CN102359981A - 一种具有两支撑悬梁六层结构的电阻式气体传感器及方法 - Google Patents

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李铁
许磊
王跃林
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Abstract

本发明涉及一种具有两支撑悬梁六层结构的电阻式气体传感器及制作方法，传感器的结构包括：衬底框架，隔热腔体，加热膜区，过渡区，支撑悬梁，加热电阻丝，供电引线，供电电极，隔离层，叉指电极，探测引线，探测电极，和敏感膜。其结构特征为：位于隔热腔体上方的加热膜区通过过渡区和支撑悬梁与衬底框架相连；加热电阻丝以折线的形式排布在加热膜区上，并通过供电引线与衬底框架上的供电电极相连；隔离层覆盖在加热膜区和支撑悬梁之上，并严密包裹加热电阻丝和供电引线；叉指电极排布在隔离层上，并通过探测引线与探测电极相连；敏感膜位于加热膜区上的隔离层处，覆盖整个叉指电极并和叉指电极有良好的电联接。

Description

一种具有两支撑悬梁六层结构的电阻式气体传感器及方法
技术领域
本发明涉及一种具有两支撑悬梁六层结构的电阻式气体传感器及制作方法。微加工工艺和传统化学合成工艺相结合，属于微电子机械系统(MEMS)和气体传感领域。
背景技术
气体传感器已经在工业、民用和环境监测三大主要领域内取得了广泛的应用。目前检测气体的方法和手段已经非常多，主要包括催化燃烧式、电化学式、热导式、红外吸收式和半导体式气体传感器等。由于电阻式半导体传感器具有灵敏度高、操作方便、体积小、成本低廉、响应时间和恢复时间短等优点，因此应用最为广泛，特别在对易燃易爆气体(如CH4，H2等)和有毒有害气体(如CO，NOx等)的探测中起着重要的作用。
为了提高传感器的性能，在过去几十年的发展过程中，半导体气体传感器在器件结构上有较大的发展。器件结构主要分为烧结型，厚膜型，薄膜型和硅基薄膜型。烧结型气体传感器主要包括直热式和旁热式。由于直热式存在着元件离散性大、互换性差，这种结构的传感器已逐渐被旁热式逐渐取代。旁热式传感器是将气敏材料与少量粘合剂混合研磨，然后制成浆体涂抹于带有电极引线的陶瓷管上，在陶瓷管内部安置一个加热电阻，提供传感器工作所需的温度。例如：段春名，“旁热式半导体气体传感器的特性及其影响因素”，传感器世界，1999(10)，23-26。厚膜型气体传感器是由基片、电极和气敏材料构成，制作过程是将气敏材料与一定比例的粘合剂混合，并加入适量的催化剂制成糊状，然后印到预先安装有电极和加热元件的陶瓷基片上，干燥、高温煅烧而成。例如：张伟达，“α-Fe2O3气敏陶瓷的研究”，功能材料，1994(5)，426-431。薄膜气体传感器结构和厚膜相似。不同的是测量电极上面的气敏材料是利用真空溅射、反应蒸渡、化学气相沉积、喷雾热解、溶胶-凝胶等方法渡上的一层薄膜。例如：高胜国，詹自力，钟克创，尚中锋，彭春华，“溶胶-凝胶法制备的SnO2薄膜气敏特性研究”，郑州轻工业学院学报(自然科学版)，2002(17)，11-13。薄膜型气体传感器具有材料用量低、各传感器之间的重复性、传感器的机械强度较好的优点，但是薄膜型传感器的制造过程需要复杂、昂贵的工艺设备，严格的环境条件，成本较高。硅基微结构薄膜型气敏传感器是基于微型加热器的新型电阻式气体传感器，目前的主流是基于封闭膜式或四悬梁式的微型加热器，功耗相对还是较高。例如：John S.Suehle，RichardE.Cavicchi，Michael Gaitan，Steve Semancik，“Tin oxide gas sensor fabricatedusing CMOS micro-hotplates and in-situ processing”，IEEE Electron DeviceLetters，vol.14，1993，pp.118-120.
