【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于气体传感器的，尤其涉及一种基于液体电解质的mems电化学气体传感器及其制备方法。
技术介绍
1、如今，气体传感器在各个领域的应用越来越广泛，在物联网等技术应用的推动下，其技术开始向小型化、集成化、模块化、智能化方向发展。毫无疑问，基于mems气体传感器的设计方案将成为未来气体传感器的主要发展方向之一。与传统的电化学气体传感器相比，mems电化学气体传感器的优势有以下几个方面：首先，可以将液体电解质完全控制在微通道/微腔室中，使得反应更加精确灵敏，且反应时间更短；其次，由于mems传感器具有微型化结构，所以需要的液体电解质体积只有微升级，从而大大节省成本；此外，其微小体积也便于集成在手机等终端应用上。
2、使用液体电解质的mems电化学气体传感器一个最重要的挑战是保证其密封性。如果密封性有问题，会发生漏液，影响传感器性能稳定性甚至造成传感器失效，进而影响传感器的寿命。专利公开号cn 113916950a公开了一种基于mems的电化学气体传感器及其制备方法，提出的电化学气体传感器其主体结构主要是由玻璃片和硅片通过阳极键合为一体，玻璃片的下表面上设有工作电极阵列，参比电极、对电极和工作电极均位于电解质槽内。但是，电极引线位于键合面上，会导致引线所在位置键合不上，存在缝隙，导致漏液风险。又如专利公开号cn 109752428a公开了用mems制造技术构造的电化学气体传感器，提出的传感器结构底部和顶部之间通过粘合剂密封接合。但液体电解质中所含的硫酸等成分会腐蚀粘合剂，长时间使用同样会导致漏液风险。
>技术实现思路
1、针对mems电化学气体传感器密封性差的技术问题，本专利技术提出一种基于液体电解质的mems电化学气体传感器及其制备方法，本专利技术设计的mems电化学气体传感器结构应用玻璃通孔(tgv)或硅通孔(tsv)技术将引线及焊盘布置在传感器非键合面，使得硅-玻璃键合面无其他物质，确保键合紧密，提高传感器的密封性。
2、为了达到上述目的，本专利技术的技术方案是这样实现的：
3、一种基于液体电解质的mems电化学气体传感器，包括上芯片；
4、下芯片，上芯片键合在下芯片上方；
5、微腔，位于下芯片和上芯片之间，微腔内储存有电解质；
6、进气孔，进气孔设置在上芯片上并将上芯片贯穿与微腔连接，外部空气通过进气孔与微腔连通；
7、工作电极，工作电极设置在上芯片上，工作电极有一部分区域与微腔中的电解液接触，还有一部分区域通过进气孔与空气接触；
8、对电极，对电极位于微腔内壁，设置对电极的内壁处设有通孔，对电极设置在通孔上，通孔穿透上芯片或下芯片与外界连通，通孔内填充有金属导体与对电极连接；
9、工作电极焊盘和对电极焊盘，工作电极焊盘设于在上芯片的外表面，与工作电极电气连通；对电极焊盘设于通孔远离对电极的一端，对电极焊盘通过金属导体与对电极电气连通。
10、其工作原理为待测气体通过进气孔到达工作电极表面，待测气体、液体电解质、工作电极形成气-液-固三相界面，在电极处氧化或还原而测电流，从而得出待测气体浓度。传感器一般有两个或三个和电解液接触的电极，典型电极由大表面积贵金属和多孔疏水膜组成，气体通过多孔膜背面扩散入传感器的工作电极，在此气体被氧化或还原，这种电化学反应引起流经外部线路的电流。
11、若采用两电极结构，工作电极的布置需能与待测气体直接接触，并与待测气体、液体电解质形成气-液-固三相界面；对电极的布置需要与液体电解质接触而不与待测气体接触；工作电极与对电极一般都采用铂(pt)、金(au)、银(ag)等具有催化作用且性质稳定的贵金属材料。在设计时适当增加电极面积，有助于增大产生的电流，从而提高传感器灵敏度。
12、若采用三电极结构，则需要在上述对电极旁再共面布置一个参比电极，参比电极一般都采用氯化银(agcl)、氧化银(ag2o)、氧化汞(hgo)等难熔盐材料。
13、所述上芯片为硅片，所述硅片包括远离下芯片的顶硅层和靠近下芯片的底硅层，顶硅层与底硅层之间设有二氧化硅层；下芯片的材料为玻璃。
