CN101021501A

CN101021501A - 平板夹心结构的半导体式气体传感器及其制造方法

Info

Publication number: CN101021501A
Application number: CN 200710071957
Authority: CN
Inventors: 施云波; 郭建英; 张洪泉; 丁喜波; 冯侨华; 时强
Original assignee: Harbin University of Science and Technology
Current assignee: Harbin University of Science and Technology
Priority date: 2007-03-28
Filing date: 2007-03-28
Publication date: 2007-08-22
Anticipated expiration: 2027-03-28
Also published as: CN100476418C

Abstract

平板夹心结构的半导体式气体传感器及其制造方法，它涉及一种具有平板夹心结构的半导体式气体传感器及其制造方法，为了解决现有结构形式半导体式传感器的电阻大、电导率低、加热功耗高的问题。本发明的平板夹心结构的半导体式气体传感器的所述的基片上刻蚀有加热器，在绝缘隔离层上刻蚀有敏感电极，在加热器上镀绝缘隔离层，在敏感电极上镀有敏感膜，在敏感膜上设置多孔电极，其制造方法由基片选择与清洗、制作加热器、制作隔离层和制作敏感电极等步骤完成。本发明的平板夹心结构的半导体式气体传感器具有电阻小、电导率高、加热功耗低的优点，其制造方法具有制作工艺精度高的优点。

Description

平板夹心结构的半导体式气体传感器及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种具有平板夹心结构的半导体式气体传感器及其制造方法。

背景技术

自上世纪60年代氧化锌气敏元件问世以来，气敏传感器的发展十分迅速，已成为传感器中最重要的分支之一。它是利用物理效应、化学反应等机理把气体中的特定成分检测出来，并通过敏感芯片和转换部件转换成电信号的传感器，已经广泛应用于工业生产、环境保护、国防、医药、人民生活、交通运输等领域。到目前为止，人们利用各种原理开发许多气体传感器，如：半导体式，电化学式，SAW式，热传导式，光化学式，等等。其中，半导体式气体传感器仍然是当今研究热点和主流产品，其结构主要有加热器与敏感电极分离的旁热式芯片结构、加热器与敏感电极一体的体型芯片结构、加热器与敏感电极分列基片两侧一体的厚薄膜型芯片结构等三种，这几种结构的传感器的加热器的功耗都比较大，300mw以上。

目前已实用化的SnO₂系、ZnO系气敏元件等无机半导体式气体传感器一般需要加热到300℃～500℃才有气敏特性，都需掺加入贵金属催化剂来提高其灵敏度和选择性，因而催化剂的活性，寿命等对元件的性能影响极大。于是又开发了低温加热(150℃～室温)工作的有机半导体，但由于有机半导体天然的高电阻在10^-9Ω以上，且有机半导体的电导率总是要比无机半导体低许多，采用常用的叉指电极结构，其电阻相当大，易受干扰，不利于后续电路信号采集，给采集信号和后续电路带来困难，限制了它的实际使用。因此，针对这类传感器设计新型的芯片结构及制造工艺是十分必要的，同时，对无机半导体式气体传感器也有新的发展思路。

发明内容

为了解决现有结构形式半导体式传感器的电阻大、电导率低、加热功耗高的问题和现有传感器制造方法制作工艺精度低的问题，本发明提供了一种平板夹心结构的半导体式气体传感器及其制造方法。

本发明的平板夹心结构的半导体式气体传感器由基片、加热器、绝缘隔离层、敏感电极、敏感膜和多孔电极组成，所述基片、加热器、绝缘隔离层、敏感电极、敏感膜和多孔电极同中心且为规则形状，所述的基片上刻蚀有加热器，加热器的长度与基片的直径相等，在加热器上镀绝缘隔离层，在绝缘隔离层上刻蚀有敏感电极，敏感电极的长度与基片的直径相等，敏感电极与加热器相互垂直，绝缘隔离层的面积大于加热器与敏感电极重叠部分的面积，绝缘隔离层的面积小于基片的面积，在敏感电极上镀有敏感膜，在敏感膜上设置多孔电极，所述敏感膜与绝缘隔离层的面积百分比为70％～90％，多孔电极与敏感膜的面积百分比为70％～90％。

