CN118010808B - 具有热磁式测温结构的mems微热板式气体传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的具有热磁式测温结构的MEMS微热板式气体传感器及其制备方法，涉及传感器领域；传感器包括衬底和设置在衬底上方的膜片结构；膜片结构包括自下而上层叠设置的钝化层、加热电极、永磁薄膜层、第一传热绝缘层、热检测电极、第二传热绝缘层、气体检测电极和气敏薄膜；工作时，加热电极用作热源产生的分别向传感区和气敏薄膜传递；气敏薄膜接收热流升温至工作温度区间与待测气体发生反应后改变其电阻，经气体检测电极检测后转换为待测气体浓度；永磁薄膜层工作时产生磁场，热检测电极基于能斯托效应将气敏薄膜的反应温度变化转换为输出电压变化，实现实时监测气敏薄膜反应温度。

Description

具有热磁式测温结构的MEMS微热板式气体传感器及其制备 方法

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，具体涉及一种具有热磁式测温结构的MEMS微热板式气体传感器及其制备方法。

背景技术

随着社会发展，社会生活中越来越多的场景中需要实时地测量各种气体的浓度。MEMS微热板式气体传感器的原理是利用气体和气敏薄膜的反应来改变气敏薄膜的电学特性，从而获知待测气体的浓度，其中微热板用于气敏薄膜加热，提高反应的速度和转化率。此外，MEMS微热板式气体传感器因其小型化，低成本，高可靠性，易于集成等优点而逐渐得到青睐。

对于MEMS微热板式气体传感器而言，随着温度升高，气敏薄膜与待测气体的反应程度先增大后减小，为了实现较高的精度与灵敏度，微热板式气体传感器的气敏薄膜需要控制在适宜的温度，以达到最大的反应程度，因此需要检测、控制气体传感器的温度。微热板式气体传感器传统的测温方式是使用探针接触待测区域，利用热电偶或热电阻的原理进行测量，但是由于MEMS微热板式气体传感器尺寸小，甚至小于探针尺寸，导致温度测量不准。同时这些传统的接触式测量会带来传感器温度分布的改变、微热板的传热效率下降等问题。另外，由于气敏薄膜需要同待测气体接触，而现有测温结构需要触碰气敏薄膜进行测量，若长时间接触会占据气敏薄膜与待测气体反应界面的面积，导致反应效率的下降，短时间接触则无法对气体传感器反应温度进行动态的实时监测。

发明内容

本发明目的在于提供一种具有热磁式测温结构的MEMS微热板式气体传感器及其制备方法，能够实现对待测气体与气敏薄膜反应温度的精确、实时测量，进一步提高MEMS微热板式气体传感器的精度和灵敏度。

为达成上述目的，本发明提出如下技术方案：

第一方面，公开一种具有热磁式测温结构的MEMS微热板式气体传感器，包括衬底和设置在所述衬底上方的膜片结构；

所述膜片结构包括自下而上层叠设置的钝化层、加热电极、永磁薄膜层、第一传热绝缘层、热检测电极、第二传热绝缘层、气体检测电极和气敏薄膜；所述加热电极用作热源，其产生的热流一路经所述钝化层向所述传感区传递，另一路热流经所述第一传热绝缘层、热检测电极、第二传热绝缘层向所述气敏薄膜传递；所述气敏薄膜接收热流升温至工作温度区间与待测气体发生化学反应后改变自身电阻，经所述气体检测电极检测并转换为所述待测气体的浓度；所述永磁薄膜层在所述MEMS微热板式气体传感器工作状态时产生磁场，所述热检测电极基于能斯托效应将所述气敏薄膜的反应温度变化转换为输出电压变化，进而实现实时监测所述气敏薄膜的反应温度。

进一步的，所述钝化层设置在所述衬底上，所述钝化层的中部水平设置为十字结构，所述钝化层的外沿周圈设置为用于支撑所述十字结构的框架；

所述加热电极固设在所述钝化层上表面，其平面结构对应于所述十字结构的横向两臂和中央位置；所述加热电极对应于所述十字结构中央的部分平面结构的形状设置为蛇形结构，所述蛇形结构的波峰和波谷向所述十字结构的纵向两臂方向延伸。

进一步的，所述膜片结构还包括第一隔热绝缘层；

所述第一隔热绝缘层位于所述钝化层的上表面和所述加热电极的周围，其上表面平齐于所述加热电极的上表面，并且其位于所述加热电极周围的部分充分填充所述蛇形结构的空隙。

进一步的，所述永磁薄膜层设置在所述加热电极与第一隔热绝缘层的上表面，其平面结构对应于所述十字结构的四条延伸臂上方；所述永磁薄膜层由FePt、CoPt、CoNiMnP或Sr铁氧体构成，厚度为1～5um。

进一步的，所述第一传热绝缘层的上表面水平，其底部设置在所述加热电极、第一隔热绝缘层和永磁薄膜层的上表面；所述第一传热绝缘层的厚度为2.1～2.2um，其平面结构对应于所述十字结构；所述第一传热绝缘层用于在传递热量的同时，产生水平的热流。

