一种叠层结构的微瓦斯传感器制造技术

一种叠层结构的微瓦斯传感器，包括采用MEMS技术加工的单片瓦斯微反应器与单片温度检测器，二者通过键合形成整体的叠层结构的微瓦斯传感器。单片瓦斯微反应器独立加热催化剂载体，单片温度检测器独立检测单片瓦斯微反应器因瓦斯催化燃烧反应造成的温升，其测量时不受单片瓦斯微反应器上的电压或电流的影响，二者不存在电气连接，相互独立。其制备工艺与CMOS工艺兼容；该传感器可分别独立调控单片瓦斯微反应器与单片温度检测器，因此可具有多种工作模式，该传感器配置简单，操作容易，功耗低、灵敏度更高、性能稳定。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
—种叠层结构的微瓦斯传感器
本技术涉及一种微瓦斯传感器，特别是一种基于微电子机械系统技术及封装技术的叠层结构的微瓦斯传感器。
技术介绍
目前基于传统钼丝加热的催化燃烧式瓦斯传感器仍在煤矿井下广泛应用，但其功耗较大，不能很好的满足物联网对低功耗瓦斯传感器的应用需求。而其它的瓦斯传感器亦无法适应煤矿井下高湿度的环境。现有报道的瓦斯传感器，多采用金属钼电阻作为加热元件，该钼电阻同时也作为测温元件。由于加热元件、测温元件是同一个钼电阻，这使得对温度测量的诸多先进技术受同时施加在钼电阻上加热电压或电流的制约而无法应用，限制了瓦斯检测技术的发展。
技术实现思路
本技术的目的是克服已有技术中存在的问题，提供一种基于微电子机械系统技术及封装技术的叠层结构的微瓦斯传感器本技术的叠层结构的微瓦斯传感器，包括单片瓦斯微反应器及单片温度检测器；所述单片瓦斯微反应器包括:硅框架支座、加热元件、2个固定端、2个键合-固定端、多个电极引出端、多个键合支撑端、金属凸点与催化剂载体；所述硅框架支座包括硅衬底与埋层氧化硅；所述固定端、键合-固定端、键合支撑端均相互独立的设在硅框架支座的埋层氧化硅上；固定端包括支撑硅层、设在支撑硅层外的氧化硅层、设在氧化硅层上的金属层，所述固定端的支撑娃层内设有掺杂娃层，金属层通过氧化娃层的窗口与掺杂娃层相接触形成欧姆接触；键合-固定端、电极引出端与键合支撑端均包括支撑硅层、设在支撑硅层外的氧化娃层、设在氧化娃层上的金属层；加热兀件包括支撑娃层、设在支撑娃层外的氧化娃层；电极引出端也设在硅框架支座的埋层氧化硅上；每个键合-固定端、固定端均与一个对应的电极引出端的一端相连，尤其是金属层是相连的；电极引出端设有电引出焊盘Pad区域，电引出焊盘Pad区域较佳设在电极引出端的另一端，用引线连接外电路与电极引出端的电引出焊盘Pad区域；所述加热元件设有硅加热器、两个对称设置的硅悬臂，硅加热器较佳为圆环形，圆环形娃加热器中间较佳设有两个对称内伸的散热-支撑娃块；所述娃悬臂的一端与娃微加热器相连，另一端与娃框架支座之上的固定端相连；所述加热兀件的娃加热器上设有催化剂载体，加热元件的硅加热器完全嵌入在催化剂载体中，并且催化剂载体贯穿于硅加热器中，尤其是催化剂载体是一个整体结构；在键合-固定端、键合支撑端的金属层上设有金属凸点；电极引出端与固定端较佳均设在硅框架支座的同一侧，排列顺序为一个电极引出端、一个固定端、另一个固定端、另一个电极引出端；所述单片温度检测器包括硅框架支座、硅测温单元、2个固定端、若干键合支撑端；所述硅测温单元设有硅测温器、两个对称设置的硅连接臂，2个对称设置的硅支撑臂；所述硅测温器、硅连接臂、硅支撑臂、固定端依次相连；所述硅测温器较佳具有蜿蜒曲折形状以具有较大的覆盖硅加热器的受热面积；所述硅框架支座包括硅衬底与埋层氧化硅；所述键合支撑端、固定端均设在硅框架支座的埋层氧化硅上，所述键合支撑端、固定端均包括支撑硅层、设在支撑硅层外的氧化硅层、设在氧化硅层上的金属层；固定端的支撑硅层设有掺杂硅层，金属层通过氧化硅层的窗口与固定端的掺杂硅层相接触形成欧姆接触；硅测温单元包括支撑