專利名稱：一種具有兩支撐懸梁六層結(jié)構(gòu)的電阻式氣體傳感器及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有兩支撐懸梁六層結(jié)構(gòu)的電阻式氣體傳感器及制作方法。微加工工藝和傳統(tǒng)化學(xué)合成工藝相結(jié)合，屬于微電子機械系統(tǒng)(MEMS)和氣體傳感領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
氣體傳感器已經(jīng)在工業(yè)、民用和環(huán)境監(jiān)測三大主要領(lǐng)域內(nèi)取得了廣泛的應(yīng)用。目前檢測氣體的方法和手段已經(jīng)非常多，主要包括催化燃燒式、電化學(xué)式、熱導(dǎo)式、紅外吸收式和半導(dǎo)體式氣體傳感器等。由于電阻式半導(dǎo)體傳感器具有靈敏度高、操作方便、體積小、 成本低廉、響應(yīng)時間和恢復(fù)時間短等優(yōu)點，因此應(yīng)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(fā)展過程中，半導(dǎo)體氣體傳感器在器件結(jié)構(gòu)上有較大的發(fā)展。器件結(jié)構(gòu)主要分為燒結(jié)型，厚膜型，薄膜型和硅基薄膜型。燒結(jié)型氣體傳感器主要包括直熱式和旁熱式。由于直熱式存在著元件離散性大、互換性差，這種結(jié)構(gòu)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，然后制成漿體涂抹于帶有電極引線的陶瓷管上，在陶瓷管內(nèi)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(dǎo)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(gòu)成，制作過程是將氣敏材料與一定比例的粘合劑混合，并加入適量的催化劑制成糊狀，然后印到預(yù)先安裝有電極和加熱元件的陶瓷基片上，干燥、高溫煅燒而成。例如張偉達，“ α -Fe2O3氣敏陶瓷的研究”，功能材料，1994 ，似6-431。薄膜氣體傳感器結(jié)構(gòu)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(yīng)蒸渡、化學(xué)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，鐘克創(chuàng)，尚中鋒，彭春華，“溶膠-凝膠法制備的SnO2薄膜氣敏特性研究”，鄭州輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版)，2002 (17)，11-13。薄膜型氣體傳感器具有材料用量低、各傳感器之間的重復(fù)性、傳感器的機械強度較好的優(yōu)點， 但是薄膜型傳感器的制造過程需要復(fù)雜、昂貴的工藝設(shè)備，嚴(yán)格的環(huán)境條件，成本較高。硅基微結(jié)構(gòu)薄膜型氣敏傳感器是基于微型加熱器的新型電阻式氣體傳感器，目前的主流是基于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(wěn)定性的前提下又能實現(xiàn)低成本，低功耗和批量生產(chǎn)的傳感器是本領(lǐng)域技術(shù)人員渴望解決的技術(shù)難題，從而引出了本發(fā)明的目的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種具有兩懸梁六層結(jié)構(gòu)的電阻式氣體傳感器及其制作方法，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。