进一步的，所述热检测电极设置所述第一传热绝缘层上表面；所述热检测电极其平面结构对应于所述十字结构；

所述热检测电极平面结构上四条延伸臂的末端分别预设有用于所述加热电极的电极引出空间；

所述永磁薄膜层用于产生垂直通过所述热检测电极的磁场，所述热检测电极上存在沿其中心向所述十字结构四臂传输的热流，进而基于所述能斯托效应，所述热检测电极上与热流方向垂直的两侧产生电动势；

所述第一传热绝缘层用于使所述加热电极和所述热检测电极之间形成电气隔离。

进一步的，所述第二传热绝缘层的上表面水平，其底部设置在所述第一传热绝缘层和热检测电极上表面；所述第二传热绝缘层的厚度为100～300nm，其平面结构对应于所述十字结构。

进一步的，所述气体检测电极固设在所述第二传热绝缘层上表面，其平面结构对应于所述十字结构的纵向两臂和中央位置；所述气体检测电极对应于所述十字结构中央的部分平面结构的形状设置为梳齿结构，所述梳齿结构沿所述十字结构的横向两臂方向相向交错，用于检测所述气敏薄膜不同区域的电学量；

所述气敏薄膜位于所述气体检测电极的上方，其平面结构对应于所述气体检测电极；

所述第二传热绝缘层用于使所述热检测电极和所述气体检测电极之间形成电气隔离。

进一步的，所述膜片结构还包括第二隔热绝缘层；

所述第二隔热绝缘层位于所述第一隔热绝缘层、所述第二传热绝缘层上，其上表面平齐于所述气敏薄膜的上表面，并且所述第二隔热绝缘层的平面结构对应于所述框架和所述十字结构；所述第二隔热绝缘层用于在所述加热电极、热检测电极、气体检测电极之间形成电气隔离，并用于所述同时形成所述第二传热绝缘层与外界的热量隔离。

进一步的，所述膜片结构还包括第一引线、第二引线和第三引线；

所述第一引线位于所述第一隔热绝缘层、第二隔热绝缘层内，与所述加热电极形成电气连接，其厚度为所述加热电极底面至所述膜片结构上表面的距离；

所述第二引线位于所述第二隔热绝缘层内，与所述热检测电极形成电气连接，其厚度为所述热检测电极底面至所述膜片结构上表面的距离；

所述第三引线位于所述第二隔热绝缘层内，与所述气体检测电极形成电气连接，其厚度为所述气体检测电极底面至所述膜片结构上表面的距离。

进一步的，所述钝化层包括第一钝化层和第二钝化层；

所述第一钝化层位于所述衬底上表面，其平面结构包括位于中部的所述十字结构和支撑所述十字结构的框架；所述第一钝化层的材料为氮化硅，厚度为100～500nm；

所述第二钝化层位于所述第一钝化层上表面，其平面结构对应于所述第一钝化层的平面结构；所述第二钝化层的材料为二氧化硅，厚度为100～500nm。

第二方面，公开上述具有热磁式测温结构的MEMS微热板式气体传感器的制备方法，该方法包括如下步骤：

1)选用硅片作为衬底基材，衬底基材上表面水平，其中部划分为十字结构的传感区，所述传感区外围划分为支撑区，所述支撑区设置为用于支撑所述十字结构的框架；

2)通过光刻和低压力化学气相沉积法在支撑区和传感区上表面依次制备第一钝化层和第二钝化层；

3)通过光刻和磁控溅射在第二钝化层上表面制备第一金属层和第二金属层，作为第一粘附区和加热电极，即所述加热电极通过第一粘附区固设在所述第二钝化层上表面；

4)通过光刻和低压力化学气相沉积法在第二钝化层上表面和加热电极四周制备第一隔热绝缘层；

5)通过光刻和磁控溅射在加热电极与第一隔热绝缘层的上表面制备合金层，作为永磁薄膜层；

6)通过光刻和等离子体增强化学气相沉积法在加热电极、第一隔热绝缘层、永磁薄膜层上表面制备第一传热绝缘层；

7)通过光刻和磁控溅射在第一传热绝缘层上表面制备第三金属层，作为热检测电极；

8)通过光刻和等离子体增强化学气相沉积法在第一传热绝缘层和热检测电极上表面制备第二传热绝缘层；

9)通过光刻和磁控溅射在第二传热绝缘层上表面制备第四金属层和第五金属层，作为第二粘附区和气体检测电极，即所述气体检测电极通过第二粘附区固设在所述第二传热绝缘层上表面；

10)通过光刻和旋涂在气体检测电极上表面制备一层气敏薄膜；

11)通过光刻和多次低压力化学气相沉积法在第一隔热绝缘层、第二传热绝缘层上表面，以及所述气体检测电极周围制备第二隔热绝缘层；

12)通过光刻和干法刻蚀所述第一隔热绝缘层和第二隔热绝缘层，在所述膜片结构上制备第一引线区、第二引线区和第三引线区；将通过激光脉冲沉积制备的第一引线、第二引线和第三引线分别置于对应的引线区，实现电气连接；

