本发明专利技术公开了一种位于半导体衬底上的气体传感器。该气体传感器包括细长传感器元件，该细长传感器元件横跨开口延伸并具有相反的第一表面和第二表面，所述第一表面和第二表面外露以与要感测的气体相接触。第一表面背向衬底的主表面。第二表面面向所述主表面。细长传感器元件的电导率对所述相反的第一表面和第二表面能够外露到的所述气体的成分和/或浓度是敏感的。该气体传感器还包括支撑结构，该支撑结构设置为通过将细长传感器元件支撑在所述开口中而增加气体传感器的机械强度。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及气体传感器。具体地地，本专利技术涉及设置在半导体衬底上的气体传感器。
技术介绍
气体传感器用在多种不同的应用中以感测多种气体的成分和/或浓度。一种示例性应用是在供应链监测领域，其中监测诸如食品或饮料之类的消费品周围的空气中存在的CO2的水平，以确定消费的适宜性。所述监测通常可以在分配链中的多个阶段处执行。其它应用包括空气质量监测、在建筑物或汽车中的供暖、通风和空调(HVAC)系统中的使用、或温室中的CO2监测。 图I示出了已知种类的气体传感器20的第一示例。传感器20设置在半导体衬底2(通常为硅)上，并包括设置成曲线形式的细长传感器元件4。传感器元件4在两端处由一对电接触件10端接，允许电流在操作期间流过传感器元件4。传感器元件4位于电桥结构6的上表面上，电桥结构6横跨衬底2中的开口 8延伸。电桥结构6本身包括薄隔膜，所述薄隔膜是通过钻蚀(under-etch)衬底2的表面的一部分以形成开口 8而制成的。如图I所示，传感器元件4具有上表面，该上表面外露至周围环境，允许传感器元件4与要感测的气体接触。还在衬底2上设置加热器。该加热器包括电阻元件14，电流经由一对电端子12流过该电阻元件14。在该示例中电阻元件14也设置成曲线形式。在该示例中加热器14的目的是通过用作参考电阻来补偿环境温度的变化。气体传感器20操作如下。该传感器首先与要感测的气体接触。注意到，在一些示例中气体可以包括多种组分的混合物。在这种示例中，气体传感器可以用来通过确定组分的相对浓度(常见示例为空气存在的CO2的浓度)而确定气体的成分。为了确定所存在的气体的浓度，电流经由端子10通过传感器元件4。这引起传感器元件4变热。可以由周围气体从传感器元件4带走热量的速率与气体的导热率成比例，而气体的导热率又与气体的浓度/成分成比例。因而，对于给定的气体浓度/成分，加热的传感器元件4将在某个对应温度处达到热平衡。可以通过测量传感器元件4的电阻确定这种平衡温度。因此，总而言之，传感器元件4的电阻可以用来确定传感器元件4附近的气体的浓度/成分。如上所述，传感器元件4设置成曲线形式。这通过在电桥结构6上的可用于传感器元件4的空间限制内增大传感器元件4的表面积而提高了气体传感器20的灵敏度。然而，气体传感器20的整体灵敏度受到传感器元件的可用于接触气体的总尺寸和表面积的限制。在图2a和2b中示出了气体传感器30的第二示例。图2b示出了气体传感器30的穿过图2a中的线I的横截面。在该示例中，气体传感器30包括位于半导体衬底2上的传感器元件34。传感器元件34包括曲线形式的金属电阻元件，并且是采用用于半导体硅晶片工艺的已知金属化技术制成的。在制造期间，传感器元件34的形成可以与衬底2中的其它金属化部件(如，电源线或信号线)的形成一体化。这些附加部件32在图2a和2b中被示意性地示出位于传感器元件34的下方。在图2a和2b中示出的气体传感器30的操作非常类似于上文联系图I的示例描述的气体传感器的操作。如图2a和2b所示，已经通过刻蚀去除衬底2的区域38，所述区域38对应于传感器元件34的曲线的中心。原则上，这通过使传感器元件34的侧壁外露，增大了可用于与要感测的气体相接触的传感器元件34的表面积，从而提高了传感器元件34的灵敏度。然而，气体传感器的灵敏度仍然受到传感器元件34的总尺寸和表面积的限制。JP 2005/003468描述了一种流量传感器，包括在曲线结构的两端被支撑的电阻器。US 5，597，953描述了一种具有窗口的气体湿度传感器，曲线形状的带状加热器设·置在该窗口上。带状加热器被涂敷有湿度敏感层。