[发明专利]一种MEMS半导体气体传感器及其制造方法、及气体检测方法

说明书

技术领域

本发明涉及气体检测用传感器，具体是一种MEMS半导体气体传感器及其制造方法、及气体检测方法。

背景技术

人类生产、居住、生活的各种环境充斥着各种气体，对于气体的检测，特别是对有毒、有害、易燃易爆气体的探测是保证人们安全生产、健康居住、舒适生活的重要手段。气体传感器广泛应用于石油、石化、燃气、冶金、电力、汽车工业、环境卫生、气象检测、医疗健康、智能家居、信息技术等领域。已有的气体传感器中，以半导体气体传感器应用最为广泛。

随着MEMS(Micro Electromechanical System，即微电子机械系统)技术的快速发展，气体传感器也已向微型化、智能化、集成化和低功耗方向发展，采用MEMS技术制作的微结构气体传感器，将加热元件和敏感元件集成为一体，优化了气体传感器的性能，能极大提高气体传感器的灵敏度、可靠性和一致性。

目前，国内外的半导体气体传感器主要用于检测可燃性气体和有毒气体，在防止中毒和燃烧爆炸方面起着日益重要的作用。大多数半导体气体传感器的气敏性能都依赖于工作温度，目前实用化的SnO₂系、ZnO系气敏元件等半导体气体传感器的工作温度在300℃～500℃，低温加热的半导体气体传感器的工作温度为室温～150℃，因而必须配置一个加热器，给气体敏感元件加热到所需的工作温度。目前常用的技术手段为稳压处理，即通过控制工作电压，进而控制加热功率，以达到控制传感器工作温度的目的。但这种方法并不能控制环境温度变化引起的半导体气体传感器敏感材料工作温度的变化，也就无法控制传感器因此产生的性能变化。

实际应用中，只能对半导体气体传感器受温度影响后的信号进行补偿，即对环境温度变化造成的零点漂移、灵敏度漂移等进行补偿，但并不能对环境温度变化造成的响应恢复速率、线性度、选择性等性能影响进行补偿。这种方法由于具有较大的滞后性，不能有效地减小环境温度对体气体传感器各性能的不利影响。

发明内容

传统的气体传感器只能对半导体气体传感器受温度影响后的信号进行补偿，由于处理滞后，往往不能保证传感器的性能，达不到理想的测试效果。针对现有技术的不足，本发明的思路为：在调整传感器工作温度时同时考虑环境温度的影响，即在考虑环境温度的前提下一步调整传感器至合适的工作温度，消除传统处理方式由于处理滞后所引起的传感器性能不佳的缺陷。

为实现上述目的，本发明提供了一种MEMS半导体气体传感器，包括具有中空部的衬底和形成于所述衬底上的感测模块，所述感测模块包括依次层叠设置的第一绝缘层、加热电阻、第二绝缘层、测试电极和气体敏感层，其中，所述第一绝缘层以遮盖所述中空部的状态设置在所述衬底上，所述气体敏感层的上表面暴露于待测气体中，所述传感器还包括控制模块和温度检测模块，所述温度检测模块、加热电阻和测试电极分别与所述控制模块连接；所述温度检测模块用于检测环境温度并将所述环境温度反馈至控制模块，所述控制模块根据所述环境温度调整加热电阻的加热功率，进而控制所述气体敏感层的温度至所需的工作温度。

作为本发明的优选方式，所述控制模块为ASIC电路(专用集成电路)，所述温度检测模块为测温电阻。所述ASIC电路和测温电阻形成于所述衬底上。

具体的，所述衬底采用双面抛光双面氧化的硅片制成；所述气体敏感层采用金属氧化物半导体材料制成，所述金属氧化物半导体材料选自SnO₂、WO₃、In₂O₃和ZnO中的一种；所述加热电阻和测温电阻均采用铂；所述测试电极采用金；所述第一绝缘层、第二绝缘层采用氧化硅或氮化硅。

本发明还提供了一种MEMS半导体气体传感器的制造方法，包括以下步骤：

S1、在衬底上加工形成中空部；

S2、在所述中空部上覆盖第一绝缘层，然后在第一绝缘层上依次向上制作加热电阻、第二绝缘层、测试电极和气体敏感层，得到感测模块；

S3、在衬底上制作测温电阻，得到温度检测模块；

S4、在衬底上制作ASIC电路，并预留出信号接口，得到控制模块；

S5、将所述加热电阻、测试电极和测温电阻通过桥接的方式或引线绑定的方式分别与ASIC电路连接。

具体的，上述衬底采用双面抛光双面氧化的硅片制成。