适用于高湿度环境检测的气体传感器及其制备工艺

技术领域

本发明涉及一种适用于高湿度环境检测的气体传感器及其制备工艺，属于传感器领域。

背景技术

随着科技的进一步发展，人类世界正在大跨步进入物联网时代。在物联网时代，智能传感器是实现万物互联的重要基础，气体传感器就是其中一种极为重要的传感器。作为智能检测系统的关键组件，气体传感器由于其在智能医疗、物联网、环境科学、汽车工业和军事等领域的广泛应用而受到关注。比如通过检测人体自然排放的挥发性有机物(VOC气体)可以对相关病症实现无痛、实时且便捷的诊断，对于构建个人智能医疗系统具有积极作用；在环境方面保护方面，通过建立智能气体传感系统，可以实现对污染气体或者其他有毒有害气体的实时监测，极大地减缓了大范围空气质量检测的压力；在高端制造业或者军事领域，对气体环境的要求更为严格，极其微量的某些气体就会对精密零件的制造产生重大影响，而且多为高温、高压、高湿的环境，这就亟需可在高温、高压、高湿等极端环境中性能优越且稳定的智能气体传感器。

在物联网时代，价格昂贵是限制气体传感器广泛应用的重要原因，今天市场上销售的大多数气体传感器的价格都远远超过10美元，并且必须嵌入专门的仪器设备才能正常使用，这使得价格超过500美元。据估计，目前气体传感器的市场规模约为5亿美元，并以每年10％的速度增长。然而，近年来市场的增长是通过开发微型固态气体传感器(例如氧化锡电阻式气体传感器)降低单位成本来实现的。当气体传感器(包括读出接口)跌破10美元时，可以打通多种工业市场，当它跌破1美元时，可以打通更多市场。一旦单位成本低于1美元，那么气体传感器就可以嵌入笔记本电脑、智能家居、手机，甚至手表中。因此想要拓展气体传感器的市场规模就必须极大地降低单位成本，而通过普通的制造工艺显然是无法实现的，但是CMOS-MEMS制造工艺具有成本低、可大规模生产、精度高、集成度高、与CMOS电路兼容性好等优点，因此研究CMOS-MEMS智能气体传感器对于解决降低传感器制造成本高、性能差等问题是一种可行的方法。

除了制造成本高这一缺点以外，大多数气体传感器在高湿度环境中容易失效，这主要是因为环境相对湿度超过80％甚至100％以后，传感器的传感部分就会产生连续、较大面积的水膜。首先，这些水膜会导致气敏材料与气体分子的接触位点急剧减少，极大地损害了传感器的检测范围、检测极限以及灵敏度等性能，严重时会直接导致传感器失效；其次，某些气敏材料具有一定的水溶性，水膜的存在可能会直接溶解或者破坏气敏材料，损害传感器性能或者直接使其失效；另外，水膜可能会直接与气敏材料反应，造成“假响应”的结果，导致测量结果不准确；最后，连续的大面积水膜会导致水蒸气挥发缓慢，严重影响传感器的响应/回复速度。因此通过合理设计，让传感部分表面具有超疏水特性，就可以避免产生连续的大面积水膜，进而有效解决上述问题。

综上所述，为了有效解决智能传感器单位成本高以及高湿度环境中难以稳定工作的问题，开发一种适用于高湿度环境检测的气体传感器是一种有效的方法。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种适用于高湿度环境检测的气体传感器及其制备工艺；本发明克服现有技术的不足，以保证气体传感器可以在高湿度的极端环境中满足智慧医疗，空气质量检测，危险气体泄露等领域的需求。该传感器利用标准的CMOS工艺进行相应设计，实现了传感器表面的超疏水特性，从而保证气体传感器在检测特定气体时不受环境湿度的影响，从而大大提高了气体传感器的准确性和适用范围；同时Post-CMOS工艺具有无需掩模版(MASK)操作的优点，有效降低了整个器件的后处理复杂程度，大大提高了整个Post-CMOS后处理的效率。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

