适用于高湿度环境检测的气体传感器及其制备工艺

本发明涉及一种适用于高湿度环境检测的气体传感器及其制备工艺，属于传感器领域。

背景技术：

1、随着科技的进一步发展，人类世界正在大跨步进入物联网时代。在物联网时代，智能传感器是实现万物互联的重要基础，气体传感器就是其中一种极为重要的传感器。作为智能检测系统的关键组件，气体传感器由于其在智能医疗、物联网、环境科学、汽车工业和军事等领域的广泛应用而受到关注。比如通过检测人体自然排放的挥发性有机物(voc气体)可以对相关病症实现无痛、实时且便捷的诊断，对于构建个人智能医疗系统具有积极作用；在环境方面保护方面，通过建立智能气体传感系统，可以实现对污染气体或者其他有毒有害气体的实时监测，极大地减缓了大范围空气质量检测的压力；在高端制造业或者军事领域，对气体环境的要求更为严格，极其微量的某些气体就会对精密零件的制造产生重大影响，而且多为高温、高压、高湿的环境，这就亟需可在高温、高压、高湿等极端环境中性能优越且稳定的智能气体传感器。

2、在物联网时代，价格昂贵是限制气体传感器广泛应用的重要原因，今天市场上销售的大多数气体传感器的价格都远远超过10美元，并且必须嵌入专门的仪器设备才能正常使用，这使得价格超过500美元。据估计，目前气体传感器的市场规模约为5亿美元，并以每年10％的速度增长。然而，近年来市场的增长是通过开发微型固态气体传感器(例如氧化锡电阻式气体传感器)降低单位成本来实现的。当气体传感器(包括读出接口)跌破10美元时，可以打通多种工业市场，当它跌破1美元时，可以打通更多市场。一旦单位成本低于1美元，那么气体传感器就可以嵌入笔记本电脑、智能家居、手机，甚至手表中。因此想要拓展气体传感器的市场规模就必须极大地降低单位成本，而通过普通的制造工艺显然是无法实现的，但是cmos-mems制造工艺具有成本低、可大规模生产、精度高、集成度高、与cmos电路兼容性好等优点，因此研究cmos-mems智能气体传感器对于解决降低传感器制造成本高、性能差等问题是一种可行的方法。

3、除了制造成本高这一缺点以外，大多数气体传感器在高湿度环境中容易失效，这主要是因为环境相对湿度超过80％甚至100％以后，传感器的传感部分就会产生连续、较大面积的水膜。首先，这些水膜会导致气敏材料与气体分子的接触位点急剧减少，极大地损害了传感器的检测范围、检测极限以及灵敏度等性能，严重时会直接导致传感器失效；其次，某些气敏材料具有一定的水溶性，水膜的存在可能会直接溶解或者破坏气敏材料，损害传感器性能或者直接使其失效；另外，水膜可能会直接与气敏材料反应，造成“假响应”的结果，导致测量结果不准确；最后，连续的大面积水膜会导致水蒸气挥发缓慢，严重影响传感器的响应/回复速度。因此通过合理设计，让传感部分表面具有超疏水特性，就可以避免产生连续的大面积水膜，进而有效解决上述问题。

4、综上所述，为了有效解决智能传感器单位成本高以及高湿度环境中难以稳定工作的问题，开发一种适用于高湿度环境检测的气体传感器是一种有效的方法。

技术实现思路

1、本发明的主要目的是提供一种适用于高湿度环境检测的气体传感器及其制备工艺；本发明克服现有技术的不足，以保证气体传感器可以在高湿度的极端环境中满足智慧医疗，空气质量检测，危险气体泄露等领域的需求。该传感器利用标准的cmos工艺进行相应设计，实现了传感器表面的超疏水特性，从而保证气体传感器在检测特定气体时不受环境湿度的影响，从而大大提高了气体传感器的准确性和适用范围；同时post-cmos工艺具有无需掩模版(mask)操作的优点，有效降低了整个器件的后处理复杂程度，大大提高了整个post-cmos后处理的效率。

2、本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

3、一种适用于高湿度环境检测的气体传感器包括硅衬底层(1)及二氧化硅结构层(2)，所述二氧化硅结构层(2)设置于所述硅衬底层(1)上方；所述二氧化硅结构层(2)包括设置于两端的pad区域(7)和设置于中央的气体传感器区域；所述pad区域中二氧化硅材料与金属材料交叠排布，金属via贯穿第一层金属至第五层金属；所述气体传感器区域包括加热电阻(3)、传感电极(4)、via金属柱(5)和气敏材料(6)，两侧固定，整体悬浮在空腔(8)上方；所述加热电阻(3)分布在poly层并进行相应的图案化；所述传感电极(4)分布在第一层金属层，电极图案为叉指电容式或蛇形电阻式；所述via金属柱(5)密集分布在传感电极上方，从而使气体传感器具有超疏水特性；所述气敏材料(6)可根据特定需要进行选择，常用气敏材料主要包括金属氧化物、高分子聚合物以及氧化石墨烯、碳纳米管等碳纳米材料。

