MEMS气体传感器芯片、传感器及传感器的制备方法

摘要

本发明涉及一种MEMS气体传感器芯片、传感器及传感器的制备方法，属于气体检测技术领域，解决了现有技术价格昂贵、响应时间长、环境稳定性差的问题。MEMS气体传感器芯片包括气体敏感单元、温度敏感单元、敏感结构衬底和温度控制单元。MEMS气体传感器，包括MEMS气体传感器芯片和控制电路；控制电路又包括微控制器、N型MOSFET、P型MOSFET、正负电源。微控制器对温度敏感单元采集的实际温度与预设温度进行比较，根据比较结果输出控制信号，控制N型MOSFET和P型MOSFET的通断，进而控制流经温度控制单元的电流方向和大小，改变敏感结构衬底表面的温度。本发明MEMS气体传感器操作简单、通用性强，可同时测量多种气体的浓度，节省了成本，而且响应时间短、环境稳定性好。

权利要求

1.一种MEMS气体传感器芯片，其特征在于，包括气体敏感单元、温度敏感单元、敏感结构衬底和温度控制单元；

所述气体敏感单元和温度敏感单元处于同层，二者分别设置于所述敏感结构衬底的上方，且二者底面与所述敏感结构衬底的上表面直接接触；

所述温度控制单元设置于所述敏感结构衬底的下方，用于控制敏感结构衬底表面的温度；

所述温度控制单元的长度和宽度大于所述敏感结构衬底的长度和宽度。

2.根据权利要求1所述的MEMS气体传感器芯片，其特征在于，所述气体敏感单元，包括金属电极和气体敏感薄膜；所述气体敏感薄膜覆盖在所述金属电极表面；

所述气体敏感单元，用于将所处环境氛围中特定气体成分的浓度变化转换成自身电阻的变化；

所述温度敏感单元，包括至少一组金属折线型结构，用于将所处环境温度的变化转换成自身电阻的变化。

3.根据权利要求2所述的MEMS气体传感器芯片，其特征在于，所述金属电极为互补对称的梳齿型结构，所述梳齿型结构的叉指宽度为5-30μm，叉指间距为5-30μm，金属电极厚度为

1000-2000A；

所述温度敏感单元采用铂材料，其电阻与金属折线型结构的折线长度成正比，与折线截面宽度和厚度成反比。

4.根据权利要求1-3之一所述的MEMS气体传感器芯片，其特征在于，所述温度控制单元为由半导体材料制成的基于帕尔贴效应的平板型结构，包括上层N型半导体和下层P型半导体，所述上层N型半导体和下层P型半导体直接连接；所述温度控制单元的厚度为1000μm左右；

所述上层N型半导体的上表面通过胶状硅脂与敏感结构衬底的底面进行连接。

5.根据权利要求4所述的MEMS气体传感器芯片，其特征在于，所述敏感结构衬底的厚度为200μm左右，所述气体敏感单元和温度敏感单元的距离为100μm左右。

6.一种MEMS气体传感器，其特征在于，包括权利要求1-5之一所述MEMS气体传感器芯片，以及控制电路；

所述控制电路的输入端接收两路输入信号，一路为温度敏感单元输出的测量温度，另一路为预设温度；所述控制电路对所述两路输入信号进行比较，根据比较结果输出控制信号；所述控制信号通过控制流经所述温度控制单元的电流方向和大小，改变敏感结构衬底表面的温度。

7.根据权利要求6所述的MEMS气体传感器，其特征在于，所述控制电路包括微控制器、N型MOSFET、P型MOSFET、正负电源；

所述微控制器的输入端接收所述两路输入信号，所述微控制器的输出端分别与所述N型MOSFET和P型MOSFET的栅极相连，利用所述两路输入信号的温度偏差结果控制所述N型MOSFET和P型MOSFET的通断；

