CN204479545U - 一种镍铬合金膜加热温湿度自补偿气体集成传感器 - Google Patents
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Abstract
一种镍铬合金膜加热温湿度自补偿气体集成传感器，适用于气体测量领域。本实用新型的目的是要解决现有的气体传感器检测参数单一、受环境温湿度影响较大、工作温度随环境变化、精度低、体积大、成本高等问题。一种镍铬合金膜加热温湿度自补偿气体集成传感器其特征在于：主要有硅基底、二氧化硅绝缘层、镍铬合金膜加热线圈，氧化铝绝缘层、镍铬合金膜传感器、连接线和凹槽构成。一种镍铬合金膜加热温湿度自补偿气体集成传感器，内置镍铬合金膜加热线圈，可为传感器提供适应的工作温度，从而提高精度，悬臂梁式结构可大大减小热量的浪费，MEMS技术的应用，不仅实现多传感器的集成，还可使本传感器体积变小、成本降低。
Description
技术领域
本发明涉及一种可进行温湿度自补偿的多气体测量传感器领域。
背景技术
在现代社会的生产和生活中，人们最不可能避开的就是环境中的气体，而随着工业化的不断发展，气体种类越来越多，有些有毒有害，有些易燃易爆，因此对气体的检测成为重中之重的话题。现有的气体传感器普遍存在交叉敏感，而且其响应受温度、湿度以及环境条件等因素的影响。气体集成传感器是在一片很小的基片上集成N个具有不同选择性的气敏单元，可同时检测M(M≤N)种不同的单一或者混合的气体。本文发明的一种镍铬合金膜加热温湿度自补偿气体集成传感器不仅可实现多气体参数的测量，而且传感器本身集成环境温湿度传感器单元可进行温湿度自补偿，采用镍铬合金膜加热课为个传感器提供适宜的工作温度从而提高传感器精度，传感器悬臂梁式结构可大大减小热量的散失、降低功耗、提高能量利用率，采用MEMS技术，整个传感器结构体积小、重量轻、价格低。
发明内容
本发明是为了解决现有的气体传感器检测气体参数单一、受环境温湿度影响较大、工作温度随环境变化、精度低、体积大、成本高等问题，而提出的一种镍铬合金膜加热温湿度自补偿气体集成传感器并介绍其结构。
一种镍铬合金膜加热温湿度自补偿气体集成传感器，它由硅基底(1)、二氧化硅绝缘层(2)、镍铬合金膜加热线圈(3)、气体传感器单元焊盘(4)、镍铬合金膜加热线圈焊盘(5)、氧化铝绝缘层(6)、气体传感器单元(7)、环境温湿度传感器单元(8)、加热温度传感器单元(9)、连接线(10)和凹槽(11)组成；所述的硅基底(1)与所述的镍铬合金膜加热线圈(3)、气体传感器单元焊盘(4)、镍铬合金膜加热线圈焊盘(5)通过二氧化硅绝缘层(2)连接并实现绝缘；所述的镍铬合金膜加热线圈(3)与所述的气体传感器单元(7)、环境温湿度传感器单元(8)、加热温度传感器单元(9)、连接线(10)通过氧化铝绝缘层(6)连接并实现绝缘。
进一步，该传感器各部分结构间的连接方式：镍铬合金膜加热线圈焊盘(5-1)、镍铬合金膜加热线圈焊盘(5-4)与镍铬合金膜加热线圈(3-1)相连，并为之提供工作电压，镍铬合金膜加热线圈焊盘(5-2)、镍铬合金膜加热线圈焊盘(5-3)与镍铬合金膜加热线圈(3-2)相连，并为之提供工作电压；气体传感器单元焊盘(4-1)、气体传感器单元焊盘(4-2)与气体传感器单元(7-8)的两端相连并为之提供工作电压，气体传感器单元焊盘(4-2)、气体传感器单元焊盘(4-3)与气体传感器单元(7-1)的两端相连并为之提供工作电压，气体传感器单元焊盘(4-3)、气体传感器单元焊盘(4-6)与气体传感器单元(7-2)的两端相连并为之提供工作电压，气体传感器单元焊盘(4-6)、气体传感器单元焊盘(4-7)与气体传感器单元(7-3)的两端相连并为之提供工作电压，气体传感器单元焊盘(4-7)、