本发明的平板夹心结构的半导体式气体传感器的制造方法由下列步骤完成

步骤一：选择所需基片，基片选用0.1～0.5mm厚度的SiO₂/Si、Ai₂O₃或玻璃，然后用去离子水煮沸10～20min，用丙酮在30khz频率下进行超声波清洗10～20min，用酒精在30khz频率下进行超声波清洗10～20min，用去离子水在30khz频率下进行超声波清洗10～20min。烘干或晾干基片；

步骤二：制作加热器，按照以下顺序操作：

操作顺序一：将基片放入JGP560C型超高真空多靶溅射镀膜机的进样室中，关上真空室门，打开机械泵，对真空室进行粗抽，待真空度达到10Pa时，打开分子泵，进行细抽，同时打开溅射室的机械泵和分子泵，待真空度小于0.1Pa时，将两个室中间的挡板关上；将基片作为靶，让氩离子轰击基片，待进样室真空度达到3×10^-4Pa时，通入氩气，氩气的流量为10～30ml/min，调节抽气阀门使进样室达到所需的压力在3Pa，在80w的功率下对试样进行反溅清洗至少20min；在真空室的真空度达到5×10^-5Pa时，要在高温下烘烤真空室，将吸附的气体抽出去，烘烤温度选择150℃，烘烤两个小时；将两室中间的挡板打开，将进样室中反溅清洗好的基片通过传递杆送入到溅射室，关上挡板；待溅射室的真空度达2×10^-5Pa时，通入氩气，氩气流量为10～30ml/min，同样调节抽气阀门使工作室达到所需的压力在3Pa，在保持真空度和氩气压力不变的情况下，进行镀膜，镀膜采用铂靶材，纯度为99.95％，靶材的尺寸Φ60×2.5mm；镀膜完毕后，要关掉气体、溅射电源，关掉分子泵和机械泵；将挡板打开，向真空室内充气，取出基片；

操作顺序二、在溅射铂膜基片上滴上0.01～0.1ml的BP212光刻胶，用H52-10型匀胶机在2500转/min～3500转/min速度下涂胶，然后放入烘箱中在80～100℃下烘干20～40min取出；以加热器图形掩模版为制版图形，在SB-401B型双面曝光机上曝光5～50s；把曝光好的基片放入BP212显影中显影20～40s，再在去离子水中漂洗20～30s；用离心机在2000～3000rpm将基片甩干，最后将基片在DG/20-002A型台式干燥箱中，100～130℃温度下烘烤30～40min；

操作顺序三、将镀膜完毕的基片，放在JGP560C型超高真空多靶溅射镀膜机的进样室进行反溅，得到的图形就是所需要的加热器图形，向真空室内充气，取出基片；

步骤三：将前步骤的基片放入隔离层掩模版内，放入溅射室内，以铝靶为溅射靶材，按照步骤二操作顺序一的步骤进行镀膜，待溅射室的真空度达2×10^-5Pa时，通入氩气和氧气，流量皆为10～30ml/min，同样调节抽气阀门使工作室达到所需的压力在3Pa，在保持真空度和氩气、氧气压力不变的情况下，边进行铝与氧反应形成三氧化二铝边成膜，镀膜完毕后，要关掉气体、溅射电源，关掉分子泵和机械泵。然后充气取出基片；

步骤四：将前步骤的基片放入敏感电极掩模版内，放入溅射室内，以铂靶为溅射靶材，按照步骤二操作顺序一的步骤进行镀膜，待溅射室的真空度达2×10^-5Pa时，通入氩气，流量为10～30ml/min，同样调节抽气阀门使工作室达到所需的压力在3Pa，在保持真空度和氩气压力不变的情况下，进行成膜，镀膜完毕后，要关掉气体、溅射电源，关掉分子泵和机械泵，然后充气取出基片，然后按照步骤二操作顺序二的步骤进行光刻制图，曝光时以图形敏感电极掩模版为制版图形，位置与加热器图形垂直，最后按照步骤二操作顺序三的步骤进行反溅成型；