所述N型MOSFET的源极与所述P型MOSFET的源极相连；所述N型MOSFET的漏极接正电源，所述P型MOSFET的漏极接负电源；

所述温度控制单元的一个电气接口分别与所述N型MOSFET的源极和所述P型MOSFET的漏极相连，另一个电气接口直接接地。

8.一种制备权利要求6或7所述的MEMS气体传感器的方法，其特征在于，包括如下步骤：对半导体晶圆进行清洗后，通过热氧化工艺在半导体晶圆表面生长一层氧化层；

在所述氧化层表面制备气体敏感单元；

在所述氧化层表面制备温度敏感单元；

对所述半导体晶圆进行减薄；

对所述半导体晶圆进行划片，形成敏感结构衬底，所述敏感结构衬底上包括气体敏感单元和温度敏感单元的完整结构；

制备平板形态的温度控制单元；

将所述敏感结构衬底和所述温度控制单元通过导热硅脂进行接合，得到MEMS气体传感器芯片；

搭建控制电路，将所述MEMS气体传感器芯片接入所述控制电路，得到所述MEMS气体传感器。

9.根据权利要求8所述的MEMS气体传感器的制备方法，其特征在于，在所述氧化层表面制备气体敏感单元的步骤包括，采用溅射工艺在氧化层表面生成镍单质层；

采用溅射工艺在所述镍单质层上生成金单质层；

采用光刻工艺将气体敏感单元中的金属电极二维图形转移到所述金单质层表面；

通过腐蚀工艺去除多余的金属材料和光刻胶，形成金属电极；

将针对特定气体的敏感材料与有机溶剂溶解后，通过旋涂工艺在金属电极之上制备气体敏感薄膜。

10.根据权利要求8或9所述的MEMS气体传感器的制备方法，其特征在于，在所述氧化层表面制备温度敏感单元的步骤包括，在所述氧化层上通过溅射工艺生成铂单质层；

通过光刻工艺将温度敏感单元的二维结构转移到所述铂单质层表面；

通过腐蚀工艺去除多余的金属材料和光刻胶，形成折线型的铂金属结构。

说明书

MEMS气体传感器芯片、传感器及传感器的制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及气体检测技术领域，尤其涉及一种MEMS气体传感器芯片、传感器及传感器的制备方法。

背景技术

[0002] 气体检测作为一种重要的环境参数获取手段，在大气污染物防治、工业有害气体监测、物联网等领域具有较高的应用价值。当前针对气体的检测主要通过气体传感器实现，常用的气体传感器按照工作原理和自身结构可分为电化学型、金属氧化物型、接触燃烧型、半导体型和MEMS气体传感器等。

[0003] MEMS气体传感器由于体积小、成本低、结构简单，近些年来受到了广泛的关注。但现有MEMS气体传感器的敏感结构受环境应力的影响较大，性能较低，且长期使用中稳定性(尤其是对温度的适应性，其是传感器稳定性中一个最重要的指标)较差，因此无法完全满足恶劣环境中气体检测的相关需求。

[0004] 国内外研究中，采用的提高MEMS气体传感器性能的主要途径是改善气体敏感材料的特异性和增加气体敏感结构与气体的接触面积等，但提高气体敏感材料的特异性只适用于部分气体的检测，而增加敏感结构与气体的接触面积则会带来自身复杂性、成本和微加工实现难度的提高。当前缺少一种在不增加结构复杂度的前提下，改善MEMS气体敏感结构性能的技术途径。

发明内容

[0005] 鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种MEMS气体传感器芯片、传感器及传感器的制备方法，用以解决现有技术价格昂贵、响应时间长、环境稳定性差的问题。

[0006] 本发明实施例提供了一种MEMS气体传感器芯片，包括气体敏感单元、温度敏感单元、敏感结构衬底和温度控制单元；

[0007] 所述气体敏感单元和温度敏感单元处于同层，二者分别设置于所述敏感结构衬底的上方，且二者底面与所述敏感结构衬底的上表面直接接触；

[0008] 所述温度控制单元设置于所述敏感结构衬底的下方，用于控制敏感结构衬底表面的温度。

[0009] 上述技术方案的有益效果如下：本发明的敏感结构衬底具有良好的导热性能，温度敏感单元用来采集MEMS气体传感器芯片所处的环境温度，当测得环境温度高于预设温度时，温度控制单元对敏感结构衬底进行降温，反之进行升温。温度控制单元基于帕尔贴效应，能够实现热量的快速传递以及较低的稳态温差，使气体敏感单元始终工作在恒温环境中，消除或减弱了了环境温度对MEMS气体传感器芯片的影响，因此响应时间短、环境稳定性好。而且，本发明可以通过在敏感结构衬底或者封装内设置多个气体敏感单元实现同时对多种气体浓度的检测，与直接采用多种针对不同气体的现有分立式气体传感器相比，降低了成本。

