[发明专利]气体传感方法及装置

说明书

本申请提供一种使用化学和热感测来检测环境中的气体的系统和方法。在一个实施例中，一种方法包括将嵌入在传感器像素内的化学电阻器暴露于环境中的气体；将嵌入在传感器像素内的加热器设定为感测温度，所述感测温度大于室温；响应于将加热器设定为感测温度而测量化学电阻器的电阻；并响应于所述化学电阻器的电阻与参考电阻之间的差小于阈值，向嵌入在所述传感器像素内的加热器提供固定的功率输入，并测量所述传感器像素相对于参考温度的温度。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2017年4月11日提交、名称为“气体感测方法及装置”的美国非临时专利申请序列号No.15/484,864的优先权，其全部内容通过引用合并于此。

背景技术

某些气体传感器在存在气体的情况下利用化学感测材料(例如，化学电阻材料)中的物理或化学变化来确定周围环境中所述气体的浓度。但是，由于金属氧化物半导体(MOS)结构的反应限制，基于化学电阻器的气体传感器无法感测惰性气体，例如二氧化碳或氮气。因此，期望实现能够检测更多种气体的气体传感器装置。

发明内容

以下给出了本申请的一个或多个实施例的简化概述，以便提供对实施例的基本理解。此概述不是本文描述的实施例的广泛概观。它既不旨在标识实施例的关键或重要元素，也不旨在描绘实施例或权利要求的任何范围。此概述的唯一目的是以简化的形式呈现实施例的一些概念，作为稍后呈现的更详细描述的序言。还应当理解，除了在发明内容部分中所描述的实施例之外，详细描述可以包括其他或替代实施例。

在至少某些实施例中，本公开认识并解决了检测反应性以及惰性和/或其他非反应性气体的问题。公开的气体传感器除了基于化学电阻器的感测方法之外还使用热导率感测方法，以便使用单个气体感测平台感测更广泛的气体。所公开的气体传感器在同一装置中结合了化学电阻器感测和热导率感测，从而在减少气体传感器装置和/或其他相关设备的数量的同时改善了气体感测种类范围。

在本文公开的一个方面中，一种装置包括：传感器像素结构，其悬置在掺杂的半导体衬底上；加热元件，其嵌入传感器像素结构中并被配置为产生一定量的热量；第一腔室结构，其封装传感器像素结构；排气孔，其位于第一腔室结构中，所述排气孔将传感器像素结构暴露于环境；以及化学感测元件，其热耦合至加热元件。化学感测元件包括金属氧化物化合物，所述金属氧化物化合物具有基于环境中气体的浓度和化学感测元件的操作温度的电阻，并且化学感测元件的操作温度大于室温并且由热量确定。所述装置还包括温度传感器，所述温度传感器嵌入传感器像素结构中，并配置为响应于化学感测元件的操作温度提供电信号；温度参考结构悬挂在掺杂的半导体衬底上方，有别于传感器像素结构，所述温度参考结构被配置为在参考操作温度下操作，以及第二腔室结构，其封装所述温度参考结构，从而在温度参考结构和环境之间形成不可渗透的密封。

在本文公开的另一方面，一种方法包括：将嵌入在传感器像素内的化学电阻器暴露于环境中的气体中；将嵌入在传感器像素内的加热器设定为感测温度，所述感测温度大于室温；测量化学电阻器的电阻，其响应于将加热器设定为感测温度，并且响应于化学电阻器的电阻与参考电阻之间的差小于阈值；向嵌入传感器像素内的加热器提供固定的功率输入并测量传感器像素相对于参考温度的温度。

在本文公开的又一方面，一种装置包括掺杂的半导体衬底层和悬置在半导体衬底层上方的介电层。介电层包括第一温度传感器；耦合到与一组金属互连相关联的传热层的第一加热元件；第二温度传感器；以及耦合到传热层的第二加热元件。所述装置还包括沉积在介电层上的气体感测层，所述气体感测层具有沉积在第一温度传感器和第一加热元件上的第一部分以及沉积在第二温度传感器和第二加热元件上的第二部分；第一壳体结构，其封装气体感测层的第一部分，第一壳体结构具有将气体感测层的第一部分暴露于环境的排气孔；以及第二壳体结构，其封装气体感测层的第二部分，第二壳体结构在气体感测层的第二部分和环境之间形成不可渗透的密封。