一種具有四支撐懸梁四層結構的電阻式氣體傳感器及方法

2023-04-23 20:17:56

專利名稱：一種具有四支撐懸梁四層結構的電阻式氣體傳感器及方法
技術領域：
本發明涉及一種具有四支撐懸梁四層結構的電阻式氣體傳感器及製作方法。本發明採用微加工工藝和化學合成工藝相結合方法製作了氣體傳感器，屬於微電子機械系統(MEMS)和氣體傳感領域。
背景技術：
氣體傳感器已經在工業、民用和環境監測三大主要領域內取得了廣泛的應用。目前檢測氣體的方法和手段已經非常多，主要包括催化燃燒式、電化學式、熱導式、紅外吸收式和半導體式氣體傳感器等。由於電阻式半導體傳感器具有靈敏度高、操作方便、體積小、 成本低廉、響應時間和恢復時間短等優點，因此應用最為廣泛，特別在對易燃易爆氣體(如 CH4, H2等)和有毒有害氣體(如CO，NOx等)的探測中起著重要的作用。為了提高傳感器的性能，在過去幾十年的發展過程中，半導體氣體傳感器在器件結構上有較大的發展。器件結構主要分為燒結型，厚膜型，薄膜型和矽基薄膜型。燒結型氣體傳感器主要包括直熱式和旁熱式。由於直熱式存在著元件離散性大、互換性差，這種結構的傳感器已逐漸被旁熱式逐漸取代。旁熱式傳感器是將氣敏材料與少量粘合劑混合研磨， 然後製成漿體塗抹於帶有電極引線的陶瓷管上，在陶瓷管內部安置一個加熱電阻，提供傳感器工作所需的溫度。例如段春名，「旁熱式半導體氣體傳感器的特性及其影響因素」，傳感器世界，1999 (10)，23-26。厚膜型氣體傳感器是由基片、電極和氣敏材料構成，製作過程是將氣敏材料與一定比例的粘合劑混合，並加入適量的催化劑製成糊狀，然後印到預先安裝有電極和加熱元件的陶瓷基片上，乾燥、高溫煅燒而成。例如張偉達，「a-F^O3氣敏陶瓷的研究」，功能材料，1994 ，似6-431。.薄膜氣體傳感器結構和厚膜相似。不同的是測量電極上面的氣敏材料是利用真空濺射、反應蒸渡、化學氣相沉積、噴霧熱解、溶膠-凝膠等方法渡上的一層薄膜。例如高勝國，詹自力，鍾克創，尚中鋒，彭春華，「溶膠-凝膠法製備的SnO2薄膜氣敏特性研究」，鄭州輕工業學院學報(自然科學版)，2002 (17)，11-13。薄膜型氣體傳感器具有材料用量低、各傳感器之間的重複性、傳感器的機械強度較好的優點， 但是薄膜型傳感器的製造過程需要複雜、昂貴的工藝設備，嚴格的環境條件，成本較高。矽基微結構薄膜型氣敏傳感器是基於微型加熱器的新型電阻式氣體傳感器，目前的主流是基於封閉膜式或四懸梁式的微型加熱器，功耗相對還是較高。例如John S. Suehle, Richard Ε. Cavicchi,Michael Gaitan,Steve Semancik,"Tin oxide gas sensor fabricated using CMOS micro-hotplates and in-situ processing", IEEE Electron Device Letters, vol. 14，1993，pp.118-120.如何在保證良好的靈敏度、選擇性和穩定性的前提下又能實現低成本，低功耗和批量生產的傳感器是本領域技術人員渴望解決的技術難題，從而也引出了本發明的目的。

發明內容