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在結(jié)構(gòu)上，本發(fā)明所述的電阻式氣體傳感器是一個自下而上可以分為六層具有不同功能的器件。第一層(最下層)是硅襯底框架，其中包含一個隔熱腔體。第二層是位于隔熱腔體上方的加熱膜區(qū)、過渡區(qū)和支撐懸梁，它們由氧化硅和氮化硅的多層復(fù)合膜組成。 第三層是加熱電阻絲和供電引線，排布在加熱膜區(qū)上的加熱電阻絲把電能轉(zhuǎn)化為熱能為傳感器提供合適的工作溫度。第四層是由氧化硅或氮化硅制作的隔離層，隔離層把加熱電阻絲和供電引線包裹其中，起到電絕緣的作用。第五層是叉指電極和探測引線，叉指電極位于與加熱膜區(qū)相對應(yīng)處，將用于連接敏感膜，當(dāng)特征氣體與氣敏材料接觸時，氣敏材料的電阻值會發(fā)生變化，通過測量探測電極間的電阻變化就能實現(xiàn)氣體探測。第六層(最上層)是用于氣體探測的敏感膜，敏感膜位于對應(yīng)加熱膜區(qū)處并且和叉指電極有良好的電接觸，是傳感器的敏感單元。綜上所述，本發(fā)明提供的一種具有兩懸梁六層結(jié)構(gòu)的電阻式氣體傳感器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括襯底框架1，隔熱腔體2，加熱膜區(qū)3，過渡區(qū)4，支撐懸梁5，加熱電阻絲6， 供電引線7，供電電極8，隔離層9，叉指電極10，探測引線11，探測電極12，和敏感膜13。其結(jié)構(gòu)特征為1.襯底框架中的隔熱腔體根據(jù)實施工藝的不同可以有多種形狀，一種是通過正面硅各向異性濕法腐蝕形成的橫截面呈倒梯形或“V”字形的結(jié)構(gòu)，另一種是通過各向同性釋放腐蝕或各向同性干法刻蝕形成的橫截面呈圓弧形的結(jié)構(gòu)。2.加熱膜區(qū)的兩端分別通過一個過渡區(qū)與支撐懸梁的一端相連，支撐懸梁的另一端連接襯底框架起到支撐的作用，并懸浮于隔熱腔體之上。3.加熱電阻絲以折線的形式排布在加熱膜區(qū)上，并通過支撐懸梁上的供電引線與襯底框架上的供電電極相連。4.隔離層覆蓋在整個加熱膜區(qū)，過渡區(qū)和支撐懸梁之上，并嚴(yán)密包裹加熱電阻絲和供電引線。5.叉指電極排布在隔離層上，位于與加熱膜區(qū)相對應(yīng)處，并通過探測引線與襯底框架上的探測電極相連。6.敏感膜位于加熱膜區(qū)上的隔離層處，覆蓋整個叉指電極并和叉指電極有良好的電聯(lián)接。7.所述的加熱膜區(qū)的形狀為矩形結(jié)構(gòu)。8.所述的過渡區(qū)的形狀為等腰梯形結(jié)構(gòu)，且梯形的下底邊與矩形加熱膜區(qū)的短棱相連，梯形的上底邊與支持懸梁相連。9.所述的隔離層厚度大于加熱電阻絲和供電引線的厚度。在制作工藝上，本發(fā)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(xiàn)微型加熱器和叉指電極等部件的制作，再利用傳統(tǒng)工藝化學(xué)合成在加熱膜區(qū)定位制作用于氣體探測的敏感膜。本發(fā)明提供的一種具有兩懸梁六層結(jié)構(gòu)的電阻式氣體傳感器的制作方法的具體制作步驟如下1.選擇襯底。當(dāng)釋放薄膜采用各項異性濕法腐蝕時，必須采用(100)面的硅片作為襯底，當(dāng)釋放薄膜采用的是各項同性濕法腐蝕或各項同性干法刻蝕時，對硅襯底的晶向沒有要求。2.制作復(fù)合膜。復(fù)合膜用于形成加熱膜區(qū)，過渡區(qū)和支撐懸梁，制作在步驟1所述
5的襯底上。復(fù)合膜由單層或多層的氧化硅和氮化硅復(fù)合而成?？梢圆捎醚趸?、等離子增強化學(xué)氣相沉積(PECVD)、或低壓化學(xué)氣相沉積(LPCVD)等方法制備。3.制作加熱電阻絲，供電引線和供電電極。對于金屬材料，如鉬、金等，利用 lift-off工藝或者濕法腐蝕工藝制作；對于半導(dǎo)體材料，如多晶硅等，采用先沉積再干法刻蝕的方法制作。4.制作隔離層。利用等離子增強化學(xué)氣相沉積(PECVD)制作氧化硅或氮化硅作為隔1 層。5.制作叉指電極，探測引線和探測電極。采用金屬材料，如鉬，金，銅等，利用 lift-off工藝或者濕法腐蝕工藝制作。6.開薄膜釋放窗口。利用反應(yīng)離子刻蝕(RIE)或離子束刻蝕(Ion-beam)徹底刻蝕暴露的氧化硅和氮化硅復(fù)合膜，露出襯底硅形成薄膜釋放窗口。7.釋放薄膜。一種方法是使用各向異性濕法腐蝕液，如四甲基氫氧化銨(TMAH)或氫氧化鉀(KOH)等；另一種方法是使用各向同性濕法腐，如，氫氟酸(HF) +硝酸(HNO3) +水 (H2O)等或者各向同性干法刻蝕氣體，如乂評2等。