[發(fā)明專利]一種疊層結構的微瓦斯傳感器及其制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310447005.4
• 申請日: 2013-09-26
• 公開（公告）號: CN103482562A
• 公開（公告）日: 2014-01-01
• 發(fā)明（設計）人: 馬洪宇;王文娟
• 申請（專利權）人: 中國礦業(yè)大學
• 主分類號: B81B7/02
• 分類號: B81B7/02;B81C1/00
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙) 32249
• 代理人: 楊曉玲

1.一種疊層結構的微瓦斯傳感器，其特征在于：該疊層結構的微瓦斯傳感器包括單片瓦斯微反應器（1）及單片溫度檢測器（2）；

所述單片瓦斯微反應器（1）包括：硅框架支座（101）、加熱元件（103）、2個固定端（102）、2個鍵合-固定端（1021）、多個電極引出端（104）、多個鍵合支撐端（301）、金屬凸點（400）與催化劑載體（105）；所述硅框架支座（101）包括硅襯底（11）與埋層氧化硅（12）；所述固定端（102）、鍵合-固定端（1021）、鍵合支撐端（301）均相互獨立的設在硅框架支座（101）的埋層氧化硅（12）上；固定端（102）包括支撐硅層（21）、設在支撐硅層（21）外的氧化硅層（23）、設在氧化硅層（23）上的金屬層（22），所述固定端（102）的支撐硅層（21）內(nèi)設有摻雜硅層（24），金屬層（22）通過氧化硅層（23）的窗口與摻雜硅層（24）相接觸形成歐姆接觸；鍵合-固定端（1021）、電極引出端（104）與鍵合支撐端（301）均包括支撐硅層（21）、設在支撐硅層（21）外的氧化硅層（23）、設在氧化硅層（23）上的金屬層（22）；加熱元件（103）包括支撐硅層（21）、設在支撐硅層（21）外的氧化硅層（23）；電極引出端（104）也設在硅框架支座（101）的埋層氧化硅（12）上；每個鍵合-固定端（1021）、固定端（102）均與一個對應的電極引出端（104）的一端相連，尤其是金屬層（22）是相連的；電極引出端（104）設有電引出焊盤Pad區(qū)域，電引出焊盤Pad區(qū)域較佳設在電極引出端（104）的另一端，用引線連接外電路與電極引出端（104）的電引出焊盤Pad區(qū)域；所述加熱元件（103）設有硅加熱器（1031）、兩個對稱設置的硅懸臂（1032），硅加熱器（1031）較佳為圓環(huán)形，圓環(huán)形硅加熱器（1031）中間較佳設有兩個對稱內(nèi)伸的散熱-支撐硅塊（1033）；所述硅懸臂（1032）的一端與硅微加熱器（1031）相連，另一端與硅框架支座（101）之上的固定端（102）相連；所述加熱元件（103）的硅加熱器（1031）上設有催化劑載體（105），加熱元件（103）的硅加熱器（1031）完全嵌入在催化劑載體（105）中，并且催化劑載體（105）貫穿于硅加熱器（1031）中，尤其是催化劑載體（105）是一個整體結構；在鍵合-固定端（1021）、鍵合支撐端（301）的金屬層（22）上設有金屬凸點（400）；電極引出端（1021）與固定端（102）較佳均設在硅框架支座（101）的同一側，排列順序為一個電極引出端、一個固定端、另一個固定端、另一個電極引出端；

所述單片溫度檢測器（2）包括硅框架支座（101）、硅測溫單元（203）、2個固定端（202）、若干鍵合支撐端（301）；所述硅測溫單元（203）設有硅測溫器（2031）、兩個對稱設置的硅連接臂（2033），2個對稱設置的硅支撐臂（2032）；所述硅測溫器（2031）、硅連接臂（2033）、硅支撐臂（2033）、固定端（202）依次相連；所述硅框架支座（101）包括硅襯底（11）與埋層氧化硅（12）；所述鍵合支撐端（301）、固定端（202）均設在硅框架支座（101）的埋層氧化硅（12）上，所述鍵合支撐端（301）、固定端（202）均包括支撐硅層（21）、設在支撐硅層（21）外的氧化硅層（23）、設在氧化硅層（23）上的金屬層（22）；固定端（202）的支撐硅層（21）內(nèi)設有摻雜硅層（24），金屬層（22）通過氧化硅層（23）的窗口與固定端（102）的摻雜硅層（24）相接觸形成歐姆接觸；硅測溫單元（203）包括支撐硅層（21）、設在支撐硅層（21）上的氧化硅層（23），硅測溫單元（203）通過固定端（202）固定在硅框架支座（101）上的埋層氧化硅（12）上；

