一种硅基MEMS气体传感器、阵列及制备方法

技术领域

本发明属于气体检测传感器领域，更具体地，涉及一种硅基MEMS气体传感器、阵列及制备方法。

背景技术

MEMS金属氧化物半导体传感器由于其检测灵敏度高、易于检测、低功耗、低成本的特点，近年来在气体检测领域各场景中得到广泛的应用。随着物联网(IoT)、人工智能(AI)的飞速发展，气体识别成为气体传感器的一个重要应用领域，气体种类智能识别需要多种类型MEMS金属氧化物半导体传感器同时进行传感信息获取。

目前的多数智能气体检测通过传感器的板级阵列化来实现多样化传感信息的获取，MEMS金属氧化物半导体传感器阵列芯片通过将多个传感器检测膜区片上集成于单个微加热板上，可以实现多种气敏材料对目标气体的同时检测。

但是，现有的MEMS气体传感器中，每个气体检测组件的加热电极和检测电极均串联后由一对加热电极和测试电极进行控制，无法进行独立控温和测试；若要对每一个气体检测组件配置独立的加热电极和测试电极，则会受到芯片尺寸的限制，限制了集成的气体检测组件个数，从而限制单个气体传感器的信息获取量，无法满足多元化信息获取的需求。

发明内容

针对相关技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种硅基MEMS气体传感器、阵列及制备方法，旨在解决气体检测领域气体智能识别无法独立控温和测试，对多元化信息获取的需求难以满足的问题。

为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种硅基MEMS气体传感器，包括：硅晶圆基底，设置在所述硅晶圆基底的腐蚀空腔上方的检测区，以及设置在所述腐蚀空腔四周的控制电极区；

所述检测区包括4个气敏检测区，呈田字形布置；所述控制电极区包括4个独立加热电极引脚、4个独立测试电极引脚、2个共用加热电极引脚和2个共用测试电极引脚；

所述气敏检测区的加热电极层包括一个加热电极，测试电极层包括两个测试电极；加热电极的一端与独立加热电极引脚连接，另一端与竖直方向相邻的气敏检测区的加热电极连接，并共同连接至一个共用加热电极引脚；

所述气敏检测区的气敏材料薄膜平铺设置于两个测试电极上；其中，所述测试电极包括一个独立测试电极和一个共用测试子电极，构成叉指电极；四个共用测试子电极构成一个完整的共用测试电极；独立测试电极与独立测试电极引脚连接，共用测试电极的两端与共用测试电极引脚连接；

通过独立加热电极引脚对每个所述气敏检测区进行独立控温，通过独立测试电极引脚对每个所述气敏检测区进行独立气敏检测。

可选的，所述加热电极为条形，均匀蜿蜒设置在所述气敏检测区的加热电极层中。

可选的，所述腐蚀空腔位于所述硅晶圆基底的中心，所述气敏检测区的悬臂支撑层包括悬臂梁，在所述气敏检测区的水平方向和竖直方向的对称轴处分别设置悬臂梁，所述检测区4个悬臂梁共同支撑在所述硅晶圆基底的空腔上方形成悬空结构。

第二方面，本发明还提供了一种硅基MEMS气体传感器阵列，所述传感器阵列包括多个如第一方面中任意一项所述的硅基MEMS气体传感器。

第三方面，本发明还提供了一种硅基MEMS气体传感器的制备方法，用于制备如第一方面中任意所述的硅基MEMS气体传感器，包括以下步骤：包括以下步骤：

S1、在硅晶圆基底表面晶圆级沉积绝缘材料，形成覆盖于硅晶圆基底上的悬臂支撑层；

S2、在所述悬臂支撑层上晶圆级沉积金属，在检测区形成加热电极，在控制电极区形成加热电极引脚；所述检测区包括4个气敏检测区，呈田字形布置；所述控制电极区包括4个独立加热电极引脚和2个共用加热电极引脚；所述气敏检测区的加热电极的一端与独立加热电极引脚连接，另一端与竖直方向相邻的气敏检测区的加热电极连接，并共同连接至一个共用加热电极引脚；