步骤五：在前步骤的基片上镀敏感膜；

步骤六：制作多孔电极，完成制作。

本发明的平板夹心结构的半导体式气体传感器结构微小，质量轻，与半导体工艺兼容，利于批量化生产，功耗小，利于便携产品设计，输出电阻小，信号强，利于后续电路开发，其空气下电阻基本在10⁵～10⁶Ω之间，电导率能提高10³倍以上，加热功耗可降至10～100mw。本发明的平板夹心结构的半导体式气体传感器的制造方法具有制作工艺精度高的优点。

附图说明

图1是加热器的结构示意图，图2是敏感电极的结构示意图，图3是本发明的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1、图2和图3具体说明本实施方式，本实施方式由基片1、加热器2、绝缘隔离层3、敏感电极4、敏感膜5和多孔电极6组成，所述基片1、加热器2、绝缘隔离层3、敏感电极4、敏感膜5和多孔电极6同中心且为规则形状，所述的基片1上刻蚀有加热器2，加热器2的长度与基片1的直径相等，在加热器2上镀绝缘隔离层3，在绝缘隔离层3上刻蚀有敏感电极4，敏感电极4的长度与基片1的直径相等，敏感电极4与加热器2相互垂直，绝缘隔离层3的面积大于加热器2与敏感电极4重叠部分的面积，绝缘隔离层3的面积小于基片1的面积，在敏感电极4上镀有敏感膜5，在敏感膜5上设置多孔电极6，所述敏感膜5与绝缘隔离层3的面积百分比为70％～90％，多孔电极6与敏感膜5的面积百分比为70％～90％。通过底层加热体的供热，散热的热量使处于夹心层的敏感膜始终处于恒温状态；而传感器的输出由透气的多孔电极与敏感电极构成串联电阻实现信号采集，由于平板的多孔电极和敏感电极增大了敏感膜与电极间接触面积，减小了两极间的间隙。

具体实施方式二：下面结合图1具体说明本实施方式，本实施方式中加热器2的中部为蛇形，两侧为焊盘2-1且两侧焊盘2-1的大小相等，其它组成及连接关系同具体实施方式一。

具体实施方式三：下面具体说明本实施方式，本实施方式有下列步骤完成

步骤一：选择所需基片，基片选用0.1～0.5mm厚度的SiO₂/Si、Ai₂O₃或玻璃，然后用去离子水煮沸10～20min，洗去基片上的可溶性污染物，用丙酮在30khz频率下进行超声波清洗10～20min，洗去基片的有机污染物，用酒精在30khz频率下进行超声波清洗10～20min，洗去基片上的有机污染物，用去离子水在30khz频率下进行超声波清洗10～20min。烘干或晾干基片，洗去残留在基片上的丙酮和酒精；

步骤二：制作加热器，按照以下顺序操作：

操作顺序一：将基片放入沈阳科技仪器厂生产的JGP560C型超高真空多靶溅射镀膜机的进样室中，关上真空室门，打开机械泵，对真空室进行粗抽，待真空度达到10Pa时，打开分子泵，进行细抽，同时打开溅射室的机械泵和分子泵，待真空度小于0.1Pa时，将两个室中间的挡板关上；将基片作为靶，让氩离子轰击基片，以除掉基片表面的灰尘和吸附的气体等，并使基片表面有很高的活性，利于薄膜与基片的结合，待进样室真空度达到3×10^-4Pa时，通入氩气，氩气的流量为10～30ml/min，调节抽气阀门使进样室达到所需的压力在3Pa，在80w的功率下对试样进行反溅清洗至少20min；在真空室的真空度达到5×10^-5Pa时，要在高温下烘烤真空室，将吸附的气体抽出去，烘烤温度选择150℃，烘烤两个小时；将两室中间的挡板打开，将进样室中反溅清洗好的基片通过传递杆送入到溅射室，关上挡板；待溅射室的真空度达2×10^-5Pa时，通入氩气，氩气流量为10～30ml/min，同样调节抽气阀门使工作室达到所需的压力在3Pa，在保持真空度和氩气压力不变的情况下，进行镀膜，镀膜采用铂靶材，纯度为99.95％，靶材的尺寸Φ60×2.5mm，靶材致密，表面平整光洁，内部无疏松、缩孔等缺陷；镀膜完毕后，要关掉气体、溅射电源，关掉分子泵和机械泵；将挡板打开，向真空室内充气，取出基片；

