集成納米結(jié)構(gòu)的薄膜型mos氣體傳感器及其制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明涉及MEMS傳感器技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種集成納米結(jié)構(gòu)的薄膜型MOS氣體傳感器及其制作方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著社會的飛速發(fā)展和科技的突飛猛進(jìn)，人們的生活呈現(xiàn)出與以往截然不同的變化，這種變化一方面極大地提高了人們的生活水平和質(zhì)量;但另一方面也給自己的生活空間和環(huán)境造成了不可估量的影響，以VOC(voIatiIe organic compounds，揮發(fā)性有機(jī)化合物)、氮氧化物、硫化物等有毒有害氣體為代表的環(huán)境污染日趨嚴(yán)重，極大影響人們的生活質(zhì)量甚至壽命。工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模逐漸擴(kuò)大，產(chǎn)品種類不斷增多，尤其是石油、化工、煤礦、汽車等工業(yè)的飛速發(fā)展導(dǎo)致火災(zāi)事故的不斷發(fā)生，大氣環(huán)境遭到嚴(yán)重破壞。另外，隨著現(xiàn)代工業(yè)、國防工業(yè)的快速發(fā)展，運(yùn)輸過程中可能產(chǎn)生的液化石油氣、H2以及液態(tài)燃料等危險(xiǎn)品泄露，危險(xiǎn)品的燃燒，運(yùn)輸車的傾倒等危險(xiǎn)情況，也需要相應(yīng)傳感器實(shí)時的檢測。此外，天然氣管道泄露、家用煤氣泄露導(dǎo)致的爆炸等重大事故頻發(fā)，造成慘重的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。
[0003]人類對以上這些氣體的感知和承受能力是有限的，為了確保安全，防患于未然，人們研制了各種測試儀器和檢測方法，以便準(zhǔn)確地檢測并控制環(huán)境中的各種有毒有害氣體。同時，隨著近年以短距離通訊為技術(shù)核心的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)快速發(fā)展以及以智能家居為代表的對氣體泄漏和室內(nèi)氣體濃度的實(shí)時檢測需求的日益迫切，基于各種類型氣體傳感器的實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)逐漸進(jìn)入市場。而其中最為核心和關(guān)鍵的就是氣體傳感器。氣體傳感器經(jīng)過多年的發(fā)展，已廣泛應(yīng)用于各行業(yè)的生產(chǎn)、國防、醫(yī)療、生活和監(jiān)測機(jī)構(gòu)等領(lǐng)域，而研究和開發(fā)這些用于環(huán)境監(jiān)測的氣體傳感器，更成為人們?nèi)找骊P(guān)心的問題。
[0004]目前市面上的商用氣體傳感器以敏感機(jī)理來分類主要有:電化學(xué)氣體傳感器、半導(dǎo)體氣體傳感器、催化反應(yīng)氣體傳感器、熱傳導(dǎo)式氣體傳感器、光學(xué)原理氣體傳感器等。在眾多氣體傳感器之中，應(yīng)用最為廣泛、傳感器結(jié)構(gòu)和制作工藝簡單、靈敏度等綜合性能優(yōu)良、成本低廉的應(yīng)數(shù)半導(dǎo)體氣體傳感器。尤其是近年來隨著微機(jī)械加工技術(shù)的發(fā)展，借助于微電子工藝，半導(dǎo)體氣體傳感器更是向著集成化、智能化方向發(fā)展。半導(dǎo)體氣體傳感器是利用在一定的工作溫度下，某些金屬氧化物半導(dǎo)體材料(例如Zn0、Sn02、Ti02等)因?yàn)榄h(huán)境氣體的成分、濃度等發(fā)生變化導(dǎo)致電導(dǎo)率隨之發(fā)生變化的特性來檢測氣體。利用表面電導(dǎo)的變化檢測氣體的種類和濃度。因而，其具有制作工藝簡單、生產(chǎn)成本低、靈敏度高、響應(yīng)恢復(fù)特性好。作為氣體敏感材料的金屬氧化物半導(dǎo)體需要加熱到較高溫度時才顯現(xiàn)出較好的敏感特性。專利CN103675028A介紹了一種半導(dǎo)體氣體傳感器，在制備半導(dǎo)體氣敏傳感器時必須先制備氣敏材料的加熱電極，然后再制備信號感測電極，工藝復(fù)雜，也沒有集成提高靈敏度的納米結(jié)構(gòu)。目前，在市場上的產(chǎn)品主要為厚膜型氣體傳感器，其氣敏薄膜的制作主要通過手工點(diǎn)膠、滴涂、噴涂等方法制備，其厚度及面積難于控制，可靠性重復(fù)性不佳，無法通過MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微機(jī)電系統(tǒng))工藝批量制造，同時，由于氣體接觸面積有限，信號強(qiáng)度和檢測濃度極限受限。