一种适用于高湿度环境检测的气体传感器包括硅衬底层(1)及二氧化硅结构层(2)，所述二氧化硅结构层(2)设置于所述硅衬底层(1)上方；所述二氧化硅结构层(2)包括设置于两端的PAD区域(7)和设置于中央的气体传感器区域；所述PAD区域中二氧化硅材料与金属材料交叠排布，金属via贯穿第一层金属至第五层金属；所述气体传感器区域包括加热电阻(3)、传感电极(4)、via金属柱(5)和气敏材料(6)，两侧固定，整体悬浮在空腔(8)上方；所述加热电阻(3)分布在poly层并进行相应的图案化；所述传感电极(4)分布在第一层金属层，电极图案为叉指电容式或蛇形电阻式；所述via金属柱(5)密集分布在传感电极上方，从而使气体传感器具有超疏水特性；所述气敏材料(6)可根据特定需要进行选择，常用气敏材料主要包括金属氧化物、高分子聚合物以及氧化石墨烯、碳纳米管等碳纳米材料。

一种适用于高湿度环境检测的气体传感器的制备方法，采用无需MASK操作的Post-CMOS方法，包括如下步骤：

步骤1：采用0.18um1P6M工艺设计CMOS裸片，在PAD区域设计合理的金属层图案和金属via，使第六层金属和第五层金属之间充满二氧化硅材料，因此在金属刻蚀时，形成PAD区域的天然掩膜，保护其结构；在气体传感器区域设计合理的多晶硅层图案，构成气体传感器的加热电阻；设计合理的第一金属层图案和第三层金属图案及它们之间的金属via，使传感电极上面密集分布大量的via金属柱，使气体传感器具有超疏水特性，在进行气体检测时免受环境湿度的影响，同时第三层金属作为后续工艺的掩膜，可以在无掩模版的情况下保护传感电极。

步骤2：对步骤1中所得CMOS裸片进行二氧化硅刻蚀，去除多余的二氧化硅，形成沟槽，上述提到的第六层金属和第三层金属分别作为PAD区域和气体传感器区域的掩膜；然后进行金属刻蚀，去除上述提到的作为掩膜的第六层金属和第三层金属；再进行二氧化硅刻蚀，使via金属柱裸漏，形成传感电极表面的超疏水结构，同时PAD裸漏，方便与外围电路的连接，同时第一层金属作为加热电阻的掩膜，保护其结构；然后进行DRIE刻蚀和XeF2刻蚀，气体传感器形成悬浮结构，得到预制芯片；

步骤3：对步骤2中所得预制芯片根据实际需要进行特定气敏材料的涂覆，形成一种适用于高湿度环境检测的气体传感器。

一种适用于高湿度环境检测的气体传感器的制备方法，采用无需MASK操作的Post-CMOS方法，包括如下步骤：

步骤1：采用0.18um1P6M工艺设计CMOS裸片，在PAD区域设计合理的金属层图案和金属via，使第六层金属和第五层金属之间充满二氧化硅材料，因此在金属刻蚀时，形成PAD区域的天然掩膜，保护其结构；在气体传感器区域设计合理的多晶硅层图案，构成气体传感器的加热电阻；设计合理的第一金属层图案和第三层金属图案及它们之间的金属via，使传感电极上面密集分布大量的via金属柱，使气体传感器具有超疏水特性，在进行气体检测时免受环境湿度的影响，同时第三层金属作为后续工艺的掩膜，可以在无掩模版的情况下保护传感电极。

步骤2：对步骤1中所得CMOS裸片进行二氧化硅刻蚀，去除多余的二氧化硅，形成沟槽，上述提到的第六层金属和第三层金属分别作为PAD区域和气体传感器区域的掩膜；然后进行金属刻蚀，去除上述提到的作为掩膜的第六层金属和第三层金属；再进行二氧化硅刻蚀，使via金属柱裸漏，形成传感电极表面的超疏水结构，同时PAD裸漏，方便与外围电路的连接，同时第一层金属作为加热电阻的掩膜，保护其结构；然后对传感器进行翻转，进行硅各向异性刻蚀，气体传感器形成悬浮结构，得到预制芯片；

