CN102866178A - 气体传感器及其形成方法 - Google Patents

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肖柯
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Abstract

本发明公开了一种气体传感器及其形成方法，该气体传感器包括：衬底；形成在衬底之上的介质层；形成在介质层之上的第一压焊块和第二压焊块；形成在介质层之上的碳基薄膜，其中，碳基薄膜位于第一压焊块与第二压焊块之间，且覆盖第一压焊块与第二压焊块的一部分；以及形成在碳基薄膜之上的第一金属接触和第二金属接触，其中第一金属接触与第一压焊块的至少一部分相连，第二金属接触与第二压焊块的至少一部分相连。本发明的气敏材料采用石墨烯，气敏性质更优；利用气压在形成的碳基薄膜平整、致密、质量好；形成碳基薄膜之后的工序少，对碳基薄膜的沾污或损害少；最终形成两面夹结构的电极，强度更大，接触电阻更小。

Description

气体传感器及其形成方法
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种气体传感器及其形成方法。
背景技术
气体检测技术在国民经济中占有重要地位，过去几十年中,研究人员在制作方法上包括气敏材料开发和器件微观结构设计上对传感器进行了优化设计，其中硅基微结构薄膜传感器件因为体积小，易于集成的优点而被广泛应用。
目前的硅基微结构薄膜传感器件中气敏材料多采用SnO2、ZnO、Fe2O3、La2O3、In2O3、Al2O3、WO3、MoO3、TiO2、V2O5、Co3O4、Ga2O3、CuO、NiO、SiO2等金属氧化物，以及ABO3(YFeO3、LaFeO3、ZnSnO3、CdSnO3、Co2TiO3)、A2BO4(MgFe2O4、CdFe2O4、CdIn2O4)型复合氧化物及其掺杂的化合物，工作温度在200-500℃范围内。对应地，如图1所示，硅基微结构薄膜传感器件通常包括Si衬底100’、绝缘介质层200’、加热电极300’、测试电极400’和气敏薄膜500’，其中气敏薄膜500’通过旋涂气敏材料然后烧结而成。
现有硅基微结构薄膜传感器件中，由于气敏薄膜500’是通过旋涂并烧结而成，往往因为烧结质量的影响，导致界面结合不牢固、薄膜导电性变差、薄膜灵敏度变差等缺点。
发明内容
本发明的目的旨在至少解决上述技术缺陷之一。
为此，本发明的一个目的在于提出一种气体传感器的形成方法，该方法具有稳定可靠、灵敏性高的优点。
本发明的实施例公开了一种气体传感器的形成方法，包括：提供衬底；在所述衬底之上形成介质层；在所述介质层之上形成第一压焊块和第二压焊块；在所述介质层之上形成碳基薄膜，其中，所述碳基薄膜位于所述第一压焊块与第二压焊块之间，且覆盖所述第一压焊块与第二压焊块的一部分；以及在所述碳基薄膜之上形成第一金属接触和第二金属接触，其中所述第一金属接触与所述第一压焊块的至少一部分相连，所述第二金属接触与所述第二压焊块的至少一部分相连。
在本发明气体传感器的形成方法的一个实施例中，在所述介质层中形成加热器件和测温器件。
在本发明气体传感器的形成方法的一个实施例中，所述衬底为Si，所述介质层为通过热氧化形成的SiO2或通过沉积形成的Si3N4。
在本发明气体传感器的形成方法的一个实施例中，所述碳基薄膜包括单层石墨烯、双层石墨烯或多层石墨烯。
在本发明气体传感器的形成方法的一个实施例中，通过Cu衬底上CVD后化学湿法转移，或者Pt衬底上CVD后电化学法转移以形成所述碳基薄膜。
