CN102590280A - 一种基于微井结构的气体传感器阵列及其制作方法 - Google Patents

一种基于微井结构的气体传感器阵列及其制作方法 Download PDF

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杜晓松
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Abstract

本发明公开了一种基于微井结构的气体传感器阵列及其制作方法，包括至少4个独立的传感器单元，所述传感器单元采用微井结构，在各微井间设有聚酰亚胺隔离层；在所述微井井内沉积有以有机薄膜、有机/无机复合薄膜或有机-无机多层膜构成的敏感膜，微井表面设置有叉指电极。本发明在各微井间设置有聚酰亚胺隔离层，电子聚合物敏感材料滴入其中一个微井时，能有效阻止敏感材料溢出、流进其相邻的微井，不会造成不同微井间敏感材料的交叉污染，从而保证了传感器的选择性和稳定性；并且结构简单，加工成本较低，在大气环境监测、航天密闭舱空气质量检测及食品安全等领域具有广泛的应用前景。

Description

一种基于微井结构的气体传感器阵列及其制作方法
技术领域
本发明涉及本发明涉及微电子机械系统气体传感器和电子聚合物敏感材料领域，具体涉及一种基于微井结构的气体传感器阵列及其制作方法。
背景技术
对混合气体的分析是科学研究、生产过程和环境检测的一个重要环节。由于气体传感器存在着交叉敏感、选择性差等缺点，因此在混合气体中很难有选择地测量出某种气体的成分和含量。基于气体传感器阵列和模式识别的电子鼻系统是解决气体传感器交叉敏感性的重要途径，其中气体传感器阵列是电子鼻技术中最为核心的器件。随着MEMS技术的发展，将集成化的传感器阵列运用于电子鼻，有利于电子鼻的小型化、低功耗。 
对于基于MEMS技术的气体传感器种类很多，根据不同的检测原理，可以分为：1）利用气体敏感膜的吸附机理，代表种类有悬臂梁型、电导变化型和声表面波型；2）根据气体自身的光学和光声学特性，再结合MEMS结构而制作的传感器，其代表种类有光谱法和声光光谱法；3）利用催化燃烧式检测法检测易燃易爆气体；4）采用高场不对称波形离子迁移谱（FAIMS）技术实现气体的检测。
根据敏感材料的不同，气体传感器阵列目前主要有两大类：一类采用SnO2、WO3等无机半导体作为敏感材料，另一类是采用聚合物材料或聚合物复合材料作为敏感材料。由于无机半导体气体传感器阵列一般需要工作在300℃-500℃的高温下，功耗较大；而基于聚合物材料的气体传感器可以在室温下工作，因此国内外广泛开展了聚合物气体传感器阵列方面的研究。在MEMS电子聚合物气体传感器阵列领域，目前国内外已广泛开展了OTFT传感器阵列、SAW传感器阵列等方面的研究；但对基于微井结构的聚合物气体传感器阵列研究，目前在国内尚未见报道，也没有相关发明专利的申请，即使是国外也鲜有报道。2001年美国Zee Frank等人采用微加工工艺制备了基于聚合物的化学气体传感器阵列，该阵列采用了体微加工结构和表面微加工结构两种微井结构；采用滴涂法制备了六种聚合物-炭黑复合敏感膜，在常温下对多种有机小分子进行了检测；但该阵列是将单个微井单元简单排列在一起，而非片上集成阵列。2005年，韩国Seung-Chul Ha等人制作出了具有16个独立加热单元的片上集成微井结构传感器阵列，他们把八种不同的敏感材料滴涂到不同的微井中，对八种有机气体进行了检测，并比较了温度对传感器阵列灵敏度的影响；但该传感器阵列每个微井单元为2×2 mm2，尺寸较大，不利于系统的小型化和微型化。
由于微井很小且相邻微井的间距较短，将电子聚合物敏感材料滴入其中一个微井时，敏感材料常常会溢出并流进其相邻的微井，造成不同微井间敏感材料的交叉污染，从而影响传感器的选择性和稳定性。
发明内容
针对上述现有技术，本发明要解决的技术问题是：基于微井结构的聚合物气体传感器阵列由于微井很小且相邻微井的间距较短将敏感材料滴入其中一个微井时，敏感材料常常会溢出并流进其相邻的微井，造成不同微井间敏感材料的交叉污染，影响传感器的选择性和稳定性。
本发明所提出的技术问题是这样解决的：提供一种基于微井结构的气体传感器阵列，包括至少4个独立的传感器单元，其特征在于：所述传感器单元采用微井结构，在各微井间设有聚酰亚胺隔离层；在所述微井井内沉积有以有机薄膜、有机/无机复合薄膜或有机-无机多层膜的敏感膜，微井表面设置有叉指电极。
所述微井的长度、宽度和高度分别为550~650μm、550~650μm和80~120μm。
所述传感器单元上下对齐排列，传感器单元的所有的输出电极排成一排，。
所述叉指电极的宽度、间距、长度和厚度分别为50μm、50μm、2000μm和100nm。
所述聚酰亚胺隔离层的厚度为1~3mm，高度为200nm~300nm。
上述一种基于微井结构的气体传感器阵列的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
Figure 883118DEST_PATH_IMAGE001
采用双面抛光的单晶硅片作为衬底，并进行标准清洗；
Figure 406504DEST_PATH_IMAGE002