S3、在所述加热电极表面晶圆级沉积绝缘材料，形成覆盖于所述悬臂支撑层和所述加热电极上的绝缘层；

S4、在所述绝缘层上晶圆级沉积金属，在检测区形成测试电极，在控制电极区形成测试电极；所述控制电极区包括4个独立测试电极引脚和2个共用测试电极引脚；所述测试电极包括一个独立测试电极和一个共用测试子电极，构成叉指电极；四个共用测试子电极构成一个完整的共用测试电极；；独立测试电极与独立测试电极引脚连接，共用测试电极的两端与共用测试电极引脚连接；

S5、在每个独立加热电极引脚和共用加热电极引脚的上方形成刻蚀窗口，所述刻蚀窗口贯穿绝缘层，将所述独立加热电极引脚和所述共用加热电极引脚的上表面暴露；

S6、在所述气敏检测区四周形成腐蚀窗口，所述腐蚀窗口贯穿所述绝缘层和悬臂支撑层；

S7、对每个气敏检测区通过淀积和溅射形成气敏材料薄膜；所述气敏材料薄膜平铺设置于两个测试电极上；

S8、对晶圆级制备的硅基MEMS气体传感器阵列进行划片工艺，得到单个硅基MEMS气体传感器。

可选的，所述悬臂支撑层材料为ONO复合材料；其中，第一层氧化硅厚度范围为100-200nm，第二层氮化硅厚度范围为300nm-700nm，第三层氧化硅厚度范围为500nm-1100nm。

可选的，所述加热电极为均匀蜿蜒的金属电极；

所述绝缘层材料为氧化硅或氮化硅或者二者的混合材料；

所述测试电极包一个独立测试电极和一个共用测试子电极，构成叉指电极；四个共用测试子电极构成一个完整的共用测试电极；

所述腐蚀窗口采用的腐蚀液为四甲基氢氧化铵，使所述气敏材料薄膜下方形成腐蚀空腔，仅保留所述气敏检测区和搭载电极的悬臂梁；

所述气敏材料薄膜为金属氧化物半导体材料，厚度范围为100nm-800nm。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得的有益效果，包括：

1、本发明提供一种硅基MEMS气体传感器，包括多个气敏检测区，集成于一个腐蚀凹坑之上，用多根悬臂梁来固定多个气敏检测区，具有很高的空间利用率。由于电极引脚pad的尺寸往往会限制传感器阵列芯片整体面积，本发明中所有气敏检测区上的测试电极包括一个独立测试电极和一个共用测试子电极，构成叉指电极，四个共用测试子电极构成一个完整的共用测试电极，共用测试电极连接两个共用测试电极引脚。提供了一种可供参考的重构电极连接方式，将传感单元的集成度达到最高，面积达到最小化，方便传感器阵列芯片整体面积与结构的优化，并且为后续引线键合工艺提供最大化的便利，在控制制造成本上具有显著优势。

2、本发明提供一种硅基MEMS气体传感器，多个气敏检测区之间紧凑排布，并且在湿法腐蚀释放后位于同一凹坑上，比板上集成的传感器的气体检测点位更集中，检测时，气体组分更趋于一致，能提高气体检测结果的可信度，也为后续气体识别算法的可复用性提供保障。

3、本发明提供一种硅基MEMS气体传感器，多个气敏检测区中蛇形蜿蜒的加热电极与加热电极连接后均构成独立回路，可供独立电压输入控制，可为每个气体检测区上金属氧化物半导体气敏材料提供不同工作温度，即可得到同种气敏材料在不同温度下的气敏检测数据，也可保证多种气敏材料同时工作于最佳工作温度下的气敏检测数据，丰富了数据量，为气体智能识别提供多样化解决方案。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种硅基MEMS气体传感器的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的制备MEMS气体传感器的测试电极的示意图；

图3是本发明实施例提供的制备MEMS气体传感器的加热电极的示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1为硅晶圆基底，2为腐蚀空腔，3为检测区，4为气敏检测区，41为加热电极，42为测试电极，421为独立测试电极，422为共用测试子电极，pad1为独立加热电极引脚，pad2为共用加热电极引脚，pad3为共用测试电极引脚，pad4为独立测试电极引脚。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