步骤3：对步骤2中所得预制芯片根据实际需要进行特定气敏材料的涂覆，形成一种适用于高湿度环境检测的气体传感器。

有益效果：

1、本发明通过设计金属层和金属via图案，使传感电极上方分布大量的via金属柱，从而具有超疏水特性，可以降低气体传感器在工作时对环境湿度变化敏感程度，大大提高传感精度和适用范围。

2、本发明利用CMOS工艺进行合理设计得到CMOS裸片，使得post-CMOS工艺可以无需掩模版就可以得到理想的传感器结构，大大降低了传感器的工艺复杂度和制造成本。

3、本发明在传感电极下方设计加热电阻，可以通过调节加热功率实现对多种气体的检测，大大拓宽了该传感器的适用范围。

4、传感结构整体悬浮，可以极大地减小传感器的功耗，

5、一体化且连续的工艺极大地降低了传感器的成本，并且传感器具有良好的稳定性，高灵敏度及低热耗散，快响应/回复的性能，适用于高湿度环境检测的气体传感器体积小、集成度高，因此具有作为小型、多功能专用传感器的潜力。可有效解决目前气体传感器在环境湿度变化或者高环境湿度下检测结果不稳定、不准确的问题，以及市面可见的气体传感器所具有的成本高、热耗散较大、灵敏度和响应速度相对受限的问题。并且制备工艺简单，从产业化角度便于大规模生产。

附图说明：

图1是本发明一种适用于高湿度环境检测的气体传感器的方案1的制备流程图；其中图a为设计的CMOS裸片，图b表示对CMOS裸片进行二氧化硅刻蚀，图c表示进行金属刻蚀，图d表示进行二氧化硅刻蚀，使PAD、传感电极和硅衬底裸露，图e表示DRIE刻蚀，在硅衬底上形成沟槽，图f表示XeF2刻蚀，对悬浮薄膜进行释放，图g表示最终对器件进行气敏材料涂覆，形成最终的气体传感器。

图2是本发明一种适用于高湿度环境检测的气体传感器的方案2的制备流程图；其中图a为设计的CMOS裸片，图b表示对CMOS裸片进行二氧化硅刻蚀，图c表示进行金属刻蚀，图d表示进行二氧化硅刻蚀，使PAD、传感电极和硅衬底裸露，图e表示背腔刻蚀，在硅衬底上形成沟槽，使传感器悬浮，图f表示对器件进行气敏材料涂覆，形成最终的气体传感器。

图3是本发明一种适用于高湿度环境检测的气体传感器的横截面示意图。

图4是本发明一种适用于高湿度环境检测的气体传感器的三维结构示意图。

图5是本发明一种适用于高湿度环境检测的气体传感器与普通的气体传感器在高湿度环境中的对比示意图。其中图a是本发明一种适用于高湿度环境检测的气体传感器在高湿度环境中的结果；图b是普通的气体传感器在高湿度环境中的结果。

其中，1-硅衬底层；2-二氧化硅结构层；3-加热电阻；4-传感电极；5-via金属柱；6-气敏材料；7-PAD区域构示意图。

具体实施方式

为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。

见图2至图4所示：本实施例公开的一种适用于高湿度环境检测的气体传感器包括硅衬底层(1)及二氧化硅结构层(2)，二氧化硅结构层(2)设置于硅衬底层(1)上方；二氧化硅结构层(2)包括设置于两端的PAD区域(7)和设置于中央的气体传感器区域；PAD区域中二氧化硅材料与金属材料交叠排布，金属via贯穿第一层金属至第五层金属；气体传感器区域包括加热电阻(3)、传感电极(4)、via金属柱(5)和气敏材料(6)，两侧固定，整体悬浮在空腔(8)上方；加热电阻(3)分布在poly层并进行相应的图案化；传感电极(4)分布在第一层金属层，电极图案为叉指电容式或蛇形电阻式；via金属柱(5)密集分布在传感电极上方，从而使气体传感器具有超疏水特性。

