基于微通道板三维结构的高灵敏度气体传感器及其制作方法

摘要

本发明公开了基于微通道板三维结构的高灵敏度气体传感器及其制作方法，由检测模块和加热模块两部分组成；检测模块和加热模块之间通过导电浆料粘合；检测模块和加热模块分别设置有两个引线引出电极，分别为检测电极和加热电极，所述的检测模块和加热模块封装于封装管壳内，所述的封装管壳上共有至少四个电极；所述的检测模块，其结构自上而下依次为上电极、微通道板和下电极；所述的加热模块，其结构自下而上依次为隔热绝缘衬底材料、加热电阻线圈和绝缘薄膜。其有益效果是：提高气敏材料薄膜的有效比表面积，从而提升了气体传感器的灵敏度；微通道板的多孔道结构有利于被检测气体的顺利通过，可提高器件的测试灵敏度和反应速度。

说明书

技术领域

本发明涉及一种高敏气体传感器，具体为一种基于微通道板三维 结构的高灵敏度气体传感器的结构设计、器件制备与系统搭建，属于 半导体器件领域。

背景技术

随着工农业生产的蓬勃发展、人们生活水平的不断提高和对环保 的日益重视，对各种有毒、有害气体的探测，对大气污染、工业废气 的监测，以及对食品和居住环境质量的检测都对气体传感器提出了更 高的要求。微加工技术、纳米、薄膜等新材料研制技术的成功应用为 气体传感器的微型化、集成化和智能化提供了很好的前提条件。气体 传感器将在充分利用微机械与微电子技术、计算机技术、信号处理技 术、传感技术、故障诊断技术、智能技术等多学科综合技术的基础上 得到快速地发展。

在各种气体传感器中，应用最为广泛的是以二氧化锡（SnO₂）等 半导体气敏材料为代表的半导体气敏传感器。其工作原理是，当半导 体气敏材料接触CO、H₂、CH₄、C₂H₄、C₂H₅OH等气体时，其电阻率会随 着气体种类以及浓度而发生变化，变化前后的阻值比率R_a/R_g反映着 该气敏材料的探测灵敏度。然而，传统的烧结型半导体气敏器件存在 着灵敏度较低、难以做到小型化和集成化等问题。随着微机械与微电 子技术的发展，基于微加工技术的微型半导体气敏传感器可以有望很 好地解决这些问题，它所具备的主要优点有：可制作微型化、低电压 工作的器件；容易实现测气部分和加热模块的集成化；器件温度特性 好；器件容易组装；易于大批量生产、降低成本；易与集成电路模块 和无线发射模块集成，实现智能化传感网络。

近年来，国内外已有多个单位对基于微加工技术的微型半导体气 敏传感器进行了研究，其通常的做法是，在测量电极之间制备平面结 构的半导体气敏薄膜材料，其气敏薄膜材料的制备方法通常有：溶胶 凝胶法、丝网印刷法、化学气相沉积法、分子束外延法、射频磁控溅 射法、喷雾法、电化学沉积等。在这些器件中，气敏薄膜材料的结构 通常是简单的平面铺膜，而这种二维平面结构的气敏器件，其气敏薄 膜材料与测试气体的接触面仅仅是一个平面，灵敏度较低，很难实现 微量低浓度气体的有效检测。由此人们很自然地想到，可以通过制备 纳米纤维、纳米线、或者其它表面三维结构的方法，来大幅度提高气 敏材料的比表面积，从而达到提高气敏传感器灵敏度的目的。然而， 如果仅仅在一个平面结构上实现上述的纳米结构，不但其结构可靠性 和稳定性难以保证，而且其杂乱无章的纳米纤维结构在两个测量电极 之间有效电阻上的比表面积的提升是非常有限的。另一些研究小组还 尝试了通过制备中空型或者多孔型的气敏薄膜的方法来提升器件的 比表面积，这是一种很有前景的方法，但目前在其器件中还存在着如 何让外部气体迅速顺利地进入薄膜内部空隙的问题，有效比表面积的 提升仍然是一个难点。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于微通道板（Microchannel Plate， MCP）三维结构的高灵敏度气体传感器；已解决现有技术的上述问题。

