MEMS阵列气体传感器设计与制造——盛思锐SGP40气体传感器

MEMS气体传感器阵列是实现气体传感器气味识别的重要组成部分和气体传感器智能化应用的重要方向。常用的气体传感器阵列有两种，一种是分立元件组成的传感器阵列，一种是单片集成的传感器阵列。

提升气体传感器阵列的方法：一是从材料选择性入手，开发多种高性能的气敏材料，二是采取阵列中的每个元素独立温度控制。然而基于单个MEMS气体传感器实现的阵列，实际上是简单的排列组合，阵列的面积和功耗会随着阵列数量而成倍增长，不利于气体传感器的大规模阵列化。

MEMS气体传感器结构和分类

MEMS气体传感器按微热板结构可以分为悬膜式和悬臂梁式，悬膜式为背部开槽，微热板结构制备在悬膜上，优势是机械稳定性好，缺点是微热板热量通过悬膜散失导致器件功耗高；悬臂梁式为正面湿法开槽形成镂空结构，微热板制备在多根悬臂梁支撑的悬浮薄膜上，优势是热量不易散失功耗低，缺点是悬臂梁的结构稳定性较差，易因为加热产生热应力而断裂。

传感器自下而上依次为硅衬底、支撑层、加热电极层、绝缘层、测试电极层和气敏材料层。气体传感器阵列是基于单个悬膜式或悬臂梁式的气体传感器而设计的，阵列化单芯片可以有效提高集成度，实现和ASIC芯片的系统级封装。

图 气体传感器结构

微热板和气敏材料是MEMS气体传感器的两个核心技术，气敏材料决定了传感器的选择性和灵敏度，微热板为气敏材料提供反应温度。

MEMS气体传感器根据气敏材料分为两大类，N型和P型，N型包括SnO₂、ZnO、In₂O₃和WO₃等，P型包括CuO、Co₃O₄和NiO等。当使用N型气敏材料时，接触还原性气体如H₂、CO、NH₃、CH₄、C₂H₅OH和H₂S等，电阻减小，接触氧化性气体如NO₂、SO₂和臭氧等，电阻增大。当使用P型气敏材料时，还原性气体使材料的电阻增大，而氧化性气体使材料的电阻减小。

MEMS气体传感器工作原理

MEMS气体传感器的工作原理是基于顶层的金属氧化物气敏材料，金属氧化物纳米颗粒吸附的氧分子与目标气体发生反应，从而释放出电子，改变气敏材料电阻。常见的金属氧化物气敏材料分为两大类，N型和P型，N型包括SnO₂、ZnO、In₂O₃和WO₃等，P型包括CuO、Co₃O₄和NiO等。当使用N型气敏材料时，接触还原性气体如H₂、CO、NH₃、CH₄、C₂H₅OH和H₂S等，电阻减小，接触氧化性气体如NO₂、SO₂和臭氧等，电阻增大。当使用P型气敏材料时，还原性气体使材料的电阻增大，而氧化性气体使材料的电阻减小。

MEMS气体传感器阵列工作原理是利用多种气敏材料的交叉选择性，结合算法实现对多种气体的分类和识别。

图 MEMS气体传感器工作原理

单通道MEMS气体传感器设计

悬膜式气体传感器微热板加热电极产生的热量从悬膜与硅衬底的边界通过热传导方式散失，悬臂梁式加热电极产生的热量只能通过支撑的悬臂梁导向衬底，较大的减少了热传导面积。从热传导的角度看，悬臂梁式的气体传感器功耗低于悬膜式气体传感器。

本部分以悬臂梁式微热板为例，采用COMSOL Multiphysics对微热板进行建模及电力热的多物理场仿真。下面简单介绍其仿真流程：

（1）建立三维几何模型

悬臂梁式微热板，加热电极区域通过4根悬臂梁支撑，下方是由湿法腐蚀的硅槽，为了简化模型减少计算量，模型只包括衬底、支撑层和加热电极。衬底尺寸为1mm x 1mm x 0.4mm，加热电极区域尺寸为120μm x 120μm。加热电极厚度为0.2μm，支撑层厚度为1.8μm。加热电极采用回字形结构，有利于减小加热区域面积，而降低功耗。