下面结合一个优选实施例，对上述实施例中涉及的内容进行说明。

实施例1

如图1所示，一种硅基MEMS气体传感器的结构从下到上依次为：硅晶圆基底、悬臂支撑层、加热电极、绝缘层、测试电极、气敏薄膜，其中硅晶圆基底1的中心存在腐蚀空腔2，构成三维结构，位于空腔上方中心的检测区3由四周的多个悬臂梁支撑形成悬空结构，腐蚀空腔2四周设置控制电极区。所述检测区3包括4个气敏检测区4，每个气敏检测区4设置有均匀蜿蜒的加热电极41和测试电极42。所述控制电极区包括4个独立加热电极引脚、4个独立测试电极引脚、2个共用加热电极引脚pad2和2个公用测试电极引脚pad3。

如图3所示，每个气敏检测区4的加热电极41的第一端与独立加热电极引脚pad1连接，另一端与竖直方向相邻的气敏检测区4’的加热电极41’连接，并共同连接至一个共用加热电极引脚pad2；

气敏材料薄膜平铺设置于两个测试电极(421和422)上；其中，测试电极包括一个独立测试电极421和一个共用测试子电极422，四个气敏检测区的共用测试子电极422构成一个完整的共用测试电极，所述共用测试电极为鱼骨状，分别与四个气敏检测区的独立测试电极构成叉指电极；独立测试电极与独立测试电极引脚pad4连接，共用测试电极的两端与共用测试电极引脚pad3连接；

通过独立加热电极引脚pad1对每个所述气敏检测区4进行独立控温，通过独立测试电极引脚pad4对每个所述气敏检测区4进行独立气敏检测。

本实施例中，硅基MEMS气体传感器中包含4个气敏检测区，每个气敏检测区4为长方形，呈田字形布置，共同形成大长方形，采用长方形的结构能加宽悬臂梁的整体宽度，提高悬臂的机械强度，减小其断裂的风险。在一个实施例中，如图1所示，加热电极41和测试电极42的电极宽度约为10um，构成的单个气敏检测区整体区域面积约为110um*110um。硅基MEMS气体传感器中共有4个加热电极41，每个加热电极41的一端单独连接至一个独立加热电极引脚pad1(面积约为150um*150um–200um*200um)，另一端与竖直方向相邻的气敏检测区的加热电极连接，并共同连接至一个共用加热电极引脚pad2。

4个气敏检测区共包括一个共用测试电极和4个独立测试电极；每个气敏检测区包括两个测试电极，其中，测试电极包括一个独立测试电极和一个共用测试子电极，构成叉指电极；四个共用测试子电极构成一个完整的共用测试电极，共用测试电极(面积约为240um*20um)为鱼骨状，共用测试电极从四个气敏检测区中心水平穿过，分别与四个气敏检测区的独立测试电极构成叉指电极；每个独立测试电极与独立测试电极引脚pad4连接，共用测试电极的两端分别与两个共用测试电极引脚连接。这样的设计方式使多个加热或测试电极的接地端或供电端，率先在片上实现共同连接，这样的连接方式能确保在能实现各个气体检测区能独立控温和独立测试的情况下，实现整个结构的简化，将传感单元的集成度达到最高，面积达到最小化，为后续的键合工艺提供方便的同时，也提高工艺的一致性。

气体分子的布朗运动会使一定空间内气体组分产生不可控的变化，因此，本实施例中多个气敏检测区集中设置，气体检测点位的高密度集成有助于减小气体组分变化所带来的检测误差。

本实施例中共用测试电极采用长条状鱼骨形电极，其电极宽度明显宽于加热电极与测试电极的宽度，可减小电阻，从而减小功耗，提高总功耗的能效。

进一步的，如图2所示，每个气敏检测区的独立测试电极421和共用测试子电极422间开口隔断，形成叉指电极，气敏材料薄膜平铺设置于叉指电极上。

将气敏薄膜制备于叉指电极之上，使气敏薄膜表面与电极充分的接触，使电极能快速检测到气敏薄膜的电阻变化，提高气敏检测的准确性和灵敏性。

可选的，所述腐蚀空腔位于所述硅晶圆基底的中心，所述气敏检测区的悬臂支撑层包括悬臂梁，所述气敏检测区的水平方向和竖直方向的对称轴处分别设置悬臂梁，所述检测区由4个悬臂梁共同支撑在所述硅晶圆基底的空腔上方形成悬空结构。