本发明的目的是通过如下技术方案实现：

基于微通道板三维结构的高灵敏度气体传感器，由检测模块和加 热模块两部分组成；检测模块和加热模块之间通过导电浆料粘合，使 其集成为一体器件。检测模块和加热模块分别设置有两个引线引出电 极，分别为检测电极和加热电极，所述的检测模块和加热模块封装于 封装管壳内，所述的封装管壳上共有至少四个电极；所述的检测模块， 其结构自上而下依次为上电极、微通道板和下电极；所述的加热模块， 其结构自下而上依次为隔热绝缘衬底材料、加热电阻线圈和绝缘薄 膜。

所述的微通道板的横向结构由内而外依次为微通道板骨架结构、 侧壁绝缘层和气敏薄膜材料。

所述的微通道板骨架结构可由硅材料或玻璃材料制成。

所述的侧壁绝缘层可为二氧化硅或氮化硅等半导体常用绝缘层。

所述的气敏薄膜材料可为二氧化锡（SnO₂）、氧化锌（ZnO）、三 氧化二铁（Fe₂O₃）、五氧化二铌（Nb₂O₅）等气敏材料中的一种。

所述的隔热绝缘衬底材料可为7740康宁玻璃或Al₂O₃陶瓷片等隔 热绝缘衬底材料。

所述的加热电阻线圈为铂、金、钨等耐高温导电金属材料，其下 方添加钛、铬等材料作为与隔热绝缘衬底材料的粘附层。

所述的绝缘薄膜，可为氮化硅或二氧化硅等半导体常用绝缘层。

基于微通道板三维结构的高灵敏度气体传感器的制备方法，如以 玻璃材料的微通道板为骨架材料，其气体传感器的制作步骤为：

（1）在玻璃材料上制作获得微通道板，每个微通道的孔径、深 度和侧壁厚度可调，典型值为孔径1-10微米、深度50-1000微米、 侧壁厚度1-20微米。经过激光切割，获得直径为0.5-100毫米的圆 片（该尺寸和形状由气体传感器管帽大小决定）；

（2）采用溶胶凝胶法，在微通道侧壁上淀积大于0.1微米的二 氧化锡气敏薄膜材料；

（3）采用磁控溅射的方法，在微通道板的上下两侧分别淀积 0.1-0.3微米的金属铂电极，在此之前先溅射10-20纳米的金属钛以 增强粘附性。到此步可获得器件的检测模块；

（4）在一定尺寸的Al₂O₃陶瓷圆片基底上进行光刻，定义加热电 阻线圈的图形；

（5）采用磁控溅射的方法，在Al₂O₃陶瓷圆片基底上淀积0.1-0.3 微米的金属铂，在此之前先溅射10-20纳米的金属钛以增强粘附性；

（6）采用剥离（Lift-off）工艺，获得金属铂加热电阻线圈的 图形；

（7）采用等离子增强化学气相淀积法（PECVD），在表面淀积 0.2-1.0微米的氮化硅；

（8）在氮化硅表面进行再一次光刻，定义加热电阻线圈引线电 极部分的图形；

（9）采用反应离子刻蚀（RIE）的方法，刻蚀氮化硅，直至露出 加热电阻线圈引线电极部分的图形。到此步可获得器件的加热模块；

（10）用丝网印刷的方法，在加热模块上淀积导电浆料；

（11）在导电浆料上安装检测模块，然后在200℃的环境下烘烤 2小时以上；

（12）对作为加热模块的Al₂O₃陶瓷圆片进行激光切割，获得方 形器件（典型尺寸为1-100毫米×1-100毫米，具体尺寸由气体传感 器管帽大小决定）；

（13）将该方形器件安装到的管座上，并进行引线键合；

（14）盖上网状管帽，气体传感器制作完成。

如以硅材料的微通道板为骨架材料，其气体传感器的制作步骤 为：

（1）在一定尺寸的硅片（尺寸由工艺线决定）上制作获得硅微 通道板，每个微通道的边长、深度和侧壁厚度可调，典型值为边长 1-10微米、深度50-1000微米、侧壁厚度1-20微米。经过激光切割， 获得直径为0.5-100毫米的圆片（该尺寸和形状由气体传感器管帽 大小决定）；