（2）材料定义

衬底材料选取各向异性晶向（100）硅，支撑层选择SiO₂和SiN_x，加热电极选择Pt，设置关键参数，如电阻率、热导率和热膨胀系数。

（3）物理场及边界条件设置

仿真的目的是求解温度分布和热应力及位移，因此选定电流、固体力学和固体传热三个物理场，并分别设置边界条件，如电流模块选择一个PAD接地，另一个输入工作电压。

（4）物理场耦合设置

多物理场选定热膨胀和电磁热，目的是进行电磁加热和固体传热的耦合和固体传热和固体力学的耦合。

（5）网格划分

按照不同膜层进行不同的网格划分，加热电极部分采用小网格，硅衬底采用较大的网格，合理的网格划分可以提高运算速度和仿真精度。

图 单通道MEMS气体传感器微热板建模及网格划分

（6）计算求解

选择稳态计算，选择多物理场接口，配置求解器参数，同时采用电压参数化扫描，扫描范围为（0,0.2,3）V。

（7）结果

仿真结果包括温度分布、应力分布和位移分布。根据我们回字形结构设计，1.8V时，中心温度为306°C，功耗为43mW，由热应力影响最大位移为2.02μm。

由仿真设计可知，温度分布与热应力分布相关的是加热电极的绕线方式、线宽和间距，及加热区域的面积和悬臂梁的长度、宽度等参数，此部分主要是介绍微热板的设计方法，具体参数设置对应的仿真结果不是本文的重点，如有读者感兴趣可以与启芯微沟通探讨。

图 单通道MEMS气体传感器温度分布及位移分布

2x2气体传感器阵列设计

从单通道微热板气体传感器设计中发现，回字形设计能降低加热电极面积而降低功耗。我们基于回字形结构，设计2x2气体传感器阵列。本设计为四个微热板的排列，四个通道有4个加热器，每2个加热器同步工作，增加集成度。仿真过程与单通道完全相似，由结果可知，集成在单颗芯片上的阵列较单通道简单排列，面积和功耗降低。

图 2x2气体传感器阵列部分工作和全部工作的温度分布

2x2气体传感器阵列制造

MEMS气体传感器的制造主要分为2个部分，微热板的制造和气敏材料的制作。对于2x2气体传感器，微热板制造与单通道的微热板没有较大区别，而气敏材料的制作与单通道气体传感器相比更为复杂。

（1）微热板制造

微热板制造是基于MEMS工艺，主要包括光刻、镀膜和干法及湿法刻蚀工艺等。工艺流程主要包括支撑层制备、加热电极制备、绝缘层制备、测试电极制备和正面硅槽的制作。

图 微热板工艺流程

（a）单晶硅衬底选择（100）晶向，目的是用于湿法腐蚀各向异性的硅，形成隔热空腔。

（b）支撑层SiO₂制备，SiO₂通过热氧化工艺生长，热氧化制备的致密度好，应力小，且抗腐蚀性较小，生长厚度为1,2μm。

（c）支撑层SiN_x制备，SiN_x通过低压化学气相沉积（LPCVD）工艺生长，LPCVD沉积的SiN_x膜，选择富Si成分，致密度高、应力小，生长厚度为0.6μm。

（d）加热电极的制备，加热电极有2种制备方式，第一种是常规的刻蚀工艺，第二种是剥离工艺（lift-off），剥离工艺是指先通过光刻胶（负胶或双层胶）做掩膜，再沉积Pt金属，最后利用去胶液将光刻胶掩膜去除，留下金属加热电极图形。剥离工艺优势是工艺简单，且主要针对难以刻蚀的金属，但边缘粗糙，适用于线宽大于2μm的结构。本工艺采用剥离工艺制备加热电极Pt，掩膜选择双层胶，在沉积200nm厚度的Pt前先沉积10nm的黏附层Ti， 最后用去胶液进行剥离。

（e）绝缘层制备，绝缘层SiO₂通过等离子体增强化学气相沉积（PECVD）工艺生长，生长厚度为600nm，保证加热电极与测试电极的良好绝缘，然后通过光刻刻蚀将焊盘的位置打开。

（f）测试电极制备，测试电极由金属Au形成叉指电极构成，同样采用lift-off工艺完成，在沉积400nm厚度的Au前先沉积10nm的黏附层Ti。（g）释放孔刻蚀，通过刻蚀绝缘层和支撑层的介质膜，形成释放孔。

