[發明專利]一種MEMS工藝的穿透式多通道氣體傳感器

在審

• 申請號: 202011608294.8
• 申請日: 2020-12-30
• 公開（公告）號: CN112730520A
• 公開（公告）日: 2021-04-30
• 發明（設計）人: 李興華;余雋;王媛媛;劉旭;霍智慧
• 申請（專利權）人: 鄭州水偉環境科技有限公司;大連理工大學
• 主分類號: G01N27/00
• 分類號: G01N27/00;B81C1/00
• 代理公司: 深圳至誠化育知識產權代理事務所(普通合伙) 44728
• 代理人: 劉英

一種MEMS工藝的穿透式多通道氣體傳感器，解決了現在由于氣流只能從氣體傳感器陣列芯片的封裝外殼的上表面經過，氣體分子到達氣體傳感器的氣敏材料表面主要通過氣體擴散傳質，導致氣體傳感器對低濃度氣體的響應時間和恢復時間長的問題，其包括Si襯底、下表面腐蝕窗、通孔和氣敏薄膜，所述Si襯底以及通孔的上表面均設置有第一層Si₃O₄薄膜，第一層Si₃O₄薄膜的表面均設置有Pt薄膜加熱絲，第一層Si₃O₄薄膜和Pt薄膜加熱絲的表面均設置有第二層Si₃O₄薄膜，Au薄膜氣敏電極的表面設置有氣敏薄膜，由第一層Si₃O₄薄膜、Pt薄膜加熱絲、第二層Si₃O₄薄膜、Au薄膜氣敏電極以及氣敏薄膜構成的多層復合薄膜被上表面腐蝕窗穿過從而具有橋式結構。

技術領域

本發明涉及氣體傳感器，具體為一種MEMS工藝的穿透式多通道氣體傳感器。

背景技術

微熱板式氣體傳感器是一種制作在硅襯底上的懸空薄膜結構，該懸空薄膜由上下兩層介電層、中間的加熱絲、上方的氣敏電極和氣敏薄膜組成。微熱板式氣體傳感器的懸空薄膜結構目前主要分為表面犧牲層腐蝕的橋式結構、正面體硅腐蝕的橋式結構以及背面體硅腐蝕的膜片式結構這三種典型結構，并且氣流無法穿過這三種結構的氣體傳感器硅襯底。在同一芯片上，利用硅基微加工技術在微熱板(MHP)上制造的由多個微熱板式氣體傳感器，并將其封裝在上表面有透氣孔的封裝外殼內，制成氣體傳感器陣列芯片，具有尺寸小、低功耗、低成本和易集成等優點。這種氣體傳感器陣列芯片在使用時，當氣體傳感器陣列芯片的封裝外殼周圍氣流中氣體組分或濃度發生變化時，比如氣流中的A氣體的濃度與氣體傳感器的氣敏薄膜表面的A氣體的濃度不同，則氣體傳感器的氣敏薄膜表面的A氣體分子與氣流中的A氣體分子因為濃度差而發生擴散，發生質量傳遞，氣體傳感器的氣敏薄膜表面吸附A氣體分子數量變化，從而氣敏信號發生變化。現在由于氣流只能從氣體傳感器陣列芯片的封裝外殼的上表面經過，因此氣體傳感器陣列芯片的響應和恢復時間會受到影響。根據分子擴散的基本定律，氣體分子的擴散通量值正比于氣體濃度差，因此，當氣流中的A氣體的濃度與氣體傳感器的氣敏薄膜表面的A氣體的濃度的差別越小，則氣體擴散通量越小，導致氣體傳感器的對低濃度氣體的響應時間和恢復時間越長。

發明內容

針對上述情況，為克服現有技術的缺陷，本發明提供一種MEMS工藝的穿透式多通道氣體傳感器，有效的解決了現在由于氣流只能從氣體傳感器陣列芯片的封裝外殼的上表面經過，氣體分子到達氣體傳感器的氣敏材料表面主要通過氣體擴散傳質，導致氣體傳感器對低濃度氣體的響應時間和恢復時間長的問題。

為實現上述目的，本發明提供如下技術方案：本發明包括Si襯底、第一層Si3N4薄膜、Pt薄膜加熱絲、第二層Si3N4薄膜、Au薄膜氣敏電極、上表面腐蝕窗、下表面腐蝕窗、通孔和氣敏薄膜，所述Si襯底以及通孔的上表面均設置有第一層Si₃O₄薄膜，第一層Si₃O₄薄膜的表面均設置有Pt薄膜加熱絲，第一層Si₃O₄薄膜和Pt薄膜加熱絲的表面均設置有第二層Si₃O₄薄膜，第二層Si₃O₄薄膜的表面設置有Au薄膜氣敏電極，Au薄膜氣敏電極的表面設置有氣敏薄膜，由第一層Si3N4薄膜、Pt薄膜加熱絲、第二層Si₃O₄薄膜、Au薄膜氣敏電極以及氣敏薄膜構成的多層復合薄膜被上表面腐蝕窗穿過從而具有橋式結構，所述Si襯底的下表面設置的第一層Si₃O₄薄膜和第二層Si₃O₄薄膜被下表面腐蝕窗穿過從而具有孔洞結構，上表面腐蝕窗、下表面腐蝕窗與通孔連接形成穿透式通道，在Si襯底同時制造多個上述結構從而構成穿透式多通道氣體傳感器。