操作顺序二、在溅射铂膜基片上滴上0.01～0.1ml的北京化学试剂研究所生产的BP212光刻胶，用玉环县利安电子设备有限公司生产的H52-10型匀胶机在2500转/min～3500转/min速度下涂胶，然后放入烘箱中在80～100℃下烘干20～40min取出；以加热器图形掩模版为制版图形，在中国电子科技集团公司第四十五研究所研制的SB-401B型双面曝光机上曝光5～50s；把曝光好的基片放入北京化学试剂研究所生产的BP212显影中显影20～40s，再在去离子水中漂洗20～30s；用离心机在2000～3000rpm将基片甩干，最后将基片在重庆银河实验仪器公司生产的DG/20-002A型台式干燥箱中，100～130℃温度下烘烤30～40min；

操作顺序三、将镀膜完毕的基片，放在沈阳科技仪器厂生产的JGP560C型超高真空多靶溅射镀膜机的进样室进行反溅，反溅掉光刻胶以外的铂膜和光刻胶，得到的图形就是所需要的加热器图形，向真空室内充气，取出基片；

步骤四：将前步骤的基片放入敏感电极掩模版内，放入溅射室内，以铂靶为溅射靶材，按照步骤三操作顺序一的步骤进行镀膜，待溅射室的真空度达2×10^-5Pa时，通入氩气，流量为10～30ml/min，同样调节抽气阀门使工作室达到所需的压力在3Pa，在保持真空度和氩气压力不变的情况下，进行成膜，镀膜完毕后，要关掉气体、溅射电源，关掉分子泵和机械泵，然后充气取出基片，然后按照步骤二操作顺序二的步骤进行光刻制图，曝光时以图形敏感电极掩模版为制版图形，位置与加热器图形垂直，最后按照步骤二操作顺序三的步骤进行反溅成型；

步骤五：在前步骤的基片上镀敏感膜；

步骤六：制作多孔电极，完成制作。

具体实施方式四：下面具体说明本实施方式，本实施方式步骤六中的多孔电极制作过程是将基片放入多孔电极掩模版内，放在真空镀膜机的蒸发器的上面；以金为上电极材料，放入0.01～0.1mg在蒸发皿内，关闭真空镀膜机的钟罩，然后打开机械泵，进行低真空抽气，待真空度达到0.1Pa以下时，打开扩散泵，进行高真空抽气，待真空度小于3×10^-4Pa时，通过控制蒸发电压并控制蒸发时间在10s以内进行镀膜，直接形成多孔的连续的电极，其它步骤同具体实施方式三。

具体实施方式五：下面具体说明本实施方式，本实施方式步骤六中的多孔电极制作过程是将基片放入多孔电极掩模版内，放在真空镀膜机的蒸发器的上面；以金为上电极材料，放入0.01～0.1mg在蒸发皿内，关闭真空镀膜机的钟罩，然后打开机械泵，进行低真空抽气，待真空度达到0.1Pa以下时，打开扩散泵，进行高真空抽气，待真空度小于3×10^-4Pa时，通过控制蒸发电压并控制蒸发时间在30s以上进行镀膜，形成无孔的连续的电极，然后按照步骤二操作顺序二进行光刻成型，以电极图形掩模版为制版图形进行曝光，坚膜后将基片放入金腐蚀液中去金，然后放在去光刻胶的溶液中去除光刻胶，其它步骤同具体实施方式四。

具体实施方式六：下面具体说明本实施方式，本实施方式步骤六中的多孔电极制作过程是将基片放入多孔电极掩模版内，放在真空镀膜机的蒸发器的上面；以金为上电极材料，放入0.01～0.1mg在蒸发皿内，关闭真空镀膜机的钟兆，然后打开机械泵，进行低真空抽气，待真空度达到0.1Pa以下时，打开扩散泵，进行高真空抽气，待真空度小于3×10^-4pa时，通过控制蒸发电压并控制蒸发时间在30s以上进行镀膜，形称无孔的连续的电极，然后采用YAG激光器以1062nm波长激光、1～20khz脉冲频率在金电极上进行激光点蚀出规则图形的多孔电极，其它步骤同具体实施方式五。