（h）用TMAH进行正面硅槽的各向异性腐蚀，TMAH选择5%浓度容易，有较快的腐蚀速率。

微热板制造中，一些膜层设计需要注意：SiO₂具有压应力，SiN_x而具有张应力，复合膜具有应力相消效果。如果考虑热应力的匹配，支撑层一般采用SiO₂/SiN_x/ SiO₂三层复合膜的方式，这种方式可以抵消由热膨胀系数引起的热应力。若支撑层采用三层复合膜，绝缘层需要采用SiN_x/ SiO₂双层复合膜，以平衡支撑层的应力。

（2）气敏材料的制备及涂覆

对于单通道的微热板气体传感器，气敏材料常规采用化学合成方式制备，然后通过点涂或者丝网印刷方式将气敏材料覆盖至微热板气敏区域。对于多通道微热板气体传感器，调研到市面上3款4通道的气体传感器，其中盛思锐的两款SGP30和SGP40采用的是丝网印刷方式，睿感ENS160采用的是点涂方式，这两种方式共同点在于需要配置气敏粉体的浆料，但点涂浆料较印刷浆料更稀，即固体含量更低。区别在于点涂是通过点胶机单颗操作，印刷可以批量操作，且印刷比点涂均匀性和重复性好。点涂和印刷的优势在于，成本较低且气敏涂层更疏松多孔利于气体吸收反应，缺点在于重复性差。

磁控溅射的方式，目前只在学术论文中有较多报道，国内外产品中我们所了解的目前只有安费诺MiCS-VZ-89TE中使用。其优势在于，可以进行晶圆级沉积气敏材料，重复性和一致性非常好，且可以沉积纳米材料，增加材料比表面积，增强气敏性能，缺点在于沉积薄膜较薄且致密，容易产生材料气体中毒，使器件失效。

盛思锐SGP40气体传感器设计与制造分析

SGP40是一款数字输出的气体传感器，具有长期稳定性和低漂移，可用于空气净化器或通风系统。盛思锐CMOSens®技术使传感器系统集成于单颗芯片，具有数字I2C接口和温度可控的微热板，提供基于湿度补偿的VOC室内空气质量信号。SGP40输出信号可直接由盛思锐强大的气体指数算法处理，将原始信号转换为VOC指数——作为衡量室内空气质量的可靠指标。该气体指数算法会自动适应传感器所处的环境。作为一款金属氧化物（MOx）气体传感器，SGP40采用最先进的制造工艺，保证可重复性和高可靠性。

SG40气体传感器为ASIC与MEMS单片集成芯片，MEMS部分显示其为四通道气体传感器，微热板纵向平行排列成4组桥结构，每一组桥结构由2根悬臂梁支撑。硅槽采用的是背部干法刻蚀工艺，与常规的背部刻蚀区别的SGP40的硅槽是贯穿的，以形成更低功耗的结构。

图 SGP40芯片开盖及MEMS部分放大

SGP40的MEMS部分的桥结构由微热板和气敏层构成。每组微热板完全相同，由支撑层、叉指电极、绝缘层、测试电极构成。支撑层采用了双层介质膜结构，绝缘层也是采用了双层介质膜结构。支撑层和绝缘层中间，及加热电极层非金属区域有一层介质层填充，由于其为IC工艺制备，因此推测采用了CMP工艺。加热电极和测试电极的材料与上述设计完全不同，具体成分、关键尺寸及厚度，如有读者感兴趣可以与启芯微沟通探讨。

图 SGP40膜层结构组成

气敏材料分了三组，其中有两组相同，以此形成气体传感器阵列。根据我们对其成分分析，推测一组为WO₃，一组为In₂O₃、两组为SnO₂，判定其为N型金属氧化物气体传感器。

图 SGP40气敏材料成分分析

技术展望

（1）新材料

利用材料的交叉选择性是气体传感器阵列规模化的必要条件，因此开发新材料成为研究重点。目前除了传统的金属氧化物气敏材料，金属修饰氧化物，金属-半导体异质结、有机高分子等材料也成为未来研究和商业化趋势。

（2）新工艺

成熟的气敏材料制备方法是化学合成纳米粉体，然后通过点涂或丝网印刷的方式涂覆至微热板表面，这种方法很难保证一致性和均匀性，批量生产能力有限。新工艺如磁控溅射的方式制备气敏层，可以提高器件的一致性和量产效率。

（3）新结构

商业化的气体传感器阵列，大部分采用多个同种结构的简单排列组合，在1mm²的芯片面积上最多集成4个微热板，没有从根本上解决集成化的问题，集成度有待提高。开发新的微热板阵列新结构是发展趋势。