将多个气敏检测区集中设计于一个腐蚀腔上，在有限的空间内排布4个气敏检测区形成硅基MEMS气体传感器阵列，此方案对比多个传统MEMS气体传感器的简单排列来实现传感器阵列，具有更高的集成度，缩小了气体传感器阵列的整体面积，并且在气敏检测中，由于气体分子的不确定性运动，距离更近的气敏检测区检测时接触的气体组分会更加接近，气体检测结果具有更高的可信度。

进一步，在上述实施例的基础上，本申请实施例还提供了一种硅基MEMS气体传感器阵列，硅基MEMS传感器阵列包括多个上述实施例所述的气体传感器。

本发明的实施例中所有气敏检测区上的加热电极两两相连，并共同连接至一个共用加热电极引脚，减少了加热电极引脚的数量；所有气敏检测区上的测试电极包括一个独立测试电极和一个共用测试子电极，构成叉指电极，四个共用测试子电极构成一个完整的共用测试电极，共用测试电极连接两个共用测试电极引脚，重构了电极连接方式，优化了传感器阵列芯片整体面积与结构。将传感单元的集成度达到最高，面积达到最小化，在控制制造成本上具有显著优势；并且每一个气敏检测区都设置独立的测试电极和加热电极，从而可以控制每个气敏检测区单独进行气体检测；多个气敏检测区间通过湿法腐蚀释放后位于同一凹坑上，紧凑排布，检测时气体组分更趋于一致，能提高气体测结果的可信度，也为后续气体识别算法的可复用性提供保障。

实施例2

一种硅基MEMS气体传感器的制备方法，包括以下步骤：

S1、在硅晶圆基底表面晶圆级沉积绝缘材料，形成覆盖于硅晶圆基底上的悬臂支撑层；

具体地，在硅晶圆基底上沉积ONO复合膜，首先通过热氧化制备氧化硅层，其次通过LPCVD制备氮化硅层，通过LPCVD制备氧化硅层，通过将氮化硅的机械强度大和氧化硅的导热系数低的优势，三层材料可以以合适的厚度比例进行组合搭配，可以达到悬臂梁结构应力与应变小、加热电阻峰值温度高的良好效果,三层材料的厚度优选为200nm、500nm、1100nm。

S2、在所述悬臂支撑层上晶圆级沉积金属，在检测区形成加热电极，在控制电极区形成加热电极引脚；所述检测区2包括4个气敏检测区4，所述控制电极区包括4个独立加热电极引脚pad1和2个共用加热电极引脚pad2；所述气敏检测区4的加热电极41的一端与独立加热电极引脚pad1连接，另一端与竖直方向相邻的气敏检测区4’的加热电极41’连接，并共同连接至一个共用加热电极引脚pad2。如图3所示。

具体地，使用lift-off工艺或金属刻蚀配合光刻工艺，在悬臂支撑层上进行加热电极钛-铂金属的溅射，厚度约为150nm。

S3、在所述加热电极表面晶圆级沉积绝缘材料，形成覆盖于所述悬臂支撑层和所述加热电极上的绝缘层。

具体地，使用PECVD或者LPCVD工艺在加热电极上方沉积氧化硅或氮化硅或二者的混合物绝缘材料，厚度约为500nm。

S4、在所述绝缘层上晶圆级沉积金属，在检测区形成测试电极，在控制电极区形成测试电极；所述控制电极区包括4个独立测试电极引脚和2个共用测试电极引脚；所述测试电极包括一个独立测试电极和一个共用测试子电极，四个气敏检测区的共用测试子电极构成一个完整的共用测试电极，所述共用测试电极为鱼骨状，分别与四个气敏检测区的独立测试电极构成叉指电极；独立测试电极与独立测试电极引脚连接，共用测试电极的两端与共用测试电极引脚连接。

具体地，使用lift-off工艺或金属刻蚀配合光刻工艺，在绝缘层上进行测试电极钛-铂金属的溅射，厚度约为150nm。

S5、在每个独立加热电极引脚和共用加热电极引脚的上方形成刻蚀窗口，所述刻蚀窗口贯穿绝缘层，将所述独立加热电极引脚和所述共用加热电极引脚的上表面暴露。

具体地，如图3所示，通过正性胶光刻与RIE、ICP刻蚀工艺的相结合，将加热电极引脚pad1和加热电极引脚pad2上方的绝缘层材料刻蚀穿透，使加热电极引脚pad1和加热电极引脚pad2上方暴露，便于后续键合。

