微型半导体气敏传感器的制作方法

本实用新型涉及一种气体传感器，特别涉及一种微型半导体气敏传感器，属于电子器件技术领域。

背景技术：

气体传感器广泛应用于检测可燃性气体、有毒气体以及大气成分，以mems工艺为基础的微热板式气体传感器以其低功耗、体积小、易集成的特点成为当前气体传感器领域的研究热点，现有mems气体传感器多采用铂金为加热丝,采用背面体硅加工技术实现微热板的悬空。

目前常用的mems气体传感器的结构主要以硅基底为主，硅基底上形成绝缘层、加热层和测试层等，结构相对比较复杂，其制备工艺主要包括深硅刻蚀形成微孔、绝缘层/阻挡层/种子层的沉积、pad的制备及多次光刻等工艺技术；为了提高加热效率，通常采用悬臂梁式的加热结构，然而，目前硅基mems气体传感器还存在良率低、性能差、器件容易损坏等方面的缺点。

为了解决上述mems气体传感器所存在的问题：现有硅基mems气体传感器主要结合mems微加工工艺，利用薄膜沉积工艺制备绝缘层、阻挡层和种子层的淀积，然后分别沉积金属加热层和测试层，并通过湿法或者干法的刻蚀工艺形成传感器的主体结构，之后再通过溅射、喷涂、印刷等方式进行敏感材料的沉积，经过老化试验后完成mems气体传感器的整体结构；然而，此种mems气体传感器存在如下问题：一方面在硅基材料在上沉积多层薄膜，尤其是金属薄膜和氧化硅、氮化硅等薄膜的多层复合，很容易形成高应力，造成器件失效；二是目前的mems气体传感器是需要在一定温度下进行工作，多种材料的叠加，很容易造成材料之间的热膨胀系数失配，造成器件损坏；三是背面刻蚀背腔的之后再印刷敏感材料时对悬空结构也会造成损伤。

技术实现要素：

本实用新型的主要目的在于提供一种微型半导体气敏传感器，以克服现有技术中的不足。

为实现前述发明目的，本实用新型采用的技术方案包括：

本实用新型实施例提供了一种微型半导体气敏传感器，其包括：敏感测试结构以及封装结构，其中，

所述封装结构包括遮光透气盖板，所述遮光透气盖板与所述敏感测试结构密封结合形成一气体腔室，所述气体腔室与设置在所述遮光透气盖板上的至少一个气孔连通；

所述敏感测试结构包括玻璃基底以及依次叠层设置在玻璃基底第一面上的加热层、绝缘层以及气体敏感材料层，所述气体敏感材料层还与设置在所述绝缘层上的测试层电连接，至少所述气体敏感材料层被设置在所述气体腔室中，以及，所述玻璃基底的第二面还设置有背腔，且所述气体敏感材料层被对应设置在所述背腔的上方，其中，所述第一面与所述第二面背对设置。

进一步的，该背腔的顶部具有第一区域和第二区域，所述第一区域的玻璃基底的厚度小于所述第二区域的玻璃基底的厚度而形成悬臂结构，所述气体敏感材料层对应设置在位于所述玻璃基底第二区域的上方。