[0010] 基于上述方法的另一个实施例中，MEMS气体传感器芯片中，所述气体敏感单元包括金属电极和气体敏感薄膜；所述气体敏感薄膜覆盖在所述金属电极表面；

[0011] 所述气体敏感单元，用于将所处环境氛围中特定气体成分的的浓度变化转换成自身电阻的变化；

[0012] 所述温度敏感单元，包括至少一组金属折线型结构，用于将所处环境温度的变化转换成自身电阻的变化。

[0013] 采用上述技术方案的有益效果是：本发明气体敏感单元和温度敏感单元为全静态结构，不存在可动部件，因此具有较高的可靠性。上述方案可实现较小的金属电极厚度和气敏薄膜厚度，气体分子易于深入气敏薄膜内部，从而改变气体敏感单元的导电性，因此有利于提高对目标气体的灵敏度。而且，本发明气体敏感单元和温度敏感单元结构简单，加工工艺容易实现，稳定性好。

[0014] 进一步，所述金属电极为互补对称的梳齿型结构，所述梳齿型结构的叉指宽度为5-30μm，叉指间距为5-30μm，金属电极厚度为1000-2000A；

[0015] 所述温度敏感单元采用铂材料，其电阻与金属折线型结构的折线长度成正比，与折线截面宽度和厚度成反比。

[0016] 采用上述进一步方案的有益效果是：铂本身具有良好的环境稳定性，且其电阻率在较大温度范围内的线性度一般较好，因此温度敏感单元的温度检测精度较高。而且，温度敏感单元的制备工艺与气体敏感单元中的金属电极制备工艺可以都采用磁控溅射工艺制备，即可在同一工艺过程中完成气体敏感单元金属电极和温度敏感单元的制备，因此有利于降低整个MEMS气体传感器的制造成本。由于温度敏感单元的电阻与其结构尺寸有固定关系，因此可以通过改变折线尺寸参数，在一定范围内调节温度敏感单元的电阻值。

[0017] 进一步，所述温度控制单元为由半导体材料制成的基于帕尔贴效应的平板型结构，包括上层N型半导体和下层P型半导体，所述上层N型半导体和下层P型半导体直接连接；所述温度控制单元的长度和宽度大于敏感结构衬底的长度和宽度，其厚度为1000μm左右；

[0018] 所述上层N型半导体的上表面通过胶状硅脂与敏感结构衬底的底面进行连接。

[0019] 采用上述进一步方案的有益效果是：温度控制单元为mm级，其温度响应速度为ms级，并且气体敏感单元和温度敏感单元尺寸均为um至mm级，因此温度控制单元与气体敏感单元及温度敏感单元之间的热量传递过程具有传递路径短、平衡速度快等特点。

[0020] 进一步，所述敏感结构衬底的厚度为200μm左右，所述气体敏感单元和温度敏感单元的距离为100μm左右。

[0021] 采用上述进一步方案的有益效果是：在保证传热效果的前提下，敏感结构衬底的厚度能够保证气体敏感单元和温度敏感单元各自与外界之间的电气绝缘性。而且，敏感结构衬底的厚度较薄，因此传热性能好。气体敏感单元和温度敏感单元之间不接触，有利于实现对气体敏感单元和温度敏感单元进行单独测试。距离为100μm左右能够较好地消除温度敏感单元对气体敏感单元的影响。

[0022] 本发明实施例还提供了一种MEMS气体传感器，包括上述MEMS气体传感器芯片，以及控制电路；

[0023] 所述控制电路的输入端接收两路输入信号，一路为温度敏感单元输出的测量温度，另一路为预设温度；所述控制电路对所述两路输入信号进行比较，根据比较结果输出控制信号；所述控制信号通过控制流经所述温度控制单元的电流方向和大小，改变敏感结构衬底表面的温度。

[0024] 采用上述方案的有益效果是：通过控制流经温度控制单元的电流方向和大小，只需采用单一的温度控制单元即可实现加热和致冷，即实现气体敏感单元和温度敏感单元的升温和降温。当预设温度低于温度敏感单元采集的温度时，控制信号使温度控制单元上表面的热量转移到下表面，因此可以降低上表面的温度，实现对MEMS气体传感器的降温。反之，实现升温。

[0025] 进一步，所述控制电路包括微控制器、N型MOSFET、P型MOSFET、正负电源；

[0026] 所述微控制器的输入端接收所述两路输入信号，所述微控制器的输出端分别与所述N型MOSFET和P型MOSFET的栅极相连，利用所述两路输入信号的温度偏差结果控制所述N型MOSFET和P型MOSFET的通断；

