基于玻璃基底的MEMS半导体式气体传感器及其制作方法技术

本发明专利技术公开了一种基于玻璃基底的MEMS半导体式气体传感器及其制作方法。该MEMS半导体式气体传感器包括敏感测试结构以及封装结构，该封装结构包括透气盖板，透气盖板与敏感测试结构密封结合形成一气体腔室，敏感测试结构包括玻璃基底以及依次叠层设置在玻璃基底第一面上的加热层、绝缘层以及气体敏感材料层，所述气体敏感材料层还与设置在所述绝缘层上的测试层电连接。本实施例提供的基于玻璃基底的MEMS半导体式气体传感器，其加工工艺简单、可靠，其该传感器整体具有良好的热绝缘性能；而且该传感器具有更牢靠的结构，进而可以在受冲击、振动的环境下使用。

MEMS semiconductor gas sensor based on glass substrate and its fabrication method

【技术实现步骤摘要】
基于玻璃基底的MEMS半导体式气体传感器及其制作方法
本专利技术涉及一种气体传感器，特别涉及一种基于玻璃基底的MEMS半导体式气体传感器及其制作方法，属于电子器件

技术介绍
气体传感器广泛应用于检测可燃性气体、有毒气体以及大气成分，以MEMS工艺为基础的微热板式气体传感器以其低功耗、体积小、易集成的特点成为当前气体传感器领域的研究热点，现有MEMS气体传感器多采用铂金为加热丝,采用背面体硅加工技术实现微热板的悬空。目前常用的MEMS气体传感器的结构如图1a、图1b所示，其主要以硅基底为主，硅基底上形成绝缘层、加热层和测试层等，结构相对比较复杂，其制备工艺主要包括深硅刻蚀形成微孔、绝缘层/阻挡层/种子层的沉积、pad的制备及多次光刻等工艺技术；为了提高加热效率，通常采用悬臂梁式的加热结构，然而，目前硅基MEMS气体传感器还存在良率低、性能差、器件容易损坏等方面的缺点。为了解决上述MEMS气体传感器所存在的问题：现有硅基MEMS气体传感器主要结合MEMS微加工工艺，利用薄膜沉积工艺制备绝缘层、阻挡层和种子层的淀积，然后分别沉积金属加热层和测试层，并通过湿法或者干法的刻蚀工艺形成传感器的主体结构，之后再通过溅射、喷涂、印刷等方式进行敏感材料的沉积，经过老化试验后完成MEMS气体传感器的整体结构；然而，此种MEMS气体传感器存在如下问题：一方面在硅基材料在上沉积多层薄膜，尤其是金属薄膜和氧化硅、氮化硅等薄膜的多层复合，很容易形成高应力，造成器件失效；二是目前的MEMS气体传感器是需要在一定温度下进行工作，多种材料的叠加，很容易造成材料之间的热膨胀系数失配，造成器件损坏；三是背面刻蚀背腔的之后再印刷敏感材料时对悬空结构也会造成损伤。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于提供一种基于玻璃基底的MEMS半导体式气体传感器及其制作方法，以克服现有技术中的不足。为实现前述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案包括：本专利技术实施例提供了一种基于玻璃基底的MEMS半导体式气体传感器，其包括：敏感测试结构以及封装结构，其中，所述封装结构包括透气盖板，所述透气盖板与所述敏感测试结构密封结合形成一气体腔室，所述气体腔室与设置在所述透气盖板上的至少一个气孔连通；所述敏感测试结构包括玻璃基底以及依次叠层设置在玻璃基底第一面上的加热层、绝缘层以及气体敏感材料层，所述气体敏感材料层还与设置在所述绝缘层上的测试层电连接，至少所述气体敏感材料层被设置在所述气体腔室中，以及，所述玻璃基底的第二面还设置有背腔，且所述气体敏感材料层被对应设置在所述背腔的上方，其中，所述第一面与所述第二面背对设置。进一步的，该背腔的顶部具有第一区域和第二区域，所述第一区域的玻璃基底的厚度小于所述第二区域的玻璃基底的厚度而形成悬臂结构，所述气体敏感材料层对应设置在位于所述玻璃基底第二区域的上方。进一步的，所述玻璃基底的厚度为100-1000μm，所述悬臂结构的厚度为10-100μm，宽度为10-100μm。进一步的，所述透气盖板包括玻璃盖板。进一步的，所述气孔的直径为10-500μm。进一步的，所述加热层的材质包括Pt、Au、Ag、Cu中的任意一种或两种以上的组合。进一步的，所述加热层的厚度为100-5000nm。进一步的，所述绝缘层的材质包括氧化硅和/或氮化硅。优选的，所述绝缘层的厚度为10-5000nm。进一步的，所述气体敏感材料层的材质包括半导体金属氧化物，厚度为100-5000nm。优选的，所述气体敏感材料层由多根多孔导电纤维交织形成，所述多根多孔导电纤维相互交织而形成三维多孔结构，其中，所述多孔导电纤维包括紧密堆积的多个半导体金属氧化物纳米颗粒，并且至少部分所述半导体金属氧化物纳米颗粒之间还分布有磺化石墨烯及噻吩低聚物。