一种集成化气体传感芯片及其制作工艺的制作方法

本发明涉及传感器,具体涉及一种集成化气体传感芯片及其制作工艺。

背景技术：

1、随着光电子技术的快速发展,半导体激光器在航空航天、材料加工、军事、医疗等领域具有广泛的应用。而窄线宽半导体激光器因其具有窄线宽、低噪声、高稳定性、高相干性和良好的动态单模特性,成为远距离空间光通信、高灵敏度光学传感以及能源探测等领域的核心光源器件,在高精度相干激光雷达、精密光纤传感器、卫星间通信及光纤相干通信领域有着极其广泛的应用。

2、当前国内外市场上成熟的气体传感芯片仍具有一定的缺陷,一方面现有的微型气体传感器采用分层式加热传感技术,本发明人员发现分层式加热技术对微型气体传感器来讲有很大的设计冗余,产生了不必要的复制工艺和高成本；另一方面现有的微结构气体传感器只具有采集信息的传感电路不包含运算处理信息的单元,需要依赖外界系统对采集的信息进行处理,对外界的依赖性强,传感器集成度不高,体积也更大。因此需要设计一种工艺简单、成本低、集成度高的气体传感芯片,克服上述现有技术存在的缺陷。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种集成化气体传感芯片及其制作工艺，以解决现有气体传感芯片制作工艺复杂、成本较高、体积大、集成度不高的问题。

2、本发明公开了一种集成化气体传感芯片，包括：

3、衬底、气体传感部分和微控制单元；

4、所述气体传感部分由一个或多个气体传感器组成，所述气体传感器包括支撑层、传感电极、热电极、热敏电阻和气体敏感薄膜，所述传感电极、热电极和热敏电阻位于所述支撑层上，所述传感电极、热电极和热敏电阻处于同一层，所述传感电极上侧覆盖有气体敏感薄膜，所述气体敏感薄膜由气体敏感物质组成，所述气体敏感薄膜的覆盖区域大于所述传感电极的缝隙，并与外界气体相接触；

5、所述微控制单元包括热量控制单元、数据采集单元和数据运算输出单元，所述热量控制单元及所述数据采集单元分别与所述数据运算输出单元和气体传感器相互连接；

6、所述微控制单元与所述气体传感部分集成在所述衬底上。

7、作为上述技术方案的进一步改进：

8、所述气体传感部分和所述微控制单元嵌于所述衬底表面，所述衬底为长方体形状，由玻璃材料制成，所述气体传感部分和所述微控制单元分别位于所述衬底长边的两侧。玻璃材料；长方体形状和镶嵌式结构共同作用,阻断了热传导,一方面减少了热量散失,降低了传感器的功耗,提高了温控的稳定性,另一方面减少了传感部分的热量传递,减小了温度对微控制单元的影响。

9、所述支撑层材料为单晶硅，所述传感电极、热电极和热敏电阻镶嵌在支撑层表面。采用镶嵌式结构配合单晶硅材料增强了热传导能力,使气体传感器温度更加均匀,加热效率更高。

10、所述传感电极为叉指状电极，所述叉指状电极由pt金属膜或au金属膜制成。

11、所述热敏电阻环绕在所述传感电极外侧，所述热电极环绕在所述热敏电阻外侧，三者保持电气隔离。

12、所述述热电极为矩形结构，由tan材料制成。

13、所述热敏电阻为矩形结构，由锰钴金属氧化物材料制成。

14、所述气体传感部分中的传感电极、热电极和热敏电阻的两端均设有引线接触点，所述的引线接触点与所述微控制单元相连接。

15、所述热量控制单元与所述加热电极和所述热敏电阻组成温度控制系统，保证所述气体传感器工作在适宜温度，所述数据采集单元采集所述气体传感器信息，并提交给所述数据运算输出单元，所述数据运算输出单元内部集成嗅觉识别算法，接收热量控制单元和数据采集单元的信号，经过运算后输出外界气体种类及浓度信息。

