[发明专利]多参量气体传感微芯片及其制备方法、气体传感器

说明书

本发明涉及气体传感器技术领域，公开了一种多参量气体传感微芯片及其制备方法。所述微芯片包括微加热结构和传感结构，所述微加热结构包括硅基衬底以及设置于硅基衬底上的加热层，所述加热层分为多个不同温度的加热区；所述传感结构包括多个测量电极以及涂覆于所述测量电极的气体敏感膜，多个所述测量电极分别设置于对应的加热区，多个所述测量电极涂覆的气体敏感膜的材料不相同。本发明通过微加热结构的多个加热区为多种气体敏感膜提供对应的加热温度，实现多参量(不同传感材料、不同温度)的气体检测功能，即在单个微芯片上结合多种传感材料在不同温度下进行检测，实现复杂气氛检测功能，缩小体积，降低功耗，提高集成度。

技术领域

本发明涉及气体传感器技术领域，具体而言，涉及一种多参量气体传感微芯片、一种多参量气体传感微芯片的制备方法以及一种气体传感器。

背景技术

气敏检测的手段多样，其中基于金属氧化物半导体传感原理的气体传感器件具有体积小、能耗低、响应时间短、检测精度高等优势，得到广泛应用。半导体气体传感器的原理是通过把气体的成分、浓度等参数转换成电阻变化量，再转换成电流、电压的输出信号，从而实现检测功能。具体来说，金属氧化物半导体(Metal-Oxide-Semiconductor，MOS)这种气敏电阻材料是通过化学计量比偏离的杂质缺陷制成的，在合成气敏材料时会掺杂或者负载某些贵金属，目的是为了提高某种材料对某些气体组分的选择性或灵敏度。MOS材料分为P型半导体和N型半导体，例如，NiO、PbO等P型半导体，SnO2、WO3、Fe2O3、In2O3等N型半导体。金属氧化物在常温情况下是绝缘体，加工成金属氧化物半导体(MOS)后却能显示出气敏性质。当MOS材料接触待测气体时，由于其表面吸附气体致使它的电阻率发生明显的变化，解吸附后电阻率又恢复到初始状态。MOS材料对气体的吸附可分为物理吸附和化学吸附，在常温下主要是物理吸附，即气体与MOS材料表面的分子吸附，它们之间没有电子交换，不形成化学键。化学吸附是指气体与MOS材料表面建立离子吸附，它们之间有电子的交换，存在化学键力。如果给MOS材料加热使其温度升高，则化学吸附增加，在某一温度时达到最大值。若MOS材料的温度高于某个值时呈现为解吸附状态，物理吸附和化学吸附同时减小。例如，最常见的MOS材料氧化锡(SnO2)在常温下吸附某种气体，电阻率变化不大，此时是物理吸附；若保持气体浓度不变,给MOS材料加热，MOS材料的电导率随温度的升高而显著增加，尤其在100～500℃温度范围内电导率变化非常大。因此，MOS材料制成的气敏元件工作时需要的温度比室温高很多，而且不同的MOS材料检测不同的气体组分、浓度需要多变的温度。

在复杂气氛环境的场景混合气体的种类可能有十几种，若要实现复杂气氛检测，则需要可同时检测多种气体的传感器件。目前，用于复杂气氛检测的传感器件通常采用多个相同的微加热芯片单元独立排列形成传感器阵列，多个微加热芯片单元分别为对应的气敏传感材料加热，以实现复杂气氛检测功能。由于传感器阵列的每个微加热芯片都需单独加热，多个微加热芯片需多个加热结构，因此器件整体的集成度不高，无法体现半导体气体传感器件体积小、能耗低的优势。上述气体传感器件的微加热芯片加热温度单一，一个微加热芯片对应加热一种气敏传感材料，无法实现在单个芯片上结合多种MOS传感材料在不同温度下进行检测，在复杂气氛环境下的检测准确度较低。

发明内容

本发明的目的是提供一种多参量气体传感微芯片及其制备方法，在单个微芯片上结合多种气敏传感材料实现复杂气氛检测，提高集成度。

为了实现上述目的，本发明第一方面提供一种多参量气体传感微芯片，包括微加热结构和传感结构，所述微加热结构包括硅基衬底以及设置于所述硅基衬底上的加热层，所述加热层分为多个不同温度的加热区；所述传感结构包括多个测量电极以及涂覆于所述测量电极的气体敏感膜，多个所述测量电极分别设置于对应的加热区，多个所述测量电极涂覆的气体敏感膜的材料不相同。

进一步地，所述加热层包括加热电极，所述加热电极为多条截面积不同的加热电阻丝，多条所述加热电阻丝形成多个所述加热区。