通過這兩種方法掏空復(fù)合膜下面的襯底硅即可釋放出薄膜結(jié)構(gòu)。8.制作敏感膜。可以采用常見的氣相法，液相法或固相法來制作敏感膜。本發(fā)明提供的一種具有兩懸梁六層結(jié)構(gòu)的電阻式氣體傳感器及其制作方法，與以往的電阻式氣體傳感器相比，其優(yōu)點在于1.基于MEMS工藝制作，器件體積小，成本低，易于批量生產(chǎn)。2.采用兩懸梁支撐的微型加熱器為傳感器提供工作所需的高溫，利于降低功耗， 提高溫度均勻性，而且易于通過調(diào)節(jié)和控制工作溫度來提高傳感器的性能。3.這種兩懸梁傳感器的結(jié)構(gòu)十分簡單，高溫下的機械強度較高，而且結(jié)構(gòu)的釋放可以有多種選擇。4.先利用MEMS工藝制作微型加熱器和叉指電極，再制作敏感膜，分步完成，有效避免半導(dǎo)體工藝對敏感膜活性的影響。5.加熱電阻絲和叉指電極間通過隔離層隔離，有效防止相互干擾。


圖1為本發(fā)明提供的一種具有兩懸梁六層結(jié)構(gòu)的電阻式氣體傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為傳感器的第二到第六層得分解示意圖。圖3為本發(fā)明提供的一種具有兩懸梁六層結(jié)構(gòu)的電阻式氣體傳感器制作方法的流程圖，其中(a)為選擇襯底，(b)為制作復(fù)合膜，(c)為制作加熱電阻絲，供電引線和供電電極，(d)為制作隔離層，(e)為制作叉指電極，探測引線和探測電極，(f)為開薄膜釋放窗口，(g)為釋放薄膜，(h)為制作敏感膜。圖4為實施例2中傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖，其中(a)為俯視圖，(b)為截面圖。圖5為實施例3中傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖，其中(a)為俯視圖，(b)為截面圖。圖中1為襯底框架，2為隔熱腔體，3為加熱膜區(qū)，4為過渡區(qū)，5為支撐懸梁，6為加熱電阻絲，7為供電引線，8為供電電極，9為隔離層，10為叉指電極，11為探測引線，12為探測電極，13為敏感膜。
具體實施例方式實施例1 該實施例的結(jié)構(gòu)示意圖參見圖1所示，具體制作方法如下1.選擇襯底。選取N型(100)面的4英寸雙面拋光的硅片作為襯底，電阻率 3-8 Ω · cm，硅片厚度為350 士 10微米，切邊的角度誤差< 1%。2.制作復(fù)合膜。采用單層復(fù)合膜，利用低壓化學(xué)氣相沉積(LPCVD)的方法依次生長一層厚度為0. 5微米的氧化硅和一層厚度為0. 3微米的氮化硅。3.制作加熱電阻絲，供電引線和供電電極。采用剝離工藝(lift-off)制作。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，然后濺射一層0.2微米厚的鈦鉬，最后丙酮去膠后即可形成加熱電阻絲，供電引線和供電電極。4.制作隔離層。利用等離子增強化學(xué)氣相沉積(PECVD)的方法沉積一層0. 5微米厚的氧化硅作為隔離層。5.制作叉指電極，探測引線和探測電極。采用剝離工藝(lift-off)制作。薄膠光刻(光刻膠厚度為2.0微米)定義出叉指電極，探測引線和探測電極的圖形，然后濺射一層 0.2微米厚的鈦鉬，最后丙酮去膠后即可形成叉指電極，探測引線和探測電極。6.開薄膜釋放窗口。正面光刻定義出用于釋放加熱膜區(qū)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硅和氮化硅復(fù)合膜。7.釋放薄膜。利用TMAH腐蝕液通過薄膜釋放窗口腐蝕襯底硅，并在中心膜區(qū)和支撐懸梁的下方形成倒梯形的隔熱腔體。8.制作敏感膜。采用氣相法制作氣體敏感膜。實施例2 該實施例的結(jié)構(gòu)示意圖參見圖4所示，具體制作方法如下1.選擇襯底。選取P型(100)面的4英寸雙面拋光的硅片作為襯底，電阻率 3-8 Ω · cm，硅片厚度為350 士 10微米，切邊的角度誤差< 1%。2.制作復(fù)合膜。采用單層復(fù)合膜，利用等離子增強化學(xué)氣相沉積(PECVD)的方法依次生長一層厚度為0. 4微米的氧化硅和一層厚度為0. 6微米的氮化硅。3.制作加熱電阻絲，供電引線和供電電極。