进一步的，所述多孔导电纤维的直径为0.5μm-20μm，长度为10μm以上，孔隙率为60-85％，所含孔洞的孔径为20-100nm，。进一步的，所述多孔导电纤维包含质量比为90-95：0.01-0.5：2-5的半导体金属氧化物纳米颗粒、磺化石墨烯与噻吩低聚物。更进一步的，所述半导体金属氧化物纳米颗粒可以是氧化铜纳米颗粒、氧化银纳米颗粒、氧化镍纳米颗粒等，所述半导体金属氧化物纳米颗粒的粒径为10-100nm。更进一步的，所述噻吩低聚物含有2-20个单体单元，分子量为800-3000g/mol。进一步的，所述测试层是由包含金属纳米粒子的导电墨水打印形成，所述金属纳米粒子所含金属元素与形成气体敏感材料层的半导体金属氧化物纳米颗粒所含金属元素相同。优选的，所述金属纳米粒子包括Au、Ag、Cu或Ni纳米粒子。优选的，所述测试层的厚度为100-5000nm。进一步的，所述玻璃基底的第二面还设置有第一焊盘和第二焊盘，所述第一焊盘经设置在所述玻璃基底内的第一导电通道与所述加热层电连接，所述第二焊盘经设置在所述玻璃基底内的第二导电通道与所述测试层电连接。更进一步的，所述第一导电通道包括沿厚度方向贯穿所述玻璃基底的第一通孔以及填充在所述第一通孔内的导电材料，所述第二导电通道包括沿厚度方向贯穿所述玻璃基底的第二通孔以及填充在所述第二通孔内的导电材料。所述第一通孔和第二通孔的深度为50-1000μm。进一步的，所述导电材料包括导电金属材料。本专利技术实施例还提供一种制作所述基于玻璃基底的MEMS半导体式气体传感器的方法，其包括：提供玻璃基底，并在玻璃基底的第二面加工形成背腔，且使所述背腔的顶部第一区域的厚度小于第二区域的厚度而形成两个以上间隔设置的悬臂结构，其中所述第一区域环绕所述第二区域分布；在所述玻璃基底的第一面依次制作叠层设置的加热层、绝缘层、测试层和气体敏感材料层，并使所述气体敏感材料层与所述测试层电连接；提供一具有气孔的玻璃盖板，并将所述玻璃盖板与所述玻璃基底封装结合，进而在所述玻璃盖板与所述玻璃基底之间围合形成一气体腔室，至少所述气体敏感材料层被封装在所述气体腔室中，所述气体腔室与所述玻璃盖板上的气孔连通。具体的，所述的方法具体包括：将噻吩低聚物溶解于有机溶剂中形成分散液，再向该分散液中依次加入磺化石墨烯、半导体金属氧化物纳米颗粒，均匀分散后，形成印刷墨水，再将该印刷墨水印刷到绝缘层上，并进行干燥、老化处理后形成气体敏感材料层；印刷墨水经干燥老化处理后形成多根相互交织的多孔导电纤维；其中，该印刷墨水中半导体金属氧化物纳米颗粒、磺化石墨烯与噻吩低聚物的质量比为90-95：0.01-0.5：2-5，半导体金属氧化物纳米颗粒可以是氧化铜纳米颗粒、氧化亚铜纳米颗粒、氧化银纳米颗粒、氧化镍纳米颗粒等，半导体金属氧化物纳米颗粒的粒径为10-100nm，噻吩低聚物含有2-20个单体单元，分子量为800-3000g/mol。具体的，所述的方法具体包括：将包含金属纳米粒子的导电墨水印刷到绝缘层上，进而形成测试层，并使该测试层与气体敏感材料层电连接，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于玻璃基底的MEMS半导体式气体传感器，其特征在于包括敏感测试结构以及封装结构，其中，/n所述封装结构包括透气盖板，所述透气盖板与所述敏感测试结构密封结合形成一气体腔室，所述气体腔室与设置在所述透气盖板上的至少一个气孔连通；/n所述敏感测试结构包括玻璃基底以及依次叠层设置在玻璃基底第一面上的加热层、绝缘层以及气体敏感材料层，所述气体敏感材料层还与设置在所述绝缘层上的测试层电连接，至少所述气体敏感材料层被设置在所述气体腔室中，以及，所述玻璃基底的第二面还设置有背腔，且所述气体敏感材料层被对应设置在所述背腔的上方，其中，所述第一面与所述第二面背对设置。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于玻璃基底的MEMS半导体式气体传感器，其特征在于包括敏感测试结构以及封装结构，其中，
所述封装结构包括透气盖板，所述透气盖板与所述敏感测试结构密封结合形成一气体腔室，所述气体腔室与设置在所述透气盖板上的至少一个气孔连通；
所述敏感测试结构包括玻璃基底以及依次叠层设置在玻璃基底第一面上的加热层、绝缘层以及气体敏感材料层，所述气体敏感材料层还与设置在所述绝缘层上的测试层电连接，至少所述气体敏感材料层被设置在所述气体腔室中，以及，所述玻璃基底的第二面还设置有背腔，且所述气体敏感材料层被对应设置在所述背腔的上方，其中，所述第一面与所述第二面背对设置。


