微型集成式气体传感器制造技术

本实用新型专利技术公开了一种微型集成式气体传感器，其包括相对设置的加热单元和气体敏感单元，其中，所述气体敏感单元包括测试电极和气体敏感结构，所述气体敏感结构直接形成在所述测试电极上；所述加热单元包括与所述测试电极相匹配的加热层，所述加热层朝向所述气体敏感结构，且所述加热层与所述气体敏感结构无直接接触。本实用新型专利技术的气体传感器可靠性高，且该气体传感器在使用环境性能要求比较高的情况下可以满足需求，而且还可以避免多层薄膜结构在高温下使用造成的热应力和热膨胀系数匹配方面产生的问题。

【技术实现步骤摘要】
微型集成式气体传感器
本技术涉及一种气体传感器，特别涉及一种微型集成式气体传感器，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。大多数MEMS气体传感器采用铂金为加热丝,采用背面体硅加工技术实现微热板的悬空。目前常用的MEMS气体传感器主要以硅基底为主，上面形成绝缘层，加热层和测试层等，相对比较复杂，其制作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，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。为了克服现有硅基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，目前常用的硅基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，通过湿法或者干法的刻蚀工艺，形成；之后再通过溅射、喷涂、印刷等方式进行敏感材料的沉积，经过老化处理后完成MEMS气体传感器的整体结构。然而，该类MEMS气体传感器存在如下方面的问题：一方面，在硅基材料上沉积多层薄膜，尤其是金属薄膜和氧化硅、氮化硅等薄膜的多层复合，很容易形成高应力而导致器件的失效；二是现有的MEMS气体传感器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，进而造成器件损坏；三是在背面刻蚀空腔的之后，印刷敏感材料时会对悬空结构造成损伤。
技术实现思路
本技术的主要目的在于提供一种微型集成式气体传感器，以克服现有技术中的不足。为实现前述专利技术目的，本技术采用的技术方案包括：本技术实施例提供了一种微型集成式气体传感器，其包括相对设置的加热单元和气体敏感单元，所述气体敏感单元包括测试电极和气体敏感结构，所述气体敏感结构直接形成在所述测试电极上；所述加热单元包括与所述测试电极相匹配的加热层，所述加热层朝向所述气体敏感结构，且所述加热层与所述气体敏感结构无直接接触。进一步的，所述气体敏感单元还包括第一衬底，所述第一衬底的第一面设置有收容槽，至少所述气体敏感结构设置在所述收容槽中；所述加热单元还包括第二衬底，所述加热层设置在所述第二衬底的第三面上，所述第一衬底与第二衬底结合而形成一气体腔室，所述气体敏感结构以及加热层被封装在所述气体腔室内；所述气体腔室还与设置在所述第一衬底内的气孔连通。进一步的，所述第一衬底的第一面上还设置有第一绝缘层，所述测试电极设置在所述第一绝缘层上，所述第二衬底的第三面还设置有第二绝缘层，所述加热层设置在所述第二绝缘层上。更进一步的，所述第一衬底的第二面还设置有第一焊盘，所述第一焊盘与所述测试电极电连接；所述第二衬底的第四面还设置有第二焊盘，所述第二焊盘与所述加热层电连接；其中，所述第一面与所述第二面背对设置，所述第三面与所述第四面背对设置。更进一步的，所述第一衬底内还设置有第一导电通道，所述第一导电通道的一端与所述测试电极电连接，另一端与所述第一焊盘电连接；所述第二衬底内还设置有第二导电通道，所述第二导电通道的一端与所述加热层电连接，另一端与所述第二焊盘电连接。更进一步的，所述第一衬底内具有沿厚度方向贯穿所述第一衬底的第一通孔，所述第一通孔内填充有导电材料而形成所述的第一导电通道；所述第二衬底内具有沿厚度方向贯穿所述第二衬底的第二通孔，所述第二通孔内填充有导电材料而形成所述的第二导电通道。更进一步的，所述气体敏感单元与所述加热单元通过键合的方式连接成一体。进一步的，所述第一衬底、第二衬底包括硅衬底。进一步的，所述第一绝缘层、第二绝缘层的材质均包括氧化硅.进一步的，所述第一绝缘层、第二绝缘层的厚度为100-5000nm。进一步的，所述第一通孔、第二通孔的深度为50-1000μm。进一步的，所述气孔的直径为10-500μm。进一步的，所述气体敏感结构具有由多根多孔导电纤维交织形成的三维多孔结构。其中，所述多孔导电纤维可以选用本领域熟知的类型。优选的，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，所述磺化石墨烯与噻吩低聚物可以显著提高电子在半导体纳米颗粒之间的传输效率，进而明显提升气体敏感结构的灵敏度。更进一步的，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，所述测试电极为由包含金属纳米粒子的导电墨水打印形成，且所述金属纳米粒子所含金属元素与形成所述气体敏敏感结构的半导体金属氧化纳米颗粒所含金属元素相同。进一步的，所述金属纳米粒子包括Au、Cu或Al等金属纳米粒子，但不限于此。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。本技术实施例还提供了一种制作所述微型集成式气体传感器的方法，其包括，制作气体敏感单元：提供第一衬底，并在所述第一衬底的第一面的指定区域加工形成收容槽；在所述第一衬底的第一面制作形成第一绝缘层，在所述收容槽内的第一绝缘层上制作形成测试电极，并在所述测试电极上制作形成气体敏感结构；在所述第一衬底内加工形成沿厚度方向连续贯穿所述第一衬底、第一绝缘层的气孔和第一通孔，并在所述第一通孔内填充导电材料而形成第一导电通道，其中，所述气孔与所述收容槽连通；在所述第一绝缘层上制作形层第一金属层，并使所述第一金属层分别与所述测试电极、第一导电通道电连接；制作加热单元：提供第二衬底，在所述第二衬底的第三面上制作形成第二绝缘层，并在所述第二绝缘层上制作加热层；在所述第二衬底内加工形成沿厚度方向连续贯穿所述第二衬底和第二绝缘层的第二通孔，在所述第二通孔内填充导电材料而形成第二导电通道；在所述第二绝缘层上制作形成第二金属层，所述第二金属层分别与所述第二导电通道和加热层电连接；采用键合的方式将所述气体敏感单元与所述加热单元连接成一体，而在所述加热单元与气体敏感单元之间形成一气体腔室，所述气体敏感结构以及加热层被封装在所述气体腔室内，所述加热层朝向所述气体敏感结构，且所述加热层与所述气体敏感结构无直接接触。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第二绝缘层上而形成测试本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种微型集成式气体传感器，其特征在于包括相对设置的加热单元和气体敏感单元，所述气体敏感单元包括测试电极和气体敏感结构，所述气体敏感结构直接形成在所述测试电极上；所述加热单元包括与所述测试电极相匹配的加热层，所述加热层朝向所述气体敏感结构，且所述加热层与所述气体敏感结构无直接接触。/n