采用濕法腐蝕工藝制作。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，最后濕法腐蝕形成加熱電阻絲，供電引線和供電電極。4.制作隔離層。利用等離子增強化學(xué)氣相沉積(PECVD)的方法沉積一層0. 4微米厚的氧化硅作為隔離層。5.制作叉指電極，探測引線和探測電極。采用剝離工藝(lift-off)制作。薄膠光刻(光刻膠厚度為2.0微米)定義出叉指電極，探測引線和探測電極的圖形，然后濺射一層 0.2微米厚的鈦金，最后丙酮去膠后即可形成叉指電極，探測引線和探測電極。6.開薄膜釋放窗口。正面光刻定義出用于釋放加熱膜區(qū)和支撐懸梁的腐蝕窗口圖形，在光刻膠的保護下利用反應(yīng)離子刻蝕(RIE)徹底刻蝕暴露的氧化硅和氮化硅復(fù)合膜。
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7.釋放薄膜。利用KOH腐蝕液通過薄膜釋放窗口腐蝕襯底硅，并在中心膜區(qū)和支撐懸梁的下方形成倒梯形的隔熱腔體。8.制作敏感膜。采用液相法制作氣體敏感膜。實施例3 該實施例的結(jié)構(gòu)示意圖參見圖5所示，具體制作方法如下1.選擇襯底。選擇P型(111)面的4英寸雙面拋光的硅片作為襯底，電阻率 3-8 Ω · cm，硅片厚度為350 士 10微米，切邊的角度誤差< 1%。2.制作復(fù)合膜。采用多層復(fù)合膜，先利用低壓化學(xué)氣相沉積(LPCVD)的方法依次沉積一層厚度為0. 2微米的氧化硅和一層厚度為0. 2微米的氮化硅，再利用等離子增強化學(xué)氣相沉積(PECVD)的方法依次沉積一層厚度為0. 2微米的氧化硅和一層厚度為0. 2微米的氮化硅。3.制作加熱電阻絲，供電引線和供電電極。采用先沉積再刻蝕的方法制作。先沉積一層0.4微米厚的多晶硅，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，最后利用干法刻蝕形成加熱電阻絲，供電引線和供電電極。4.制作隔離層。利用等離子增強化學(xué)氣相沉積(PECVD)的方法沉積一層0. 6微米厚的氧化硅作為隔離層。5.制作叉指電極，探測引線和探測電極。采用剝離工藝(lift-off)制作。薄膠光刻(光刻膠厚度為2.0微米)定義出叉指電極，探測引線和探測電極的圖形，然后濺射一層 0.2微米厚的鈦鉬金，最后丙酮去膠后即可形成叉指電極，探測引線和探測電極。6.開薄膜釋放窗口。正面光刻定義出用于釋放加熱膜區(qū)和支撐懸梁的腐蝕窗口圖形，在光刻膠的保護下利用反應(yīng)離子刻蝕(RIE)徹底刻蝕暴露的氧化硅和氮化硅復(fù)合膜。7.釋放薄膜。利用XeF2氣體通過薄膜釋放窗口刻蝕襯底硅，并在中心膜區(qū)和支撐懸梁的下方形成圓弧形的隔熱腔體。8.制作敏感膜。采用固相法制作氣體敏感膜。
權(quán)利要求
1.一種具有兩支撐梁六層結(jié)構(gòu)的電阻式氣體傳感器，其特征在于所述的電阻式氣體傳感器是一個自下而上分為六層具有不同功能結(jié)構(gòu)，其中最下層第一層是硅襯底框架，其中包含一個隔熱腔體；第二層是位于隔熱腔體上方的加熱膜區(qū)、過渡區(qū)和支撐懸梁，由氧化硅和氮化硅的多層復(fù)合膜組成；第三層是加熱電阻絲和供電引線，加熱電阻絲以折線形式排布在加熱膜區(qū)上；第四層為隔離層，將加熱電阻絲和供電引線包裹其中，起電絕緣作用；第五層為叉指電極和探測引線，叉指電極位于與加熱膜區(qū)相對應(yīng)處，最上層第六層為敏感膜， 敏感膜位于加熱膜區(qū)對應(yīng)處并且和叉指電極良好接觸。
2.按權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于位于隔熱腔體上方的加熱膜區(qū)的兩端分別通過一個過渡區(qū)與支撐懸梁的一端相連，支撐懸梁的另一端連接襯底框架，并懸浮于隔熱腔體之上。
3.按權(quán)利要求1或2所述的傳感器，其特征在于所述隔熱腔體的形狀一種是通過正面硅各向異性濕法腐蝕形成的橫截面呈倒梯形或V字型結(jié)構(gòu)；另一種是通過各向同性釋放腐蝕或各向同性干法刻蝕形成的橫截面呈圓弧形的結(jié)構(gòu)。
4.按權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于折線形式排布的加熱電阻絲通過兩根支撐懸梁上的供電引線與襯底框架上的供電電極相連。