S6、在所述气敏检测区四周形成腐蚀窗口，腐蚀窗口贯穿所述绝缘层和悬臂支撑层。

具体地，通过正性胶光刻与RIE、ICP刻蚀工艺的相结合，将腐蚀区域的绝缘层和支撑层氧化硅、氮化硅材料刻蚀去除，将晶圆基底的硅上方暴露，将整晶圆置入腐蚀液中，对晶圆基底硅进行有方向的刻蚀，从而形成腐蚀空腔，上方形成三维悬空结构的悬臂和气体检测区。

S7、对每个气敏检测区通过淀积和溅射形成气敏材料薄膜；所述气敏材料薄膜平铺设置于两个测试电极上。

对气敏检测区通过淀积、溅射等手段形成金属氧化物半导体气敏薄膜。具体地，采用磁控溅射和ALD等手段进行气敏薄膜的沉积，沉积材料可为IGO、CuO、TiO

S8、对晶圆级制备的硅基MEMS气体传感器阵列进行划片工艺，得到单个硅基MEMS气体传感器。

具体地，在完成MEMS传感器阵列芯片晶圆级制备后，采用划片切割机将MEMS传感器阵列芯片从晶圆上独立切割成单个芯片，完整的晶圆级工艺可保障不同传感器阵列芯片间的工艺一致性，为算法的可复用性提供保障。

实施例3

一种硅基MEMS气体传感器阵列芯片，采用实施例1中所述的硅基MEMS气体传感器阵列芯片结构，其制备方法采用实施例2中所描述的硅基MEMS气体传感器阵列芯片结构的制备方法。

其中，4个气体检测区制备不同的气敏材料薄膜，金属氧化物半导体对气体的检测能力与工作温度直接相关，在不同工作温度下同种金属氧化物半导体检测时会呈现不同的响应趋势，响应波形会出现明显不同。示例性的，在气体检测区1制备SnO2和催化剂Pd，用于实现高灵敏氢气检测；在气体检测区2制备WO3用于乙醇的高灵敏检测；在气体检测区3制备IGO材料用于甲醛的高灵敏检测；在气体检测区4制备Ce掺杂的NiO用于NO2的高灵敏检测。

采用本实施例中制备的硅基MEMS气体传感器阵列芯片对不同浓度所述四种目标气体进行多组实验检测，为4个气体检测区施加V1、V2、V3、V4(可为所述气体检测区上金属氧化物半导体的提供最佳工作温度或者提供其他可出现特殊气敏响应趋势的工作温度)四个电压使用模式识别算法对检测数据的识别和分类，如PCA、LDA等算法，可实现MEMS气体传感器阵列芯片的智能化检测。

进一步的，在对一种气体进行检测时，可以在不同气敏检测区施加不同的电压，从而提供不同的工作温度，对目标气体进行气敏检测，可实现气敏材料最佳工作温度的快速筛选。

在另一实施例中，在不同气敏检测区施加不同的电压，从而提供不同的工作温度，可以利用同种金属氧化物半导体在不同工作温度下的不同响应趋势实现多种目标气体的区分。

在上述实施例的基础上，在4个气敏检测区上使用任意气敏检测材料和提供任意工作温度进行气敏检测，其中不同气敏检测区上的气敏材料可以是相同的也可以是不同的，不同气敏检测区所提供的工作温度可以是相同的也可以是不同的。

本发明实施例提供的硅基MEMS气体传感器进行气体检测时，气敏检测区中蛇形蜿蜒的加热电极与加热电极引脚pad连接后均构成独立回路，可供独立电压输入控制，可为每个气体检测膜区上金属氧化物半导体气敏材料提供不同工作温度，即可得到同种气敏材料在不同温度下的气敏检测数据，也可保证多种气敏材料同时工作于最佳工作温度下的气敏检测数据，丰富了数据量，为气体智能识别提供多样化解决方案。

需要说明的是，本实施例中提供的电极与pad的连接方式仅为一种典型的代表，并不限定本发明，其他有同样思想的连接方式均可用本发明来解释。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。