本發明的目的在於提供一種基於微型加熱器的具有四懸梁四層結構的電阻式氣體傳感器及其製作方法，在降低成本和功耗的同時，又能提高傳感器的靈敏度和選擇性。在結構上，本發明所述的電阻式氣體傳感器是一個自下而上可以分為四層具有不同功能的器件。第一層(最下層)是(100)面的矽片製作的襯底框架，其中包含一個橫截面呈倒梯形或「V」字形的隔熱腔體。第二層是位於隔熱腔體上方的加熱膜區和支撐懸梁， 它們由氧化矽和氮化矽的多層複合膜組成。第三層是加熱電阻絲，供電引線，叉指電極和探測引線；加熱電阻絲是以折線形式排布在加熱膜區上，加熱電阻絲把電能轉化為熱能為傳感器提供合適的工作溫度。叉指電極位於加熱膜區處，並排布在加熱電阻絲的間隙中，將用於連接敏感膜。當特徵氣體與氣敏材料接觸時，氣敏材料的電阻值會發出變化，通過測量探測電極間的電阻變化就能實現氣體探測。第四層(最上層)是氣體探測用敏感膜，敏感膜位於加熱膜區處並且和叉指電極有良好的電聯接，是傳感器的敏感單元。綜上所述，本發明提供的一種具有四懸梁四層結構的電阻式氣體傳感器的結構如圖1所示，包括襯底框架1，隔熱腔體2，加熱膜區3，支撐懸梁4，加熱電阻絲5，供電引線 6，供電電極7，叉指電極8，探測引線9，探測電極10，和敏感膜11。其結構特徵為1.加熱膜區通過四根支撐懸梁與襯底框架相連，具體是加熱膜區的形狀為矩形， 四根支撐懸梁的每一端以中心對稱的方式和加熱器膜區的四個頂角相連，另一端連接襯底框架。在加熱膜區和支撐懸梁下面是橫截面呈倒梯形或「V」字形的隔熱腔體。2.加熱電阻絲以折線的形式排布在加熱膜區上，並通過供電引線與襯底框架上的供電電極相連。3.叉指電極位於加熱膜區處，與加熱電阻絲處於同一層，且排布在加熱電阻絲的間隙中，並通過探測引線與襯底框架上的探測電極相連。4.敏感膜位於加熱膜區上，覆蓋整個加熱電阻絲和叉指電極並和叉指電極有良好的電聯接。在製作工藝上，本發明所述的電阻式氣體傳感器可以分為兩個部分。先利用MEMS 工藝實現微型加熱器和叉指電極等部件的製作，再利用傳統工藝在加熱膜區定位製作用於氣體探測的敏感膜。本發明提供的一種具有四懸梁四層結構的電阻式氣體傳感器的製作方法的具體製作步驟如下1.襯底選擇。選取(100)面的矽片作為襯底，雙面拋光或單面拋光的矽片均可，N 型或P型的都可以。2.製作複合膜。複合膜用於形成加熱膜區和支撐懸梁，製作在步驟1所述的襯底上。複合膜由單層或多層的氧化矽和氮化矽複合而成。可以採用氧化、等離子增強化學氣相沉積(PECVD)、或低壓化學氣相沉積(LPCVD)等方法製備。3.製作加熱電阻絲，供電引線，供電電極，叉指電極，探測引線，和探測電極。採用金屬材料，如鉬、金等，利用lift-off工藝或者溼法腐蝕工藝製作。4.開薄膜釋放窗口。利用反應離子刻蝕(RIE)或離子束刻蝕(Ion-beam)徹底刻蝕暴露的氧化矽和氮化矽複合膜，露出襯底矽形成薄膜釋放窗口。5.釋放薄膜。使用各向異性溼法腐蝕液，如四甲基氫氧化銨(TMAH)或氫氧化鉀 (KOH)等，通過薄膜釋放窗口腐蝕襯底矽，掏空加熱膜區和支撐懸梁下面的矽，完成薄膜釋放。6.製作敏感膜。可以採用常見的氣相法，液相法或固相法來製作敏感膜。
本發明提供的一種具有四懸梁四層結構的電阻式氣體傳感器及其製作方法，與以往的電阻式氣體傳感器相比，其優點在於1.基於MEMS工藝製作，器件體積小，成本低，易於批量生產。2.採用四懸梁式微型加熱器提供傳感器工作所需的高溫，功耗低，溫度均勻性好， 而且易於通過調節和控制工作溫度來提高傳感器的靈敏度和選擇性。3.先利用MEMS工藝製作微型加熱器和叉指電極，再製作敏感膜，分步完成，有效避免半導體工藝對敏感膜活性的影響。4.加熱電阻絲和叉指電極處於同一層，均勻分布在加熱膜區上，降低了薄膜層數， 利用提高薄膜區的機械強度。


圖1為本發明提供的一種具有四懸梁四層結構的電阻式氣體傳感器的結構示意圖，其中(a)為立體圖，(b)為截面圖。圖2為傳感器的第二到第四層的分解示意圖。圖3為本發明提供的一種具有四懸梁四層結構的電阻式氣體傳感器製作方法的流程圖，其中(a)為選擇襯底，(b)為製作複合膜，(C)為製作加熱電阻絲，供電引線，供電電極，叉指電極，探測引線，和探測電極，(d)為開薄膜釋放窗口，(e)為釋放薄膜，(f)為製作敏感膜。圖4為實施例2的結構示意圖，其中(a)為俯視圖，(b)為截面圖。圖5為實施例3的結構示意圖，其中(a)為俯視圖，(b)為截面圖。圖中1為框架，2為隔熱腔體，3為加熱膜區，4為支撐懸梁，5為加熱電阻絲，6為供電引線，7為供電電極，8為叉指電極，9為探測引線，10為探測電極，11為敏感膜。