硅层、设在支撑硅层上的氧化硅层，硅测温单元通过固定端固定在硅框架支座上的埋层氧化硅上；单片温度检测器的2个固定端与分别与单片瓦斯微反应器的2个键合-固定端在距离、位置上相对应，单片温度检测器的键合支撑端与单片瓦斯微反应器对应的键合支撑端在位置上相对应，单片瓦斯微反应器与单片温度检测器通过金属凸点紧密连接；单片温度检测器的硅测温单元位于单片瓦斯微反应器的有催化剂载体的加热元件正上方；单片瓦斯微反应器的位于外侧的一个电极引出端、一个键合-固定端及其上的金属凸点、单片温度检测器的一个固定端、硅测温单元、单片温度检测器的另一个固定端、单片瓦斯微反应器的另一个键合-固定端及其上的金属凸台与单片瓦斯微反应器的另一个位于外侧的电极引出端形成一个二端测温器件通路；单片温度检测器的尺寸小于单片瓦斯微反应器的尺寸使单片瓦斯微反应器的电极引出端的电引出焊盘Pad区域不被单片温度检测器覆盖，并能进行引线键合。有益效果，由于采用了上述方案，本技术的叠层结构的微瓦斯传感器的单片瓦斯微反应器的加热元件与单片温度检测器的测温元件采用MEMS工艺加工从SOI硅片释放出来；同时将温度检测器单片制作并通过封装与瓦斯微反应器对准并封装固定；二者单片瓦斯微反应器的加热元件与单片温度检测器的测温元件之间也没有直接接触；有效降低了单片瓦斯微反应器的加热功耗；瓦斯微反应器所释放的热量主要通过空气的热传导及热辐射的方式被温度检测器所检测。相比于在一个SOI硅片上设置加工独立的瓦斯微反应器和独立的温度检测器的方式，本技术的结构中的温度检测器具有与瓦斯微反应器所相对的更大的受热面积，因此能更加有效的独立获取瓦斯微反应器的温度变化信息，从而获得更高的灵敏度。本技术的叠层结构的微瓦斯传感器不再受传统的单一元件加热与测温功能复用的限制，可单独调控加热元件、单独对测温元件进行检测。分别对加热元件与测温元件进行调控，可为传感器提供多样性的工作模式，且配置简单、工作灵活、因此提高了传感器的综合性能。解决现有催化燃烧式瓦斯传感器的钼丝电阻元件复用所带来的问题，即同一个钼丝电阻同时作为加热元件及测温元件在控制温度与测量温度时无法分别调控的问题，同时还解决了进一步提升灵敏度的问题。优点:单片瓦斯微反应器的硅悬臂支撑的加热元件有利于提高加热器的电-发热效率，与钼丝相比具有更长的使用寿命；瓦斯微反应器的加热元件的硅加热器负载整体催化剂，整体式的催化剂全面包裹硅加热器，减少了加热器的一个散热路径，从而高效地利用了加热器的热量；同时温度检测器具有更多的受热面积，因此在保证低功耗的同时灵敏度更高。所提供的叠层结构的微瓦斯传感器，其制备方法可与CMOS工艺兼容，批量制作可降低成本、并提高一致性；能够满足煤矿井下环境物联网对瓦斯传感器的需求。【附图说明】图1为本技术的叠层结构的微瓦斯传感器的示意图。图2为本技术的未制作催化剂载体及催化剂的单片瓦斯微反应器。图3为本技术的单片温度检测器的俯视结构图。图4为本技术的负载有催化剂载体后的单片瓦斯微反应器的俯视结构图。图5为本技术的单片温度检测器的固定端的结构示意图，即沿悬臂伸出方向的截面剖视图。图6为本技术的单片瓦斯微反应器的硅加热器负载催化剂载体后的结构示意图，即图4中的B-B截面剖视图。【具体实施方式】下面结合附图对本技术的一个实施例作进一步的描述:实施例1:该叠层结构的微瓦斯传感器包括图1、图2、图3、图6、图7、图8所示的单片瓦斯微反应器I及单片温度检测器2 ；所述单片瓦斯微反应器I包括:硅框架支座101、加热元件103、2个固定端102、2个键合-固定端1021、多个电极引出端104、多个键合支撑端301、金属凸点400与催化剂载体105 ;所述硅框架支座101包括硅衬底11与埋层氧化硅12，如图4所示；所述固定端102、键合-固定端1021、键合支撑端301均相互独立的设在硅框架支座101的埋层氧化硅12上；固定端102包括支撑硅层21、设在支撑硅层21外的氧化硅层23、设在氧化硅层23上的金本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种叠层结构的微瓦斯传感器，其特征在于：它包括单片瓦斯微反应器（1）及单片温度检测器（2）；所述单片瓦斯微反应器（1）包括：硅框架支座（101）、加热元件（103）、2个固定端（102）、2个键合‑固定端（1021）、多个电极引出端（104）、多个键合支撑端（301）、金属凸点（400）与催化剂载体（105）；所述硅框架支座（101）包括硅衬底（11）与埋层氧化硅（12）；所述固定端（102）、键合‑固定端（1021）、键合支撑端（301）均相互独立的设在硅框架支座（101）的埋层氧化硅（12）上；固定端（102）包括支撑硅层（21）、设在支撑硅层（21）外的氧化硅层（23）、设在氧化硅层（23）上的金属层（22），所述固定端（102）的支撑硅层（21）内设有掺杂硅层（24），金属层（22）通过氧化硅层（23）的窗口与掺杂硅层（24）相接触形成欧姆接触；键合‑固定端（1021）、电极引出端（104）与键合支撑端（301）均包括支撑硅层（21）、设在支撑硅层（21）外的氧化硅层（23）、设在氧化硅层（23）上的金属层（22）；加热元件（103）包括支撑硅层（21）、设在支撑硅层（21）外的氧化硅层（23）；电极引出端（104）也设在硅框架支座（101）的埋层氧化硅（12）上；每个键合‑固定端（1021）、固定端（102）均与一个对应的电极引出端（104）的一端相连，尤其是金属层（22）是相连的；电极引出端（104）设有电引出焊盘Pad区域，电引出焊盘Pad区域较佳设在电极引出端（104）的另一端，用引线连接外电路与电极引出端（104）的电引出焊盘Pad区域；所述加热元件（103）设有硅加热器（1031）、两个对称设置的硅悬臂（1032），硅加热器（1031）较佳为圆环形，圆环形硅加热器（1031）中间较佳设有两个对称内伸的散热‑支撑硅块（1033）；所述硅悬臂（1032）的一端与硅微加热器（1031）相连，另一端与硅框架支座（101）之上的固定端（102）相连；所述加热元件（103）的硅加热器（1031）上设有催化剂载体（105），加热元件（103）的硅加热器（1031）完全嵌入在催化剂载体（105）中，并且催化剂载体（105）贯穿于硅加热器（1031）中，尤其是催化剂载体（105）是一个整体结构；在键合‑固定端（1021）、键合支撑端（301）的金属层（22）上设有金属凸点（400）；电极引出端（1021）与固定端（102）较佳均设在硅框架支座（101）的同一侧，排列顺序为一个电极引出端、一个固定端、另一个固定端、另一个电极引出端；所述单片温度检测器（2）包括硅框架支座（101）、硅测温单元（203）、2个固定端（202）、若干键合支撑端（301）；所述硅测温单元（203）设有硅测温器（2031）、两个对称设置的硅连接臂（2033），2个对称设置的硅支撑臂（2032）；所述硅测温器（2031）、硅连接臂（2033）、硅支撑臂（2033）、固定端（202）依次相连；所述硅框架支座（101）包括硅衬底（11）与埋层氧化硅（12）；所述键合支撑端（301）、固定端（202）均设在硅框架支座（101）的埋层氧化硅（12）上，所述键合支撑端（301）、固定端（202）均包括支撑硅层（21）、设在支撑硅层（21）外的氧化硅层（23）、设在氧化硅层（23）上的金属层（22）；固定端（202）的支撑硅层（21）内设有掺杂硅层（24），金属层（22）通过氧化硅层（23）的窗口与固定端（102）的掺杂硅层（24）相接触形成欧姆接触；硅测温单 