采用PECVD工艺在硅片两面制备氮化硅掩膜层；
Figure 527693DEST_PATH_IMAGE003
对其中一面氮化硅层进行光刻，图形化微井单元；并进行干法刻蚀；
Figure 707002DEST_PATH_IMAGE004
采用KOH溶液对硅片进行湿法腐蚀，形成微井；
Figure 982125DEST_PATH_IMAGE005
采用真空蒸镀法在微井表面蒸镀金属铝（Al）或金（Au）；
Figure 625596DEST_PATH_IMAGE006
对铝层或金层进行光刻、腐蚀，制作出叉指电极；
Figure 147713DEST_PATH_IMAGE007
在电极层上旋涂聚酰亚胺，并对其进行光刻，制作出隔离层；
Figure 876635DEST_PATH_IMAGE008
划片；
Figure 955449DEST_PATH_IMAGE009
封装；     
Figure 391110DEST_PATH_IMAGE010
采用掩膜法对不同微井单元实现定位选区薄膜沉积，所述薄膜为有机薄
 膜、有机/无机复合薄膜或有机-无机多层膜。
按照本发明所提供的基于微井结构的气体传感器阵列的制备方法，其特征在于，在步骤①中，采用的硅片为双面抛光的4英寸P型（100）硅片，厚度为450~550μm，电阻率大于1000 Ω·cm。
按照本发明所提供的基于微井结构的气体传感器阵列的制备方法，其特征在于，在步骤②中，所述的氮化硅介质层厚度为700~800nm。
按照本发明所提供的基于微井结构的气体传感器阵列的制备方法，其特征在于，在步骤中所述有机薄膜、有机/无机复合薄膜及有机-无机多层膜中，有机相为聚苯胺、聚环氧乙烷、聚-4-乙烯基苯酚、酞菁络合物及聚噻吩类，无机相为纳米TiO2、In2O3、ZnO、SnO2、碳纳米管等；并且所述的薄膜采用滴涂、气喷或电喷工艺制备。
与现有技术相比，本发明具的有益效果表现在：
一、本发明在各微井间设置有聚酰亚胺隔离层，电子聚合物敏感材料滴入其中一个微井时，能有效阻止敏感材料溢出、流进其相邻的微井，不会造成不同微井间敏感材料的交叉污染，从而保证了传感器的选择性和稳定性；
二、本发明加工工艺步骤简单，加工成本较低，加工周期短，可批量生产。
附图说明
图1—图9是本发明所提供的工艺流程示意图；
图10是本发明所提供的基于微井结构的气体传感器阵列（无聚酰亚胺隔离层）结构俯视图；
图11是本发明所提供的基于微井结构气体传感器阵列（含聚酰亚胺隔离层）结构俯视图；
附图标记为：1-硅片，2-氮化硅，3-AZ6112光刻胶，4-铝，5- AZ6112光刻胶，6和10-聚酰亚胺，7-复合敏感膜，8-微井，9-叉指电极。
具体实施方式
下面将结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的描述。
本发明的思想是在基于微井结构的气体传感器阵列中传感器单元采用微井结构，在各微井间设有聚酰亚胺隔离层，阻止敏感材料溢出、流进其相邻的微井，不会造成不同微井间敏感材料的交叉污染，从而保证了传感器的选择性和稳定性。
如图10和图11所示，图10是本发明所提供的基于微井结构的气体传感器阵列（无聚酰亚胺隔离层）结构俯视图，图11是本发明所提供的基于微井结构气体传感器阵列（含聚酰亚胺隔离层）结构俯视图，它包括4个独立的带电极的微井传感器单元。
如图1—图9所示，本发明的制作基于微井结构的气体传感器阵列的工艺流程步骤如下：
(a)用硅片1作为基底，对其进行清洗，并用PECVD法在硅片的两面分别镀上一层厚度约为750nm的氮化硅层2；
(b)在其中一面氮化硅层2上旋涂光刻胶AZ6112 ，控制匀胶机的转速和时间，得到具有一定厚度的AZ6112胶层3；采用紫外线曝光工艺，实现掩膜版上传感器结构层图形向AZ6112胶层3的转移；使用正胶显影液对AZ6112胶层3进行显影，得到具有600μm×600μm的矩形窗口；
(c)采用RIE干法刻蚀掉矩形窗口下的氮化硅，露出硅片；
(d)配置浓度为30wt%的KOH溶液，将硅片放入其中，在80℃下湿法腐蚀硅片，腐蚀后硅片窗口的深度约为100μm；
(e)采用真空蒸镀法在具有微井的硅片上镀一层100nm厚的AL层4；
(f)在AL层4上旋涂光刻胶AZ6112 ，控制匀胶机的转速和时间，得到具有一定厚度的AZ6112胶层5；采用紫外线曝光工艺，实现掩膜版上传感器结构层图形向AZ6112胶层5的转移；使用正胶显影液对AZ6112胶层5进行显影；
(g)采用磷酸在50℃～60℃时对经过步骤（f）处理了的AL层4进行腐蚀，得到电极。这时得到的基于微井结构的气体传感器阵列结构图如图10所示；
(h)在经过上述步骤处理的硅片上旋涂聚酰亚胺，控制匀胶机的转速和时间，得到厚度约为300nm的聚酰亚胺胶层6；采用紫外线曝光工艺，实现掩膜版上传感器结构层图形向AZ6112胶层5聚酰亚胺胶层6的转移；使用正胶显影液对聚酰亚胺胶层6进行显影，得到聚酰亚胺“围墙”。然后对硅片进行划片与封装；
(i) 在有掩膜条件下，采用气喷工艺进行有机-无机多层膜的制备，得到复合敏感膜层7。
通过上述工艺制作的基于微井结构的气体传感器阵列结构图如图11所示，整个传感器阵列的面积为12×12mm2。