进一步的，所述玻璃基底的厚度为100-1000μm，所述悬臂结构的厚度为10-100μm，宽度为10-100μm。

进一步的，所述遮光透气盖板包括不透明的玻璃盖板。

进一步的，所述气孔的直径为10-500μm。

进一步的，所述加热层的材质包括pt、au、ag、cu中的任意一种或两种以上的组合。

进一步的，所述加热层的厚度为100-5000nm。

进一步的，所述绝缘层的材质包括氧化硅和/或氮化硅。

优选的，所述绝缘层的厚度为10-5000nm。

进一步的，所述气体敏感材料层的材质包括半导体金属氧化物。

进一步的，所述气体敏感材料层的厚度为100-5000nm。

优选的，所述气体敏感材料层具有由多根多孔导电纤维交织形成的三维多孔结构。所述多孔导电纤维可以选用本领域熟知的类型。

优选的，所述多孔导电纤维包括紧密堆积的多个半导体金属氧化物纳米颗粒，并且至少部分所述半导体金属氧化物纳米颗粒之间还分布有磺化石墨烯及噻吩低聚物。

进一步的，所述多孔导电纤维的直径为0.5μm-20μm，长度为10μm以上，孔隙率为60-85％，所含孔洞的孔径为20-100nm。

进一步的，所述多孔导电纤维包含质量比为90-95：0.01-0.5：2-5的半导体金属氧化物纳米颗粒、磺化石墨烯与噻吩低聚物。

更进一步的，所述半导体金属氧化物纳米颗粒可以是氧化铜纳米颗粒、氧化银纳米颗粒、氧化镍纳米颗粒等，所述半导体金属氧化物纳米颗粒的粒径为10-100nm。

更进一步的，所述噻吩低聚物含有2-20个单体单元，分子量为800-3000g/mol。

进一步的，所述测试层是由包含金属纳米粒子的导电墨水打印形成，所述金属纳米粒子所含金属元素与形成气体敏感材料层的半导体金属氧化物纳米颗粒所含金属元素相同。

优选的，所述金属纳米粒子包括au、ag、cu或ni纳米粒子。

优选的，所述测试层的厚度为100-5000nm。

进一步的，所述玻璃基底的第二面还设置有第一焊盘和第二焊盘，所述第一焊盘经设置在所述玻璃基底内的第一导电通道与所述加热层电连接，所述第二焊盘经设置在所述玻璃基底内的第二导电通道与所述测试层电连接。

更进一步的，所述第一导电通道包括沿厚度方向贯穿所述玻璃基底的第一通孔以及填充在所述第一通孔内的导电材料，所述第二导电通道包括沿厚度方向贯穿所述玻璃基底的第二通孔以及填充在所述第二通孔内的导电材料。

所述第一通孔和第二通孔的深度为50-1000μm。

进一步的，所述导电材料包括导电金属材料。

本实用新型实施例还提供一种制作所述微型半导体气敏传感器的方法，其包括：

提供玻璃基底，并在玻璃基底的第二面加工形成背腔，且使所述背腔的顶部第一区域的厚度小于第二区域的厚度而形成两个以上间隔设置的悬臂结构，其中所述第一区域环绕所述第二区域分布；

在所述玻璃基底的第一面依次制作叠层设置的加热层、绝缘层、测试层和气体敏感材料层，并使所述气体敏感材料层与所述测试层电连接；

提供一具有气孔的不透明的玻璃盖板，并将所述不透明的玻璃盖板与所述玻璃基底封装结合，进而在所述不透明的玻璃盖板与所述玻璃基底之间围合形成一气体腔室，至少所述气体敏感材料层被封装在所述气体腔室中，所述气体腔室与所述不透明的玻璃盖板上的气孔连通。

具体的，所述的方法具体包括：将噻吩低聚物溶解于有机溶剂中形成分散液，再向该分散液中依次加入磺化石墨烯、半导体金属氧化物纳米颗粒，均匀分散后，形成印刷墨水，再将该印刷墨水印刷到绝缘层上，并进行干燥、老化处理后形成气体敏感材料层；印刷墨水经干燥老化处理后形成多根相互交织的多孔导电纤维；其中，该印刷墨水中半导体金属氧化物纳米颗粒、磺化石墨烯与噻吩低聚物的质量比为90-95：0.01-0.5：2-5，半导体金属氧化物纳米颗粒可以是氧化铜纳米颗粒、氧化亚铜纳米颗粒、氧化银纳米颗粒、氧化镍纳米颗粒等，半导体金属氧化物纳米颗粒的粒径为10-100nm，噻吩低聚物含有2-20个单体单元，分子量为800-3000g/mol。

具体的，所述的方法具体包括：将包含金属纳米粒子的导电墨水印刷到绝缘层上，进而形成测试层，并使该测试层与气体敏感材料层电连接，该金属纳米粒子可以是au、ag、cu或ni纳米粒子。

进一步的，所述的方法还包括：在所述玻璃基底的第二面制作第一焊盘和第二焊盘，并使所述第一焊盘经设置在所述玻璃基底内的第一导电通道与加热层电连接、所述第二焊盘经设置在所述玻璃基底内的第二导电通道与所述测试层电连接；其中，所述第一面与所述第二面背对设置。

与现有技术相比，本实用新型实施例提供的一种微型半导体气敏传感器采用玻璃基底和不透明的玻璃盖板封装结合形成，其热膨胀系数可控，可以有效避免热膨胀系数问题；以及，本实用新型实施例提供的微型半导体气敏传感器，绝缘性好，可以有效避免短路；另外，本实用新型实施例提供的微型半导体气敏传感器，封装工艺简单、耐腐蚀，更容易成型悬臂结构，可以避免刻蚀工艺造成的器件不良的问题，提高器件良率。

