[发明专利]一种叠层结构的微瓦斯传感器及其制备方法

摘要

一种叠层结构的微瓦斯传感器及其制备方法，属于瓦斯传感器及其制备方法。该传感器包括采用MEMS技术加工的单片瓦斯微反应器与单片温度检测器，二者通过键合形成整体的叠层结构的微瓦斯传感器。单片瓦斯微反应器独立加热催化剂载体，单片温度检测器独立检测单片瓦斯微反应器因瓦斯催化燃烧反应造成的温升，其测量时不受单片瓦斯微反应器上的电压或电流的影响，二者不存在电气连接，相互独立。其制备工艺与CMOS工艺兼容；该传感器可分别独立调控单片瓦斯微反应器与单片温度检测器，因此可具有多种工作模式，该传感器配置简单，操作容易，功耗低、灵敏度更高、性能稳定。

主权项

一种叠层结构的微瓦斯传感器，其特征在于：该叠层结构的微瓦斯传感器包括单片瓦斯微反应器（1）及单片温度检测器（2）；所述单片瓦斯微反应器（1）包括：硅框架支座（101）、加热元件（103）、2个固定端（102）、2个键合‑固定端（1021）、多个电极引出端（104）、多个键合支撑端（301）、金属凸点（400）与催化剂载体（105）；所述硅框架支座（101）包括硅衬底（11）与埋层氧化硅（12）；所述固定端（102）、键合‑固定端（1021）、键合支撑端（301）均相互独立的设在硅框架支座（101）的埋层氧化硅（12）上；固定端（102）包括支撑硅层（21）、设在支撑硅层（21）外的氧化硅层（23）、设在氧化硅层（23）上的金属层（22），所述固定端（102）的支撑硅层（21）内设有掺杂硅层（24），金属层（22）通过氧化硅层（23）的窗口与掺杂硅层（24）相接触形成欧姆接触；键合‑固定端（1021）、电极引出端（104）与键合支撑端（301）均包括支撑硅层（21）、设在支撑硅层（21）外的氧化硅层（23）、设在氧化硅层（23）上的金属层（22）；加热元件（103）包括支撑硅层（21）、设在支撑硅层（21）外的氧化硅层（23）；电极引出端（104）也设在硅框架支座（101）的埋层氧化硅（12）上；每个键合‑固定端（1021）、固定端（102）均与一个对应的电极引出端（104）的一端相连，尤其是金属层（22）是相连的；电极引出端（104）设有电引出焊盘Pad区域，电引出焊盘Pad区域较佳设在电极引出端（104）的另一端，用引线连接外电路与电极引出端（104）的电引出焊盘Pad区域；所述加热元件（103）设有硅加热器（1031）、两个对称设置的硅悬臂（1032），硅加热器（1031）较佳为圆环形，圆环形硅加热器（1031）中间较佳设有两个对称内伸的散热‑支撑硅块（1033）；所述硅悬臂（1032）的一端与硅微加热器（1031）相连，另一端与硅框架支座（101）之上的固定端（102）相连；所述加热元件（103）的硅加热器（1031）上设有催化剂载体（105），加热元件（103）的硅加热器（1031）完全嵌入在催化剂载体（105）中，并且催化剂载体（105）贯穿于硅加热器（1031）中，尤其是催化剂载体（105）是一个整体结构；在键合‑固定端（1021）、键合支撑端（301）的金属层（22）上设有金属凸点（400）；电极引出端（1021）与固定端（102）较佳均设在硅框架支座（101）的同一侧，排列顺序为一个电极引出端、一个固定端、另一个固定端、另一个电极引出端；所述单片温度检测器（2）包括硅框架支座（101）、硅测温单元（203）、2个固定端（202）、若干键合支撑端（301）；所述硅测温单元（203）设有硅测温器（2031）、两个对称设置的硅连接臂（2033），2个对称设置的硅支撑臂（2032）；所述硅测温器（2031）、硅连接臂（2033）、硅支撑臂（2033）、固定端（202）依次相连；所述硅框架支座（101）包括硅衬底（11）与埋层氧化硅（12）；所述键合支撑端（301）、固定端（202）均设在硅框架支座（101）的埋层氧化硅（12）上，所述键合支撑端（301）、固定端（202）均包括支撑硅层（21）、设在支撑硅层（21）外的氧化硅层（23）、设在氧化硅层（23）上的金属层（22）；固定端（202）的支撑硅层（21）内设有掺杂硅层（24），金属层（22）通过氧化硅层（23）的窗口与固定端（102）的掺杂硅层（24）相接触形成欧姆接触；硅测温单 元（203）包括支撑硅层（21）、设在支撑硅层（21）上的氧化硅层（23），硅测温单元（203）通过固定端（202）固定在硅框架支座（101）上的埋层氧化硅（12）上；单片温度检测器（2）的2个固定端（202）与分别与单片瓦斯微反应器（1）的2个键合‑固定端（1021）在距离、位置上相对应，单片温度检测器（2）的键合支撑端（301）与单片瓦斯微反应器（1）对应的键合支撑端（301）在位置上相对应，单片瓦斯微反应器（1）与单片温度检测器（2）通过金属凸点（400）紧密连接；单片温度检测器（2）的硅测温单元（203）位于单片瓦斯微反应器（1）的有催化剂载体（105）的加热元件（103）正上方；单片瓦斯微反应器（1）的位于外侧的一个电极引出端（104）、一个键合‑固定端（1021）及其上的金属凸点（400）、单片温度检测器（2）的一个固定端（202）、硅测温单元（203）、单片温度检测器（2）的另一个固定端（202）、单片瓦斯微反应器（1）的另一个键合‑固定端（1021）及其上的金属凸台（400）与单片瓦斯微反应器（1）的另一个位于外侧的电极引出端（104）形成一个二端测温器件通路；单片温度检测器（2）的尺寸小于单片瓦斯微反应器（1）的尺寸使单片瓦斯微反应器（1）的电极引出端（104）的电引出焊盘Pad区域不被单片温度检测器（2）覆盖，并能进行引线键合；所述的单片瓦斯微反应器（1）、单片温度检测器（2）均采用SOI硅片加工；单片瓦斯微反应器（1）的加热元件（103）独立加热催化剂载体（105），单片温度检测器（2）的硅测温单元（203）独立检测因瓦斯催化燃烧造成的温升，其测量时不受加热元件（103）所施加的加热电压或电流的影响；所述单片温度检测器（2）还可以用于测量环境温度。