本发明属于传感器领域，具体涉及一种基于热学超材料的mems气体传感器及其制备方法。
背景技术：
1、人类生产、居住、生活的各种环境充斥着各种气体，对于气体的检测，特别是对有毒、有害、易燃易爆气体的探测是保证人们安全生产、健康居住、舒适生活的重要手段。目前对气体的检测有传统的大型检测设备例如基于质谱、能谱和色谱的气体检测仪器，但是这些仪器由于体积庞大、价格较高，限制了它们的普及和发展。于是近些年也发展出了一些小型的气体传感器，气体传感器广泛应用于石油、石化、燃气、冶金、电力、汽车工业、环境卫生、气象检测、医疗健康、智能家居、信息技术等领域。已有的气体传感器中，以半导体气体传感器应用最为广泛。它具有功耗低、体积小、重复性好、灵敏度高、成本低、易于批量生产、加工工艺稳定等优点。半导体气体传感器的原理是利用金属氧化物制成的阻抗器件，在一定的温度下，气体分子在表面与金属氧化物反应引起电阻率的变化，从而实现对气体的探测。由于气体分子与金属氧化物反应需要较高的温度，为了实现在较低的温度下工作，需要在气体敏感薄膜下制作微加热板以为气体薄膜提供足够的温度。
2、mems的技术包括微电子技术和微加工技术两大部分，硅基加工技术是在微电子加工技术基础上发展起来的一种微加工技术，主要依靠光刻、氧化、薄膜生长、干法刻蚀、湿法刻蚀和蒸发溅射等工艺技术。采用mems技术制作的微结构气体传感器，将加热元件和敏感元件集成为一体，优化了气体传感器的性能，能极大提高气体传感器的灵敏度、可靠性和一致性。用于检测环境中特定气体的浓度，广泛应用于环境监测、工业安全等领域。
3、目前市场上的mems气体传感器主要使用金属氧化物半导体材料，该材料在高温环境下具有优异的传感性能和稳定性。但为了满足传统金属氧化物半导体的高温工作条件，需要设计独立的加热结构。而为了控制功耗、提高传感器的工作稳定性，mems气体传感器通常需要采用桥式悬浮微热板结构设计，使传感器元件悬浮在空腔之上。然而桥式悬浮结构的机械强度低，易为损坏，传感器的响应也易受振动等因素的干扰，导致较大的误差。且其在高温条件下容易出现应力形变和疲劳损坏。这对传感器的长期可靠性和稳定性有很大影响。
4、热学超材料是一种具有特殊热传导性能的新型人工结构材料，利用特定几何结构的设计，可以实现传统自然体材料不具备的优异热学性能，包括定向的隔热、导热、热隐身等功能。
技术实现思路
1、本发明目的在于提供一种基于热学超材料的mems气体传感器及其制备方法，以解决传统mems气体传感器悬浮结构面临的一系列问题。新增的热学超材料设计实现了对桥式悬浮为热板结构的替代，并与现有元件结构无缝衔接，以实现更小尺寸、更高稳定性和成本更低的制造工艺，可以推动mems气体传感器在气体检测和环境监测等场景中更加广泛的应用。
2、本发明的具体技术方案如下：
3、基于稳态和非稳态的变换热学理论，对器件发热核心周围的介电材料排布进行重新设计，使发热核心周围的形成特殊的聚热、隔热超构材料带，利用超材料带的特殊热特性，实现阻止热量向周围传导、减少热量损耗、降低加热器加热功耗的目的。
4、由于热学超构材料的结构分布是连续的，在制备过程中就不需要完全将发热核心周围的介电材料去除掉，而是形成环形的支撑结构，这样就避免了悬浮桥式结构由于缺少有效支撑带来的结构的不稳定性，不论是在加工过程中还是使用过程中，器件的结构性损伤概率，提升器件良率和性能。
5、本发明提供了一种基于热学超材料的mems气体传感器，包括：
6、衬底；
7、支撑层，位于所述衬底上；
8、加热电极层，位于所述支撑层上，并图形化形成加热电极和加热电极的焊线区域；所述支撑层的范围大于所述加热电极，并且所述加热电极的焊线区域位于所述支撑层的表面；
9、绝缘层，覆盖所述加热电极以及未被所述加热电极覆盖的所述支撑层；
10、测试电极层，位于所述绝缘层上，并图形化形成测试电极和测试电极的焊线区域；所述绝缘层的范围大于所述测试电极，并且所述测试电极的焊线区域位于所述绝缘层的表面；
11、隔热超材料结构区，形成环绕所述加热电极与测试电极所在区域，所述隔热超材料结构区由位于所述加热电极与测试电极所在工作区域外周的所述支撑层和绝缘层图案化加工所得；
12、敏感材料层，位于所述测试电极上；
13、所述衬底的底面具有空腔，所述空腔从底面暴露出所述支撑层，并且，所述空腔的范围为覆盖所述加热电极与测试电极所在工作区域并向外延伸包括所述隔热超材料结构区。
14、本发明还提供了一种基于热学超材料的mems气体传感器的制备方法，包括以下步骤：
15、(1)准备衬底，在衬底顶面生成支撑层；
16、(2)在所述支撑层表面生成加热电极层，并对该层图形化以形成加热电极和加热电极的焊线区域；
17、所述支撑层的范围大于所述加热电极，并且所述加热电极的焊线区域位于所述支撑层的表面；
18、(3)在所述加热电极上以及未被所述加热电极覆盖的所述支撑层上生成绝缘层；
19、(4)在所述绝缘层上生成测试电极层，并对该层图形化以形成测试电极和测试电极的焊线区域；