附图说明

图1是本实用新型一典型实施案例中一种微型半导体气敏传感器的剖面结构示意图；

图2是本实用新型一典型实施案例中一种玻璃基底的结构示意图；

图3是本实用新型一典型实施案例中一种微型半导体气敏传感器的剖面结构的制作流程结构示意图。

具体实施方式

鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本实用新型的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。

请参阅图1和图2，在一些较为具体的实施方案中，本实用新型实施例提供的一种微型半导体气敏传感器包括敏感测试结构以及封装结构，其中，

所述封装结构包括遮光透气盖板100，所述遮光透气盖板100与所述敏感测试结构密封结合形成一气体腔室，所述气体腔室与设置在所述遮光透气盖板上的至少一个气孔110连通；

所述敏感测试结构包括玻璃基底10以及依次叠层设置在玻璃基底10第一面上的加热层30、绝缘层40以及气体敏感材料层90，所述气体敏感材料层90还与设置在所述绝缘层40上的测试层60电连接，至少所述气体敏感材料层90被设置在所述气体腔室中，以及，玻璃基底10的第二面还设置有背腔，且所述气体敏感材料层90被对应设置在所述背腔的上方，其中，所述第一面与所述第二面背对设置。

具体的，玻璃基底10的背腔的顶部具有第一区域和第二区域，所述第一区域的玻璃基底的厚度小于所述第二区域的玻璃基底的厚度而形成悬臂结构11，位于第二区域的玻璃基底的第一面上形成图形区域，所述气体敏感材料层90对应设置在位于所述玻璃基底第二区域的上方的图形区域；其中，玻璃基底10的厚度为100-1000μm，悬臂结构11的厚度为10-100μm，宽度为10-100μm，遮光透气盖板100为不透明的玻璃盖板，气孔的直径为10-500μm。

具体的，玻璃基底10的第二面还设置有第一焊盘70和第二焊盘80，第一焊盘70经设置在玻璃基底10内的第一导电通道20与所述加热层30电连接，所述第二焊盘80经设置在所述玻璃基底10内的第二导电通道50与所述测试层60电连接。

具体的，该加热层60可以包括加热电极以及与加热电极连接引出电极，该引出电极能够电性连接加热电极和第一导电通道20，加热层的材质包括pt、au、ag、cu中的任意一种或两种以上的组合，加热层的厚度为100-5000nm；测试层30可以包括测试电极和引出电极，该引出电极主要用于电性连接引出电极和第二导电通道50；该气体敏感材料层和测试电极被封装在气体腔室中；其中的第一导电通道和第二导电通道均由沿厚度方向贯穿玻璃基底的通孔以及填充在通孔内的导电材料组成，该导电材料可以是金属材料等。

具体的，绝缘层的材质包括氧化硅和/或氮化硅，绝缘层的厚度为10-5000nm，绝缘层主要用于电性隔离测试层和加热层。

具体的，所述气体敏感材料层90的材质包括半导体金属氧化物，厚度为100-5000nm。

具体的，所述气体敏感材料层为由多根多孔导电纤维交织形成的三维多孔结构。所述多孔导电纤维可以选用本领域熟知的类型。但优选的，所述多孔导电纤维包括紧密堆积的多个半导体金属氧化物纳米颗粒，并且至少部分所述半导体金属氧化物纳米颗粒之间还分布有磺化石墨烯及噻吩低聚物；所述多孔导电纤维的直径为0.5μm-20μm，长度为10μm以上，孔隙率为60-85％，所含孔洞的孔径为20-100nm；具体的，所述多孔导电纤维包含质量比为90-95：0.01-0.5：2-5的半导体金属氧化物纳米颗粒、磺化石墨烯与噻吩低聚物；例如，所述半导体金属氧化物纳米颗粒可以是氧化铜纳米颗粒、氧化银纳米颗粒、氧化镍纳米颗粒等，所述半导体金属氧化物纳米颗粒的粒径为10-100nm，所述噻吩低聚物含有2-20个单体单元，分子量为800-3000g/mol。

具体的，所述测试层是由包含金属纳米粒子的导电墨水打印形成，所述金属纳米粒子所含金属元素与形成气体敏感材料层的半导体金属氧化物纳米颗粒所含金属元素相同；例如，所述金属纳米粒子包括au、ag、cu或ni纳米粒子，测试层的厚度为100-5000nm。

具体的，本实用新型实施例提供的一种制作微型半导体气敏传感器的方法，通过热压工艺在玻璃基衬底的背腔顶部形成悬臂结构，然后通过临时键合工艺，将具有悬臂结构的玻璃基底与临时衬底固定起来，然后在玻璃衬底背腔顶部的中间图形区沉积形成加热层、绝缘层和测试层，之后再通过喷涂、点胶等方式将敏感材料涂覆在玻璃基底的中间区域；同时制作透气的玻璃上盖，采用键合的方式将玻璃上盖和形成有加热层、绝缘层和测试层的玻璃基底进行封装结合，最后去除临时衬底，形成整体为玻璃基的气体传感器。