14、所述底硅层表面设有凹腔，进气孔设置在上芯片中设有凹腔的区域，上芯片与下芯片键合后将凹腔开口密封形成微腔。
15、所述工作电极设置在凹腔的内壁及进气孔的侧壁，并延伸至上芯片的外表面。
16、所述工作电极与上芯片的接触区域之间设有多孔膜。
17、所述的多孔膜一般是氧化铝或其他可通过原子层沉积方式加工的多孔材料，能均匀覆盖在表面和侧壁上，一般厚度为5-50nm，也可以是聚四氟乙烯乳液等固化后的防水透气多孔材料。
18、所述对电极设置在微腔内壁下芯片的一侧，所述通孔为玻璃通孔，玻璃通孔穿透下芯片，对电极焊盘设于下芯片外表面的玻璃通孔上。
19、一种基于液体电解质的mems电化学气体传感器的制备方法，包括以下步骤：
20、(1)在硅片的顶硅层表面上通过光刻和干法刻蚀制作进气孔；
21、(2)在硅片中顶硅层、底硅层和侧壁上热氧化形成一层2-3μm厚的二氧化硅；
22、(3)在硅片底硅层表面通过光刻、rie刻蚀加工出湿法刻蚀窗口，再使用湿法刻蚀底硅层，获得凹腔结构；
23、(4)再用干法刻蚀掉顶硅层表面和进气孔侧壁的二氧化硅；
24、(5)使用原子层沉积方式在顶硅层表面、进气孔侧壁和凹腔侧壁上先形成一层5-50nm厚的多孔膜，再在多孔膜上形成一层5-50nm厚的工作电极；
25、(6)在顶硅层表面沉积一层50-150nm的工作电极焊盘；
26、(7)用湿法刻蚀去除底硅表面的二氧化硅，完成上芯片上的加工；
27、(8)玻璃片上制备孔径30-100μm的玻璃通孔，再镀金属导体填充玻璃通孔，填孔后使用cmp方式去除玻璃片表面的金属导体，只留下玻璃通孔中的铜金属导体；
28、(9)玻璃片两面的玻璃通孔上分别通过光刻、溅射、剥离工艺加工一层50-150nm厚的对电极和一层50-150nm的对电极焊盘，完成下芯片上的加工；
29、(10)通过阳极键合方式将加工完的上芯片和下芯片键合在一起，完成晶圆加工，再通过切割方式将整个晶圆分割成若干个传感器。
30、所述上芯片的材料为玻璃，下芯片为硅片。
31、所述下芯片表面设有凹腔，上芯片与下芯片键合后将凹腔开口密封形成微腔。
32、所述工作电极位于进气孔的侧壁，并延伸至上芯片的外表面。
33、所述工作电极与上芯片的接触区域之间设有多孔膜。
34、所述对电极设置在微腔内壁下芯片的一侧，所述通孔为硅通孔，硅通孔穿透下芯片，对电极焊盘设于下芯片外表面的硅通孔上。
35、一种基于液体电解质的mems电化学气体传感器的制备方法，包括以下步骤：
36、(1)在硅片正面上通过光刻和干法刻蚀制作凹腔结构；<本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于液体电解质的MEMS电化学气体传感器，其特征在于，包括上芯片(1)；
2.根据权利要求1所述的基于液体电解质的MEMS电化学气体传感器，其特征在于，还包括参比电极(12)，参比电极(12)设置在对电极(6)附近。
3.根据权利要求1或2所述的基于液体电解质的MEMS电化学气体传感器，其特征在于，所述上芯片(1)为硅片，所述硅片包括远离下芯片(2)的顶硅层(101)和靠近下芯片(2)的底硅层(103)，顶硅层(101)与底硅层(103)之间设有二氧化硅层(102)；下芯片(2)的材料为玻璃；所述底硅层(103)表面设有凹腔(9)，进气孔(4)设置在上芯片(1)中背面设有凹腔(9)的区域，上芯片(1)与下芯片(2)键合后将凹腔(9)开口密封形成微腔(3)；所述工作电极(5)设置在凹腔(9)的内壁及进气孔(4)的侧壁，并延伸至上芯片(1)的外表面；所述工作电极(5)与上芯片(1)的接触区域之间设有多孔膜(8)；所述对电极(6)设置在微腔(3)内壁下芯片(2)的一侧，所述通孔(7)为玻璃通孔，玻璃通孔穿透下芯片(2)，对电极焊盘(61)设于下芯片(2)
4.根据权利要求1或2所述的基于液体电解质的MEMS电化学气体传感器，其特征在于所述上芯片(1)的材料为玻璃，下芯片(2)为硅片。