13)通过光刻和干法刻蚀，刻蚀衬底基材背面，仅保留支撑区对应的框架构成衬底，形成膜片结构，完成传感器制备。

由以上技术方案可知，本发明的技术方案获得了如下有益效果：

1、本发明利用气体传感器中微热板和气敏薄膜之间的热流，合理利用能斯托效应，实现了MEMS微热板式气体传感器温度的精准测量，保证反应温度精确受控，确保气敏薄膜和待测气体之间的反应处于最适宜温度，有效提高气体传感器的精度；同时本发明因为能更精确地测量、控制MEMS微热板式气体传感气敏薄膜的所需温度，有效提高了能量利用率。

2、本发明中，若气敏薄膜的反应温度发生变化，将会在由所述第一传热绝缘层、热检测电极和第二传热绝缘层构成的传热层产生热流，热检测电极在能斯托效应的作用下将温度变化转换为输出电压变化，从而可以实时监测气敏薄膜的反应温度变化，实现精准控制气敏薄膜和待测气体始终处于最适宜反应温度。

3、本发明采用MEMS技术，将基于能斯托效应的由加热电极、永磁薄膜层与传热层组合构成的温度测量结构与微热板式气体传感器单片集成，工艺上实现了协同设计；产品上MEMS微热板式气体传感器的体积有效缩小，适用于更加狭小的空间，拓宽了使用场景；整体而言，本发明的MEMS微热板式气体传感器具有精度高、一致性好、易于批量制造以及成本低的优点。