如何在保证良好的灵敏度、选择性和稳定性的前提下又能实现低成本，低功耗和批量生产的传感器是本领域技术人员渴望解决的技术难题，从而引出了本发明的目的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有两悬梁六层结构的电阻式气体传感器及其制作方法，在降低成本和功耗的同时，又能提高传感器的灵敏度和选择性。
在结构上，本发明所述的电阻式气体传感器是一个自下而上可以分为六层具有不同功能的器件。第一层(最下层)是硅衬底框架，其中包含一个隔热腔体。第二层是位于隔热腔体上方的加热膜区、过渡区和支撑悬梁，它们由氧化硅和氮化硅的多层复合膜组成。第三层是加热电阻丝和供电引线，排布在加热膜区上的加热电阻丝把电能转化为热能为传感器提供合适的工作温度。第四层是由氧化硅或氮化硅制作的隔离层，隔离层把加热电阻丝和供电引线包裹其中，起到电绝缘的作用。第五层是叉指电极和探测引线，叉指电极位于与加热膜区相对应处，将用于连接敏感膜，当特征气体与气敏材料接触时，气敏材料的电阻值会发生变化，通过测量探测电极间的电阻变化就能实现气体探测。第六层(最上层)是用于气体探测的敏感膜，敏感膜位于对应加热膜区处并且和叉指电极有良好的电接触，是传感器的敏感单元。
综上所述，本发明提供的一种具有两悬梁六层结构的电阻式气体传感器的结构如图1所示，包括：衬底框架1，隔热腔体2，加热膜区3，过渡区4，支撑悬梁5，加热电阻丝6，供电引线7，供电电极8，隔离层9，叉指电极10，探测引线11，探测电极12，和敏感膜13。其结构特征为：
1.衬底框架中的隔热腔体根据实施工艺的不同可以有多种形状，一种是通过正面硅各向异性湿法腐蚀形成的横截面呈倒梯形或“V”字形的结构，另一种是通过各向同性释放腐蚀或各向同性干法刻蚀形成的横截面呈圆弧形的结构。
2.加热膜区的两端分别通过一个过渡区与支撑悬梁的一端相连，支撑悬梁的另一端连接衬底框架起到支撑的作用，并悬浮于隔热腔体之上。
3.加热电阻丝以折线的形式排布在加热膜区上，并通过支撑悬梁上的供电引线与衬底框架上的供电电极相连。
4.隔离层覆盖在整个加热膜区，过渡区和支撑悬梁之上，并严密包裹加热电阻丝和供电引线。
5.叉指电极排布在隔离层上，位于与加热膜区相对应处，并通过探测引线与衬底框架上的探测电极相连。
6.敏感膜位于加热膜区上的隔离层处，覆盖整个叉指电极并和叉指电极有良好的电联接。
7.所述的加热膜区的形状为矩形结构。
8.所述的过渡区的形状为等腰梯形结构，且梯形的下底边与矩形加热膜区的短棱相连，梯形的上底边与支持悬梁相连。
9.所述的隔离层厚度大于加热电阻丝和供电引线的厚度。
在制作工艺上，本发明所述的电阻式气体传感器可以分为两个部分。先利用MEMS工艺实现微型加热器和叉指电极等部件的制作，再利用传统工艺化学合成在加热膜区定位制作用于气体探测的敏感膜。本发明提供的一种具有两悬梁六层结构的电阻式气体传感器的制作方法的具体制作步骤如下：
1.选择衬底。当释放薄膜采用各项异性湿法腐蚀时，必须采用(100)面的硅片作为衬底，当释放薄膜采用的是各项同性湿法腐蚀或各项同性干法刻蚀时，对硅衬底的晶向没有要求。
2.制作复合膜。复合膜用于形成加热膜区，过渡区和支撑悬梁，制作在步骤1所述的衬底上。复合膜由单层或多层的氧化硅和氮化硅复合而成。可以采用氧化、等离子增强化学气相沉积(PECVD)、或低压化学气相沉积(LPCVD)等方法制备。
3.制作加热电阻丝，供电引线和供电电极。对于金属材料，如铂、金等，利用lift-off工艺或者湿法腐蚀工艺制作；对于半导体材料，如多晶硅等，采用先沉积再干法刻蚀的方法制作。