Claims (9)

1.一种基于微井结构的气体传感器阵列，包括至少4个独立的传感器单元，其特征在于：所述传感器单元采用微井结构，在各微井间设有聚酰亚胺隔离层；在所述微井井内沉积有以有机薄膜、有机/无机复合薄膜或有机-无机多层膜构成的敏感膜，微井表面设置有叉指电极。
2.根据权利要求1所述的基于微井结构的气体传感器阵列，其特征在于，所述微井的长度、宽度和高度分别为550~650μm、550~650μm和80~120μm。
3.根据权利要求1所述的基于微井结构的气体传感器阵列，其特征在于，所述传感器单元上下对齐排列，传感器单元的所有的输出电极排成一排。
4.根据权利要求1所述的基于微井结构的气体传感器阵列，其特征在于，所述叉指电极的宽度、间距、长度和厚度分别为50μm、50μm、2000μm和100nm。
5.根据权利要求1所述的基于微井结构的气体传感器阵列，其特征在于，所述聚酰亚胺隔离层的厚度为1~3mm，高度为200nm~300nm。
6.一种基于微井结构的气体传感器阵列的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
Figure 2012100527260100001DEST_PATH_IMAGE001
采用双面抛光的单晶硅片作为衬底，并进行标准清洗；
Figure 994331DEST_PATH_IMAGE002
采用PECVD工艺在硅片两面制备氮化硅掩膜层；
对其中一面氮化硅层进行光刻，图形化微井单元；并进行干法刻蚀；
Figure 711751DEST_PATH_IMAGE004
采用KOH溶液对硅片进行湿法腐蚀，形成微井；
Figure 2012100527260100001DEST_PATH_IMAGE005
采用真空蒸镀法在微井表面蒸镀金属铝Al或金Au；
Figure 549038DEST_PATH_IMAGE006
对铝层或金层进行光刻、腐蚀，制作出叉指电极；
Figure 2012100527260100001DEST_PATH_IMAGE007
在电极层上旋涂聚酰亚胺，并对其进行光刻，制作出隔离层；
Figure 363410DEST_PATH_IMAGE008
划片；
Figure 2012100527260100001DEST_PATH_IMAGE009
封装；   
Figure 123556DEST_PATH_IMAGE010
采用掩膜法对不同微井单元实现定位选区薄膜沉积，所述薄膜为有机薄
 膜、有机/无机复合薄膜或有机-无机多层膜。
7.根据权利要求6所述的基于微井结构的气体传感器阵列的制备方法，其特征在于，在步骤①中，采用的硅片为双面抛光的4英寸P型硅片，厚度为450~550μm，电阻率大于1000 Ω·cm。
8.根据权利要求6所述的基于微井结构的气体传感器阵列的制备方法，其特征在于，在步骤②中，所述的氮化硅层厚度为700~800nm。
9.根据权利要求6所述的基于微井结构的气体传感器阵列的制备方法，其特征在于，在步骤
Figure 328272DEST_PATH_IMAGE010
中所述有机薄膜、有机/无机复合薄膜及有机-无机多层膜中，有机相为聚苯胺、聚环氧乙烷、聚-4-乙烯基苯酚、酞菁络合物及聚噻吩类，无机相为纳米TiO2、In2O3、ZnO、SnO2、碳纳米管等；并且所述的薄膜采用滴涂、气喷或电喷工艺制备。
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