via金属柱密集分布在传感电极上，整体图案与传感电极类似；

单个金属via柱的横截面积需要合理设计，需要保证小液滴与via金属柱之间的表面张力大于液滴本身的重力，这样才能保证液滴不会接触到底部的传感电极，使液滴保持在Wenzel状态，因此具有大接触角和小摩擦力，从而实现超疏水的特性，避免因环境湿度过大而导致的气体检测结果不准确等问题。

via金属柱之间的间隙需要合理设计。在一定程度下，via金属柱越密集，器件表现出的超疏水性越好，但并不是越密集越好，当超过一个界限后，过于密集的via金属柱会导致器件超疏水性的自发性破坏，因此在设计时要根据实际情况和所用材料选择适当的密集度。

气敏材料(6)可根据特定需要进行选择，常用气敏材料主要包括金属氧化物、高分子聚合物以及氧化石墨烯、碳纳米管等碳纳米材料。

衬底的材料是硅晶圆。

结构层的材料是二氧化硅。

气体传感器加热电阻的材料是多晶硅。

传感电极的材料是金属铝。

via金属柱的材料是金属钨。

见图1和图2所示：本发明还提供了两种适用于高湿度环境检测的气体传感器的制备方法。

图1是本发明实施方案中适用于高湿度环境检测的气体传感器的方案1的制备流程图，包括如下步骤：

步骤1：采用0.18um1P6M工艺设计CMOS裸片，在PAD区域设计合理的金属层图案和金属via，使第六层金属和第五层金属之间充满二氧化硅材料，因此在金属刻蚀时，形成PAD区域的天然掩膜，保护其结构；在气体传感器区域设计合理的多晶硅层图案，构成气体传感器的加热电阻；设计合理的第一金属层图案和第三层金属图案及它们之间的金属via，使传感电极上面密集分布大量的via金属柱，使气体传感器具有超疏水特性，在进行气体检测时免受环境湿度的影响，同时第三层金属作为后续工艺的掩膜，可以在无掩模版的情况下保护传感电极。

步骤2：对步骤1中所得CMOS裸片进行二氧化硅刻蚀，去除多余的二氧化硅，形成沟槽，上述提到的第六层金属和第三层金属分别作为PAD区域和气体传感器区域的掩膜；然后进行金属刻蚀，去除上述提到的作为掩膜的第六层金属和第三层金属；再进行二氧化硅刻蚀，使via金属柱裸漏，形成传感电极表面的超疏水结构，同时PAD裸漏，方便与外围电路的连接，同时第一层金属作为加热电阻的掩膜，保护其结构；然后进行DRIE刻蚀和XeF2刻蚀，气体传感器形成悬浮结构，得到预制芯片；

步骤3：对步骤2中所得预制芯片根据实际需要进行特定气敏材料的涂覆，形成对湿度不敏感的CMOS-MEMS超疏水气体传感器。

图2是本发明实施方案中对湿度不敏感的超疏水气体传感器的方案2的制备流程图，包括如下步骤：

步骤1：采用0.18um1P6M工艺设计CMOS裸片，在PAD区域设计合理的金属层图案和金属via，使第六层金属和第五层金属之间充满二氧化硅材料，因此在金属刻蚀时，形成PAD区域的天然掩膜，保护其结构；在气体传感器区域设计合理的多晶硅层图案，构成气体传感器的加热电阻；设计合理的第一金属层图案和第三层金属图案及它们之间的金属via，使传感电极上面密集分布大量的via金属柱，使气体传感器具有超疏水特性，在进行气体检测时免受环境湿度的影响，同时第三层金属作为后续工艺的掩膜，可以在无掩模版的情况下保护传感电极。

