一文了解MEMS气体传感器

一文了解MEMS气体传感器

气体传感器MEMS部分


瑞士MicroChemical Systems SA早期的MiCS系列一氧化碳传感器,该实施方案在多晶硅电阻加热器上集成了氧化锡薄膜传感电阻器。加热器的作用是将传感器保持在100°至450°C之间的工作温度,从而减少湿度的有害影响。


检测电阻器和加热器位于2μm厚的硅膜上,以最大限度地减少通过基板的热损失。总共有四个电触点:两个连接到氧化锡电阻器,另外两个连接到多晶硅加热器。对于加热器,仅47mW就足以将膜维持在400°C。对于检测电阻器,测量电阻的最简单方法是让恒定电流流过传感元件并记录输出电压。


气体传感器MEMS工艺


以一氧化碳传感器为例,公开文献中存在类似设备的说明。一个简单的工艺:

首先通过外延生长或离子注入和退火形成重掺杂、p型、2μm厚的硅层。随后沉积氮化硅层。

化学气相沉积(CVD)步骤提供了多晶硅薄膜,随后将其图案化并蚀刻成加热器的形状。

多晶硅薄膜可以在CVD工艺期间原位掺杂,也可以通过离子注入和随后的退火进行掺杂。

然后沉积氧化层并在其中蚀刻接触孔。该层的目的是将多晶硅加热器与氧化锡传感元件电隔离。

氧化锡层是通过溅射锡并在大约400°C的温度下氧化而沉积的。另一种沉积工艺是溶胶-凝胶,从锡基有机前体开始,并通过在高温下烧制来固化。

使用标准光刻对氧化锡层进行图案化并蚀刻成传感元件的形状。溅射和图案化的铝提供接触金属化。

最后,从背面用氢氧化钾或EDP进行蚀刻,在重掺杂的p型表面硅层上停止,形成薄膜。

当然,衬底背面的掩模层(例如氮化硅)和正面的保护是必要的。还可以蚀刻所有硅并在氮化硅层停止,以进一步增加热隔离并提高传感器的性能。


气体传感器结构


MEMS气体传感器的基本结构通常由三部分组成:MEMS芯片、ASIC芯片、和封装。

MEMS部件,前面已经提及,通常利用压阻效应或电容效应等原理来检测气体。由于其脆弱性,传感器芯片通常采用有盖封装设计,以保护其免受外部干扰和损坏。 这种封闭式封装涉及将传感器芯片密封在有盖的金属或陶瓷盒中,并通过多个引脚将其连接到外部电路。

ASIC芯片作为MEMS气体传感器的控制中心,主要用于控制传感器的工作状态和信号处理。 工作状态主要是加热及时序控制,而信号处理涉及模拟电路、数字电路和微处理器模块,可以对ADC进行放大、滤波、转换,并对传感器的数字信号进行处理,从而增强其精度和稳定性。

两者通过封装的方式结合在一个器件之中。