16、本发明还公开了集成化气体传感芯片的制作工艺，包括以下步骤：

17、s1、取硅片，对其进行清洗和烘干；

18、s2、按所需图像制备透光掩模板，重复经过涂胶、曝光、刻蚀、沉积和去胶步骤后，得到热电极、热敏电阻和传感电极，切割得到不同的气体传感器电路；

19、s3、制备多种气敏材料溶液，在不同气体传感电路的传感电极上铺设不同材料的气体敏感薄膜，得到附有不同气敏材料的气体传感器；

20、s4、在衬底长边两侧腐蚀出空腔，将气体传感器设置在一侧空腔中，将热量控制单元、数据采集单元和数据运算输出单元设置在另一侧空腔中；

21、s5、在气体传感单元和微控制单元之间铺设电路，进行电路连接；

22、s6、进行贴片封装，得到集成化气体敏感芯片。

23、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

24、本发明一方面采用单层气体传感结构,在满足微型气体传感器温度控制要求的同时，减去了冗余的分层涉及,简化制作工艺，降低成本；另一方面集成微控制单元，芯片能够直接输出气体种类及浓度信息，增大了集成度，减小了整体体积，减弱对外界系统依赖性。

25、附图说明

26、图1为本发明整体结构示意图；

27、图2为单个气体传感器的爆炸结构示意图；

28、图3为气体传感器电路示意图。

技术特征：

1.一种集成化气体传感芯片，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的集成化气体传感芯片，其特征在于，所述气体传感部分(1)和所述微控制单元(4)嵌于所述衬底(3)表面，所述衬底(3)为长方体形状，由玻璃材料制成，所述气体传感部分(1)和所述微控制单元(4)分别位于所述衬底(3)长边的两侧。

3.根据权利要求2所述的集成化气体传感芯片，其特征在于，所述支撑层(8)材料为单晶硅,所述传感电极(10)、热电极(12)和热敏电阻(11)镶嵌在支撑层(8)表面。

4.根据权利要求3所述的集成化气体传感芯片，其特征在于，所述传感电极(10)为叉指状电极,所述叉指状电极由pt金属膜或au金属膜制成。

5.根据权利要求4所述的集成化气体传感芯片，其特征在于，所述热敏电阻(11)环绕在所述传感电极(10)外侧，所述热电极(12)环绕在所述热敏电阻(11)外侧，三者保持电气隔离。

6.根据权利要求5所述的集成化气体传感芯片，其特征在于，所述述热电极(12)为矩形结构，由tan材料制成。

7.根据权利要求6所述的集成化气体传感芯片，其特征在于，所述热敏电阻(12)为矩形结构，由锰钴金属氧化物材料制成。

8.根据权利要求6所述的集成化气体传感芯片，其特征在于，所述气体传感部分(1)中的传感电极(10)、热电极(12)和热敏电阻(11)的两端均设有引线接触点(13),所述的引线接触点（13）与所述微控制单元(4)相连接。

9.根据权利要求1所述的集成化气体传感芯片，其特征在于，所述热量控制单元(5)与所述加热电极(12)和所述热敏电阻(11)组成温度控制系统,保证所述气体传感器（2）工作在适宜温度，所述数据采集单元(6)采集所述气体传感器(2)信息，并提交给所述数据运算输出单元(7)，所述数据运算输出单元(7)内部集成嗅觉识别算法，接收热量控制单元(5)和数据采集单元(6)的信号，经过运算后输出外界气体种类及浓度信息。

10.一种如权利1-9中任一所述的集成化气体传感芯片的制作工艺，其特征在于，包括以下步骤：

技术总结
本发明公开了一种集成化气体传感芯片，包括：衬底、气体传感部分和微控制单元；气体传感部分由气体传感器组成，气体传感器包括支撑层、传感电极、热电极、热敏电阻和气体敏感薄膜，传感电极、热电极和热敏电阻位于支撑层上，传感电极、热电极和热敏电阻处于同一层，传感电极上侧覆盖有气体敏感薄膜，气体敏感薄膜由气体敏感物质组成，气体敏感薄膜的覆盖区域大于传感电极的缝隙，并与外界气体相接触；微控制单元包括热量控制单元、数据采集单元和数据运算输出单元，热量控制单元及数据采集单元与数据运算输出单元和气体传感器相互连接；微控制单元与所述气体传感部分集成在衬底上。解决了气体传感芯片制作工艺复杂、成本较高、体积大的问题。

技术研发人员：侯崇广,葛晗曦,李晓彤,梁帆,孙昕阳
受保护的技术使用者：芯联新（河北雄安）科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16