，待图形化后作为加热电阻3；在加热电阻3上覆盖氧化硅介质层作为第二绝缘层4；在第二绝缘层4上先溅射一层钛或铬，用于提高测试电极5与第二绝缘层4之间的结合力，再在钛或铬表面溅射一层金，待图形化后作为测试电极5；在测试电极5表面采用丝网印刷方式设置气体敏感层6，制得气体传感器敏感模块；\n[0056] (3)在衬底1表面溅射铂层，然后作图形化处理，形成测温电阻7，制得温度检测模块；\n[0057] (4)采用MEMS工艺制作在衬底上制作ASIC电路8，并预留出信号接口，制得控制模块；\n[0058] (5)将所述加热电阻3、测试电极5和测温电阻7通过桥接的方式或引线绑定的方式分别与ASIC电路8连接，即得MEMS半导体气体传感器。\n[0059] 由上述可知，本发明方法的工艺流程简单易实施，所制得的气体传感器结构紧凑，易于实现小型化和批量生产。\n[0060] 进一步的，本发明还提供了一种基于MEMS半导体气体传感器的气体检测方法，具体步骤为：\n[0061] 1)温度检测模块检测环境温度并将所测得的环境温度反馈至控制模块；\n[0062] 2)控制模块根据所述环境温度调整加热电阻3两端的电压，进而自动调整加热电阻3的加热功率，从而控制气体敏感层6的温度至所需的工作温度。\n[0063] 上述控制模块根据环境温度调整加热电阻3两端的电压，具体为当所述环境温度上升时，下调所述加热电阻3两端的电压，当所述环境温度下降时，上调所述加热电阻3两端的电压。控制气体敏感层6的温度至所需的工作温度。\n[0064] 作为本实施例的优选，所述控制模块为ASIC电路8，所述温度检测模块为测温电阻\n7。\n[0065] 综上所述，本发明具有以下有益效果：\n[0066] 1、本发明的传感器可以根据环境温度变化实时调节加热电阻两端的电压，进而自动调整加热电阻的加热功率，从而控制气体敏感层的温度至所需的工作温度。减小甚至消除了由于环境温度变化对气体敏感层造成的响应回复速率、线性度、选择性等性能的不利影响，保证气体传感器的性能，减小环境温度变化带来的测试误差。\n[0067] 2、本发明在调整传感器工作温度时同时考虑环境温度的影响，即在考虑环境温度的前提下一步调整传感器至合适的工作温度，与传统的处理方式相比，本发明不存在处理滞后的缺陷，因而能精确控制传感器的工作温度，提升了传感器的性能。\n[0068] 3、本发明采用MEMS工艺将控制模块、温度检测模块和感测模块集成于同一衬底上，易于实现小型化和批量生产，有利于提高产品的精度和一致性，降低生产成本。\n[0069] 4、本发明方法工艺流程简单易实施，有利于提高生产效率，降低成本。\n[0070] 以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。