气体传感器单元焊盘(4-8)与气体传感器单元(7-4)的两端相连并为之提供工作电压，气体传感器单元焊盘(4-8)、气体传感器单元焊盘(4-9)与气体传感器单元(7-5)的两端相连并为之提供工作电压，气体传感器单元焊盘(4-11)、气体传感器单元焊盘(4-14)与气体传感器单元(7-6)的两端相连并为之提供工作电压，气体传感器单元焊盘(4-14)、气体传感器单元焊盘(4-15)与气体传感器单元(7-7)的两端相连并为之提供工作电压，环境湿度传感器单元焊盘(4-4)、环境湿度传感器单元焊盘(4-5)与环境湿度传感器单元(8-1)的两端相连并为之提供工作电压，环境温度传感器单元焊盘(4-12)、环境温度传感器单元焊盘(4-13)与环境温度传感器单元(8-2)的两端相连并为之提供工作电压，加热温度传感器单元焊盘(4-10)、加热温度传感器单元焊盘(4-16)与加热温度传感器单元(9)的两端相连并为之提供工作电压。
进一步，该传感器采用两组同心半圆形镍铬合金膜加热线圈(3)，对各传感器单元进行对称、均匀加热。
进一步，该传感器采用悬臂梁式结构。
进一步，该传感器采用对称结构：硅基底(1)和二氧化硅绝缘层(2)的(100)面均为8000μm×8000μm呈中心对称的正方形结构；镍铬合金膜加热线圈(3)、气体传感器单元焊盘(4)和镍铬合金膜加热线圈焊盘(5)关于坐标轴呈中心对称结构；氧化铝绝缘层(6)关于坐标轴呈中心对称结构；气体传感器单元(7)和凹槽(11)关于坐标轴呈中心对称结构。
进一步，该传感器的气体传感器单元(7)、环境温湿度传感器(8)和加热温度传感器单元(9)分布在8000μm×8000μm的平面上。
一种镍铬合金膜加热温湿度自补偿气体集成传感器，它由硅基底、二氧化硅绝缘层、镍铬合金膜加热线圈、16个气体传感器单元焊盘、4个镍铬合金膜加热线圈焊盘、氧化铝绝缘层、8个气体传感器单元、1个环境温湿度传感器、1个加热温度传感器单元、连接线和凹槽组成。其结构形成过程为：先在硅基底上表面氧化生成一层二氧化硅绝缘层，再在二氧化硅绝缘层上表面通过磁控溅射技术生成一层镍铬合金膜加热线圈、16个气体传感器单元焊盘和4个镍铬合金膜加热线圈焊盘，依次使用磁控溅射与氧化的方法在二氧化硅绝缘层和镍铬合金膜加热线圈之上生成一层氧化铝绝缘层，并露出气体传感器单元焊盘和镍铬合金膜加热线圈焊盘，然后使用磁控溅射技术在对应焊盘上溅射一定厚度的对应大小的焊盘，再在焊盘、氧化铝绝缘层之上再生长16个一定厚度的气体传感器单元焊盘、4个镍铬合金膜加热线圈焊盘、8个气体传感器单元、1个环境温湿度传感器、1个加热温度传感器单元和连接线，最后进行镂空处理，先用盐酸对氧化铝绝缘层进行镂空形成4个凹槽，再用氢氟酸对二氧化硅绝缘层进行镂空形成4个凹槽，然后用EPW腐蚀剂对硅基底进行镂空形成4个凹槽，最后再用EPW腐蚀剂对硅的下表面进行镂空，形成1个凹槽，至此，一种镍铬合金膜加热温湿度自补偿气体集成传感器就形成了。
该传感器的结构通过以下步骤形成：
步骤一：准备晶向为(100)， 规格为8000×8000×(200~300)μm3的硅片作为基底，清洁基底的表面。
步骤二：用氢氟酸清洗掉硅上表面已被氧化生成的二氧化硅，通过干氧-湿氧-干氧交替氧化的方法，生长一层二氧化硅绝缘层，厚度为2~5μm。
步骤三：在二氧化硅绝缘层上通过磁控溅射技术，生长一层镍铬合金膜加热线圈、气体传感器单元焊盘和镍铬合金膜加热线圈焊盘，厚度均等，为2~4μm，镍铬合金膜加热线圈，最大半径为2000μm，环形线圈宽度为200μm，线圈之间间隔为200μm，最小的环形线圈半径为400μm，整个镍铬合金膜加热线圈被分成两个部分，分别和4个镍铬合金膜加热线圈焊盘相连，镍铬合金膜加热线圈的两部分相距50μm，气体传感器单元焊盘尺寸为700×700×(2~4)μm3，镍铬合金膜加热线圈焊盘尺寸为800×800×(2~4)μm3；两部分镍铬合金膜加热线圈与镍铬合金膜加热线圈焊盘通过宽度为50(μm)镍铬合金膜连接线相连。