实施例1请参阅图3，一种微型半导体气敏传感器的方法，其主要包括如下流程：

1)提供石墨模具，并通过石墨模具通过热压工艺制作玻璃基底10和不透明的玻璃盖板100，该不透明的玻璃盖板10上具有一腔开放腔体或称之为收容槽等，且该不透明的玻璃盖板上具有气孔，该玻璃基底的第二面(可以理解为背面)具有背腔，在背腔的顶部具有第一区域和第二区域，第一区域的玻璃基底的厚度小于第二区域的玻璃基底的厚度而形成悬臂梁结构11，该第一区域环绕第二区域设置，该玻璃基底的第一面与第二区域对应的区域为图形区域；

2)通过临时键合工艺在玻璃基底10的第二面临时结合一临时衬底a；

3)在玻璃基底10内加工形成沿厚度方向贯穿玻璃基底10的第一通孔，并在该第一通孔内填充导电材料(例如铜等金属)而形成第一导电通道20，该第一导电通道20的长度大于或等于第一通孔的深度；

4)在玻璃基底10的第一面沉积pt、au、ag、cu中的任意一种或两种以上的金属形成加热层30，并使加热层30与第一导电通道20电连接；

5)在加热层30上沉积氧化硅或氮化硅绝缘层40；

6)在玻璃基底10内加工形成沿厚度方向连续贯穿玻璃基底10、绝缘层40的第二通孔，并在该第二通孔内填充导电材料(例如铜等金属)而形成第二导电通道50，该第二导电通道50的长度大于或等于第二通孔的深度；

7)将包含金属纳米粒子的导电墨水印刷到绝缘层40上形成测试层60，并使该测试层60与第二导电通道50电连接，该金属纳米粒子可以是au、ag、cu或ni纳米粒子等；

8)除去玻璃基底10第二面的临时衬底a；

9)在玻璃基底10的第一面制作第一焊盘70、第二焊盘80，并使所述第一焊盘70与第一导电通道20电连接，所述第二焊盘80与所述第二导电通道50电连接，其中第一焊盘和第二焊盘的材质为金属等导电材料；

10)将噻吩低聚物溶解于有机溶剂(例如乙腈、丙酮等)中形成分散液，再向该分散液中依次加入磺化石墨烯、半导体金属氧化物纳米颗粒，均匀分散后，形成印刷墨水，再将该印刷墨水印刷到绝缘层和/或测试层上，并进行干燥、老化处理后形成气体敏感材料层90，并使气体敏感材料层90与测试层60电连接；其中，印刷墨水经干燥老化处理后形成多根相互交织的多孔导电纤维；该印刷墨水中半导体金属氧化物纳米颗粒、磺化石墨烯与噻吩低聚物的质量比为90-95：0.01-0.5：2-5，半导体金属氧化物纳米颗粒可以是氧化铜纳米颗粒、氧化亚铜纳米颗粒、氧化银纳米颗粒、氧化镍纳米颗粒等，半导体金属氧化物纳米颗粒的粒径为10-100nm，噻吩低聚物含有2-20个单体单元，分子量为800-3000g/mol；

11)采用键合的方式将不透明的玻璃盖板100与玻璃基底10封装结合成一体，进而形成所述的微型半导体气敏传感器，其中，不透明的玻璃盖板100与玻璃基底10之间围合形成一气体腔室，该气体腔室通过不透明的玻璃盖板100上的气孔与外界连通；气体敏感材料层90和测试层60被封装在该气体腔室中。

采用实施例1中制作获得的微型半导体气敏传感器进行二氧化氮、一氧化碳以及硫化氢等气体的检测：

将实施例1中获得的微型半导体气敏传感器置于测试环境中，并分别向测试环境中通入100-1000ppm的二氧化氮、一氧化碳、硫化氢；该微型半导体气敏传感器对二氧化氮的灵敏度为6.5-30.4，其中，在二氧化氮的通入量为800ppm时，该气体传感器对二氧化氮的灵敏度达到了30.4，该微型半导体气敏传感器对一氧化碳的灵敏度为5.5-37.6，其中，在一氧化碳的通入量为900ppm时，该微型半导体气敏传感器对一氧化碳的灵敏度达到了37.6，该微型半导体气敏传感器对硫化氢的灵敏度为7-45.5，当硫化氢的通入量达到900ppm时，该微型半导体气敏传感器对硫化氢的灵敏度达到了45.5。