[0005]此外，半導(dǎo)體氣體傳感器中通常利用金屬氧化物作為敏感材料，通過在其表面吸附氣體及表面反應(yīng)而引起自身電阻的變化，進(jìn)而監(jiān)測到待檢測氣體。金屬氧化物的吸附能力越強(qiáng)，則氣敏元件的選擇性和靈敏度越高，為了達(dá)到上述效果，通常需要?dú)饷舨牧现g有能讓待測氣體通過的空隙;或?yàn)榱颂岣咝盘枏?qiáng)度，提高檢測濃度極限，需要在一定的器件尺寸限制下增大敏感材料與氣體的接觸面積或敏感材料的比表面積。當(dāng)今納米技術(shù)的發(fā)展，不僅為傳感器提供了良好的敏感材料，例如納米粒子、納米管、納米線、納米薄膜等，而且一個顯著的事實(shí)是在納米尺度下，材料的比表面積顯著增加。
[0006]與傳統(tǒng)的傳感器相比，納米傳感器尺寸減小、精度提高等性能大大改善，更重要的是利用納米技術(shù)制作傳感器，是站在原子尺度上，從而極大地豐富了傳感器的理論，推動了傳感器的制作水平，拓寬了傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域。納米傳感器的主要應(yīng)用領(lǐng)域包括醫(yī)療保健、軍事、工業(yè)控制和機(jī)器人、網(wǎng)絡(luò)和通信以及環(huán)境監(jiān)測等。隨著相關(guān)技術(shù)的成熟，納米傳感器在國防安檢方面的強(qiáng)大優(yōu)勢逐漸顯現(xiàn)。相信在不久的將來，納米傳感器將用于新一代的軍服和設(shè)備，并將用來檢測炭疽、有毒有害危險(xiǎn)氣體等。此外，眾多研究和應(yīng)用表明，將納米技術(shù)和納米結(jié)構(gòu)與已有傳統(tǒng)傳感器相結(jié)合可以顯著提升傳感器的性能指標(biāo)，從而拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域。
[0007]綜上背景可知，無論是已有的厚膜式氣敏傳感器還是薄膜式半導(dǎo)體氣敏傳感器，雖然市場占有率和性能滿足了部分需求，但性能仍有提升空間。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種集成納米結(jié)構(gòu)的薄膜型MOS氣體傳感器及其制作方法，能夠提高工藝兼容性和可重復(fù)性。
[0009]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供一種集成納米結(jié)構(gòu)的薄膜型MOS氣體傳感器，從底部向頂部依次包括:承載硅基底，傳感器釋放后空腔、MEMS氧化硅、氮化硅復(fù)合膜支撐結(jié)構(gòu)，圖形化多晶硅薄膜層，納米尺度硅結(jié)構(gòu)，梳齒敏感電極、加熱電極以及引線鍵合pad層結(jié)構(gòu)，金屬氧化物敏感膜層。
[0010]可選的，所述MEMS氧化硅、氮化硅復(fù)合膜支撐結(jié)構(gòu)自下而上包括厚度為0.1?2微米的絕熱氧化硅薄膜層、厚度為0.1?I微米的勻熱氮化硅薄膜層。
[0011]可選的，所述多晶硅薄膜層的厚度為0.1?2微米。
[0012]可選的，電極的厚度為0.05?I微米，電極的長、寬為10?200微米，梳齒敏感電極間距為I?50微米;所述電極材料包括金屬和合金薄膜或重?fù)诫s的多晶硅，所述金屬選自Pt、Au、Ag、Cu、N1、W中的一種，所述合金薄膜選自附/0、]\10/]\111、(]11/211、厶8/?(1、？1:/^11、卩6/(]0中的一種，所述重?fù)诫s的多晶硅包括N型或P型重?fù)诫s多晶硅，用于傳感器電信號的引出。
[0013]可選的，所述金屬氧化物敏感膜層為Zn0、Sn02、Ti02、Fe203中的一種，晶粒直徑為10?500]1111，膜層的厚度為30?500111]1。
[0014]本發(fā)明還提供一種集成納米結(jié)構(gòu)的薄膜型MOS氣體傳感器的制造方法，包括:
[0015]在承載硅基底上，采用低壓力化學(xué)氣相沉積法制備厚度為0.1?2微米的絕熱氧化娃薄膜層；
[0016]在絕熱氧化硅薄膜層上，采用低壓力化學(xué)氣相沉積法制備厚度為0.1?2微米的勻熱氮化硅薄膜層；
[0017]在勻熱氮化硅薄膜層上，采用壓力化學(xué)氣相沉積法制備厚度為0.1?2微米的多晶娃薄膜層；
[0018]對多晶硅薄膜層進(jìn)行圖形化處理，形成圖形化多晶硅薄膜層；
[0019]在非敏感區(qū)域光刻干法釋放口；
[0020]在多晶硅表面制備梳齒敏感電極、加熱電極以及引線鍵合pad;
[0021]刻蝕多晶硅表面，形成納米尺度硅結(jié)構(gòu)粗糙起伏；
[0022]在納米尺度硅結(jié)構(gòu)、梳齒敏感電極、加熱電極以及引線鍵合pad區(qū)域沉積金屬氧化物敏感膜層；
[0023]對承載硅基底進(jìn)行同性干法刻蝕，形成縱向深度在I?100微米左右、橫向刻蝕穿透的熱隔離的懸浮器件結(jié)構(gòu)，懸浮膜層下方為傳感器釋放后空腔，傳感器敏感薄膜懸空區(qū)域與硅基底之間通過支撐臂相連接。
[0024]可選的，所述在納米尺度硅結(jié)構(gòu)、梳齒敏感電極、加熱電極以及引線鍵合pad區(qū)域沉積金屬氧化物敏感膜層包括:使用磁控濺射的方法在納米尺度硅結(jié)構(gòu)、梳齒敏感電極、加熱電極以及引線鍵合pad區(qū)域沉積金屬氧化物敏感膜層，之后進(jìn)行400°C?600°C的退火處理。
[0025]可選的，所述在納米尺度硅