步骤四：在通过上述步骤形成的整个结构中，再通过磁控溅射技术，溅射一层铝，经氧化后形成一层厚度为5~6μm氧化铝绝缘层，并露出气体传感器单元焊盘和镍铬合金膜加热线圈焊盘。
步骤五：先在20个焊盘的对应位置上采用磁控溅射技术，生成厚度为5~6μm的气体传感器单元焊盘和镍铬合金膜加热线圈焊盘，使各个焊盘上表面的高度和氧化铝绝缘层上表面的高度平齐，再使用磁控溅射技术，生成厚度为2~4μm的气体传感器单元焊盘、镍铬合金膜加热线圈焊盘、气体传感器单元、环境温湿度传感器、加热温度传感器单元和连接线。
步骤六：整体结构形成后，采用镂空技术，形成凹槽，先用盐酸在氧化铝绝缘层中去掉多余的氧化铝，形成氧化铝绝缘层凹槽(11-1)、氧化铝绝缘层凹槽(11-2)、氧化铝绝缘层凹槽(11-3)和氧化铝绝缘层凹槽(11-4)，再用HF酸在二氧化硅绝缘层中去掉多余的二氧化硅，形成二氧化硅绝缘层凹槽(11-5)、二氧化硅绝缘层凹槽(11-6)、二氧化硅绝缘层凹槽(11-7)和二氧化硅绝缘层凹槽(11-8)，最后用EPW腐蚀剂在硅基底中去掉多余的硅，形成硅凹槽(11-9)、硅凹槽(11-10)、硅凹槽(11-11)和硅凹槽(11-12)和硅凹槽(11-13)就可以得到一种镍铬合金膜加热温湿度自补偿气体集成传感器。
本发明的优点为：这种方式形成的一种镍铬合金膜加热温湿度自补偿气体集成传感器，可通过镍铬合金膜加热线圈对传感器进行加热，中间加热线圈温度传感器可实时检测传感器工作温度，便于实时控制，为各个传感器单元提供适宜的工作温度，提高本传感器的精度；一种悬臂梁式结构可大大减小热量的散失，降低功耗、节约能源；传感器结构的对称设计，可减小外界环境带来的误差，提高测量的准确度；温湿度传感器的添加，可为后续数据处理电路提供测量参数，进行温湿度自补偿计算；借助MEMS技术，在传感器单元上涂上相应的气敏材料，可同时对氧气、二氧化碳、一氧化碳、氮氧化物、硫化氢、二氧化硫、甲醛和苯类这8种气体进行实时检测，也可使本传感器体积减小、重量减轻、价格降低、集成度变高。
附图说明
图1为一种镍铬合金膜加热温湿度自补偿气体集成传感器的拼装图。
图2为一种镍铬合金膜加热温湿度自补偿气体集成传感器的制备流程示意图。
图3为图2中(f)的A-A’剖面图。
图4为图2中(f)的底面示意图。
图5为传感器单元在绝缘层上分布的俯视图。
图6为传感器单元、连接线和绝缘层相对位置分布俯视图。
图7为一种镍铬合金膜加热的气体集成传感器焊盘和加热线圈的俯视图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1描述本实施方式，该传感器由硅基底(1)、二氧化硅绝缘层(2)、镍铬合金膜加热线圈(3)、气体传感器单元焊盘(4)、镍铬合金膜加热线圈焊盘(5)、氧化铝绝缘层(6)、气体传感器单元(7)、环境温湿度传感器(8)、加热温度传感器单元(9)、连接线(10)和凹槽(11)组成。镍铬合金膜加热线圈(3)由(3-1)和(3-1)两部分组成，镍铬合金膜加热线圈焊盘(5)由镍铬合金膜加热线圈焊盘(5-1)、镍铬合金膜加热线圈焊盘(5-2)、镍铬合金膜加热线圈焊盘(5-3)和镍铬合金膜加热线圈焊盘(5-4)四部分组成，镍铬合金膜加热线圈焊盘的(5-1)和(5-4)两部分分别与镍铬合金膜加热线圈的(3-1)部分相连并为之提供加热电压，镍铬合金膜加热线圈焊盘的(5-2)和(5-3)两部分分别与镍铬合金膜加热线圈的(3-2)部分相连并为之提供加热电压；气体传感器单元焊盘(4)由气体传感器单元焊盘(4