[发明专利]一种气体传感器芯片的制造方法

说明书

技术领域

本发明属于传感器芯片的技术领域，具体而言涉及一种气体传感器芯片的制造方法。 

背景技术

随着汽车排放法规的日益提高，对废气排放控制要求也越来越高，为此汽车发动机需要更短的冷启动时间来满足要求。同时考虑能源节省的需要，一种集成度高、体积小、消耗功率小、启动速度快的片式氧传感器成为一种趋势，以满足发动机电喷系统冷启动后尽可能快速进入闭环控制的要求，同时降低氧传感器的电能消耗。 

目前已有的片式传感器结构主要由3 层氧化锆基板和若干功能厚膜层组成，氧化锆基板主要通过流延或者轧膜的方法成型，而厚膜功能层主要通过丝网印刷技术获得。氧传感器的测量电极和参比电极分别形成于基板的内外表面上，通过冲压成型将基板的中部冲开一道狭长的口子，以便形成参比空气通道；而由陶瓷绝缘层包裹的铂加热元件配置在底部基板的内表面上，还要在基板的末端打两个通孔将内表面的加热元件同外表面末端的加热电极片连接起来，这样就构成了敏感元件和加热元件集成一体的片式氧传感器结构。但该结构厚度厚、体积大、制作工序复杂，且加热元件以包裹形式植于传感器内部，稳定性比较差，且容易漏电。 

气体传感器是一种将某种气体体积分数转化成对应电信号的转换器，目前已有的气体传感器种类繁多，按所用气敏材料及其气敏特性不同，可分为半导体式、固体电解质式、电化学式、接触燃烧式等。 

1、 半导体气体传感器 

这种传感器在气体传感器中约占60%。按照其机理可分为电阻式和非电阻式两种。电阻式采用SnO₂、ZnO 等金属氧化物材料制备，有多孔烧结件、 厚膜、 薄膜等形式。主要是通过检测气敏元件的电阻随气体含量的变化情况而定的，主要使用金属氧化物陶瓷气敏材料。非电阻式半导体气体传感器是利用气敏元件的电流与电压随气体含量变化而工作的。

2、 固体电解质气体传感器 

这种传感器元件为离子对固体电解质隔膜传导。其机理是利用隔膜两侧两个电池之间的电位差等于浓差电池的电势。通过测量电动势来测量气体浓度，如可以测量H₂S 的YST-Au-WO3、测量NH₃ 的NH+4CaCO₃ 等。

3、 接触燃烧式气体传感器 

这种气体传感器可分为直接接触燃烧式和催化接触燃烧式两种。其工作原理是：气敏材料在通电状态下，可燃性气体氧化燃烧或在催化剂作用下氧化燃烧，产生的热量使传感器的电热丝升温，从而使其电阻值产生变化，通过测量电阻变化来测量气体的浓度。这种传感器只能测量可燃气体，对不可燃其他不敏感。

虽然目前已有的气体传感器种类繁多、原理各不相同，但每种类型的传感器都只能对特定气体有效，而且传感器的选择性与适用范围不能兼顾，即如果选择性好的话，则可探测的气体种类少，如果可探测的气体种类多的话，则选择性不高。 

在专利申请号为201410285080.X的专利申请中提供了一种薄膜芯片气体传感器，包括一块衬底，衬底上有一个底电极，在衬底和底电极上有一层半导体材料薄层，半导体材料薄层上有一层无序型金属膜系，在该无序型金属膜系上有点电极；所述底电极和点电极由导线引出而外接电流计；将所述结构安置在一个单开口的封闭盒子内。还公开了一种薄膜芯片气体传感器制备方法，用于制备上述传感器芯片，制备一块衬底材料，在该衬底材料的表面首先镀上底电极，再镀半导体材料薄层，再镀有无序型金属膜系，最后镀上点电极，将整个结构置于一个单开口的封闭的盒子中；应用于检测气体时，当气体通过封闭盒子，在贵金属系作为催化剂的作用下，发生催化化学反应，放出的热量激发金属中的电子越过金属和半导体的界面形成电流；利用电流计检测电流信号，利用检测电流信号的大小以及相对变化来实现对气体及其含量的检测。所述衬底可选有二氧化硅氧化层的硅片或玻璃片或金属片；在选用衬底过程时，对基片进行处理，处理方法为腐蚀，离子注入、原位刻蚀和生长种子层。所述生长种子层的方法为磁控溅射或分子束外延或电化学沉积。该申请的薄膜芯片气体传感器具有灵敏度高，响应快，选择性好，结构简单，寿命长等特点，并可针对任何气体进行设计，弥补了传统气体传感器性能不能兼顾的缺点。