[0027] 所述N型MOSFET的源极与所述P型MOSFET的源极相连；所述N型MOSFET的漏极接正电源，所述P型MOSFET的漏极接负电源；

[0028] 所述温度控制单元的一个电气接口分别与所述N型MOSFET的源极和所述P型MOSFET的漏极相连，另一个电气接口直接接地。

[0029] 采用上述进一步方案的有益效果是：通过微控制器，对所述两路输入信号进行比较，根据比较结果输出控制信号；所述控制信号通过控制所述N型MOSFET和P型MOSFET的通断，进而控制流经所述温度控制单元的电流方向和大小，改变敏感结构衬底表面的温度，进而使气体敏感单元的温度以较快的速度稳定在预设温度周围。通过气体敏感单元温度的快速控制，可降低环境温度变化对气体敏感单元自身敏感性的影响，进而提高MEMS气体传感器的环境适应性和环境稳定性。

[0030] 本发明实施例还提供了一种制备上述MEMS气体传感器的方法，包括如下步骤：

[0031] 对半导体晶圆进行清洗后，通过热氧化工艺在半导体晶圆表面生长一层氧化层；

[0032] 在所述氧化层表面制备气体敏感单元；

[0033] 在所述氧化层表面制备温度敏感单元；

[0034] 对所述半导体晶圆进行减薄；

[0035] 对所述半导体晶圆进行划片，形成敏感结构衬底，所述敏感结构衬底上包括气体敏感单元和温度敏感单元的完整结构；

[0036] 制备平板形态的温度控制单元；

[0037] 将所述敏感结构衬底和所述温度控制单元通过导热硅脂进行接合，得到MEMS气体传感器芯片；

[0038] 搭建控制电路，将所述MEMS气体传感器芯片接入所述控制电路，得到所述MEMS气体传感器。

[0039] 采用上述方案的有益效果是：在芯片级尺寸的基础上，实现了气体敏感单元、温度敏感单元和温度控制单元的系统级集成，且可对气体敏感单元和温度敏感单元的温度随时进行控制与调节。而且，MEMS气体传感器的加工工艺为常用工艺，较容易实现，而且可以在氧化层表面制备针对不同气体的多个气体敏感单元和温度敏感单元。

[0040] 进一步，在所述氧化层表面制备气体敏感单元的步骤包括，

[0041] 采用溅射工艺在氧化层表面生成镍单质层；

[0042] 采用溅射工艺在所述镍单质层上生成金单质层；

[0043] 采用光刻工艺将气体敏感单元中的金属电极二维图形转移到所述金单质层表面；

[0044] 通过腐蚀工艺去除多余的金属材料和光刻胶，形成金属电极；

[0045] 将针对特定气体的敏感材料与有机溶剂溶解后，通过旋涂工艺在金属电极之上制备气体敏感薄膜。

[0046] 采用上述进一步方案的有益效果是：重复上述步骤，可以在敏感结构衬底上制成多个针对不同特定气体的气体敏感单元，实现同一个传感器对多种不同气体浓度的检测。

[0047] 在所述氧化层表面制备温度敏感单元的步骤包括，

[0048] 在所述氧化层上通过溅射工艺生成铂单质层；

[0049] 在通过光刻工艺将温度敏感单元的二维结构转移到所述铂单质层表面；

[0050] 通过腐蚀工艺去除多余的金属材料和光刻胶，形成折线型的铂金属结构。

[0051] 采用上述进一步方案的有益效果是：重复上述步骤，可以在敏感结构衬底上制成多个温度敏感单元，获取衬底表面的温度分布，可以更加准确地获取环境温度。温度敏感单元的作用是精确测量气体敏感单元所处的环境温度。

