[发明专利]一种基于MEMS技术的半导体可燃气体传感器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种基于MEMS技术的半导体可燃气体传感器，包括相对设置的气敏模块及加热模块，气敏模块包括硅衬底、第一绝缘层、测试电极及测试导电带，测试电极上涂覆有气敏涂层，气敏涂层中含有半导体金属氧化物、贵金属催化剂、催化剂载体及酸洗石棉，加热模块包括硅基底、第二绝缘层、氮化硅层、加热电极及加热导电带，硅基底上部刻蚀形成有隔热腔，加热电极呈环绕状包围在测试电极四周，且加热电极与测试电极无直接接触。本发明结构紧凑、体积微型化，降低了能耗，提高了结构强度，克服了各层薄膜因工作时热膨胀系数差异而带来的器件损坏及衰减，性能一致性好，检测灵敏度高，机械强度大，使用寿命长，具有良好的应用效果和产业化前景。

技术领域

本发明属于半导体气体传感器技术领域，具体涉及一种基于MEMS技术的半导体可燃气体传感器及其制备方法。

背景技术

半导体气体传感器以金属氧化物为气敏材料，其工作原理是根据在一定工作温度下待测气体在半导体金属氧化物表面发生氧化/还原反应时引起氧化物的电阻值发生变化。目前，应用最多的半导体气体传感器主要是基于陶瓷管和陶瓷基板，此类气体传感器通常需要较长的时间预热，且大体积功耗较高，不利于集成和阵列化。

随着MEMS技术的发展，半导体气体传感器可以制作在一个微小的芯片上，低功耗的半导体气体传感器就是基于MEMS技术的微热板式气体传感器，此类气体传感器具有体积小、功耗低、重量轻、灵敏度高、寿命长、成本低、易于集成和实现智能化的特点，被广泛应用于碳氧化物、氮氧化物和挥发性有机复合物等部分有毒、易燃、易爆和污染气体等的监测。微热板式气体传感器采用多层悬空薄膜结构，结构由上至下分别是气敏膜薄层、测试电极层、上绝缘膜层、加热电极层、下绝缘膜层、衬底，各层薄膜包括气敏薄膜的热膨胀系数存在较大的差异，当其工作在高温状态下，发生热膨胀形变，内部存在较大的热应力，在反复热冲击中会造成气敏薄膜和电极层的结构翘曲甚至脱落，进而影响气体传感器的性能。

为了解决半导体气体传感器材料之间的热膨胀系数失配而造成的器件损坏，申请号为CN201911371286.3的专利公开了一种基于MEMS集成式的气体传感器，包括相对设置的加热单元和气体敏感单元，其中，所述气体敏感单元包括测试电极和气体敏感结构，所述气体敏感结构与所述测试电极电连接；所述加热单元包括与所述测试电极相匹配的加热层，所述加热层朝向所述气体敏感结构，且所述加热层与所述气体敏感结构无直接接触。该方法加热层与气体敏感结构之间不设置介质膜(绝缘膜层)，在使用过程的反复热冲击中，避免了加热层与介质膜之间、气体敏感结构与介质膜之间因热膨胀系数匹配方面产生的问题。该专利所述加热单元与气体敏感结构之间无直接热传导，加热层与衬底完全接触也增加了热损耗，导致了气体传感器能耗增加；同时，气体敏感结构所具有的多根交织多孔导电纤维，是由有磺化石墨烯及噻吩低聚物经特定环境处理下形成的，其影响参数较多，产品一致性不易保证。

因此，在满足器件功耗要求及性能一致性的基础上，如何解决气体传感器因长期加热状态所发生的结构性损伤问题，是目前研究亟待解决的问题。

发明内容

基于现有技术的不足，本发明提供了一种基于MEMS技术的半导体可燃气体传感器，通过将加热电极呈环绕状包围在测试电极四周，避免了加热电极与测试电极直接接触，进一步通过在气敏涂层中添加酸洗石棉来增加气敏涂层粘附的结合力，从而减免气体传感器因长期加热状态所发生的结构性损伤；本发明还提供了该半导体可燃气体传感器的制备方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于MEMS技术的半导体可燃气体传感器，包括相对设置的气敏模块及加热模块，所述气敏模块与加热模块键合连接，所述气敏模块包括硅衬底，硅衬底下侧面设置有凹槽，且硅衬底的上、下两面均形成有第一绝缘层，位于下侧的第一绝缘层上溅射有测试电极及测试导电带，测试电极上涂覆有气敏涂层，所述气敏涂层中含有半导体金属氧化物、贵金属催化剂、催化剂载体及酸洗石棉，硅衬底厚度方向刻蚀有与测试导电带一一对应的第一引线孔，凹槽的底部刻蚀有若干贯穿硅衬底的通气孔，所述通气孔环绕测试电极，且通气孔呈阵列排布；