[發明專利]一種氣體集成傳感器芯片

在審

• 申請號: 201610450782.8
• 申請日: 2016-06-17
• 公開（公告）號: CN107515235A
• 公開（公告）日: 2017-12-26
• 發明（設計）人: 鐘愛華
• 申請（專利權）人: 深圳大學
• 主分類號: G01N27/12
• 分類號: G01N27/12
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域：

本發明涉及氣體傳感器芯片，具體涉及：氣體傳感單元、參照傳感單元、微加熱器和溫度傳感器，為了減小傳感器尺寸引入無需封裝的參照傳感單元，為了減小能耗和測試傳感器工作溫度引入電阻絲。

背景技術：

物聯網構建，尤其是無線傳感器網絡構建需要大量小尺寸、低能耗傳感器。為了減小環境對傳感器造成的干擾和提高檢測可靠性，通常在傳感器系統中增加參照傳感單元。通常的方法是將傳感單元用封裝隔板封裝起來(專利CN104409428A)，與待檢測氣體隔離，從而起到參照傳感單元作用。該方法增加了復雜的封裝工藝，尤其是在芯片級別的封裝非常困難，而且使傳感器體積變大。

半導體氣體傳感器工作時一般需要加熱到數百攝氏度，使之具有更好的選擇性和更快的響應速度。通常的，在傳感器基座或支架上外加一電阻絲對傳感單元進行加熱，加熱到300攝氏度功耗大約1瓦，用于加熱的能耗遠遠高于傳感單元工作能耗。同時為了便于攜帶和放置，傳感器往往采用電池供電方式。但頻繁更換電池帶來很高的維護成本，且有些傳感器放置場所不方便更換電池，因此低能耗是傳感器非常重要的指標。專利CN103779350A直接在傳感單元增加微加熱絲以提高熱效率，但微加熱絲產生的熱量很大一部分通過基底損失掉，導致較高能耗。

發明內容：

本發明是為了解決現有半導體傳感器體積大、成本高和能耗過高問題，現提供了一種無需封裝式參照傳感單元以減小體積和降低成本，還提供了一種氣體集成傳感器芯片，該集成傳感器芯片具有可大批量生產、體積小、能耗低、可靠性高等特點。

集成傳感器芯片包括傳感單元、參照傳感單元和連接端，其中傳感單元包括肖特基二極管和鉑金或其合金電阻，參照傳感單元包括肖特基接觸電極、另一電極和微加熱器。

所述的傳感單元包括肖特基二極管和鉑金或其合金電阻，所述電阻與半導體層之間有一層介質層，根據介質層與電阻的粘附性可以插入或不插入鈦、鉻、鎳等金屬層，所述電阻位于肖特基接觸電極附近，既用作加熱器也用作溫度傳感器，傳感單元底部基片部分或完全刻蝕形成懸空結構。

所述的參照傳感單元包括肖特基接觸電極、另一電極和微加熱器，肖特基接觸電極為對氫氣不敏感的金屬層，因此無需封裝；所述肖特基接觸電極附近設一微加熱器，微加熱器與半導體層之間有一層介質層，參照傳感單元底部基片部分或完全刻蝕。

傳感單元與參照單元集成于同一芯片，通過金屬絲和連接端串聯在一起。

附圖說明：

圖1為步驟一和步驟二中介質層6和電阻絲制備示意圖。

圖2為步驟三、步驟四和步驟五中傳感單元1的肖特基電極3、參照傳感單元2的肖特基電極7、金線13和接觸端12制備示意圖。

圖3為步驟六中傳感單元1和參照傳感單元2底部硅刻蝕示意圖，形成孔洞9。

具體實施方式：

關于本發明的氣體集成傳感器，可通過使用成熟半導體技術或MEMES技術，基于光刻工藝在生長了GaN蜂窩納米網的硅片上制備集成傳感器芯片。下面結合附圖并通過具體實施方式來進一步說明本發明。

實施例一。

如圖3所示，一種集成氣體傳感器，包括傳感單元1、參照單元2、金屬線13和接觸端12。所述傳感單元1包括肖特基二極管和Ti(14)/Pt(5)電阻絲，肖特基二極管由鉑金電極(3)和Ti/Al/Ti/Au電極(4)構成。所述參照傳感單元2包括肖特基二極管和Ti(15)/Pt(8)電阻絲，肖特基二極管由Au電極(7)和Ti/Al/Ti/Au構成。傳感單元1和傳感單元2通過金屬線(13)串聯。為了方便與外接電路相連，在芯片上沉積Ti/Al/Ti/Au接觸端(12)，該接觸端可以用金屬絲通過焊接等方式與外部系統連接。本實施例中，基片11為單晶硅片，半導體層10為寬禁帶半導體氮化鎵薄膜。

具體的，包括以下步驟：

步驟一，如圖1所示通過光刻技術圖形化片子，采用化學氣相沉積系統生長氮化硅介質層6，然后通過剝離技術將不需要的氮化硅介質層去除。

步驟二，如圖1所示通過光刻技術將步驟一處理后的片子進行圖形化，采用磁控濺射方法生長緩沖層鈦金屬薄膜14和15，然后再沉積一層鉑金薄膜5，14和5構成電阻絲，用于加熱氣體敏感層。由于鉑金電阻與溫度之間有非常好的線性關系，該電阻絲同時可用作溫度傳感器，探測集成傳感器傳感單元工作溫度。

步驟三，如圖2所示通過光刻技術將步驟二處理后的片子進行圖形化，采用磁控濺射方法在氮化鎵層10上直接沉積鉑金薄膜，膜厚大約50nm，通過剝離技術將不需要的鉑金剝離，制備出傳感單元1的肖特基敏感層3。