[0052] 本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

[0053] 附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

[0054] 图1为本发明实施例1MEMS气体传感器芯片结构示意图；

[0055] 图2为本发明实施例2MEMS气体传感器芯片结构示意图；

[0056] 图3为本发明实施例2气体敏感单元结构示意图；

[0057] 图4为本发明实施例2温度敏感单元结构示意图；

[0058] 图5为本发明实施例2温度控制单元的结构示意图；

[0059] 图6为本发明实施例3MEMS气体传感器组成示意图；

[0060] 图7为本发明实施例4MEMS气体传感器制备方法示意图；

[0061] 图8为本发明实施例4气体敏感单元的制备方法示意图；

[0062] 图9为本发明实施例4温度敏感单元的制备方法示意图；

[0063] 附图标记：

[0064] A,B-金属电极；L-气体敏感单元的长度；D-气体敏感单元的宽度；

[0065] d-相邻叉指的间距；w-叉指宽度；M1-N型MOSFET；M2-P型MOSFET；

[0066] V+-正电源，V--负电源，M,N-温度控制单元的接口。

具体实施方式

[0067] 下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

[0068] 实施例1

[0069] 如图1所示，本发明的一个具体实施例，公开了一种MEMS气体传感器芯片，包括气体敏感单元、温度敏感单元、敏感结构衬底和温度控制单元。

[0070] 所述气体敏感单元和温度敏感单元处于同层，二者分别设置于所述敏感结构衬底的上方，且二者底面与敏感结构衬底的上表面直接接触。

[0071] 温度控制单元设置于敏感结构衬底的下方，包括两个电气接口。温度控制单元用于控制敏感结构衬底表面的温度。

[0072] 实施时，温度控制单元的一个电气电气接口接地，另一个接控制信号。当温度敏感单元采集的实际温度高于传感器工作的预设温度时，温度控制单元进行降温，即温度控制单元上表面的热量转移至下表面，实现降温。当温度敏感单元采集的实际温度低于传感器工作的预设温度时，温度敏感单元产生热量，实现升温。

[0073] 与现有技术相比，本实施例提供的MEMS气体传感器芯片集成了温度控制单元和气体敏感结构，并且温度控制单元具有制冷/制热作用，控制通过温度控制单元的电流方向和大小，可有效并且快速地控制温度控制单元制冷/制热，即实现冷端与热端的快速转换，进而控制气体敏感结构的温度在预设温度周围，提高了MEMS气体传感器的环境适应性和环境稳定型。采用MEMS设计，使得热量传递过程短、平衡速度快、大批量生产成本低廉。

[0074] 实施例2

[0075] 如图2所示，在上述实施例的基础上进行优化，MEMS气体传感器还包括导热性较好的胶状硅脂，温度控制单元的上表面通过导热性较好的胶状硅脂与敏感结构衬底的底面相连，胶状硅脂层的厚度不超过50μm。导热性较好是指，导热硅脂的导热系数达到2.0W/(m*K)以上，工作环境温度范围在-40℃到200℃，其厚度一般为1-5mm，可通过涂抹过程来控制厚度。现有的CPU散热用导热硅脂一般可满足上述要求。

[0076] 优选地，敏感结构衬底上方可能有一个或多个气体敏感单元以及温度敏感单元，作为MEMS气体传感器的敏感结构，整个敏感结构只有一个敏感结构衬底。气体敏感单元和温度敏感单元的距离为100μm左右。

[0077] 气体敏感单元是一种自身物理特性与特定气体浓度相关的微米尺度结构，由金属电极和气体敏感薄膜两部分组成，气体敏感薄膜覆盖在金属电极表面。气体敏感单元能够将环境气氛中特定气体成分的浓度变化转换为自身导电特性(电阻)的变化。

[0078] 由于不同的气体敏感材料对不同的气体具有敏感性，例如金属酞菁化合物对NO2气体具有较高的敏感性，而SnO2对H2S气体具有较高的敏感性，通过制备多个基于不同气体的气体敏感薄膜(包含敏感材料)，形成多个气体敏感单元，可以实现对不同气体及其浓度的检测。

[0079] 气体敏感单元检测某种气体的原理中最典型的原理(本实施例所用原理)是：气体敏感薄膜与特定的气体(即目标气体)分子之间可发生吸附作用，在该过程中气体敏感薄膜材料分子与目标气体分子间存在电荷转移，因此在气体敏感薄膜内部相应形成了更高或更低浓度的电子/空穴。这种电荷转移过程随着目标气体分子逐步深入到气体敏感材料内部而逐渐变得更加显著，经过一段时间后，气体敏感薄膜的导电性可产生显著且定量的变化，通过检测气体敏感薄膜导电性的变化，即可实现对目标气体浓度的测量。

[0080] 气体敏感薄膜电阻与环境中目标气体浓度一般满足如下关系：

[0081]