应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。

结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。

附图说明

附图不表示按照真实参照物比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：

图1所示为本发明公开的MEMS微热板式气体传感器的俯视示意图；

图2所示为本发明公开的MEMS微热板式气体传感器沿图1中A-A’的剖面示意图；

图3所示为本发明公开的MEMS微热板式气体传感器制备方法步骤1)结构对应的侧面结构示意图；

图4所示为本发明公开的MEMS微热板式气体传感器制备方法步骤1)结构对应的平面结构示意图；

图5所示为本发明公开的MEMS微热板式气体传感器制备方法步骤2)制得第一钝化层结构对应的侧面结构示意图；

图6所示为本发明公开的MEMS微热板式气体传感器制备方法步骤2)制得第一钝化层结构对应的平面结构示意图；

图7所示为本发明公开的MEMS微热板式气体传感器制备方法步骤2)制得第二钝化层结构对应的侧面结构示意图；

图8所示为本发明公开的MEMS微热板式气体传感器制备方法步骤2)制得第二钝化层结构对应的侧面结构示意图；

图9所示为本发明公开的MEMS微热板式气体传感器制备方法步骤3)制得第一金属层作为第一粘附层结构对应的平面结构示意图；

图10所示为本发明公开的MEMS微热板式气体传感器制备方法步骤3)制得第二金属层作为加热电极结构对应的侧面结构示意图；

图11所示为本发明公开的MEMS微热板式气体传感器制备方法步骤4)制得第一隔热绝缘层结构对应的侧面结构示意图；

图12所示为本发明公开的MEMS微热板式气体传感器制备方法步骤5)制得永磁薄膜层结构对应的侧面结构示意图；

图13所示为本发明公开的MEMS微热板式气体传感器制备方法步骤5)制得永磁薄膜层结构对应的平面结构示意图；

图14所示为本发明公开的MEMS微热板式气体传感器制备方法步骤6)制得第一传热绝缘层结构对应的侧面结构示意图；

图15所示为本发明公开的MEMS微热板式气体传感器制备方法步骤6)制得第一传热绝缘层结构对应的平面结构示意图；

图16所示为本发明公开的MEMS微热板式气体传感器制备方法步骤7)制得第三金属层作为热检测电极结构对应的侧面结构示意图；

图17所示为本发明公开的MEMS微热板式气体传感器制备方法步骤7)制得第三金属层作为热检测电极结构对应的侧面结构示意图；

图18所示为本发明公开的MEMS微热板式气体传感器制备方法步骤8)制得第二传热绝缘层结构对应的侧面结构示意图；

图19所示为本发明公开的MEMS微热板式气体传感器制备方法步骤8)制得第二传热绝缘层结构对应的平面结构示意图；

图20所示为本发明公开的MEMS微热板式气体传感器制备方法步骤9)制得第四金属层作为第二粘附层结构对应的侧面结构示意图；

图21所示为本发明公开的MEMS微热板式气体传感器制备方法步骤9)制得第五金属层作为气体检测电极结构对应的侧面结构示意图；

图22所示为本发明公开的MEMS微热板式气体传感器制备方法步骤9)制得第五金属层作为气体检测电极结构对应的平面结构示意图；

图23所示为本发明公开的MEMS微热板式气体传感器制备方法步骤10)制得气敏薄膜结构对应的侧面结构示意图；

图24所示为本发明公开的MEMS微热板式气体传感器制备方法步骤10)制得气敏薄膜结构对应的平面结构示意图；

图25所示为本发明公开的MEMS微热板式气体传感器制备方法步骤11)制得第二隔热绝缘层结构与图1对应的A-A’侧面结构示意图；

图26所示为本发明公开的MEMS微热板式气体传感器制备方法步骤11)制得第二隔热绝缘层结构对应的平面结构示意图；

图27所示为本发明公开的MEMS微热板式气体传感器制备方法步骤12)制得结构对应的侧面结构示意图；

图28所示为本发明公开的MEMS微热板式气体传感器制备方法步骤12)制得结构对应的平面结构示意图；

图中，各标记的具体意义为：

1衬底；2-支撑区；3-传感区；4-第一钝化层；5-第二钝化层；6-第一粘附区；7-加热电极；8-第一隔热绝缘层；9-永磁薄膜层；10-第一传热绝缘层；11-热检测电极；12-第二传热绝缘层；13-第二粘附区；14-气体检测电极；15-气敏薄膜；16-第二隔热绝缘层；17-第一引线；18-第二引线；19-第三引线；20-膜片结构。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。

本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一个”“一”或者“该”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件，并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。“上”“下”“左”“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

基于MEMS微热板式气体传感器采用传统测温方式，如使用探针接触待测区域或利用热电偶、热电阻的原理进行温度测量时，由于传感器尺寸小，测温精度低；同时，传统接触式测量会造成传感器温度分布的改变，引起微热板的传热效率下降；另外，由于气敏薄膜需要同待测气体接触，而现有测温结构需要触碰气敏薄膜进行测量，若长时间接触会占据气敏薄膜与待测气体反应界面的面积，导致反应效率的下降，短时间接触则无法对气体传感器反应温度进行动态的实时监测。因此，本发明提出一种具有热磁式测温结构的MEMS微热板式气体传感器及其制备方法，利用热磁式测温结构替换传统测温方式，无需与碰触气敏薄膜，在解决传统测温方式存在的问题的同时，能进一步提升传感器的精度和灵敏度。

下面结合附图所示的具体实施例，对本发明公开的具有热磁式测温结构的MEMS微热板式气体传感器及其制备方法作进一步具体介绍。

结合图1和图2所示，实施例公开的具有热磁式测温结构的MEMS微热板式气体传感器，包括衬底1和设置在所述衬底1上方的膜片结构20。

如图示，所述膜片结构20包括自下而上层叠设置的钝化层、加热电极7、永磁薄膜层9、第一传热绝缘层10、热检测电极11、第二传热绝缘层12、气体检测电极14和气敏薄膜15；其中，所述加热电极7用作热源，其产生的热流一路经所述钝化层向所述传感区3传递，另一路热流经所述第一传热绝缘层10、热检测电极11、第二传热绝缘层12向所述气敏薄膜15传递；所述气敏薄膜15接收热流升温至工作温度区间与待测气体发生化学反应后改变自身电阻，经所述气体检测电极14检测所述电阻并计算转换得到所述待测气体的浓度；所述永磁薄膜层9在所述MEMS微热板式气体传感器工作状态时产生磁场，所述热检测电极11基于能斯托效应将所述气敏薄膜15的反应温度变化转换为输出电压变化，进而实现实时监测所述气敏薄膜15的反应温度。

可选的，所述MEMS微热板式气体传感器应用过程中引起所述气敏薄膜15反应温度变化的原因包括但不限于传感器外界环境温度变化、加热电极的加热功率变化，以及气敏薄膜与待测气体不同化学反应进程导致的温度变化。

结合图3至图28所示，对上述具有热磁式测温结构的MEMS微热板式气体传感器的制备方法按步骤详细介绍如下。

1)选用硅片作为衬底基材，衬底基材上表面水平，其中部划分为十字结构的传感区3，所述传感区3外围划分为支撑区2，所述支撑区2设置为用于支撑所述十字结构的框架，图示中设置为矩形框架；

衬底的材料通常选用厚度为200～1000μm的单晶硅，图3中的衬底1选用的是厚度200m厚的N型(100)硅片经刻蚀后得到。所述传感区3为设置在所述衬底1上表面中部的十字结构，目的是为了为后续膜片结构20各层划区定位，在传感器中按照十字结构设置各层的目的是为了减少不必要的热传导，以减少功耗，提高响应时间。初始阶段，所述支撑区2和感应区3的作用在于为制作膜片结构20提供支撑，以及后续支撑区2为传感器各电极引线提供引出的空间。

2)通过光刻和低压力化学气相沉积法在支撑区2和传感区3上表面依次制备第一钝化层4和第二钝化层5；

第一钝化层4位于所述支撑区2和传感区3上表面，其平面结构对应于所述支撑区2的框架和所述传感区3的十字结构，如图5和图6所示；所述第一钝化层的材料为氮化硅，厚度为100～500nm，实施例中选择厚度200nm；