單片溫度檢測器（2）的2個固定端（202）與分別與單片瓦斯微反應器（1）的2個鍵合-固定端（1021）在距離、位置上相對應，單片溫度檢測器（2）的鍵合支撐端（301）與單片瓦斯微反應器（1）對應的鍵合支撐端（301）在位置上相對應，單片瓦斯微反應器（1）與單片溫度檢測器（2）通過金屬凸點（400）緊密連接；單片溫度檢測器（2）的硅測溫單元（203）位于單片瓦斯微反應器（1）的有催化劑載體（105）的加熱元件（103）正上方；單片瓦斯微反應器（1）的位于外側的一個電極引出端（104）、一個鍵合-固定端（1021）及其上的金屬凸點（400）、單片溫度檢測器（2）的一個固定端（202）、硅測溫單元（203）、單片溫度檢測器（2）的另一個固定端（202）、單片瓦斯微反應器（1）的另一個鍵合-固定端（1021）及其上的金屬凸臺（400）與單片瓦斯微反應器（1）的另一個位于外側的電極引出端（104）形成一個二端測溫器件通路；單片溫度檢測器（2）的尺寸小于單片瓦斯微反應器（1）的尺寸使單片瓦斯微反應器（1）的電極引出端（104）的電引出焊盤Pad區(qū)域不被單片溫度檢測器（2）覆蓋，并能進行引線鍵合；

所述的單片瓦斯微反應器（1）、單片溫度檢測器（2）均采用SOI硅片加工；

單片瓦斯微反應器（1）的加熱元件（103）獨立加熱催化劑載體（105），單片溫度檢測器（2）的硅測溫單元（203）獨立檢測因瓦斯催化燃燒造成的溫升，其測量時不受加熱元件（103）所施加的加熱電壓或電流的影響；所述單片溫度檢測器（2）還可以用于測量環(huán)境溫度。

2.一種權利要求1所述的疊層結構的微瓦斯傳感器的制備方法，其特征是：疊層結構的微瓦斯傳感器的制備方法包括：單片瓦斯微反應器（1）與單片溫度檢測器（2）的制備方法、疊層結構的微瓦斯傳感器的封裝制備方法；

一、所述的單片瓦斯微反應器（1）與單片溫度檢測器（2）的制備方法為：

單片瓦斯微反應器（1）與單片溫度檢測器（2）制備時可以在同一SOI硅片上加工；或者在不同的SOI硅片上加工，其制備步驟為：

第一步，在SOI硅片上制備氧化硅層（23）；圖形化頂層硅之上的氧化硅層（23）；摻雜或離子注入；淀積金屬，圖形化金屬形成電引出焊盤的金屬（22）；

第二步，刻蝕SOI硅片頂層硅即支撐硅層（21），刻蝕停止于埋層氧化硅（12），形成單片瓦斯微反應器（1）與單片溫度檢測器（2）的圖形；

第三步，濕法刻蝕或干法刻蝕SOI硅片底層硅即硅襯底（11），刻蝕停止于埋層氧化硅（12），背面形成單片瓦斯微反應器（1）與單片溫度檢測器（2）對應的硅杯結構；

第四步，濕法或干法刻蝕硅杯形成之后所暴露出的埋層氧化硅（12），釋放出單片瓦斯微反應器（1）的加熱元件（103）與單片溫度檢測器（2）的測溫元件（104）；

第五步，制備催化劑載體包裹單片瓦斯微反應器（1）的加熱元件（103）的硅加熱器（1031），將微噴印設備的噴嘴對準硅加熱器（1031），先單面對準并噴印或滴注液態(tài)或膠態(tài)催化劑載體，使催化劑載體飽滿得上下貫穿于硅加熱器（1031）的圓環(huán)中，加熱元件（103）的硅加熱器（1031）及其內(nèi)伸的兩個散熱-支撐塊（1033）支撐負擔催化劑載體；翻轉并再次對準硅加熱器（1031）在另一面上噴印或滴注催化劑載體并干燥，使硅加熱器（1031）正反兩面上的催化劑載體形成一個整體（105）并完整包裹硅加熱器；根據(jù)需要在催化劑載體（105）上制作催化劑并干燥；

第六步，在單片瓦斯微反應器（1）的鍵合-固定端（1021）、鍵合支撐端（301）上制備金屬凸點（400）；

第七步，劃片分離得到分立的單片瓦斯微反應器與分立的單片溫度檢測器；

二、疊層結構的微瓦斯傳感器的封裝制備方法：

將制備好的單片瓦斯微反應器（1）的正面與單片溫度檢測器（2）的正面對準并貼合，將單片瓦斯微反應器（1）的金屬凸點（400）與單片溫度檢測器（2）對應的鍵合-固定端（1021）、鍵合支撐端（301）接觸并施加壓力、升溫進行鍵合形成整體的疊層結構的微瓦斯傳感器；

所述疊層結構的微瓦斯傳感器的制備順序是首先采用所述單片瓦斯微反應器（1）與單片溫度檢測器（2）的制備方法制備單片瓦斯微反應器（1）與單片溫度檢測器（2）；然后采用疊層結構的微瓦斯傳感器的封裝制備方法將制備好的單片瓦斯微反應器（1）的正面與單片溫度檢測器（2）制備成疊層結構的微瓦斯傳感器。