4.制作隔离层。利用等离子增强化学气相沉积(PECVD)制作氧化硅或氮化硅作为隔离层。
5.制作叉指电极，探测引线和探测电极。采用金属材料，如铂，金，铜等，利用lift-off工艺或者湿法腐蚀工艺制作。
6.开薄膜释放窗口。利用反应离子刻蚀(RIE)或离子束刻蚀(Ion-beam)彻底刻蚀暴露的氧化硅和氮化硅复合膜，露出衬底硅形成薄膜释放窗口。
7.释放薄膜。一种方法是使用各向异性湿法腐蚀液，如四甲基氢氧化铵(TMAH)或氢氧化钾(KOH)等；另一种方法是使用各向同性湿法腐，如，氢氟酸(HF)+硝酸(HNO3)+水(H2O)等或者各向同性干法刻蚀气体，如XeF2等。通过这两种方法掏空复合膜下面的衬底硅即可释放出薄膜结构。
8.制作敏感膜。可以采用常见的气相法，液相法或固相法来制作敏感膜。
本发明提供的一种具有两悬梁六层结构的电阻式气体传感器及其制作方法，与以往的电阻式气体传感器相比，其优点在于：
1.基于MEMS工艺制作，器件体积小，成本低，易于批量生产。
2.采用两悬梁支撑的微型加热器为传感器提供工作所需的高温，利于降低功耗，提高温度均匀性，而且易于通过调节和控制工作温度来提高传感器的性能。
3.这种两悬梁传感器的结构十分简单，高温下的机械强度较高，而且结构的释放可以有多种选择。
4.先利用MEMS工艺制作微型加热器和叉指电极，再制作敏感膜，分步完成，有效避免半导体工艺对敏感膜活性的影响。
5.加热电阻丝和叉指电极间通过隔离层隔离，有效防止相互干扰。
附图说明
图1为本发明提供的一种具有两悬梁六层结构的电阻式气体传感器的结构示意图。
图2为传感器的第二到第六层得分解示意图。
图3为本发明提供的一种具有两悬梁六层结构的电阻式气体传感器制作方法的流程图，其中(a)为选择衬底，(b)为制作复合膜，(c)为制作加热电阻丝，供电引线和供电电极，(d)为制作隔离层，(e)为制作叉指电极，探测引线和探测电极，(f)为开薄膜释放窗口，(g)为释放薄膜，(h)为制作敏感膜。
图4为实施例2中传感器的结构示意图，其中(a)为俯视图，(b)为截面图。
图5为实施例3中传感器的结构示意图，其中(a)为俯视图，(b)为截面图。
图中1为衬底框架，2为隔热腔体，3为加热膜区，4为过渡区，5为支撑悬梁，6为加热电阻丝，7为供电引线，8为供电电极，9为隔离层，10为叉指电极，11为探测引线，12为探测电极，13为敏感膜。
具体实施方式
实施例1：
该实施例的结构示意图参见图1所示，具体制作方法如下：
1.选择衬底。选取N型(100)面的4英寸双面抛光的硅片作为衬底，电阻率3-8Ω·cm，硅片厚度为350±10微米，切边的角度误差＜1％。
2.制作复合膜。采用单层复合膜，利用低压化学气相沉积(LPCVD)的方法依次生长一层厚度为0.5微米的氧化硅和一层厚度为0.3微米的氮化硅。
3.制作加热电阻丝，供电引线和供电电极。采用剥离工艺(lift-off)制作。薄胶光刻(光刻胶厚度为2.0微米)定义出加热电阻丝，供电引线和供电电极的图形，然后溅射一层0.2微米厚的钛铂，最后丙酮去胶后即可形成加热电阻丝，供电引线和供电电极。
4.制作隔离层。利用等离子增强化学气相沉积(PECVD)的方法沉积一层0.5微米厚的氧化硅作为隔离层。
5.制作叉指电极，探测引线和探测电极。采用剥离工艺(lift-off)制作。薄胶光刻(光刻胶厚度为2.0微米)定义出叉指电极，探测引线和探测电极的图形，然后溅射一层0.2微米厚的钛铂，最后丙酮去胶后即可形成叉指电极，探测引线和探测电极。