（2）对硅微通道板进行热氧化，获得大于0.3微米的二氧化硅 侧壁绝缘层；

（3）采用溶胶凝胶法，在微通道侧壁上淀积大于0.1微米的 二氧化锡气敏薄膜材料；

（4）采用磁控溅射的方法，在微通道板的上下两侧分别淀积 0.1-0.3微米的金属铂电极，在此之前先溅射10-20纳米的金属钛以 增强粘附性。到此步可获得器件的检测模块；

（5）在一定尺寸的Al₂O₃陶瓷圆片基底上进行光刻，定义加热电 阻线圈的图形；

（6）采用磁控溅射的方法，在Al₂O₃陶瓷圆片基底上淀积0.1-0.3 微米的金属铂，在此之前先溅射10-20纳米的金属钛以增强粘附性； （7）采用剥离（Lift-off）工艺，获得金属铂加热电阻线圈的图形；

（8）采用等离子增强化学气相淀积法（PECVD），在表面淀积 0.2-1.0微米的氮化硅；

（9）在氮化硅表面进行再一次光刻，定义加热电阻线圈引线电 极部分的图形；

（10）采用反应离子刻蚀（RIE）的方法，刻蚀氮化硅，直至露 出加热电阻线圈引线电极部分的图形。到此步可获得器件的加热模 块；

（11）用丝网印刷的方法，在加热模块上淀积导电浆料；

（12）在导电浆料上安装检测模块，然后在200℃的环境下烘烤 2小时以上；

（13）对作为加热模块的Al₂O₃陶瓷圆片进行激光切割，获得方 形器件（典型尺寸为1-100毫米x1-100毫米，具体尺寸由气体传 感器管帽大小决定）；

（14）将该方形器件安装到的管座上，并进行引线键合；

（15）盖上网状管帽，气体传感器制作完成。

作为上述制作步骤的另一种替代做法：微通道板进行先热氧化后 激光切割处理，其气体传感器的制作步骤为：

（1）在一定尺寸的硅片（尺寸由工艺线决定）上制作获得硅微 通道板，每个微通道的边长、深度和侧壁厚度可调，典型值为边长 1-10微米、深度50-1000微米、侧壁厚度1-20微米。

（2）对硅微通道板进行热氧化，获得大于0.3微米的二氧化硅 侧壁绝缘层；

（3）采用溶胶凝胶法，在微通道侧壁上淀积大于0.1微米的二 氧化锡气敏薄膜材料；

（4）采用磁控溅射的方法，在微通道板的上下两侧分别淀积 0.1-0.3微米的金属铂电极，在此之前先溅射10-20纳米的金属钛以 增强粘附性。

（5）进行激光切割，获得直径为0.5-100毫米的圆片（该尺寸 和形状由气体传感器管帽大小决定）。在切割好的微通道板边缘涂上 绝缘黑胶。到此步可获得器件的检测模块；