5.根据权利要求4所述的基于液体电解质的MEMS电化学气体传感器，其特征在于，所述下芯片(2)表面设有凹腔(9)，上芯片(1)与下芯片(2)键合后将凹腔(9)开口密封形成微腔(3)；所述工作电极(5)位于进气孔(4)的侧壁，并延伸至上芯片(1)的外表面；所述工作电极(5)与上芯片(1)的接触区域之间设有多孔膜(8)；所述对电极(6)设置在微腔(3)内壁下芯片(2)的一侧，所述通孔(7)为硅通孔，硅通孔穿透下芯片(2)，对电极焊盘(61)设于下芯片(2)外表面的硅通孔上。
6.根据权利要求4所述的基于液体电解质的MEMS电化学气体传感器，其特征在于，所述上芯片(1)中设有注液口(10)和出液口(11)，注液口(10)和出液口(11)与微腔(3)连通，电解液经注液口(10)流入微腔(3)，经出液口(11)流出；所述工作电极(5)设于微腔(3)内壁上芯片(1)的一侧，设置工作电极(5)的内壁处设有玻璃通孔，工作电极(5)设置在玻璃通孔上，玻璃通孔穿透上芯片(1)与外界连通，玻璃通孔内填充有金属导体与工作电极(5)连接，工作电极焊盘(51)设于上芯片(1)外表面的玻璃通孔上；在微腔(3)内部，工作电极(5)至少覆盖一部分进气孔(4)，使工作电极(5)能够与外界空气接触；所述进气孔(4)的侧壁上设有疏水层。
7.根据权利要求6所述的基于液体电解质的MEMS电化学气体传感器，其特征在于，所述对电极(6)同样设置在微腔(3)内壁上芯片(1)的一侧，与工作电极(5)同侧；所述通孔(7)为玻璃通孔，玻璃通孔穿透上芯片(1)，对电极焊盘(61)设于上芯片(1)外表面的玻璃通孔上。
8.权利要求3所述基于液体电解质的MEMS电化学气体传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
9.权利要求5所述的基于液体电解质的MEMS电化学气体传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
10.权利要求6所述的基于液体电解质的MEMS电化学气体传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
...【技术特征摘要】
1.一种基于液体电解质的mems电化学气体传感器，其特征在于，包括上芯片(1)；
2.根据权利要求1所述的基于液体电解质的mems电化学气体传感器，其特征在于，还包括参比电极(12)，参比电极(12)设置在对电极(6)附近。
3.根据权利要求1或2所述的基于液体电解质的mems电化学气体传感器，其特征在于，所述上芯片(1)为硅片，所述硅片包括远离下芯片(2)的顶硅层(101)和靠近下芯片(2)的底硅层(103)，顶硅层(101)与底硅层(103)之间设有二氧化硅层(102)；下芯片(2)的材料为玻璃；所述底硅层(103)表面设有凹腔(9)，进气孔(4)设置在上芯片(1)中背面设有凹腔(9)的区域，上芯片(1)与下芯片(2)键合后将凹腔(9)开口密封形成微腔(3)；所述工作电极(5)设置在凹腔(9)的内壁及进气孔(4)的侧壁，并延伸至上芯片(1)的外表面；所述工作电极(5)与上芯片(1)的接触区域之间设有多孔膜(8)；所述对电极(6)设置在微腔(3)内壁下芯片(2)的一侧，所述通孔(7)为玻璃通孔，玻璃通孔穿透下芯片(2)，对电极焊盘(61)设于下芯片(2)外表面的玻璃通孔上。
4.根据权利要求1或2所述的基于液体电解质的mems电化学气体传感器，其特征在于所述上芯片(1)的材料为玻璃，下芯片(2)为硅片。
5.根据权利要求4所述的基于液体电解质的mems电化学气体传感器，其特征在于，所述下芯片(2)表面设有凹腔(9)，上芯片(1)与下芯片(2)键合后将凹腔(9)开口密封形成微腔(3)；所述工作电极(5)位于进气孔(4)的侧壁，并延伸至上芯片(1)的外表面；所述工作电极(5)与上芯片(1)...
【专利技术属性】
技术研发人员：古瑞琴，刘琦，于亚伟，李威，
申请(专利权)人：郑州炜盛电子科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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