6.开薄膜释放窗口。正面光刻定义出用于释放加热膜区和支撑悬梁的腐蚀窗口图形，在光刻胶的保护下利用离子束刻蚀(Ion-beam)彻底刻蚀暴露的氧化硅和氮化硅复合膜。
7.释放薄膜。利用TMAH腐蚀液通过薄膜释放窗口腐蚀衬底硅，并在中心膜区和支撑悬梁的下方形成倒梯形的隔热腔体。
8.制作敏感膜。采用气相法制作气体敏感膜。
实施例2：
该实施例的结构示意图参见图4所示，具体制作方法如下：
1.选择衬底。选取P型(100)面的4英寸双面抛光的硅片作为衬底，电阻率3-8Ω·cm，硅片厚度为350±10微米，切边的角度误差＜1％。
2.制作复合膜。采用单层复合膜，利用等离子增强化学气相沉积(PECVD)的方法依次生长一层厚度为0.4微米的氧化硅和一层厚度为0.6微米的氮化硅。
3.制作加热电阻丝，供电引线和供电电极。采用湿法腐蚀工艺制作。先溅射一层0.2微米厚的钛铂，再进行薄胶光刻(光刻胶厚度为1.8微米)定义出加热电阻丝，供电引线和供电电极的图形，最后湿法腐蚀形成加热电阻丝，供电引线和供电电极。
4.制作隔离层。利用等离子增强化学气相沉积(PECVD)的方法沉积一层0.4微米厚的氧化硅作为隔离层。
5.制作叉指电极，探测引线和探测电极。采用剥离工艺(lift-off)制作。薄胶光刻(光刻胶厚度为2.0微米)定义出叉指电极，探测引线和探测电极的图形，然后溅射一层0.2微米厚的钛金，最后丙酮去胶后即可形成叉指电极，探测引线和探测电极。
6.开薄膜释放窗口。正面光刻定义出用于释放加热膜区和支撑悬梁的腐蚀窗口图形，在光刻胶的保护下利用反应离子刻蚀(RIE)彻底刻蚀暴露的氧化硅和氮化硅复合膜。
7.释放薄膜。利用KOH腐蚀液通过薄膜释放窗口腐蚀衬底硅，并在中心膜区和支撑悬梁的下方形成倒梯形的隔热腔体。
8.制作敏感膜。采用液相法制作气体敏感膜。
实施例3：
该实施例的结构示意图参见图5所示，具体制作方法如下：
1.选择衬底。选择P型(111)面的4英寸双面抛光的硅片作为衬底，电阻率3-8Ω·cm，硅片厚度为350±10微米，切边的角度误差＜1％。
2.制作复合膜。采用多层复合膜，先利用低压化学气相沉积(LPCVD)的方法依次沉积一层厚度为0.2微米的氧化硅和一层厚度为0.2微米的氮化硅，再利用等离子增强化学气相沉积(PECVD)的方法依次沉积一层厚度为0.2微米的氧化硅和一层厚度为0.2微米的氮化硅。
3.制作加热电阻丝，供电引线和供电电极。采用先沉积再刻蚀的方法制作。先沉积一层0.4微米厚的多晶硅，再进行薄胶光刻(光刻胶厚度为1.8微米)定义出加热电阻丝，供电引线和供电电极的图形，最后利用干法刻蚀形成加热电阻丝，供电引线和供电电极。
4.制作隔离层。利用等离子增强化学气相沉积(PECVD)的方法沉积一层0.6微米厚的氧化硅作为隔离层。
5.制作叉指电极，探测引线和探测电极。采用剥离工艺(lift-off)制作。薄胶光刻(光刻胶厚度为2.0微米)定义出叉指电极，探测引线和探测电极的图形，然后溅射一层0.2微米厚的钛铂金，最后丙酮去胶后即可形成叉指电极，探测引线和探测电极。
6.开薄膜释放窗口。正面光刻定义出用于释放加热膜区和支撑悬梁的腐蚀窗口图形，在光刻胶的保护下利用反应离子刻蚀(RIE)彻底刻蚀暴露的氧化硅和氮化硅复合膜。
7.释放薄膜。利用XeF2气体通过薄膜释放窗口刻蚀衬底硅，并在中心膜区和支撑悬梁的下方形成圆弧形的隔热腔体。
8.制作敏感膜。采用固相法制作气体敏感膜。