（6）在一定尺寸的Al₂O₃陶瓷圆片基底上进行光刻，定义加热电 阻线圈的图形；

（7）采用磁控溅射的方法，在Al₂O₃陶瓷圆片基底上淀积0.1-0.3 微米的金属铂，在此之前先溅射10-20纳米的金属钛以增强粘附性；

（8）采用剥离（Lift-off）工艺，获得金属铂加热电阻线圈的 图形；

（9）采用等离子增强化学气相淀积法（PECVD），在表面淀积 0.2-1.0微米的氮化硅；

（10）在氮化硅表面进行再一次光刻，定义加热电阻线圈引线电 极部分的图形；

（11）采用反应离子刻蚀（RIE）的方法，刻蚀氮化硅，直至露 出加热电阻线圈引线电极部分的图形。到此步可获得器件的加热模 块；

（12）用丝网印刷的方法，在加热模块上淀积导电浆料；

（13）在导电浆料上安装检测模块，然后在200℃的环境下烘烤 2小时以上；

（14）对作为加热模块的Al₂O₃陶瓷圆片进行激光切割，获得方 形器件（典型尺寸为1-100毫米x1-100毫米，具体尺寸由气体传 感器管帽大小决定）；

（15）将该方形器件安装到的管座上，并进行引线键合；

（16）盖上网状管帽，气体传感器制作完成。

半导体气体传感器工作所依据的原理是：当半导体气敏材料接触 CO、H₂、CH₄、C₂H₄、C₂H₅OH等气体时，其电阻率会随着气体种类以及 浓度而发生变化，变化前后的阻值比率R_a/R_g反映着该气敏材料的探 测灵敏度。本发明提出利用微通道板多孔侧壁的三维立体结构，制作 具有三维结构的气体传感器，利用该结构的几何特征，大幅度提高气 敏材料薄膜的有效比表面积，实现其薄膜电阻值在测试时的高变化 率，从而大大提升了气体传感器的灵敏度。

与现有的微型气体传感器相比，本发明的有益效果是：利用微通 道板多孔侧壁的三维立体结构，可使其侧壁上沉积的气敏薄膜材料形 成三维薄膜结构，大大提高气敏材料薄膜的有效比表面积，实现其薄 膜电阻值在测试时的高变化率，从而大幅度提升气体传感器的灵敏 度。微通道板的多孔道结构非常有利于被检测气体的顺利通过，可进 一步提高器件的测试灵敏度和反应速度。与此同时，微通道板的框架 结构，非常有利于保护内部生长的气敏薄膜材料的纳米结构，从而增 强了气敏器件的稳定性和可靠性。

附图说明

图1为本发明气体传感器的结构示意图；

图2为本发明的封装结构俯视示意图；

图3本发明的封装结构的立体结构示意图。

图4为本发明检测模块和加热模块的俯视结构示意图。

图5为本发明检测模块和加热模块的的剖面结构示意图。

图6为检测模块的剖面结构示意图。

以上所有示意图均不是等比例的。

图中：1、检测模块   2、加热模块   3、导电浆料   4、检测 电极    5、加热电极    6、封装套壳   7、上电极   8、硅微道板 9、下电极   10、微通道板骨架结构   11、侧壁绝缘层   12、气敏 薄膜材料   13、隔热绝缘衬底材料   14、加热电阻线圈   15、绝 缘薄膜。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步阐述本发明的技术特点：

如图1所示，基于微通道板三维结构的高灵敏度气体传感器，由 检测模块1和加热模块2两部分组成；检测模块1和加热模块2之间 通过导电浆料3粘合，使其集成为一体器件。如图2和图3所示，检 测模块1和加热模块2分别设置有两个引线引出电极，分别为检测电 极4和加热电极5，所述的检测模块和加热模块封装于封装管壳内， 所述的封装管壳6上共有至少四个电极；如图4和图5所示，所述的 检测模块1，其结构自上而下依次为上电极7、微通道板8和下电极 9；所述的加热模块2，其结构自下而上依次为隔热绝缘衬底材料13、 加热电阻线圈14和绝缘薄膜15。