20、所述绝缘层的范围大于所述测试电极，并且所述测试电极的焊线区域位于所述绝缘层的表面；
21、(5)对位于所述加热电极与测试电极所在工作区域外周的所述支撑层和绝缘层上进行图案化加工，形成环绕所述加热电极与测试电极所在区域的隔热超材料结构区；
22、(6)在所述测试电极上制备一层敏感材料层；
23、(7)从所述衬底的底面刻蚀直到所述支撑层，刻蚀形成的空腔范围为覆盖所述加热电极与测试电极所在工作区域并向外延伸包括所述隔热超材料结构区。
24、其中，加热电极与测试电极的焊线区域可以根据设计需求设置在隔热超材料结构区的外围；
25、本发明提出将热学超材料引入mems气体传感器的隔热结构设计，将其加工在完整的悬浮薄膜上，围绕悬浮薄膜中央的发热元件，利用热学超材料的优异控热性能阻隔中央发热元件向周围的热量传导，实现类似或优于桥式悬浮结构的隔热性能。该器件由于采用了完整的悬浮薄膜设计，机械强度和结构稳定性显著优于传统桥式悬浮结构，可提升传感器的制造成品率、响应稳定性及使用寿命。此外，热学超材料优异的隔热性能也可帮助减小传感器的悬浮薄膜区的面积，进而减小传感器的整体尺寸，实现同晶圆上更高的传感器制备密度，降低单传感器的制造成本。
26、进一步的，热学超材料结构是通过改变支撑层和绝缘层结构来达成的，与其融为一体。通过对结构进行特殊的调整使其可以达到聚热/隔热的目的，这样的超结构不是唯一性的。根据不同的设计也可以在支撑层结构表面复合其他材料达到不同的控温效果，不同材料导热系数不一致，配合特殊的结构设计能够达到不同的控温效果。
27、优选的，所述隔热超材料结构区的范围大于中心发热区域。
28、具体的，所述衬底的材料为以下至少一种：硅、玻璃、碳化硅、蓝宝石、陶瓷；所述支撑层的材料为以下至少一种：氧化硅、氮化硅；所述加热电极、测试电极以及两者的引脚的材料为以下至少一种：金、铂、银、钛；所述绝缘层的材料为以下至少一种：氧化硅、掺杂氧化硅、氮化硅、掺杂氮化硅；所述敏感材料层的材料为以下至少一种：氧化锡，氧化钨，氧化铟、氧化锌，以及能够增加上述敏感材料载流子迁移率的材料，或具有催化活性的贵金属材料。其中，贵金属可以为金、钯、铂等。
29、具体的，步骤(1)中所述衬底的厚度为100～1000μm；所述支撑层的厚度为0.5～10μm；所述绝缘层的厚度为0.1～10μm；所述加热电极与测试电极的厚度各自为0.1～10μm，线宽各自为0.1～50μm；所述敏感材料层的厚度为0.05～5μm。
30、优选的，步骤(2)生成加热电极层之前、步骤(3)生成绝缘层之前、以及步骤(4)生成测试电极层之前均先在相应区域生成一层黏附层。黏附层的存在可以增强后续电极层或绝缘层与基底之间的附着力，防止层与层之间的脱落或剥离，提高整体结构的稳定性和可靠性。
31、优选的，所述黏附层的材料为以下至少一种：氧化铝、钛、铬等；所述黏附层的厚度为5～40nm。
32、本发明还提供了所述基于热学超材料的mems气体传感器的应用，所述应用为以下一种：(a)燃气泄漏监测；(b)室内污染气体监测；(c)新能源电池状态检测；(d)冶金生产控制；(e)环境安全检测；其中，环境安全检测包括：化工过程环境安全检测、公用场合环境检测等。
33、本发明的有益效果：
34、本发明通过在气体传感器中引入热学超材料结构的设计，可以有效减少悬浮薄膜向周围的热传导，降低传感器的功耗。通过使用基于热学超材料的完整悬浮薄膜微热板取代传统的悬浮岛桥微热板结构，可有效降低器件加工的工艺难度并增加结构的稳定性，提高传感器在不同使用环境中的性能。完整悬浮薄膜的设计也可以提高器件流片过程中的良品率，降低传感器的生产成本。
1.一种基于热学超材料的mems气体传感器，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述基于热学超材料的mems气体传感器，其特征在于，所述隔热超材料结构区的范围大于中心发热区域。
3.根据权利要求1所述基于热学超材料的mems气体传感器，其特征在于，所述衬底的材料为以下至少一种：硅、玻璃、碳化硅、蓝宝石、陶瓷；
4.根据权利要求1所述基于热学超材料的mems气体传感器，其特征在于，所述衬底的厚度为100～1000μm。
5.根据权利要求1所述基于热学超材料的mems气体传感器，其特征在于，所述支撑层的厚度为0.5～10μm；
6.根据权利要求1所述基于热学超材料的mems气体传感器，其特征在于，在支撑层和加热电极层之间、在所述加热电极以及未被所述加热电极覆盖的所述支撑层和绝缘层之间、以及在所述绝缘层和测试电极层之间均还包括黏附层。
7.根据权利要求6所述基于热学超材料的mems气体传感器，其特征在于，所述黏附层的材料为以下至少一种：氧化铝、钛、铬；
8.权利要求1～7任一所述基于热学超材料的mems气体传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