对比例1一种微型半导体气敏传感器的方法，其主要包括如下流程：

1)提供石墨模具，并通过石墨模具通过热压工艺制作玻璃基底10和透明玻璃盖板100，该玻璃基底的第二面(可以理解为背面)具有背腔，在背腔的顶部具有第一区域和第二区域，第一区域的玻璃基底的厚度小于第二区域的玻璃基底的厚度而形成悬臂梁结构11，该第一区域环绕第二区域设置，该玻璃基底的第一面与第二区域对应的区域为图形区域；

2)通过临时键合工艺在玻璃基底10的第二面临时结合一临时衬底a；

3)在玻璃基底10内加工形成沿厚度方向贯穿玻璃基底10的第一通孔，并在该第一通孔内填充导电材料(例如铜等金属)而形成第一导电通道20，该第一导电通道20的长度大于或等于第一通孔的深度；

4)在玻璃基底10的第一面沉积pt、au、ag、cu中的任意一种或两种以上的金属形成加热层30，并使加热层30与第一导电通道20电连接；

5)在加热层30上沉积氧化硅或氮化硅绝缘层40；

6)在玻璃基底10内加工形成沿厚度方向连续贯穿玻璃基底10、绝缘层40的第二通孔，并在该第二通孔内填充导电材料(例如铜等金属)而形成第二导电通道50，该第二导电通道50的长度大于或等于第二通孔的深度；

7)将包含金属纳米粒子的导电墨水印刷到绝缘层40上形成测试层60，并使该测试层60与第二导电通道50电连接，该金属纳米粒子可以是au、ag、cu或ni纳米粒子等；

8)除去玻璃基底10第二面的临时衬底a；

9)在玻璃基底10的第一面制作第一焊盘70、第二焊盘80，并使所述第一焊盘70与第一导电通道20电连接，所述第二焊盘80与所述第二导电通道50电连接，其中第一焊盘和第二焊盘的材质为金属等导电材料；

10)将半导体金属氧化物纳米颗粒溶解于有机溶剂(例如乙腈、丙酮等)中形成印刷墨水，再将该印刷墨水印刷到绝缘层和/或测试层上形成气体敏感材料层90，并使气体敏感材料层90与测试层60电连接，该半导体金属氧化物纳米颗粒可以是氧化铜纳米颗粒、氧化镍纳米颗粒或氧化银纳米颗粒等；

11)采用键合的方式将透明玻璃盖板100与玻璃基底10封装结合成一体，进而形成所述的微型半导体气敏传感器，其中，透明玻璃盖板100与玻璃基底10之间围合形成一气体腔室，该气体腔室通过透明玻璃盖板100上的气孔与外界连通；气体敏感材料层90和测试层60被封装在该气体腔室中。

采用对比例1中制作获得的微型半导体气敏传感器进行二氧化氮、一氧化碳以及硫化氢等气体的检测：

将对比例1中获得的微型半导体气敏传感器置于测试环境中，并分别向测试环境中通入100-1000ppm的二氧化氮、一氧化碳、硫化氢；该微型半导体气敏传感器对二氧化氮的灵敏度为3.4-10.7，该微型半导体气敏传感器对一氧化碳的灵敏度为2.5-8.5，该微型半导体气敏传感器对硫化氢的灵敏度为3.6-10.8。

本实用新型实施例提供的一种微型半导体气敏传感器的气体敏感材料层中，多孔导电纤维相互交织可以形成三维多孔结构，其中含有多级孔洞，比表面积大，可以更快、更多的吸收目标气体，进而可以提高气体传感器的灵敏度。

本实施例提供的微型半导体气敏传感器，其加工工艺简单、可靠，其该传感器整体具有良好的热绝缘性能；而且该传感器具有更牢靠的结构，进而可以在受冲击、振动的环境下使用。

本实用新型实施例提供的一种微型半导体气敏传感器采用玻璃基底和不透明的玻璃盖板封装结合形成，其热膨胀系数可控，可以有效避免热膨胀系数问题；以及，本实用新型实施例提供的微型半导体气敏传感器，绝缘性好，可以有效避免短路；另外，本实用新型实施例提供的微型半导体气敏传感器，封装工艺简单、耐腐蚀，更容易成型悬臂结构，可以避免刻蚀工艺造成的器件不良的问题，提高器件良率。

应当理解，上述实施例仅为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡根据本实用新型精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。