如图6所示，所述的微通道板8的横向结构由内而外依次为微通 道板骨架结构10、侧壁绝缘层11和气敏薄膜材料12；

所述的微通道板骨架结构10可由硅材料或玻璃材料制成。

所述的侧壁绝缘层11可为二氧化硅或氮化硅等半导体常用绝缘 层。

所述的气敏薄膜材料12可为二氧化锡（SnO₂）、氧化锌（ZnO）、 三氧化二铁（Fe₂O₃）、五氧化二铌（Nb₂O₅）等气敏材料。

所述的隔热绝缘衬底材料13可为7740康宁玻璃或Al₂O₃陶瓷片 等隔热绝缘衬底材料。

所述的加热电阻线圈14，可为铂、金、钨等耐高温导电金属材 料构成，其下方添加钛、铬等材料作为与隔热绝缘衬底材料13的粘 附层。

所述的绝缘薄膜15，可为氮化硅或二氧化硅等半导体常用绝缘 层。

实施例1：

若在检测模块中，是以玻璃材料的微通道板作为骨架材料，则无 需制备侧壁绝缘层11，气敏薄膜材料为二氧化锡，上下电极为金属 铂。加热模块部分，自下而上依次为Al₂O₃陶瓷片、金属铂加热电阻 线圈、氮化硅绝缘薄膜。具体制作过程如下：

（1）在玻璃材料上制作获得微通道板，每个微通道边长5微米x 5微米、深250微米、侧壁厚度1微米。经过激光切割，获得直径为 3毫米的圆片；

（2）采用溶胶凝胶法，在微通道侧壁上淀积0.5微米的二氧化 锡气敏薄膜材料；

（3）采用磁控溅射的方法，在微通道板的上下两侧分别淀积0.3 微米的金属铂电极，在此之前先溅射20纳米的金属钛以增强粘附性。 到此步可获得器件的检测模块；

（4）在4英寸的Al₂O₃陶瓷圆片基底上进行光刻，定义加热电阻 线圈的图形；

（5）采用磁控溅射的方法，在Al₂O₃陶瓷圆片基底上淀积0.3微 米的金属铂，在此之前先溅射20纳米的金属钛以增强粘附性；

（6）采用剥离（Lift-off）工艺，获得金属铂加热电阻线圈的 图形；

（7）采用等离子增强化学气相淀积法（PECVD），在表面淀积0.5 微米的氮化硅；

（8）在氮化硅表面进行再一次光刻，定义加热电阻线圈引线电 极部分的图形；

（9）采用反应离子刻蚀（RIE）的方法，刻蚀氮化硅，直至露出 加热电阻线圈引线电极部分的图形。到此步可获得器件的加热模块；

（10）用丝网印刷的方法，在加热模块上淀积导电浆料；

（11）在导电浆料上安装检测模块，然后在200℃的环境下烘烤 2小时以上；

（12）对作为加热模块的Al₂O₃陶瓷圆片进行激光切割，获得4.5 毫米x4.5毫米的方形器件；

（13）将该方形器件安装到如图2所示的圆形管座，并进行引线 键合；

（14）盖上网状管帽。气体传感器制作完成。

实施例2：

若在检测模块部分，由硅材料制作微通道板三维结构，侧壁绝缘 层为二氧化硅，气敏薄膜材料为二氧化锡，上下电极为金属铂。加热 模块部分，自下而上依次为Al₂O₃陶瓷片、金属铂加热电阻线圈、氮 化硅绝缘薄膜。具体制作过程如下：

（1）采用专利201110196442.4所提供的方法，并采用专利申请 201120406111.4所提供的装置，在4英寸硅片上制作获得硅微通道 板，每个微通道边长5微米x5微米、深250微米、侧壁厚度1微 米。经过激光切割，获得直径为3毫米的圆片；