元（203）包括支撑硅层（21）、设在支撑硅层（21）上的氧化硅层（23），硅测温单元（203）通过固定端（202）固定在硅框架支座（101）上的埋层氧化硅（12）上；单片温度检测器（2）的2个固定端（202）与分别与单片瓦斯微反应器（1）的2个键合‑固定端（1021）在距离、位置上相对应，单片温度检测器（2）的键合支撑端（301）与单片瓦斯微反应器（1）对应的键合支撑端（301）在位置上相对应，单片瓦斯微反应器（1）与单片温度检测器（2）通过金属凸点（400）紧密连接；单片温度检测器（2）的硅测温单元（203）位于单片瓦斯微反应器（1）的有催化剂载体（105）的加热元件（103）正上方；单片瓦斯微反应器（1）的位于外侧的一个电极引出端（104）、一个键合‑固定端（1021）及其上的金属凸点（400）、单片温度检测器（2）的一个固定端（202）、硅测温单元（203）、单片温度检测器（2）的另一个固定端（202）、单片瓦斯微反应器（1）的另一个键合‑固定端（1021）及其上的金属凸台（400）与单片瓦斯微反应器（1）的另一个位于外侧的电极引出端（104）形成一个二端测温器件通路；单片温度检测器（2）的尺寸...

【技术特征摘要】
1.一种叠层结构的微瓦斯传感器，其特征在于:它包括单片瓦斯微反应器(I)及单片温度检测器(2)； 所述单片瓦斯微反应器(I)包括:硅框架支座(101)、加热元件(103)、2个固定端(102)、2个键合-固定端(1021)、多个电极引出端(104)、多个键合支撑端(301)、金属凸点(400)与催化剂载体(105);所述硅框架支座(101)包括硅衬底(11)与埋层氧化硅(12)；所述固定端(102)、键合-固定端(1021)、键合支撑端(301)均相互独立的设在娃框架支座(101)的埋层氧化硅(12)上；固定端(102)包括支撑硅层(21)、设在支撑硅层(21)外的氧化硅层(23)、设在氧化硅层(23)上的金属层(22)，所述固定端(102)的支撑硅层(21)内设有掺杂硅层(24 )，金属层(22 )通过氧化硅层(23 )的窗口与掺杂硅层(24 )相接触形成欧姆接触；键合-固定端(1021)、电极引出端(104)与键合支撑端(301)均包括支撑硅层(21)、设在支撑硅层(21)外的氧化硅层(23 )、设在氧化硅层(23 )上的金属层(22 );加热元件(103 )包括支撑硅层(21)、设在支撑硅层(21)外的氧化硅层(23);电极引出端(104)也设在硅框架支座(101)的埋层氧化硅(12)上；每个键合-固定端(1021 )、固定端(102)均与一个对应的电极引出端(104)的一端相连，尤其是金属层(22)是相连的；电极引出端(104)设有电引出焊盘Pad区域，电引出焊盘Pad区域较佳设在电极引出端(104)的另一端，用引线连接外电路与电极引出端(104)的电引出焊盘Pad区域；所述加热元件(103)设有硅加热器(1031)、两个对称设置的娃悬臂(1032),娃加热器(1031)较佳为圆环形，圆环形娃加热器(1031)中间较佳设有两个对称内伸的散热-支撑娃块(1033);所述娃悬臂(1032)的一端与硅微加热器(1031)相连，另一端与硅框架支座(101)之上的固定端(102)相连；所述加热元件(103 )的硅加热器(1031)上设有催化剂载体(105 )，加热元件(103 )的硅加热器(1031)完全嵌入在催化剂载体(105)中，并且催化剂载体(105)贯穿于硅加热器(1031)中，尤其是催化剂载体(105)是一个整体结构；在键合-固定端(1021)、键合支撑端(301)的金属层(22)上设有金属凸点(400);电极引出端(1021)与固定端(102)较佳均设在...

【专利技术属性】
技术研发人员：马洪宇，王文娟，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：新型
国别省市：江苏;32