所述第二钝化层5位于所述第一钝化层4上表面，其平面结构对应于所述第一钝化层4的平面结构，如图7所示；所述第二钝化层的材料为二氧化硅，厚度为100～500nm，实施例中选择厚度200nm。

3)通过光刻和磁控溅射在第二钝化层5上表面制备第一金属层和第二金属层，作为第一粘附区6和加热电极7，即所述加热电极7通过第一粘附区6固设在所述第二钝化层5上表面；

实施例中，第一金属层为厚度100nm的金属钛层，其在第二钝化层5上表面形成，作为第一粘附区6；第二金属层为厚度200nm的第一金属铂层，其在第一粘附区6上表面形成，构成加热电极7；加热电极7的平面结构对应于所述传感区3十字结构的横向两臂和中央位置；所述加热电极对应于所述十字结构中央的部分平面结构的形状设置为蛇形结构，所述蛇形结构的波峰和波谷向所述十字结构的纵向两臂方向延伸，如图10所示；实施例中，第一粘附区6的平面结构和加热电极7平面结构相同，如图8和图9所示。

加热电极7作为热源，充当所述MEMS微热板式气体传感器微热板的主要结构，提供所述气敏薄膜15与待测气体反应所需的最佳工作温度。另外，加热电极7中部平面形状设计为致密分布的蛇形结构，目的旨在于增大加热电阻和受热面积，提高加热效率，同时实现均匀的传热。

为了是保持对加热电极7的隔热效果，减小各平面之间的热传导，减少不必要的热量损耗；膜片结构20还包括第一隔热绝缘层8，第一隔热绝缘层8还可同时作为支撑结构，避免所述第一粘附区6和加热电极7的蛇形结构因为受热导致的变形。故步骤3)完成加热电极7制备后，即制备第一隔热绝缘层8。

4)通过光刻和低压力化学气相沉积法在第二钝化层5上表面和加热电极7四周制备第一隔热绝缘层8；

基于加热电极7采用第一粘附区6固设在第二钝化层5表面，第一隔热绝缘层8同时沉积在第一粘附区6周围；实施例中，第一隔热绝缘层8为厚度300nm的二氧化硅层，其上表面平齐于所述加热电极7的上表面，并且其位于所述第一粘附区6和加热电极7周围的部分充分填充所述蛇形结构的空隙，如图11所示。

5)通过光刻和磁控溅射在加热电极7与第一隔热绝缘层8的上表面制备合金层，作为永磁薄膜层9；

所述永磁薄膜层9设置在所述加热电极7与第一隔热绝缘层8的上表面，其平面结构对应于所述传感区3十字结构的四条延伸臂上方；所述永磁薄膜层9同于提供能斯托效应所需的磁场，可由FePt、CoPt、CoNiMnP或Sr铁氧体构成，厚度为1～5um；附图中，所述永磁薄膜层9由厚度2um的钴铂合金构成，具体位置如图12和图13所示。

6)通过光刻和等离子体增强化学气相沉积法在加热电极7、第一隔热绝缘层8、永磁薄膜层9上表面制备第一传热绝缘层10；

所述第一传热绝缘层10的上表面水平，其底部设置在所述加热电极7、第一隔热绝缘层8和永磁薄膜层9的上表面；示例中，所述第一传热绝缘层的平面结构对应于所述传感区3的十字结构，厚度为2.1～2.2um，材质为氮化铝，如图14和图15所示；所述第一传热绝缘层10在传感器中一方面用于传递加热电极7产生的热量，产生水平的热流从而能更均匀地加热，另一方面用于形成电气隔离。

7)通过光刻和磁控溅射在第一传热绝缘层10上表面制备第三金属层，作为热检测电极11；

实施例中，所述第三金属层为厚度1um的金属铜层，以设置所述第一传热绝缘层10上表面的金属铜层作为所述热检测电极11。所述热检测电极11的平面结构对应于所述传感区3的十字结构，并且所述热检测电极平面结构上四条延伸臂的末端分别预设有用于所述加热电极的电极引出空间，如图16和图17所示；所述第一传热绝缘层10还用于使所述加热电极7和所述热检测电极11之间形成电气隔离。

传感器工作时，所述永磁薄膜层9产生垂直通过所述热检测电极11的磁场，所述热检测电极11上存在沿其中心向所述十字结构四臂传输的热流，进而基于所述能斯托效应，那所述热检测电极11上与热流方向垂直的两侧即产生电动势。并且，因为热检测电极的十字结构上形成了四个方向的热流，理论上可以产生四个感应电动势；通过电路的合理设计，可以增大检测电压的输出值；进而可以通过各条支路感应电势的相互修正，实现更精确的温度测量。

因此，当所述加热电极7的加热功率发生变化，或者外部环境温度发生变化，都会在所述热检测电极11产生新的热流，从而实现实时地检测反应温度。

另外，在传感器应用时，可根据所述热检测电极11的输出电压，选用适宜的算法可求解相应微分方程，获取整个传热层的温度分布情况；从而可以根据实测温度调节所述加热电极7的加热功率，提高传感器的精度，降低传感器的功耗。