（2）采用专利201210402277.8所提供的方法，对硅微通道板进 行热氧化，获得0.5微米的二氧化硅侧壁绝缘层；

（3）采用溶胶凝胶法，在微通道侧壁上淀积0.5微米的二氧化 锡气敏薄膜材料；

（4）采用磁控溅射的方法，在微通道板的上下两侧分别淀积0.3 微米的金属铂电极，在此之前先溅射20纳米的金属钛以增强粘附性。 到此步可获得器件的检测模块；

（5）在4英寸的Al₂O₃陶瓷圆片基底上进行光刻，定义加热电阻 线圈的图形；

（6）采用磁控溅射的方法，在Al₂O₃陶瓷圆片基底上淀积0.3微 米的金属铂，在此之前先溅射20纳米的金属钛以增强粘附性；

（7）采用剥离（Lift-off）工艺，获得金属铂加热电阻线圈的 图形；

（8）采用等离子增强化学气相淀积法（PECVD），在表面淀积0.5 微米的氮化硅；

（9）在氮化硅表面进行再一次光刻，定义加热电阻线圈引线电 极部分的图形；

（10）采用反应离子刻蚀（RIE）的方法，刻蚀氮化硅，直至露 出加热电阻线圈引线电极部分的图形。到此步可获得器件的加热模 块；

（11）用丝网印刷的方法，在加热模块上淀积导电浆料；

（12）在导电浆料上安装检测模块，然后在200℃的环境下烘烤 2小时以上；

（13）对作为加热模块的Al₂O₃陶瓷圆片进行激光切割，获得4.5 毫米x4.5毫米的方形器件；

（14）将该方形器件安装到如图2所示的圆形管座，并进行引线 键合；

（15）盖上网状管帽。气体传感器制作完成。

实施例3：

若在检测模块部分，由硅材料制作微通道板三维结构，如对微通 道板进行先热氧化后激光切割处理，其器件结构同方法二中所述，其 具体制作过程如下：

（1）采用专利201110196442.4所提供的方法，并采用专利申请 201120406111.4所提供的装置，在4英寸硅片上制作获得硅微通道 板，每个微通道边长5微米x5微米、深250微米、侧壁厚度1微 米；

（2）采用专利201210402277.8所提供的方法，对硅微通道板进 行热氧化，获得0.5微米的二氧化硅侧壁绝缘层；

（3）采用溶胶凝胶法，在微通道侧壁上淀积0.5微米的二氧化 锡气敏薄膜材料；

（4）采用磁控溅射的方法，在微通道板的上下两侧分别淀积0.3 微米的金属铂电极，在此之前先溅射20纳米的金属钛以增强粘附性。

（5）进行激光切割，获得直径为3毫米的圆片。在切割好的微 通道板边缘涂上绝缘黑胶。到此步可获得器件的检测模块；

（6）在4英寸的Al₂O₃陶瓷圆片基底上进行光刻，定义加热电阻 线圈的图形；

（7）采用磁控溅射的方法，在Al₂O₃陶瓷圆片基底上淀积0.3微 米的金属铂，在此之前先溅射20纳米的金属钛以增强粘附性；

（8）采用剥离（Lift-off）工艺，获得金属铂加热电阻线圈的 图形；

（9）采用等离子增强化学气相淀积法（PECVD），在表面淀积0.5 微米的氮化硅；

（10）在氮化硅表面进行再一次光刻，定义加热电阻线圈引线电 极部分的图形；

（11）采用反应离子刻蚀（RIE）的方法，刻蚀氮化硅，直至露 出加热电阻线圈引线电极部分的图形。到此步可获得器件的加热模 块；

（12）用丝网印刷的方法，在加热模块上淀积导电浆料；

（13）在导电浆料上安装检测模块，然后在200℃的环境下烘烤 2小时以上；

（14）对作为加热模块的Al₂O₃陶瓷圆片进行激光切割，获得4.5 毫米x4.5毫米的方形器件；

（15）将该方形器件安装到如图2所示的圆形管座，并进行引线 键合；

（16）盖上网状管帽。气体传感器制作完成。

实施例1-3通过测算，以250微米的微通道深度、2x2微通道单 元、12微米x12微米的面积为例，气敏材料薄膜与气体的接触面积 由原来二维平面形式的144平方微米大幅度增加为20000平方微米， 提升幅度将近140倍。

本发明所述的基于微通道板三维结构的气体传感器，为气体传感 器的器件结构设计提供新的思路，可大幅度提升气敏器件的测试灵敏 度，为工农业生产和人们日常生活中的微量低浓度气体的精确检测提 供良好的工具和手段。