[發明專利]一種MEMS半導體氣體傳感器及其制造方法、及氣體檢測方法

有效

• 申請號: 201410244751.8
• 申請日: 2014-06-04
• 公開（公告）號: CN104034759A
• 公開（公告）日: 2014-09-10
• 發明（設計）人: 祁明鋒;張珽;劉瑞;沈方平;丁海燕;谷文
• 申請（專利權）人: 蘇州能斯達電子科技有限公司
• 主分類號: G01N27/14
• 分類號: G01N27/14;B81B7/00;B81C1/00
• 代理公司: 廣州三環專利代理有限公司 44202
• 代理人: 郝傳鑫

技術領域

本發明涉及氣體檢測用傳感器，具體是一種MEMS半導體氣體傳感器及其制造方法、及氣體檢測方法。

背景技術

人類生產、居住、生活的各種環境充斥著各種氣體，對于氣體的檢測，特別是對有毒、有害、易燃易爆氣體的探測是保證人們安全生產、健康居住、舒適生活的重要手段。氣體傳感器廣泛應用于石油、石化、燃氣、冶金、電力、汽車工業、環境衛生、氣象檢測、醫療健康、智能家居、信息技術等領域。已有的氣體傳感器中，以半導體氣體傳感器應用最為廣泛。

隨著MEMS(Micro?Electromechanical?System，即微電子機械系統)技術的快速發展，氣體傳感器也已向微型化、智能化、集成化和低功耗方向發展，采用MEMS技術制作的微結構氣體傳感器，將加熱元件和敏感元件集成為一體，優化了氣體傳感器的性能，能極大提高氣體傳感器的靈敏度、可靠性和一致性。

目前，國內外的半導體氣體傳感器主要用于檢測可燃性氣體和有毒氣體，在防止中毒和燃燒爆炸方面起著日益重要的作用。大多數半導體氣體傳感器的氣敏性能都依賴于工作溫度，目前實用化的SnO₂系、ZnO系氣敏元件等半導體氣體傳感器的工作溫度在300℃～500℃，低溫加熱的半導體氣體傳感器的工作溫度為室溫～150℃，因而必須配置一個加熱器，給氣體敏感元件加熱到所需的工作溫度。目前常用的技術手段為穩壓處理，即通過控制工作電壓，進而控制加熱功率，以達到控制傳感器工作溫度的目的。但這種方法并不能控制環境溫度變化引起的半導體氣體傳感器敏感材料工作溫度的變化，也就無法控制傳感器因此產生的性能變化。

實際應用中，只能對半導體氣體傳感器受溫度影響后的信號進行補償，即對環境溫度變化造成的零點漂移、靈敏度漂移等進行補償，但并不能對環境溫度變化造成的響應恢復速率、線性度、選擇性等性能影響進行補償。這種方法由于具有較大的滯后性，不能有效地減小環境溫度對體氣體傳感器各性能的不利影響。

發明內容

傳統的氣體傳感器只能對半導體氣體傳感器受溫度影響后的信號進行補償，由于處理滯后，往往不能保證傳感器的性能，達不到理想的測試效果。針對現有技術的不足，本發明的思路為：在調整傳感器工作溫度時同時考慮環境溫度的影響，即在考慮環境溫度的前提下一步調整傳感器至合適的工作溫度，消除傳統處理方式由于處理滯后所引起的傳感器性能不佳的缺陷。

為實現上述目的，本發明提供了一種MEMS半導體氣體傳感器，包括具有中空部的襯底和形成于所述襯底上的感測模塊，所述感測模塊包括依次層疊設置的第一絕緣層、加熱電阻、第二絕緣層、測試電極和氣體敏感層，其中，所述第一絕緣層以遮蓋所述中空部的狀態設置在所述襯底上，所述氣體敏感層的上表面暴露于待測氣體中，所述傳感器還包括控制模塊和溫度檢測模塊，所述溫度檢測模塊、加熱電阻和測試電極分別與所述控制模塊連接；所述溫度檢測模塊用于檢測環境溫度并將所述環境溫度反饋至控制模塊，所述控制模塊根據所述環境溫度調整加熱電阻的加熱功率，進而控制所述氣體敏感層的溫度至所需的工作溫度。

作為本發明的優選方式，所述控制模塊為ASIC電路(專用集成電路)，所述溫度檢測模塊為測溫電阻。所述ASIC電路和測溫電阻形成于所述襯底上。

具體的，所述襯底采用雙面拋光雙面氧化的硅片制成；所述氣體敏感層采用金屬氧化物半導體材料制成，所述金屬氧化物半導體材料選自SnO₂、WO₃、In₂O₃和ZnO中的一種；所述加熱電阻和測溫電阻均采用鉑；所述測試電極采用金；所述第一絕緣層、第二絕緣層采用氧化硅或氮化硅。

本發明還提供了一種MEMS半導體氣體傳感器的制造方法，包括以下步驟：

S1、在襯底上加工形成中空部；

S2、在所述中空部上覆蓋第一絕緣層，然后在第一絕緣層上依次向上制作加熱電阻、第二絕緣層、測試電極和氣體敏感層，得到感測模塊；

S3、在襯底上制作測溫電阻，得到溫度檢測模塊；

S4、在襯底上制作ASIC電路，并預留出信號接口，得到控制模塊；

S5、將所述加熱電阻、測試電極和測溫電阻通過橋接的方式或引線綁定的方式分別與ASIC電路連接。

具體的，上述襯底采用雙面拋光雙面氧化的硅片制成。