具體實施例方式實施例1 該實施例的結構示意圖參見圖1所示，具體製作方法如下1.襯底選擇。選取N型(100)面的4英寸雙面拋光的矽片作為襯底，電阻率 3-8 Ω · cm，矽片厚度為350 士 10微米，切邊的角度誤差< 1%。2.製作複合膜。採用單層複合膜，利用低壓化學氣相沉積(LPCVD)的方法依次生長一層厚度為0. 5微米的氧化矽和一層厚度為0. 3微米的氮化矽。3.製作加熱電阻絲，供電引線，供電電極，叉指電極，探測引線，和探測電極。採用剝離工藝(lift-off)製作。薄膠光刻(光刻膠厚度為2.0微米)定義出加熱電阻絲，供電引線和供電電極的圖形，然後濺射一層0.2微米厚的鈦鉬，最後丙酮去膠後即可形成加熱電阻絲，供電引線，供電電極，叉指電極，探測引線，和探測電極。4.開薄膜釋放窗口。正面光刻定義出用於釋放加熱膜區和支撐懸梁的腐蝕窗口圖形，在光刻膠的保護下利用離子束刻蝕(Ion-beam)徹底刻蝕暴露的氧化矽和氮化矽複合膜。5.釋放薄膜。利用TMAH腐蝕液通過薄膜釋放窗口腐蝕襯底矽，並在中心膜區和支撐懸梁的下方形成倒梯形的隔熱腔體。
6.製作敏感膜。採用氣相法製作氣體敏感膜。實施例2 該實施例的結構示意圖參見圖4所示，具體製作方法如下1.襯底選擇。選取N型(100)面的4英寸雙面拋光的矽片作為襯底，電阻率 3-8 Ω · cm，矽片厚度為350 士 10微米，切邊的角度誤差< 1%。2.製作複合膜。採用單層複合膜，利用等離子增強化學氣相沉積(PECVD)的方法依次生長一層厚度為0. 4微米的氧化矽和一層厚度為0. 6微米的氮化矽。3.製作加熱電阻絲，供電引線，供電電極，叉指電極，探測引線，和探測電極。採用溼法腐蝕工藝製作。先濺射一層0. 2微米厚的鈦鉬，再進行薄膠光刻(光刻膠厚度為1. 8 微米)定義出加熱電阻絲，供電引線和供電電極的圖形，最後溼法腐蝕形成加熱電阻絲，供電引線，供電電極，叉指電極，探測引線，和探測電極。4.開薄膜釋放窗口。正面光刻定義出用於釋放加熱膜區和支撐懸梁的腐蝕窗口圖形，在光刻膠的保護下利用反應離子刻蝕(RIE)徹底刻蝕暴露的氧化矽和氮化矽複合膜。5.釋放薄膜。利用KOH腐蝕液通過薄膜釋放窗口腐蝕襯底矽，並在中心膜區和支撐懸梁的下方形成倒梯形的隔熱腔體。6.製作敏感膜。採用液相法製作氣體敏感膜。實施例3 該實施例的結構示意圖參見圖5所示，具體製作方法如下1.襯底選擇。選擇P型(100)面的4英寸雙面拋光的矽片作為襯底，電阻率 3-8 Ω · cm，矽片厚度為350 士 10微米，切邊的角度誤差< 1%。2.製作複合膜。採用多層複合膜，先利用低壓化學氣相沉積(LPCVD)的方法依次沉積一層厚度為0. 2微米的氧化矽和一層厚度為0. 2微米的氮化矽，再利用等離子增強化學氣相沉積(PECVD)的方法依次沉積一層厚度為0. 2微米的氧化矽和一層厚度為0. 2微米的氮化矽。3.製作加熱電阻絲，供電引線，供電電極，叉指電極，探測引線，和探測電極。採用剝離工藝(lift-off)製作。薄膠光刻(光刻膠厚度為2.4微米)定義出加熱電阻絲，供電引線和供電電極的圖形，然後濺射一層0.3微米厚的鈦鉬，最後丙酮去膠後即可形成加熱電阻絲，供電引線，供電電極，叉指電極，探測引線，和探測電極。4.開薄膜釋放窗口。正面光刻定義出用於釋放加熱膜區和支撐懸梁的腐蝕窗口圖形，在光刻膠的保護下利用反應離子刻蝕(RIE)徹底刻蝕暴露的氧化矽和氮化矽複合膜。5.釋放薄膜。利用KOH腐蝕液通過薄膜釋放窗口腐蝕襯底矽，並在中心膜區和支撐懸梁的下方形成「V」字形的隔熱腔體。6.製作敏感膜。採用固相法製作氣體敏感膜。
