[发明专利]一种新型MEMS多维气体传感器芯片及其制备工艺

说明书

本发明涉及传感电路技术领域，特别涉及一种新型MEMS多维气体传感器芯片及其制备工艺，包括加热单元、光激发单元和气敏单元；加热单元包括衬底层、钝化介质层一、多晶硅淀积层、发热电阻、隔离沟道和钝化介质层二；衬底层的顶部由下至上依次铺设有钝化介质层一和多晶硅淀积层，在多晶硅淀积层上离子注入有发热电阻，同时在多晶硅淀积层上刻蚀有隔离沟道，多晶硅淀积层的顶部铺设有钝化介质层二，并且将隔离沟道进行填充和对发热电阻进行覆盖。基于气敏材料对不同浓度、不同成分的气体在不同的温度和光照条件组合下产生成不同感应电信号的原理，对复杂气体环境实现多维度气体传感数据的采集功能。

技术领域

本发明涉及传感电路技术领域，特别涉及一种新型MEMS多维气体传感器芯片及其制备工艺。

背景技术

相较于传统的电化学传感器，以气敏电阻材料为核心的MEMS气体传感芯片已经广泛的应用在环境安全、矿山钻探、边防、公共卫生、食品安全、防爆等行业领域。其检测的对象气体也因应用行业与场景不同而多种多样。以气敏电阻材料为核心的传感器芯片基本原理相对比较直接，即气敏材料表面与感应气体分子团之间发生电吸附和电子交换从而改变气敏材料薄膜整体的导电性。因此，气敏薄膜表面的化学特性、薄膜表面比、薄膜厚度等参数直接影响着气体传感芯片的检测灵敏度。

目前以气敏电阻材料为传感核心的气体传感芯片在工作形式上主要有两大类：热激发与光激发。其中，热激发气体传感器的历史由来已久，是将气敏单元加热到高温状态(200℃以上)从而使气敏薄膜材料的表面呈现出对特定气体成分的化学敏感性。长期以来，虽然热激发原理在MEMS气体传感器上得到广泛应用，但由于其高温工作状态超过了很多气体的燃点，使得其应用场景收到严格控制，尤其是在矿山、钻探、安防等易燃易爆气体检测领域的应用上难以施展。相对应的，光激发气体传感器的工作原理是采用紫外或可见光照射的方式，使得被照射的材料表面的电子处于激发状态从而与接触气体在室温环境下产生氧化还原反应。也因此光激发气体传感器能够显著降低易燃易爆气体在检测环节出现爆燃的可能性。然而，光激发气体传感机理对气敏材料的光电响应能力有较高的要求，增加了传感器加工的难度。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明公开一种新型MEMS多维气体传感器芯片及装置，本发明该新型MEMS多维气体传感器芯片在单片硅衬底上集成了加热单元、气敏单元、和光激发单元；由气敏材料制备的气体敏感单元在环境气体中进行氧化还原反应；基于气敏材料对不同浓度、不同成分的气体在不同的温度和光照条件组合下产生成不同感应电信号的原理，对复杂气体环境实现多维度气体传感数据的采集功能。

本发明通过以下技术方案予以实现：

一种新型MEMS多维气体传感器芯片，包括加热单元、光激发单元和气敏单元；所述加热单元包括衬底层、钝化介质层一、多晶硅淀积层、发热电阻、隔离沟道和钝化介质层二；所述衬底层的顶部由下至上依次铺设有所述钝化介质层一和所述多晶硅淀积层，在所述多晶硅淀积层上离子注入有所述发热电阻，同时在所述多晶硅淀积层上刻蚀有隔离沟道，所述多晶硅淀积层的顶部铺设有所述钝化介质层二，并且将所述隔离沟道进行填充和对所述发热电阻进行覆盖，所述钝化介质层二的顶部中部铺设有所述气敏单元，所述气敏单元的两侧铺设有所述光激发单元。

优选的，所述衬底层采用底部光刻悬空的薄膜结构材料，所述薄膜结构材料采用硅、氮化硅或碳化硅。

优选的，所述钝化介质层一采用氮化硅或者是碳化硅薄膜材料。

优选的，所述多晶硅淀积层包括种子层PolySi和外延层Epi-PolySi；在所述种子层PolySi上通过外延生长有所述外延层Epi-PolySi。

优选的，所述钝化介质层二采用氧化层材料。

优选的，所述气敏单元包括金属电极一和气敏电阻层；所述钝化介质层二的顶部中部两侧对称设有两个所述金属电极一，两个所述金属电极一上覆盖铺设有所述气敏电阻层。