5.按權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于排布在隔離層上的叉指電極通過探測引線與襯底框架上的探測電極相連。
6.按權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于所述的加熱膜區(qū)的形狀為矩形結(jié)構(gòu)。
7.按權(quán)利要求2所述的傳感器，其特征在于所述的過渡區(qū)的形狀為等腰梯形結(jié)構(gòu)，且梯形的下底邊與矩形加熱膜區(qū)的短棱相連，梯形的上底邊與支持懸梁相連。
8.按權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于所述的隔離層厚度大于加熱電阻絲和供電引線的厚度。
9.制作如權(quán)利要求1或2所述的傳感器的方法，其特征在于先用MEMS工藝實現(xiàn)微型加熱器和叉指電極的制作，然后再利用傳統(tǒng)工藝在加熱膜區(qū)定位制作敏感膜；具體步驟是(a)選擇襯底當(dāng)釋放薄膜采用各向異性濕法腐蝕時，采用(100)面的硅片作為襯底， 當(dāng)釋放薄膜采用的是各向同性濕法腐蝕或各向同性干法刻蝕時，對硅襯底的晶面沒有要求；(b)制作復(fù)合膜復(fù)合膜用于形成加熱膜區(qū)，過渡區(qū)和支撐懸梁；復(fù)合膜由單層或多層的氧化硅和氮化硅復(fù)合而成，采用氧化、等離子增強化學(xué)氣相沉積、或低壓化學(xué)氣相沉積方法制備；(c)制作加熱電阻絲、供電引線和供電電極對于鉬或金金屬材料，利用剝離工藝或者濕法腐蝕工藝制作；對多晶硅半導(dǎo)體材料采用先沉積再干法刻蝕的方法制作；(d)制作隔離層利用等離子增強化學(xué)氣相沉積方法，制作氧化硅或氮化硅；(e)制作叉指電極、探測引線和探測電極采用鉬、金或銅金屬材料，利用剝離工藝或濕法腐蝕工藝制作；(f)開薄膜釋放窗口利用反應(yīng)離子刻蝕或離子束刻蝕刻蝕暴露的氧化硅和氮化硅復(fù)合膜，露出襯底硅形成薄膜釋放窗口 ；(g)釋放薄膜一種方法是使用四甲基氫氧化銨或氫氧化鉀各向異性濕法腐蝕液，；另一種方法是使用氫氟酸+硝酸+水各向同性濕法腐蝕或者^CeF2各向同性干法刻蝕氣體，通過這兩種方法掏空復(fù)合膜下面的襯底硅即可釋放出薄膜結(jié)構(gòu)； (h)制作敏感膜采用氣相法，液相法或固相法來制作敏感膜。
10.按權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于 1)所述的單層復(fù)合膜為一層氧化硅和一層氮化硅復(fù)合而成；或2)所述的多層復(fù)合膜先用LPCVD方法依次沉積一層氧化硅和一層氮化硅，然后再利用PECVD方法沉積一層氧化硅和一層氮化硅。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具有兩支撐懸梁六層結(jié)構(gòu)的電阻式氣體傳感器及制作方法，傳感器的結(jié)構(gòu)包括襯底框架，隔熱腔體，加熱膜區(qū)，過渡區(qū)，支撐懸梁，加熱電阻絲，供電引線，供電電極，隔離層，叉指電極，探測引線，探測電極，和敏感膜。其結(jié)構(gòu)特征為位于隔熱腔體上方的加熱膜區(qū)通過過渡區(qū)和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(qū)上，并通過供電引線與襯底框架上的供電電極相連；隔離層覆蓋在加熱膜區(qū)和支撐懸梁之上，并嚴(yán)密包裹加熱電阻絲和供電引線；叉指電極排布在隔離層上，并通過探測引線與探測電極相連；敏感膜位于加熱膜區(qū)上的隔離層處，覆蓋整個叉指電極并和叉指電極有良好的電聯(lián)接。
文檔編號B81C1/00GK102359981SQ201110191559
公開日2012年2月22日 申請日期2011年7月8日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月8日
發(fā)明者李鐵, 王躍林, 許磊 申請人:中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所