Claims (10)

1.一种具有两支撑梁六层结构的电阻式气体传感器，其特征在于所述的电阻式气体传感器是一个自下而上分为六层具有不同功能结构，其中最下层第一层是硅衬底框架，其中包含一个隔热腔体；第二层是位于隔热腔体上方的加热膜区、过渡区和支撑悬梁，由氧化硅和氮化硅的多层复合膜组成；第三层是加热电阻丝和供电引线，加热电阻丝以折线形式排布在加热膜区上；第四层为隔离层，将加热电阻丝和供电引线包裹其中，起电绝缘作用；第五层为叉指电极和探测引线，叉指电极位于与加热膜区相对应处，最上层第六层为敏感膜，敏感膜位于加热膜区对应处并且和叉指电极良好接触。
2.按权利要求1所述的传感器，其特征在于位于隔热腔体上方的加热膜区的两端分别通过一个过渡区与支撑悬梁的一端相连，支撑悬梁的另一端连接衬底框架，并悬浮于隔热腔体之上。
3.按权利要求1或2所述的传感器，其特征在于所述隔热腔体的形状一种是通过正面硅各向异性湿法腐蚀形成的横截面呈倒梯形或V字型结构；另一种是通过各向同性释放腐蚀或各向同性干法刻蚀形成的横截面呈圆弧形的结构。
4.按权利要求1所述的传感器，其特征在于折线形式排布的加热电阻丝通过两根支撑悬梁上的供电引线与衬底框架上的供电电极相连。
5.按权利要求1所述的传感器，其特征在于排布在隔离层上的叉指电极通过探测引线与衬底框架上的探测电极相连。
6.按权利要求1所述的传感器，其特征在于所述的加热膜区的形状为矩形结构。
7.按权利要求2所述的传感器，其特征在于所述的过渡区的形状为等腰梯形结构，且梯形的下底边与矩形加热膜区的短棱相连，梯形的上底边与支持悬梁相连。
8.按权利要求1所述的传感器，其特征在于所述的隔离层厚度大于加热电阻丝和供电引线的厚度。
9.制作如权利要求1或2所述的传感器的方法，其特征在于先用MEMS工艺实现微型加热器和叉指电极的制作，然后再利用传统工艺在加热膜区定位制作敏感膜；具体步骤是：
(a)选择衬底：当释放薄膜采用各向异性湿法腐蚀时，采用(100)面的硅片作为衬底，当释放薄膜采用的是各向同性湿法腐蚀或各向同性干法刻蚀时，对硅衬底的晶面没有要求；
(b)制作复合膜：复合膜用于形成加热膜区，过渡区和支撑悬梁；复合膜由单层或多层的氧化硅和氮化硅复合而成，采用氧化、等离子增强化学气相沉积、或低压化学气相沉积方法制备；
(c)制作加热电阻丝、供电引线和供电电极：对于铂或金金属材料，利用剥离工艺或者湿法腐蚀工艺制作；对多晶硅半导体材料采用先沉积再干法刻蚀的方法制作；
(d)制作隔离层：利用等离子增强化学气相沉积方法，制作氧化硅或氮化硅；
(e)制作叉指电极、探测引线和探测电极：采用铂、金或铜金属材料，利用剥离工艺或湿法腐蚀工艺制作；
(f)开薄膜释放窗口：利用反应离子刻蚀或离子束刻蚀刻蚀暴露的氧化硅和氮化硅复合膜，露出衬底硅形成薄膜释放窗口；
(g)释放薄膜：一种方法是使用四甲基氢氧化铵或氢氧化钾各向异性湿法腐蚀液，；另一种方法是使用氢氟酸+硝酸+水各向同性湿法腐蚀或者XeF2各向同性干法刻蚀气体，通过这两种方法掏空复合膜下面的衬底硅即可释放出薄膜结构；
(h)制作敏感膜：采用气相法，液相法或固相法来制作敏感膜。
10.按权利要求9所述的方法，其特征在于：
1)所述的单层复合膜为一层氧化硅和一层氮化硅复合而成；
或2)所述的多层复合膜先用LPCVD方法依次沉积一层氧化硅和一层氮化硅，然后再利用PECVD方法沉积一层氧化硅和一层氮化硅。
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