Claims

1、平板夹心结构的半导体式气体传感器，其特征在于它由基片(1)、加热器(2)、绝缘隔离层(3)、敏感电极(4)、敏感膜(5)和多孔电极(6)组成，所述基片(1)、加热器(2)、绝缘隔离层(3)、敏感电极(4)、敏感膜(5)和多孔电极(6)同中心且为规则形状，所述的基片(1)上刻蚀有加热器(2)，加热器(2)的长度与基片(1)的直径相等，在加热器(2)上镀绝缘隔离层(3)，在绝缘隔离层(3)上刻蚀有敏感电极(4)，敏感电极(4)的长度与基片(1)的直径相等，敏感电极(4)与加热器(2)相互垂直，绝缘隔离层(3)的面积大于加热器(2)与敏感电极(4)重叠部分的面积，绝缘隔离层(3)的面积小于基片(1)的面积，在敏感电极(4)上镀有敏感膜(5)，在敏感膜(5)上设置多孔电极(6)，所述敏感膜(5)与绝缘隔离层(3)的面积百分比为70％～90％，多孔电极(6)与敏感膜(5)的面积百分比为70％～90％。

2、根据权利要求1所述的平板夹心结构的半导体式气体传感器，其特征在于所述的加热器(2)的中部为蛇形，两侧为焊盘(2-1)且两侧焊盘(2-1)的大小相等。

3、平板夹心结构的半导体式气体传感器的制造方法，其特征在于它由下列步骤完成

步骤二：制作加热器，按照以下顺序操作：

步骤三：将前步骤的基片放入隔离层掩模版内，放入溅射室内，以铝靶为溅射靶材，按照步骤二操作顺序一的步骤进行镀膜，待溅射室的真空度达2×10^-5Pa时，通入氩气和氧气，流量皆为10～30ml/min，同样调节抽气阀门使工作室达到所需的压力在3Pa，在保持真空度和氩气、氧气压力不变的情况下，边进行铝与氧反应形成三氧化二铝边成膜，镀膜完毕后，要关掉气体、溅射电源，关掉分子泵和机械泵，然后充气取出基片；

步骤五：在前步骤的基片上镀敏感膜；

步骤六：制作多孔电极，完成制作。

4、根据权利要求3所述的平板夹心结构的半导体式气体传感器的制造方法，其特征在于步骤六中的多孔电极制作过程是将基片放入多孔电极掩模版内，放在真空镀膜机的蒸发器的上面；以金为上电极材料，放入0.01～0.1mg在蒸发皿内，关闭真空镀膜机的钟罩，然后打开机械泵，进行低真空抽气，待真空度达到0.1Pa以下时，打开扩散泵，进行高真空抽气，待真空度小于3×10^-4Pa时，通过控制蒸发电压并控制蒸发时间在10s以内进行镀膜，直接形成多孔的连续的电极。

5、根据权利要求3所述的平板夹心结构的半导体式气体传感器的制造方法，其特征在于步骤六中的多孔电极制作过程是将基片放入多孔电极掩模版内，放在真空镀膜机的蒸发器的上面；以金为上电极材料，放入0.01～0.1mg在蒸发皿内，关闭真空镀膜机的钟罩，然后打开机械泵，进行低真空抽气，待真空度达到0.1Pa以下时，打开扩散泵，进行高真空抽气，待真空度小于3×10^-4Pa时，通过控制蒸发电压并控制蒸发时间在30s以上进行镀膜，形成无孔的连续的电极，然后按照步骤二操作顺序二进行光刻成型，以电极图形掩模版为制版图形进行曝光，坚膜后将基片放入金腐蚀液中去金，然后放在去光刻胶的溶液中去除光刻胶。

6、根据权利要求3所述的平板夹心结构的半导体式气体传感器的制造方法，其特征在于步骤六中的多孔电极制作过程是将基片放入多孔电极掩模版内，放在真空镀膜机的蒸发器的上面；以金为上电极材料，放入0.01～0.1mg在蒸发皿内，关闭真空镀膜机的钟罩，然后打开机械泵，进行低真空抽气，待真空度达到0.1Pa以下时，打开扩散泵，进行高真空抽气，待真空度小于3×10^-4Pa时，通过控制蒸发电压并控制蒸发时间在30s以上进行镀膜，形成无孔的连续的电极，然后采用YAG激光器以1062nm波长激光、1～20khz脉冲频率在金电极上进行激光点蚀出规则图形的多孔电极。