【技术特征摘要】
1.一种微型集成式气体传感器，其特征在于包括相对设置的加热单元和气体敏感单元，所述气体敏感单元包括测试电极和气体敏感结构，所述气体敏感结构直接形成在所述测试电极上；所述加热单元包括与所述测试电极相匹配的加热层，所述加热层朝向所述气体敏感结构，且所述加热层与所述气体敏感结构无直接接触。


2.根据权利要求1所述的微型集成式气体传感器，其特征在于：所述气体敏感单元还包括第一衬底，所述第一衬底的第一面设置有收容槽，至少所述气体敏感结构设置在所述收容槽中气体敏感结构；
所述加热单元还包括第二衬底，所述加热层设置在所述第二衬底的第三面上，
所述第一衬底与第二衬底结合而形成一气体腔室，所述气体敏感结构和加热层被封装在所述气体腔室内，所述气体腔室还与设置在第一衬底内的气孔连通。


3.根据权利要求2所述的微型集成式气体传感器，其特征在于包括：所述第一衬底的第一面上还设置有第一绝缘层，所述测试电极设置在所述第一绝缘层上，所述第二衬底的第三面还设置有第二绝缘层，所述加热层设置在所述第二绝缘层上。


4.根据权利要求2所述的微型集成式气体传感器，其特征在于：所述第一衬底的第二面还设置有第一焊盘，所述第一焊盘与所述测试电极电连接；所述第二衬底的第四面还设置有第二焊盘，所述第二焊盘与所述加热层电连接；其中，所述第一面与所述第二面背对设置，所述第三面与所述第四面背对设置。


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【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：新型
国别省市：安徽;34