US 4，349，808 和 R. Batha 等人的 Microelectronic Engineering 27(1995)ρ·499-502 发表的题目为“High_Tc air-bridge microbolometers fabricated bysilicon micromachining technique”的论文没有描述气体传感器,而是涉及福射热测量器(bolometer)。JP 6，118，046描述了一种大气传感器,包括设置在桥式薄膜绝缘体上的加热电阻器。US 2004/251117描述了一种悬挂式薄膜电阻器。US 5，753，916描述了一种用于红外线气体分析器的检测器，US 5，756，878描述了一种导热率测量装置。这些文献均未涉及设置在半导体衬底上的类型的气体传感器。
技术实现思路
在随附的独立权利要求和从属权利要求中阐述本专利技术的多个方面。来自从属权利要求的特征的组合可以在适当情况下与独立权力要求的特征相组合，而不是仅如权利要求中明确阐述的那样。根据本专利技术的一个方面，提供了一种位于半导体衬底上的气体传感器。该气体传感器包括细长传感器元件，该细长传感器元件横跨开口延伸并具有相反的第一表面和第二表面，所述第一表面和第二表面外露以与要感测的气体相接触。第一表面背向衬底的主表面。第二表面面向所述主表面。细长传感器元件的电导率对所述相反的第一表面和第二表面能够外露到的所述气体的成分和/或浓度是敏感的。该气体传感器还包括支撑结构，该支撑结构设置为通过将细长传感器元件支撑在所述开口中而增加气体传感器的机械鲁棒性。由于传感器元件具有可用于感测气体的存在的多个表面，因此增强了气体传感器的灵敏度。为了减轻本来可能由于传感器元件的自由悬挂(也就是说，与其周围分离)的部分相对较大而引起的传感器元件相对结构性弱点，设置支撑结构以提高机械强度。支撑结构可以包括横跨所述开口延伸的至少一个细长支柱。细长传感器元件可以被布置成曲线。在这种示例中，所述支撑结构的所述至少一个细长支柱中的一个或多个可以实质上垂直于所述曲线的长轴延伸。支撑结构的至少一部分可以从衬底向外延伸，以在所述第一表面(即传感器元件的面对衬底的表面)处支撑传感器元件。以这种方式，支撑结构可以从传感器元件的下面提供支撑。在其它示例中，可以从上面悬挂传感器。在这种示例中，可以从支撑结构将传感器悬挂在半导体衬底上方。这两种方法也可以组合，从而可以从传感器元件的上方和下方都提供支撑。支撑结构可以设置为半导体衬底上的一个或多个图案化层，从而允许以与已知的半导体工艺技术兼容的方式提供该结构本身。支撑结构可以任何合适的材料，示例为SiC、SiN, Si02、Si、Ge02、GeN或聚合物。传感器元件本身可以是导电的，如金属性的。合适的材料包括Cu、Al、W、WC、TiN, TaN、掺杂多晶娃、Ti、Ta、Pt、Ag 或 Au。根据本专利技术的另一个方面，提供了一种半导体器件，包括集成在半导体管芯或封装中的多个传感器。所述多个传感器中的至少一个为上述类型的气体传感器。 根据本专利技术的另一个方面，提供了一种射频识别(RFID)标签，包括上述类型的气体传感器。气体传感器可以被包括在半导体器件中，所述半导体器件具有上述集成在半导体管芯或封装中的多个传感器。根据本专利技术的另一个方面，提供了一种移动通信装置，包括上述类型的气体传感器。移动通信装置的示例包括移动电话、膝上型电脑和平板电脑。根据本专利技术的另一个方面，提供了一种供暖、通风和空调(HVAC)系统，包括一个或多个气体传感器，所述一个或多个气体传感器包括上述本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种位于半导体衬底上的气体传感器，该气体传感器包括：细长传感器元件，该细长传感器元件横跨开口延伸并具有相反的第一表面和第二表面，所述第一表面和第二表面外露以与要感测的气体相接触，其中，第一表面背向衬底的主表面，第二表面面向所述主表面，细长传感器元件的电导率对所述相反的第一表面和第二表面能够外露到的所述气体的成分和/或浓度是敏感的；以及支撑结构，该支撑结构被布置为通过将细长传感器元件支撑在所述开口中来提高气体传感器的机械鲁棒性。
【技术特征摘要】
...
【专利技术属性】
技术研发人员：奥瑞利·休伯特，戴维·蒂奥·卡斯特罗，
申请(专利权)人：NXP股份有限公司，
类型：发明
国别省市：
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