-1)、气体传感器单元焊盘(4-2)、气体传感器单元焊盘(4-3)、环境湿度传感器单元焊盘(4-4)、环境湿度传感器单元焊盘(4-5)、气体传感器单元焊盘(4-6)、气体传感器单元焊盘(4-7)、气体传感器单元焊盘(4-8)、气体传感器单元焊盘(4-9)、气体传感器单元焊盘(4-10)、气体传感器单元焊盘(4-11)、环境温度传感器单元焊盘(4-12)、环境温度传感器单元焊盘(4-13)、气体传感器单元焊盘(4-14)、气体传感器单元焊盘(4-15)和气体传感器单元焊盘(4-16)16个传感器单元焊盘组成，气体传感器单元(7)由气体传感器单元(7-1)、气体传感器单元(7-2)、气体传感器单元(7-3)、气体传感器单元(7-4)、气体传感器单元(7-5)、气体传感器单元(7-6)、气体传感器单元(7-7)、气体传感器单元(7-8)8个气体传感器单元构成，环境温湿度传感器(8)由环境湿度传感器单元(8-1)和环境温度传感器单元(8-2)两部分构成；凹槽(11)由氧化铝绝缘层凹槽(11-1)、氧化铝绝缘层凹槽(11-2)、氧化铝绝缘层凹槽(11-3)、氧化铝绝缘层凹槽(11-4)、二氧化硅绝缘层凹槽(11-5)、二氧化硅绝缘层凹槽(11-6)、二氧化硅绝缘层凹槽(11-7)、二氧化硅绝缘层凹槽(11-8)、硅凹槽(11-9)、硅凹槽(11-10)、硅凹槽(11-11)、硅凹槽(11-12)和硅凹槽(11-13)这13部分构成，连接线(10)包含11个传感器单元和焊盘之间的连接线。
具体实施方式二：结合图2和图4描述本实施方式，从该传感器的俯视面开始，依次用盐酸、氢氟酸、EPW腐蚀剂，腐蚀掉不需要的氧化铝、二氧化硅和硅，形成悬臂梁式结构。
具体实施方式三：结合图2和图3描述本实施方式，该传感器的硅基底(1)、二氧化硅绝缘层(2)、镍铬合金膜加热线圈(3)、气体传感器单元焊盘(4)、镍铬合金膜加热线圈焊盘(5)、氧化铝绝缘层(6)、气体传感器单元(7)和凹槽(11)均呈对称结构。
具体实施方式四：结合图2描述本实施方式，镍铬合金膜加热线圈焊盘(5)和镍铬合金膜加热线圈(3)相连，当在镍铬合金膜加热线圈焊盘(5)施加电压后，在镍铬合金膜加热线圈(3)内就会有电流通过，根据公式Q=I2×R×t，可知镍铬合金膜加热线圈(3)就会产生热量，氧化铝绝缘层(6)就会被加热，在氧化铝绝缘层(6)之上的传感器单元工作温度就会升高，传感器单元的工作温度还可以得到控制。
具体实施方式五：结合图2描述本实施方式，该传感器的温湿度传感器单元(8)，可实时监测环境温湿度，为后续温湿度自补偿电路提供实时环境参数数据。
具体实施方式六：结合图2描述本实施方式，该传感器借助MEMS技术，实时检测环境温湿度、加热体温度和8种环境中的气体成分，而且制成的传感器体积小、重量轻。
Claims (6)
1.一种镍铬合金膜加热温湿度自补偿气体集成传感器，其特征是：它由硅基底(1)、二氧化硅绝缘层(2)、镍铬合金膜加热线圈(3)、气体传感器单元焊盘(4)、镍铬合金膜加热线圈焊盘(5)、氧化铝绝缘层(6)、气体传感器单元(7)、环境温湿度传感器单元(8)、加热温度传感器单元(9)、连接线(10)和凹槽(11)组成；所述的硅基底(1)与所述的镍铬合金膜加热线圈(3)、气体传感器单元焊盘(4)、镍铬合金膜加热线圈焊盘(5)通过二氧化硅绝缘层(2)连接并实现绝缘；所述的镍铬合金膜加热线圈(3)与所述的气体传感器单元(7)、环境温湿度传感器单元(8)、加热温度传感器单元(9)、连接线(10)通过氧化铝绝缘层(6)连接并实现绝缘。