8)通过光刻和等离子体增强化学气相沉积法在第一传热绝缘层10和热检测电极11上表面制备第二传热绝缘层12；

所述第二传热绝缘层12的上表面水平，其底部设置在所述第一传热绝缘层10和热检测电极11上表面；所述第二传热绝缘层12的厚度为100～300nm，其平面结构对应于所述传感区3的十字结构；示例中，以氮化铝沉积制备厚度为100nm的所述第二传热绝缘层12，具体如图18和图19所示。

9)通过光刻和磁控溅射在第二传热绝缘层上表面制备第四金属层和第五金属层，作为第二粘附区和气体检测电极，即所述气体检测电极通过第二粘附区固设在所述第二传热绝缘层上表面；

实施例中，第四金属层为厚度100nm的金属钛层，其在第二传热绝缘层12上表面形成，作为第二粘附区13，如图20所示；第五金属层为在第二粘附区13上表面形成的厚度200nm的第二金属铂层，第二金属铂层构成气体检测电极14；即气体检测电极14采用第二粘附区13固设在第二传热绝缘层12上表面；气体检测电极14的平面结构对应于所述传感区3十字结构的纵向两臂和中央位置，如图21和图22所示，所述气体检测电极14对应于所述十字结构中央的部分平面结构的形状设置为梳齿结构，所述梳齿结构沿所述十字结构的横向两臂方向相向交错；所述第二传热绝缘层12用于使所述热检测电极11和所述气体检测电极14之间形成电气隔离，所述气体检测电极14用于检测所述气敏薄膜15不同区域的电学量，即电阻值，一定程度上排除区域反应不均匀的情况，提高气体传感器的精度。实施例中，第二粘附区13的平面结构和气体检测电极14平面结构相同。

10)通过光刻和旋涂在气体检测电极14上表面制备一层气敏薄膜15，如图23和图24所示，气敏薄膜15的平面结构对应于所述气体检测电极14的平面结构；气敏薄膜15的具体材料和厚度由待测气体决定，如若待测气体为乙醇气体，可选用掺杂Pt的SnO₂，厚度为5um。

为了形成加热电极7、热检测电极11、气体检测电极14之间的电气隔离，同时形成第一传热绝缘层10与外界的热量隔离，膜片结构20还设置了第二隔热绝缘层16；故步骤10)完成气敏薄膜15制备后，即制备第二隔热绝缘层16。

11)通过光刻和多次低压力化学气相沉积法在第一隔热绝缘层8、第二传热绝缘层12上表面，以及所述气体检测电极14周围制备第二隔热绝缘层16；基于所述气体检测电极14通过第二粘附区13固设在第二传热绝缘层12上表面，所以第二隔热绝缘层16制备时，也同步沉积在第二粘附区13周围，并且其位于所述第二粘附区13和气体检测电极14周围的部分充分填充所述梳齿结构的空隙。

如图25和图26所示，所述第二隔热绝缘层16上表面平齐于所述气敏薄膜15的上表面，并且所述第二隔热绝缘层16的平面结构对应于所述支撑区2和所述传感区3的十字结构；示例中，所述第二隔热绝缘层16厚度为100nm，材料为二氧化硅。

为了实现膜片结构20整体的电连接，膜片结构20还包括第一引线17、第二引线18和第三引线19，故在第二隔热绝缘层16制备完成后，向结构中引入引线。

12)通过光刻和干法刻蚀所述第一隔热绝缘层8和第二隔热绝缘层16，在所述膜片结构20上制备第一引线区、第二引线区和第三引线区，各引线出暴露对应的电极；将通过激光脉冲沉积制备的第一引线17、第二引线18和第三引线19分别置于对应的引线区，实现电气连接；实施例中，第一引线17、第二引线18和第三引线19的尺寸为适配对应引线区尺寸的金属铜条，具体如图27和图28所示；所述第一引线17位于所述第一隔热绝缘层8、第二隔热绝缘层16内，与所述加热电极7形成电气连接，其厚度为所述加热电极7底面至所述膜片结构20上表面的距离；所述第二引线18位于所述第二隔热绝缘层16内，与所述热检测电极11形成电气连接，其厚度为所述热检测电极11底面至所述膜片结构20上表面的距离；所述第三引线19位于所述第二隔热绝缘层16内，与所述气体检测电极14形成电气连接，其厚度为所述气体检测电极14底面至所述膜片结构20上表面的距离。

13)通过光刻和干法刻蚀，刻蚀衬底1背面，仅保留支撑区2对应的矩形框架构成衬底1，形成膜片结构20，完成传感器制备；终产品的平面结构即如图1所示，图2为沿图1中A-A’方向剖面示意，设置在衬底1上表面的膜片结构20以第一钝化层4中部的十字结构为底。