權利要求
1.一種具有四支撐梁四層結構的電阻式氣體傳感器，其特徵在於所述的電阻式氣體傳感器是一個自下而上分為四層具有不同功能結構，其中最下層第一層是(100)面矽襯底製作的矽框架，其中包含一個隔熱腔體；第二層是位於隔熱腔體上方的加熱膜區和支撐懸梁， 由氧化矽和氮化矽的多層複合膜組成；加熱膜區通過四根支撐梁與襯底框架相連；第三層是加熱電阻絲、供電引線、叉指電極和探測引線，加熱電阻絲以折線形式排布在加熱膜區上，叉指電極與加熱電阻絲位於同一層上，且排布在加熱電阻絲的間隙中，並與最上面第四層用於氣體探測的敏感膜連接，敏感膜位於加熱膜區上，覆蓋整個加熱電阻絲和叉指電極， 並和叉指電極有良好的電連接。
2.按權利要求1所述的傳感器，其特徵在於所述的加熱膜區的形狀為矩形。
3.按權利要求1或2所述的傳感器，其特徵在於四根支撐懸梁的每一端以中心對稱的方式和加熱膜區的四個頂角相連，另一端連接襯底框架。
4.按權利要求1所述的傳感器，其特徵在於所述隔熱腔體的形狀是通過正面矽各向異性溼法腐蝕形成的橫截面呈倒梯形或V字型結構。
5.按權利要求1所述的傳感器，其特徵在於折線形式排布的加熱電阻絲通過的供電引線與襯底框架上的供電電極相連。
6.按權利要求1所述的傳感器，其特徵在於叉指電極通過探測引線與襯底框架上的探測電極相連。
7.製作如權利要求1所述的傳感器的方法，其特徵在於先利用MEMS工藝製作微型加熱器和叉指電極，再利用傳統工藝在加熱膜區定位製作敏感膜；具體步驟是(a)選擇襯底採用(100)面的單面或雙面拋光矽片作為襯底；(b)製作複合膜複合膜用於形成加熱膜區，過渡區和支撐懸梁；複合膜由單層或多層的氧化矽和氮化矽複合而成，採用氧化、等離子增強化學氣相沉積、或低壓化學氣相沉積等方法製備；(c)製作加熱電阻絲、供電引線、供電電極、叉指電極、探測引線和探測電極；採用鉬或金金屬材料，利用剝離工藝或者溼法腐蝕工藝製作；(d)開薄膜釋放窗口利用反應離子刻蝕或離子束刻蝕刻蝕暴露的氧化矽和氮化矽複合膜，露出襯底矽形成薄膜釋放窗口 ；(e)釋放薄膜使用四甲基氫氧化銨或氫氧化鉀各向異性溼法腐蝕液，或氫氧化鉀；通過薄膜釋放窗口腐蝕襯底矽，加熱膜區和支撐懸梁下面得矽，完成薄膜釋放；(f)製作敏感膜採用氣相法，液相法或固相法來製作敏感膜。
8.按權利要求7所述的方法，其特徵在於1)所述的單層複合膜為一層氧化矽和一層氮化矽複合而成；或2)所述的多層複合膜先用LPCVD方法依次沉積一層氧化矽和一層氮化矽，然後再利用PECVD方法沉積一層氧化矽和一層氮化矽。
9.按權利要求7所述的方法，其特徵在於所述的(100)面矽片為N型或P型。
全文摘要
本發明涉及一種具有四支撐懸梁四層結構的電阻式氣體傳感器及製作方法，傳感器的結構包括襯底框架，隔熱腔體，加熱膜區，支撐懸梁，加熱電阻絲，供電引線，供電電極，叉指電極，探測引線，探測電極，和敏感膜。其結構特徵為位於隔熱腔體上方的加熱膜區通過四根支撐懸梁與襯底框架相連；加熱電阻絲以折線的形式排布在加熱膜區上，並通過供電引線與襯底框架上的供電電極相連；叉指電極排布在加熱電阻絲的間隙，並通過探測引線與探測電極相連；敏感膜位於加熱膜區上，覆蓋整個加熱電阻絲和叉指電極並和叉指電極有良好的電聯接。
文檔編號G01N27/04GK102288644SQ20111019153
公開日2011年12月21日 申請日期2011年7月8日 優先權日2011年7月8日
發明者李鐵, 王躍林, 許磊 申請人:中國科學院上海微系統與信息技術研究所