一种基于微机电系统的蓝宝石基气体传感器及其制造方法与流程

本发明涉及气体传感器，尤其涉及一种基于微机电系统的蓝宝石基气体传感器及其制造方法。

背景技术：

1、金属氧化物半导体气体传感器是用于以测量金属氧化物半导体与气体反应时发生的电导率变化的方式感测来自物体的气体的传感器。这种金属氧化物半导体气体传感器制造成本低廉、体积小，并且具有高温稳定性高、灵敏度高、响应速度快等诸多优点，使得金属氧化物半导体气体传感器被广泛使用。

2、特别是在使用具有纳米结构的金属氧化物半导体的情况下，由于纳米结构的比表面积大的固有特性，可以使金属氧化物半导体与气体之间的反应最大化，并且由于气体能够快速扩散到具有较大纳米结构的金属氧化物半导体中的特性孔隙，从而进一步增强金属氧化物半导体气体传感器的上述优点。

3、cn108318548a公开了一种单悬梁气体传感器，包括依次层叠设置的硅衬底、支撑膜、加热电阻、隔离膜和检测电极，该气体传感器呈“t”型，具有基体结构和悬臂结构，在悬臂结构的端部上设有气敏材料。本发明还提供了一种由单悬梁气体传感器组成的传感器阵列，并提供了该气体传感器的制备方法，其包括(1)选择硅衬底；(2)制备支撑膜；(3)制备加热电阻；(4)制备隔离膜；(5)制备检测电极；(6)释放薄膜；(7)气敏材料加载。

4、cn102359981a公开了一种具有两支撑悬梁六层结构的电阻式气体传感器及制作方法，传感器的结构包括：衬底框架，隔热腔体，加热膜区，过渡区，支撑悬梁，加热电阻丝，供电引线，供电电极，隔离层，叉指电极，探测引线，探测电极，和敏感膜。其结构特征为：位于隔热腔体上方的加热膜区通过过渡区和支撑悬梁与衬底框架相连；加热电阻丝以折线的形式排布在加热膜区上，并通过供电引线与衬底框架上的供电电极相连；隔离层覆盖在加热膜区和支撑悬梁之上，并严密包裹加热电阻丝和供电引线；叉指电极排布在隔离层上，并通过探测引线与探测电极相连；敏感膜位于加热膜区上的隔离层处，覆盖整个叉指电极并与其有良好的电联接。

5、传统的半导体电阻式气体传感器利用半导体工艺如溅射、蒸发等工艺可以直接将气敏材料制备在微热平台上，但是其致密的表面结构大大降低了气敏材料的响应和灵敏度，并且基于陶瓷板的基底也极大程度增加了器件功耗，而通常现有mems式的半导体气体传感器为了维持传感器的低功耗，通常其基底都具有镂空蚀刻形成的隔热腔，而该镂空开口将造成机械强度一定程度的下降，当传感器设备经受预期外的突然冲击或振动时，机械强度的下降会导致传感器设备机械稳定性以及工作状态受到不确定的影响，为此现有技术通常会选择增强悬梁宽度，或是减少甚至取消悬梁以保证机械稳定，但这将导致热功耗的成倍增长，而为了降低设备功耗，则又会通过例如增加悬梁数量，或是减小悬梁宽度等，则该措施则面临着牺牲一定的机械强度。因此，技术仍有亟待解决的至少一个或多个技术问题。

6、此外，一方面由于对本领域技术人员的理解存在差异；另一方面由于申请人做出本发明时研究了大量文献和专利，但篇幅所限并未详细罗列所有的细节与内容，然而这绝非本发明不具备这些现有技术的特征，相反本发明已经具备现有技术的所有特征，而且申请人保留在背景技术中增加相关现有技术之权利。

技术实现思路

1、针对现有技术之不足，本发明提供了一种基于微机电系统的蓝宝石基气体传感器及其制造方法，旨在解决现有技术中存在的至少一个或多个技术问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种基于微机电系统的蓝宝石基气体传感器，包括堆叠设置的如下部分：