2.根据权利要求1所述基于玻璃基底的MEMS半导体式气体传感器，其特征在于：该背腔的顶部具有第一区域和第二区域，所述第一区域的玻璃基底的厚度小于所述第二区域的玻璃基底的厚度而形成悬臂结构，所述气体敏感材料层对应设置在位于所述玻璃基底第二区域的上方。


3.根据权利要求2所述基于玻璃基底的MEMS半导体式气体传感器，其特征在于：所述玻璃基底的厚度为100-1000μm，所述悬臂结构的厚度为10-100μm，宽度为10-100μm；和/或，所述透气盖板包括玻璃盖板，和/或，所述气孔的直径为10-500μm。


4.根据权利要求1所述基于玻璃基底的MEMS半导体式气体传感器，其特征在于：所述加热层的材质包括Pt、Au、Ag、Cu中的任意一种或两种以上的组合；和/或，所述加热层的厚度为100-5000nm；和/或，所述绝缘层的材质包括氧化硅和/或氮化硅；优选的，所述绝缘层的厚度为10-5000nm。


5.根据权利要求1所述基于玻璃基底的MEMS半导体式气体传感器，其特征在于：所述气体敏感材料层的材质包括半导体金属氧化物，所述气体敏感材料层的厚度为100-5000nm。


6.根据权利要求5所述基于玻璃基底的MEMS半导体式气体传感器，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘瑞，
申请(专利权)人：安徽芯淮电子有限公司，
类型：发明
国别省市：安徽;34