4、一种适用于高湿度环境检测的气体传感器的制备方法，采用无需mask操作的post-cmos方法，包括如下步骤：

5、步骤1：采用0.18um1p6m工艺设计cmos裸片，在pad区域设计合理的金属层图案和金属via，使第六层金属和第五层金属之间充满二氧化硅材料，因此在金属刻蚀时，形成pad区域的天然掩膜，保护其结构；在气体传感器区域设计合理的多晶硅层图案，构成气体传感器的加热电阻；设计合理的第一金属层图案和第三层金属图案及它们之间的金属via，使传感电极上面密集分布大量的via金属柱，使气体传感器具有超疏水特性，在进行气体检测时免受环境湿度的影响，同时第三层金属作为后续工艺的掩膜，可以在无掩模版的情况下保护传感电极。

6、步骤2：对步骤1中所得cmos裸片进行二氧化硅刻蚀，去除多余的二氧化硅，形成沟槽，上述提到的第六层金属和第三层金属分别作为pad区域和气体传感器区域的掩膜；然后进行金属刻蚀，去除上述提到的作为掩膜的第六层金属和第三层金属；再进行二氧化硅刻蚀，使via金属柱裸漏，形成传感电极表面的超疏水结构，同时pad裸漏，方便与外围电路的连接，同时第一层金属作为加热电阻的掩膜，保护其结构；然后进行drie刻蚀和xef2刻蚀，气体传感器形成悬浮结构，得到预制芯片；

7、步骤3：对步骤2中所得预制芯片根据实际需要进行特定气敏材料的涂覆，形成一种适用于高湿度环境检测的气体传感器。

8、一种适用于高湿度环境检测的气体传感器的制备方法，采用无需mask操作的post-cmos方法，包括如下步骤：

9、步骤1：采用0.18um1p6m工艺设计cmos裸片，在pad区域设计合理的金属层图案和金属via，使第六层金属和第五层金属之间充满二氧化硅材料，因此在金属刻蚀时，形成pad区域的天然掩膜，保护其结构；在气体传感器区域设计合理的多晶硅层图案，构成气体传感器的加热电阻；设计合理的第一金属层图案和第三层金属图案及它们之间的金属via，使传感电极上面密集分布大量的via金属柱，使气体传感器具有超疏水特性，在进行气体检测时免受环境湿度的影响，同时第三层金属作为后续工艺的掩膜，可以在无掩模版的情况下保护传感电极。

10、步骤2：对步骤1中所得cmos裸片进行二氧化硅刻蚀，去除多余的二氧化硅，形成沟槽，上述提到的第六层金属和第三层金属分别作为pad区域和气体传感器区域的掩膜；然后进行金属刻蚀，去除上述提到的作为掩膜的第六层金属和第三层金属；再进行二氧化硅刻蚀，使via金属柱裸漏，形成传感电极表面的超疏水结构，同时pad裸漏，方便与外围电路的连接，同时第一层金属作为加热电阻的掩膜，保护其结构；然后对传感器进行翻转，进行硅各向异性刻蚀，气体传感器形成悬浮结构，得到预制芯片；

11、步骤3：对步骤2中所得预制芯片根据实际需要进行特定气敏材料的涂覆，形成一种适用于高湿度环境检测的气体传感器。

12、有益效果：

13、1、本发明通过设计金属层和金属via图案，使传感电极上方分布大量的via金属柱，从而具有超疏水特性，可以降低气体传感器在工作时对环境湿度变化敏感程度，大大提高传感精度和适用范围。

14、2、本发明利用cmos工艺进行合理设计得到cmos裸片，使得post-cmos工艺可以无需掩模版就可以得到理想的传感器结构，大大降低了传感器的工艺复杂度和制造成本。

15、3、本发明在传感电极下方设计加热电阻，可以通过调节加热功率实现对多种气体的检测，大大拓宽了该传感器的适用范围。

16、4、传感结构整体悬浮，可以极大地减小传感器的功耗，

17、5、一体化且连续的工艺极大地降低了传感器的成本，并且传感器具有良好的稳定性，高灵敏度及低热耗散，快响应/回复的性能，适用于高湿度环境检测的气体传感器体积小、集成度高，因此具有作为小型、多功能专用传感器的潜力。可有效解决目前气体传感器在环境湿度变化或者高环境湿度下检测结果不稳定、不准确的问题，以及市面可见的气体传感器所具有的成本高、热耗散较大、灵敏度和响应速度相对受限的问题。并且制备工艺简单，从产业化角度便于大规模生产。