本发明上述实施例公开的具有热磁式测温结构的MEMS微热板式气体传感器，工作原理如下：

所述膜片结构20的第一传热绝缘层10、热检测电极11、第二传热绝缘层12构成MEMS微热板式气体传感器的传热层，传热层整体为十字结构；加热电极7作为热源，其产生的热流自十字结构的中心开始，一方面沿着十字臂流动，另一方面向上流向气敏薄膜15，使气敏薄膜升温。膜片结构20中加热电极7、第一传热绝缘层10、第二传热绝缘层12、气体检测电极14和气敏薄膜15共同构成了MEMS微热板式气体传感器的气体检测结构；当加热电极(7)将气敏薄膜15加热到适宜的工作温度区间，气敏薄膜15与待测气体发生化学反应从而改变气敏薄膜15的电阻，通过气体检测电极(14)读出阻值，并通过相应算法转换得到待测气体相应物理量，即浓度。膜片结构20中加热电极(7)、永磁薄膜层(9)和传热层共同构成了MEMS微热板式气体传感器的温度检测结构；当永磁薄膜层(9)产生垂直传热层的磁场，基于能斯托效应，将在热检测电极(11)的两边产生电动势通过相应算法便可得到整个传热层的温度分布，从而实现温度的精确测量；只要气敏薄膜15反应温度发生变化(如低温环境下的气体接触)，就会在传热层形成热流，继而可以实时测量出气敏薄膜15的反应温度；再通过修正加热功率，可进一步提高气体传感器的精度。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (12)

1.一种具有热磁式测温结构的MEMS微热板式气体传感器，其特征在于，包括衬底和设置在所述衬底上方的膜片结构；所述衬底的中部划分为十字结构的传感区；

所述膜片结构包括自下而上层叠设置的钝化层、加热电极、永磁薄膜层、第一传热绝缘层、热检测电极、第二传热绝缘层、气体检测电极和气敏薄膜；所述加热电极用作热源，其产生的热流一路经所述钝化层向所述传感区传递，另一路热流经所述第一传热绝缘层、热检测电极、第二传热绝缘层向所述气敏薄膜传递；所述气敏薄膜接收热流升温至工作温度区间与待测气体发生化学反应后改变自身电阻，经所述气体检测电极检测并转换为所述待测气体的浓度；所述永磁薄膜层在所述MEMS微热板式气体传感器工作状态时产生磁场，所述热检测电极基于能斯托效应将所述气敏薄膜的反应温度变化转换为输出电压变化，进而实现实时监测所述气敏薄膜的反应温度。

2.根据权利要求1所述的具有热磁式测温结构的MEMS微热板式气体传感器，其特征在于，所述钝化层设置在所述衬底上，所述钝化层的中部水平设置为十字结构，所述钝化层的外沿周圈设置为用于支撑所述十字结构的框架；

所述加热电极固设在所述钝化层上表面，其平面结构对应于所述十字结构的横向两臂和中央位置；所述加热电极对应于所述十字结构中央的部分平面结构的形状设置为蛇形结构，所述蛇形结构的波峰和波谷向所述十字结构的纵向两臂方向延伸。

3.根据权利要求2所述的具有热磁式测温结构的MEMS微热板式气体传感器，其特征在于，所述膜片结构还包括第一隔热绝缘层；

所述第一隔热绝缘层位于所述钝化层的上表面和所述加热电极的周围，其上表面平齐于所述加热电极的上表面，并且其位于所述加热电极周围的部分充分填充所述蛇形结构的空隙。

4.根据权利要求3所述的具有热磁式测温结构的MEMS微热板式气体传感器，其特征在于，所述永磁薄膜层设置在所述加热电极与第一隔热绝缘层的上表面，其平面结构对应于所述十字结构的四条延伸臂上方；所述永磁薄膜层由FePt、CoPt、CoNiMnP或Sr铁氧体构成，厚度为1～5um。

5.根据权利要求4所述的具有热磁式测温结构的MEMS微热板式气体传感器，其特征在于，所述第一传热绝缘层的上表面水平，其底部设置在所述加热电极、第一隔热绝缘层和永磁薄膜层的上表面；所述第一传热绝缘层的厚度为2.1～2.2um，其平面结构对应于所述十字结构；所述第一传热绝缘层用于在传递热量的同时，产生水平的热流。

6.根据权利要求5所述的具有热磁式测温结构的MEMS微热板式气体传感器，其特征在于，所述热检测电极设置所述第一传热绝缘层上表面；所述热检测电极其平面结构对应于所述十字结构；

所述热检测电极平面结构上四条延伸臂的末端分别预设有用于所述加热电极的电极引出空间；

所述永磁薄膜层用于产生垂直通过所述热检测电极的磁场，所述热检测电极上存在沿其中心向所述十字结构四臂传输的热流，进而基于所述能斯托效应，所述热检测电极上与热流方向垂直的两侧产生电动势；