3、基底，其具有隔热腔；

4、支撑层，配置在基底上，并具有悬浮于隔热腔上方的聚热区；

5、加热组件，配置在支撑层上，具有加热丝；

6、介电层，配置在加热组件上，并具有悬浮于隔热腔上方的聚热区；

7、检测电极，配置在介电层上；

8、传感层，配置在检测电极上，沉积有气敏材料；

9、其中，

10、支撑层和介电层中的至少一个的聚热区具有沿堆叠方向贯通的若干通孔，且支撑层和介电层各自层内的通孔孔径以从聚热区向周侧延伸方向逐渐变化的方式配置。本发明中，当支撑层和介电层，尤其是支撑层和介电层中部的聚热区具有若干通孔时，借助于通孔形式增大了空气容纳腔，即增大了热量与空气间的有效接触面积或有效传热面积，由于空气的导热系数远低于衬底的导热系数，因此，设立通孔增大了热量与空气间的热传导，且由于在热量分别经与空气介质和衬底介质导热的状态下，与空气进行热传导损失的热量相对于与衬底进行热传导损失的热量更低，故最终可获得更高的加热效率。

11、优选地，支撑层和/或介电层的聚热区由多个悬梁和承载层构成，且多个悬梁的各自一端连接至承载层，和多个悬梁的各自另一端连接至支撑层和/或介电层，其中，

12、聚热区布设的通孔以从承载层沿悬梁延伸方向逐渐减小的方式配置。本发明中，在支撑层和/或介电层中的至少一个的聚热区所具备的通孔的孔径以从承载层沿悬梁方向向外逐渐减小的方式排布时，由于承载层的孔径更大，因此当热量沿纵向传导至聚热区，特别是进入中部承载层大孔径区域时，热量与空气间的有效传热面积相较于热量进入承载层外侧悬梁的小孔径时与空气的有效传热面积的更大，故在同一层结构内，热量沿悬梁向承载层方向产生的热量损失逐渐减小，则承载层热量保持效率得以提升，而相较远离于承载层的部分以及悬梁上的通孔相对较小，则可以保证悬梁或悬梁与衬底连接部位的机械强度，由此，可以在提升传感器热功耗性能的同时，保证一定的机械强度。

13、优选地，在聚热区布设的通孔以从承载层沿悬梁延伸方向逐渐减小的方式配置的状态下，悬梁以其横向宽度朝承载层所在端逐渐增大的方式配置。

14、优选地，加热组件还包括加热电极，且加热电极电性连接于加热丝两端，其中，

15、加热电阻丝以在堆叠方向观察下与支撑层和/或介电层的承载层重叠的方式配置。

16、优选地，支撑层和介电层各自的聚热区以在堆叠方向观察下彼此重合或包含的方式配置。

17、优选地，检测电极包括叉指电极，一对叉指电极各自的电叉指彼此交汇形成用于检测的传感区域，且传感区域以在堆叠方向观察下与支撑层和/或介电层的承载层重叠的方式配置。

18、优选地，沉积有气敏材料的传感层包括第一功能区和第二功能区，其中，

19、第一功能区以在堆叠方向观察下与支撑层和/或介电层的聚热区重叠/包含的方式配置；以及

20、第二功能区以在堆叠方向观察下与支撑层和/或介电层的聚热区不重叠/包含的方式一体连接于第一功能区。

21、优选地，介电层构造有形状适配于加热组件的加热电极的容纳区域。

22、优选地，支撑层和/或介电层是由氮化硅和氧化硅中的至少一个形成的复合膜结构。

23、优选地，本发明提供一种基于微机电系统的蓝宝石基气体传感器的制造方法，包括：

24、配置基层；

25、沉积支撑层至基层；

26、沉积包含有加热丝的加热组件至支撑层；

27、沉积介电层至加热组件；

28、沉积检测电极至介电层；

29、沉积包含有气敏材料的传感层至检测电极；

30、对经由上述层结构堆叠形成的结构进行蚀刻以使支撑层和介电层具备含有悬梁结构的聚热区；

31、其中，

32、支撑层和介电层中的至少一个的聚热区具有沿堆叠方向贯通的若干通孔，且支撑层和介电层各自层内的通孔孔径以从聚热区向周侧延伸方向逐渐变化的方式配置。