步骤2：对步骤1中所得CMOS裸片进行二氧化硅刻蚀，去除多余的二氧化硅，形成沟槽，上述提到的第六层金属和第三层金属分别作为PAD区域和气体传感器区域的掩膜；然后进行金属刻蚀，去除上述提到的作为掩膜的第六层金属和第三层金属；再进行二氧化硅刻蚀，使via金属柱裸漏，形成传感电极表面的超疏水结构，同时PAD裸漏，方便与外围电路的连接，同时第一层金属作为加热电阻的掩膜，保护其结构；然后对传感器进行翻转，进行硅各向异性刻蚀，气体传感器形成悬浮结构，得到预制芯片；

步骤3：对步骤2中所得预制芯片根据实际需要进行特定气敏材料的涂覆，形成对湿度不敏感的CMOS-MEMS超疏水气体传感器。

本发明采用0.18um1P6MCMOS半导体工艺，在硅片上一次性形成传感器所需的结构，包括硅衬底层1及二氧化硅结构层2，所述二氧化硅结构层2设置于所述硅衬底层1上方；所述二氧化硅结构层2包括设置于两端的PAD区域7和设置于中央的气体传感器区域；所述PAD区域中二氧化硅材料与金属材料交叠排布，金属via贯穿第一层金属至第五层金属；所述气体传感器区域包括加热电阻3、传感电极4、via金属柱5和气敏材料6，两侧固定，整体悬浮在空腔8上方；所述加热电阻3分布在poly层并进行相应的图案化；所述传感电极4分布在第一层金属层，电极图案为叉指电容式或蛇形电阻式；所述via金属柱5密集分布在传感电极上方，从而使气体传感器具有超疏水特性；所述气敏材料6可根据特定需要进行选择，常用气敏材料主要包括金属氧化物、高分子聚合物以及氧化石墨烯、碳纳米管等碳纳米材料。

本发明提供的一种适用于高湿度环境检测的气体传感器的实际应用，可以包括：将传感器附在载体上，端引出导线，连接外接信号处理模块，检测环境中的气体种类和气体含量。

本发明中的电阻值或者电容值和气体种类或者气体含量存在一定的关系，信号响应采用电阻值或者电容值的变化来确定。

本发明利用0.18um1P6M工艺一次性设计传感器结构，包括硅衬底层1及二氧化硅结构层2，以及包含在二氧化硅结构层中的各种功能部件，然后通过无需MASK的post-CMOS工艺得到具有悬浮结构的对湿度不敏感的CMOS-MEMS超疏水气体传感器。与普通的CMOS-MEMS气体传感器的结构不同，本发明首创性的提出了一种对湿度不敏感的CMOS-MEMS超疏水气体传感器结构。通过设计金属层和via金属柱图案，在经过简单且可连续化的后处理工艺后，传感器表面的粗糙程度大大提高，使其具有超疏水性，从而实现对湿度的不敏感特性。一般来说，实现器件的超疏水特性都是从材料入手，比如改变材料种类或者改变材料生长工艺参数等，本发明巧妙地利用CMOS工艺的特点，从结构层次实现传感器表面的超疏水特性。并且本发明通过合理设计在不用掩模版的情况下实现对器件的后处理，得到表面形态良好、结构稳定、性能优良且适用于高湿度环境检测的气体传感器。

本发明提供的一种适用于高湿度环境检测的气体传感器从结构层次实现传感器表面的超疏水特性，并且具有坚固、灵敏度高，稳定性好，响应速度快、热耗散低、精度高、体积小以及良好的可设计性的优点。因此具有作为小型、多功能专用传感器的潜力。可有效解决目前气体传感器在环境湿度激烈变化或者高环境湿度下检测结果不稳定、不准确的问题，以及市面可见的气体传感器所具有的成本高、热耗散较大、灵敏度和响应速度相对受限的问题。并且本发明采用一体式CMOS加工工艺和无需MASK的后处理工艺，从产业化角度便于大规模生产。

以上仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请保护的范围之内。其它结构和原理与现有技术相同，这里不再赘述。