[发明专利]一种微型热导检测器集成芯片及制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及集成芯片技术领域，是一种微型热导检测器集成芯片及制造方法，基于MEMS技术，用于各种混合气体的检测，广泛用于潜艇有害气体检测、大气质量监测、家居安全、矿井瓦斯、食品安全、毒品检测以及癌症预测等检测。

背景技术

气相色谱法(GC)是英国生物化学家Martin ATP等人创立的一种极有效的分离方法，它可用于分析和检测复杂的多组分气体混合物。20年来，气相色谱技术在实现方式、仪器开发和应用领域扩展上都获得了飞速的发展。

在气体检测器中，热导检测器是一种很重要的检测器，热导检测器主要由微型热导池、热敏元件及惠斯顿电桥单元构成。其基本原理是：热导池在结构上就是一个有气体流通的气室，并将微型热敏电阻置于其中，当不同气体从微型热敏电阻表面流过时(不同的气体有不同的热导系数)，会带走不同的热量，造成微型热敏电阻温度的变化，从而导致电桥有电位差输出。这种检测器几乎对所有气体都响应，这是其他检测器无法替代和比拟的，而且检测灵敏度和检测限也基本达到了痕量检测的要求，因此，已成为几乎所有有害气体最常用的一种检测器，但传统的热导检测器，不仅体积大、笨重、死体积大，因而大大限制了检测器的检测灵敏度，而且在大多数情况下，检测人员依赖从野外采集样品，再回到实验室来进行分析检测，这种耗时又耗力，而且效率低下的分析模式，已经越来越不适应野外环境监测、家居安全、矿井安全等现场在线检测与分析与的需求。随着MEMS技术的日益成熟，基于MEMS技术的微型热导检测器，不仅具有响应速度快的特点，最重要的是这种微型热导检测器的死体积几乎为零，因此，极大的提高了检测器的检测灵敏度，其灵敏度可达传统型热导检测器的十倍，可以将检测限提高到个位ppm。

现有的微型热导检测器中，其微型热敏电阻都是采用氮化硅做为支撑梁，而当氮化硅膜的厚度达到以后，膜内的应力很大，会导致膜龟裂、变形以及塌陷，因此，这种氮化硅支撑梁的微型热导检测器结构强度差、使用寿命短，易受气流影响。

为了解决这些问题，本发明专利采用了复合梁作为支撑梁的思想，设计了扩散硅-氧化硅-氮化硅三层结构或氧化硅-氮化硅双层复合型支撑梁结构，这种梁结构强度大，几乎不受气流的影响，寿命长，而且这种高强度的复合梁，通过模拟分析，其结构带来的热损失很少。另外，本发明专利在结构上进行了独特的设计，微型热敏电阻通过支撑梁悬空在热导池中，热导池的死体积几乎接近于零，而且在微型沟道中集成了微型温度传感器，能瞬时响应检测气体样品的温度变化，并通过外部控制系统调节微型热敏电阻的工作状态，使热导检测器达到最佳的检测性能。

发明内容

本发明的目的是提出一种微型热导检测器集成芯片及制造方法，以解决现有技术中存在的问题。

为了达到上述目的，本发明的技术解决方案是：

一种微型热导检测器集成芯片，包括微型热导池、微型沟道、微型热敏电阻、微型温度传感器以及气体进样接口、出样接口、基底，其基底包括硅基底和玻璃基底；在硅基底上通过深刻蚀或化学腐蚀工艺形成两条有间隔的相互平行的微型沟道，两微型沟道两端的直径大于中部的直径，然后在两微型沟道中各形成一悬空的支撑梁，再以Pt材料在支撑梁的上表面形成微型热导检测器和微型温度传感器的微型热敏电阻；微型热敏电阻为六个，两微型沟道中各三个，位于两微型沟道两端宽部的，共四个微型热敏电阻组成整个微型热导检测器，且四个微型热敏电阻都通过支撑梁悬浮在微型沟道中，形成四臂结构；分别位于两微型沟道中部的微型热敏电阻，各构成独立的微型温度传感器；

在玻璃基底上，通过深刻蚀或化学腐蚀工艺形成两条有间隔的相互平行的微型沟道，两微型沟道的形状与硅基底上的两条微型沟道相适配，在两微型沟道的进样口、出样口位置处分别形成气体进样接口、出样接口；通过键合工艺将硅基底上的两微型沟道与玻璃基底上的两微型沟道向相扣合，对准键合密封，使形成四个微型热导池和两个微型沟道，得到微型热导检测器集成芯片。

所述的微型热导检测器集成芯片，其所述微型热敏电阻的电极制作材料，采用Au、Au-Ti、Ag、Pd或它们的合金其中之一。

所述的微型热导检测器集成芯片，其所述微型热敏电阻通过支撑梁的支撑，分别悬空在微型热导池和微型沟道中，当待检测气体从微型热敏电阻上下表面流过时，使得微型热敏电阻能直接、灵敏、迅速响应待检测的气体。

所述的微型热导检测器集成芯片，其所述微型温度传感器的微型热敏电阻与微型热导检测器的微型热敏电阻不接触，微型温度传感器的微型热敏电阻通过支撑梁的支撑，悬空在连接两端微型热导池的微型沟道中。