[0082] 式中，R(t)表示t时刻的电阻值，R0表示环境中不存在目标气体时气体敏感薄膜的电阻值，KT表示温度系数，K表示气体敏感薄膜对目标气体的灵敏度，K越大，表示气体敏感薄膜对目标气体浓度变化越敏感，T表示气体敏感薄膜的时间常数，通常T为几秒或更大的值，Cgas表示目标气体浓度。

[0083] 当时间足够长，即t>>T时：

[0084] R(t)＝KTR0(1+KCgas)  (2)

[0085] 优选地，金属电极为A、B两组互补对称的梳齿型结构，如图3所示，每组包括多个叉指，叉指宽度w为5-30μm，叉指间距d为5-30μm，金属电极厚度为1000-2000A。整个气体敏感结构的长度L和宽度D范围为2000-8000μm。金属电极由导电性和环境稳定性好的金属材料制成，例如金。气体敏感薄膜覆盖在金属电极表面并深入到叉指间的空隙中，其厚度与金属电极层的厚度相近。气体敏感薄膜材料为自身导电性对特定气体敏感的物质与三氯甲烷等有机溶剂混合后形成的混合物。

[0086] 温度敏感单元是一种自身物理特性与其所处环境的温度相关的微米尺度结构，由一组或多组金属折线型结构组成，如图4所示，用于将所处环境温度的变化转换为自身电阻的变化。优选地，温度敏感单元采用电阻率温度特性稳定性好的铂金属材料制成，其电阻与金属折线型结构的折线长度成正比，与折线截面宽度和厚度成反比。因此，通过改变折线的尺寸参数，可在一定范围内调节温度敏感单元的电阻值。

[0087] 敏感结构衬底是由单晶硅等半导体材料的晶圆通过氧化和减薄等工艺形成的平面型结构，用于提供气体敏感单元和温度敏感单元的加工起点，为气体敏感单元和温度敏感单元提供机械支撑和结构互联，并且为整个敏感结构提供必要的电气绝缘性。优选地，敏感结构衬底的厚度为200μm左右。

[0088] 温度控制单元是一种由Bi2Te3等半导体材料制成的基于帕尔贴(Peltier)效应的平板型结构，如图5所示，包括N型半导体、P型半导体和陶瓷外壳。N型半导体材料与P型半导体材料采用掺杂工艺制成，二者直接连接，形成热电偶结构，该热电偶结构的外表面由陶瓷外壳进行整体封装。优选地，其长度和宽度大于敏感结构衬底的长度和宽度，其厚度为1000μm左右。当电流流经其内部时，可将其冷端的热量转移到热端，因此可实现对冷端的致冷功能。切换通过温度控制单元的电流的方向，即可相应地切换相应冷端和热端，即通过控制流经温度控制单元的电流的方向和大小，可实现对其某一表面的致冷与加热，改变该表面的温度。优选地，本实施例中，温度控制单元选用Miropelt公司的MPC-D404。

[0089] 实施时，温度控制单元用于维持MEMS气体传感器芯片的温度处于预设温度，即实现恒温，消除或减弱环境温度对MEMS气体传感器芯片的影响，提高MEMS气体传感器对环境温度的适应性。

[0090] 实施例3

[0091] 如图6所示，本实施例提供了一种MEMS气体传感器，包括MEMS气体传感器芯片和控制电路。控制电路包括微控制器、N型MOSFET、P型MOSFET、供电电源。

[0092] 微控制器的输入端接收两路输入信号，一路为温度敏感单元输出的测量温度，另一路为预设温度，由用户根据传感器工作需求设置。微控制器的输出端分别与N型MOSFET和P型MOSFET的栅极相连。

[0093] N型MOSFET的源极与P型MOSFET的源极相连；N型MOSFET的漏极接正电源，P型MOSFET的漏极接负电。

[0094] 温度控制单元的一个电气接口通过引线分别与N型MOSFET的源极和P型MOSFET的漏极相连，另一个电气接口直接接地。

[0095] 优选地，微控制器对两路输入信号进行比较，根据比较结果输出控制信号。控制信号通过控制N型MOSFET和P型MOSFET的通断，进而控制流经温度控制单元的电流的方向和大小，改变敏感结构衬底表面的温度。