所述第一传热绝缘层用于使所述加热电极和所述热检测电极之间形成电气隔离。

7.根据权利要求6所述的具有热磁式测温结构的MEMS微热板式气体传感器，其特征在于，所述第二传热绝缘层的上表面水平，其底部设置在所述第一传热绝缘层和热检测电极上表面；所述第二传热绝缘层的厚度为100～300nm，其平面结构对应于所述十字结构。

8.根据权利要求7所述的具有热磁式测温结构的MEMS微热板式气体传感器，其特征在于，所述气体检测电极固设在所述第二传热绝缘层上表面，其平面结构对应于所述十字结构的纵向两臂和中央位置；所述气体检测电极对应于所述十字结构中央的部分平面结构的形状设置为梳齿结构，所述梳齿结构沿所述十字结构的横向两臂方向相向交错，用于检测所述气敏薄膜不同区域的电学量；

所述气敏薄膜位于所述气体检测电极的上方，其平面结构对应于所述气体检测电极；

所述第二传热绝缘层用于使所述热检测电极和所述气体检测电极之间形成电气隔离。

9.根据权利要求8所述的具有热磁式测温结构的MEMS微热板式气体传感器，其特征在于，所述膜片结构还包括第二隔热绝缘层；

所述第二隔热绝缘层位于所述第一隔热绝缘层、所述第二传热绝缘层上，其上表面平齐于所述气敏薄膜的上表面，并且所述第二隔热绝缘层的平面结构对应于所述框架和所述十字结构；所述第二隔热绝缘层用于在所述加热电极、热检测电极、气体检测电极之间形成电气隔离，并用于同时形成所述第二传热绝缘层与外界的热量隔离。

10.根据权利要求9所述的具有热磁式测温结构的MEMS微热板式气体传感器，其特征在于，所述膜片结构还包括第一引线、第二引线和第三引线；

所述第一引线位于所述第一隔热绝缘层、第二隔热绝缘层内，与所述加热电极形成电气连接，其厚度为所述加热电极底面至所述膜片结构上表面的距离；

所述第二引线位于所述第二隔热绝缘层内，与所述热检测电极形成电气连接，其厚度为所述热检测电极底面至所述膜片结构上表面的距离；

所述第三引线位于所述第二隔热绝缘层内，与所述气体检测电极形成电气连接，其厚度为所述气体检测电极底面至所述膜片结构上表面的距离。

11.根据权利要求2所述的具有热磁式测温结构的MEMS微热板式气体传感器，其特征在于，所述钝化层包括第一钝化层和第二钝化层；

所述第一钝化层位于所述衬底上表面，其平面结构包括位于中部的所述十字结构和支撑所述十字结构的框架；所述第一钝化层的材料为氮化硅，厚度为100～500nm；

所述第二钝化层位于所述第一钝化层上表面，其平面结构对应于所述第一钝化层的平面结构；所述第二钝化层的材料为二氧化硅，厚度为100～500nm。

12.根据权利要求1-11任一项所述的具有热磁式测温结构的MEMS微热板式气体传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)选用硅片作为衬底基材，衬底基材上表面水平，其中部划分为十字结构的传感区，所述传感区外围划分为支撑区，所述支撑区设置为用于支撑所述十字结构的框架；

2)通过光刻和低压力化学气相沉积法在支撑区和传感区上表面依次制备第一钝化层和第二钝化层；

3)通过光刻和磁控溅射在第二钝化层上表面制备第一金属层和第二金属层，作为第一粘附区和加热电极，即所述加热电极通过第一粘附区固设在所述第二钝化层上表面；

4)通过光刻和低压力化学气相沉积法在第二钝化层上表面和加热电极四周制备第一隔热绝缘层；

5)通过光刻和磁控溅射在加热电极与第一隔热绝缘层的上表面制备合金层，作为永磁薄膜层；

6)通过光刻和等离子体增强化学气相沉积法在加热电极、第一隔热绝缘层、永磁薄膜层上表面制备第一传热绝缘层；

7)通过光刻和磁控溅射在第一传热绝缘层上表面制备第三金属层，作为热检测电极；

8)通过光刻和等离子体增强化学气相沉积法在第一传热绝缘层和热检测电极上表面制备第二传热绝缘层；

9)通过光刻和磁控溅射在第二传热绝缘层上表面制备第四金属层和第五金属层，作为第二粘附区和气体检测电极，即所述气体检测电极通过第二粘附区固设在所述第二传热绝缘层上表面；

10)通过光刻和旋涂在气体检测电极上表面制备一层气敏薄膜；

11)通过光刻和多次低压力化学气相沉积法在第一隔热绝缘层、第二传热绝缘层上表面，以及所述气体检测电极周围制备第二隔热绝缘层；

12)通过光刻和干法刻蚀所述第一隔热绝缘层和第二隔热绝缘层，在所述膜片结构上制备第一引线区、第二引线区和第三引线区；将通过激光脉冲沉积制备的第一引线、第二引线和第三引线分别置于对应的引线区，实现电气连接；

13)通过光刻和干法刻蚀，刻蚀衬底基材背面，仅保留支撑区对应的框架构成衬底，形成膜片结构，完成传感器制备。