2.根据权利要求1所述的一种镍铬合金膜加热温湿度自补偿气体集成传感器，其特征是：该传感器各部分结构间的连接方式：镍铬合金膜加热线圈焊盘(5-1)、镍铬合金膜加热线圈焊盘(5-4)与镍铬合金膜加热线圈(3-1)相连，并为之提供工作电压，镍铬合金膜加热线圈焊盘(5-2)、镍铬合金膜加热线圈焊盘(5-3)与镍铬合金膜加热线圈(3-2)相连，并为之提供工作电压；气体传感器单元焊盘(4-1)、气体传感器单元焊盘(4-2)与气体传感器单元(7-8)的两端相连并为之提供工作电压，气体传感器单元焊盘(4-2)、气体传感器单元焊盘(4-3)与气体传感器单元(7-1)的两端相连并为之提供工作电压，气体传感器单元焊盘(4-3)、气体传感器单元焊盘(4-6)与气体传感器单元(7-2)的两端相连并为之提供工作电压，气体传感器单元焊盘(4-6)、气体传感器单元焊盘(4-7)与气体传感器单元(7-3)的两端相连并为之提供工作电压，气体传感器单元焊盘(4-7)、气体传感器单元焊盘(4-8)与气体传感器单元(7-4)的两端相连并为之提供工作电压，气体传感器单元焊盘(4-8)、气体传感器单元焊盘(4-9)与气体传感器单元(7-5)的两端相连并为之提供工作电压，气体传感器单元焊盘(4-11)、气体传感器单元焊盘(4-14)与气体传感器单元(7-6)的两端相连并为之提供工作电压，气体传感器单元焊盘(4-14)、气体传感器单元焊盘(4-15)与气体传感器单元(7-7)的两端相连并为之提供工作电压，环境湿度传感器单元焊盘(4-4)、环境湿度传感器单元焊盘(4-5)与环境湿度传感器单元(8-1)的两端相连并为之提供工作电压，环境温度传感器单元焊盘(4-12)、环境温度传感器单元焊盘(4-13)与环境温度传感器单元(8-2)的两端相连并为之提供工作电压，加热温度传感器单元焊盘(4-10)、加热温度传感器单元焊盘(4-16)与加热温度传感器单元(9)的两端相连并为之提供工作电压。
3.根据权利要求2所述的一种镍铬合金膜加热温湿度自补偿气体集成传感器，其特征是：该传感器采用两组同心半圆环形镍铬合金膜加热线圈(3)，对各传感器单元进行对称、均匀加热。
4.根据权利要求1所述的一种镍铬合金膜加热温湿度自补偿气体集成传感器，其特征是：该传感器采用悬臂梁式结构。
5.根据权利要求1所述的一种镍铬合金膜加热温湿度自补偿气体集成传感器，其特征是：该传感器采用对称结构：硅基底(1)和二氧化硅绝缘层(2)的(100)面均为8000μm×8000μm呈中心对称的正方形结构；镍铬合金膜加热线圈(3)、气体传感器单元焊盘(4)和镍铬合金膜加热线圈焊盘(5)关于坐标轴呈中心对称结构；氧化铝绝缘层(6)关于坐标轴呈中心对称结构；气体传感器单元(7)和凹槽(11)关于坐标轴呈中心对称结构。
6.根据权利要求1所述的一种镍铬合金膜加热温湿度自补偿气体集成传感器，其特征是：该传感器的气体传感器单元(7)、环境温湿度传感器(8)和加热温度传感器单元(9)分布在8000μm×8000μm的平面上。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105928567A (zh) * | 2016-07-13 | 2016-09-07 | 中国电子科技集团公司第四十九研究所 | 集成温湿度传感器的硅基气体敏感芯片及其制作方法 |
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2014
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| CN105928567A (zh) * | 2016-07-13 | 2016-09-07 | 中国电子科技集团公司第四十九研究所 | 集成温湿度传感器的硅基气体敏感芯片及其制作方法 |
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