[0096] MEMS气体传感器的温度控制实现过程为：温度控制单元通过接口M与外围的微控制器和双极型直流电源(V+、V-)相连，接口N直接接地，M1为N型MOSFET，M2为P型MOSFET。当微控制器输出的控制信号使M1导通时，由于M1和M2互补，此时M2截止，电流从接口M流向接口N，此时温度控制单元的上表面的热量转移至下表面，因此可降低上表面的温度。而当微控制器输出的控制信号使M2导通时，此时M1截止，电流从接口N流向接口M，此时温度控制单元下表面的热量转移至上表面，因此可增加上表面的温度。由于MOSFET的电压信号放大作用，流经接口M和接口N间的电流大小可由微控制器输出的控制信号控制，因此，微控制器既可以使温度控制单元上表面的温度升高，又可以使温度控制单元上表面的温度降低。

[0097] 此外，由于温度控制单元的上表面和敏感结构衬底之间通过导热性较好的硅脂连接在一起，因此温度控制单元上表面到气体敏感单元和温度敏感单元之间的热量传递过程的热阻较小，即气体敏感单元和温度敏感单元与温度控制单元上表面之间的温差较小。将温度敏感单元测量得到的温度(实际温度)作为反馈信号输入到微控制器，微控制器可将该实际温度与预设温度进行比较，当实际温度高于预设温度时，输出的控制信号使M1导通，降低温度控制单元上表面的温度。而当实际温度低于预设温度时，微控制器输出的控制信号使M2导通，提高温度控制单元上表面的温度。因此，通过上述方法，最终可使敏感结构的温度稳定在预设温度，减少环境温度对敏感结构的影响，提高敏感结构的环境适应性。

[0098] 与现有技术相比，本实施例提供的MEMS气体传感器通过微控制器，可使气体敏感单元的温度以较快的速度稳定在预设温度(预设温度)周围。通过气体敏感单元温度的快速控制，可降低环境温度变化对气体敏感单元自身敏感性的影响，可提高MEMS气体传感器的环境适应性和环境稳定性。

[0099] 实施例4

[0100] 如图7所示，本实施例提供了一种制备实施例3中MEMS气体传感器的工艺方法，包括如下步骤：

[0101] 1.从单晶硅材料制成的半导体晶圆开始，对半导体晶圆进行清洗，然后，通过热氧化工艺在半导体晶圆表面生长一层厚度500A的氧化层；

[0102] 2.在氧化层表面制备气体敏感单元；

[0103] 3.在氧化层表面制备温度敏感单元；

[0104] 4.对半导体晶圆进行减薄，使其厚度达到200μm；

[0105] 5.对半导体晶圆进行划片，形成敏感结构衬底，敏感结构衬底上包括气体敏感单元和温度敏感单元的完整结构；

[0106] 6.制备平板形态的温度控制单元；

[0107] 7.将敏感结构衬底和温度控制单元通过导热硅脂进行接合，待固化后即完成了针对氮氧化物等多种气体的MEMS气体敏感结构的制备工艺；

[0108] 8.搭建控制电路，将MEMS气体传感器芯片接入控制电路，得到MEMS气体传感器。

[0109] 重复第2-3步，可在同一衬底上制成多个针对不同气体的气体敏感单元和多个温度敏感单元。

[0110] 进一步，如图8所示，在氧化层表面制备气体敏感单元的步骤包括：

[0111] 1.采用溅射等PVD工艺在氧化层表面生长一层厚度50A的镍单质层；

[0112] 2.采用溅射等PVD工艺在镍单质层上形成厚度1000-2000A的金单质层；

[0113] 3.采用光刻工艺将气体敏感单元中的金属电极二维图形转移到金单质层表面；

[0114] 4.通过腐蚀工艺去除多余的金属材料和光刻胶，形成金属电极；

[0115] 5.将针对特定气体的敏感材料与有机溶剂溶解后，通过旋涂工艺在金属电极之上制备气体敏感薄膜，经过这一步就完成了气体敏感单元的制备。

[0116] 重复第3-5步，并在第5步中采用针对不同气体的敏感材料，即可在敏感结构衬底上制成多个针对不同特定气体的气体敏感单元。

[0117] 进一步，如图9所示，在氧化层表面制备温度敏感单元的步骤包括：

[0118] 1.在氧化层上通过溅射等PVD工艺生成厚度为1000A的铂单质层；

[0119] 2.在通过光刻工艺将温度敏感单元的二维结构转移到铂单质层表面；

[0120] 3.通过腐蚀工艺去除多余的金属材料和光刻胶，形成折线型的铂金属结构，经过此步即完成了温度敏感单元的制备。

[0121] 重复第2-3步，即可在敏感结构衬底上制成多个温度敏感单元。

[0122] 以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。