本发明的气体传感器的形成方法，具有如下优点：（1）气敏材料采用石墨烯，具有比表面积大、吸附能力强、灵敏度高的优点；（2）利用气压在形成介质层表面形成平整、紧密的碳基薄膜，与旋涂并烧结相比，所得的薄膜质量更好（3）形成碳基薄膜之后的工序少，仅需要蒸发金属以形成接触，避免了复杂加工对碳基薄膜的沾污或损害；（4）最终形成压焊块金属-碳基薄膜-接触金属的两面夹结构的电极，强度更大，接触电阻更小；（5）石墨烯作气敏材料的工作温度较低，可无需加热器件和测温器件，省去了附加结构，并避免了长时间高工作温度下整体器件老化或损坏。
本发明的另一目的在于提出一种气体传感器，该器件具有稳定可靠、灵敏度高的优点。
本发明的实施例还公开了一种碳基薄膜气体传感器，包括：衬底；形成在所述衬底之上的介质层；形成在所述介质层之上的第一压焊块和第二压焊块；形成在所述介质层之上的碳基薄膜，其中，所述碳基薄膜位于所述第一压焊块与第二压焊块之间，且覆盖所述第一压焊块与第二压焊块的一部分；以及形成在所述碳基薄膜之上的第一金属接触和第二金属接触，其中所述第一金属接触与所述第一压焊块的至少一部分相连，所述第二金属接触与所述第二压焊块的至少一部分相连。
在本发明气体传感器的一个实施例中，还包括：位于所述介质层中的加热器件和测温器件。
在本发明气体传感器的一个实施例中，所述衬底为Si，所述介质层为通过热氧化形成的SiO2或通过沉积形成的Si3N4。
在本发明气体传感器的一个实施例中，所述碳基薄膜包括单层石墨烯、双层石墨烯、多层石墨烯、硫化钼薄膜或氮化硼薄膜。
在本发明气体传感器的一个实施例中，所述碳基薄膜通过Cu衬底上CVD后化学湿法转移，或者Pt衬底上CVD后电化学法转移形成。
本发明的气体传感器，具有如下优点：（1）气敏材料采用石墨烯，具有比表面积大、吸附能力强、灵敏度高的优点；（2）利用气压在形成介质层表面形成平整、紧密的碳基薄膜，与旋涂并烧结相比，所得的薄膜质量更好（3）形成碳基薄膜之后的工序少，仅需要蒸发金属以形成接触，避免了复杂加工对碳基薄膜的沾污或损害；（4）最终形成压焊块金属-碳基薄膜-接触金属的两面夹结构的电极，强度更大，接触电阻更小；（5）石墨烯作气敏材料的工作温度较低，可无需加热器件和测温器件，省去了附加结构，并避免了长时间高工作温度下整体器件老化或损坏。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为现有技术的硅基微结构薄膜传感器件的结构示意图；
图2-图6为本发明一个实施例的气体传感器的形成方法的示意图；和
图7为本发明一个实施例的气体传感器的结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
为使本领域技术人员更好地理解本发明，先对石墨烯材料的气敏性质做简单介绍。
石墨烯（Graphene）是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料。是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜。由于石墨烯的尺寸很小，故比表面积大，对气体的吸附能力强。研究表明，石墨烯自身具有优良的导电性，但其表面吸附了NO、NO2、CO等特定气体之后引起表面化学反应或体原子价态的变化，而导致石墨烯的电阻发生改变。根据这一特性，可将石墨烯材料应用于气体传感器。
下面参考图2至图6来具体阐述根据本发明实施例的气体传感器的形成方法。
本发明提出的一种气体传感器形成方法，包括以下步骤：
步骤S1，提供衬底100。
具体地，如图2所示，提供衬底100。衬底100可采用单面抛光的高阻Si衬底，晶向<100>。
步骤S2，在衬底100之上形成介质层200。
具体地，如图3所示，对衬底100的上表面进行热氧化处理使Si转变为SiO2，或者对衬底100的上表面沉积Si3N4，作为介质层200，用于电气隔离，防止测试电极短路。一般地，该介质层200厚度为0.7-1μm。
优选地，还可以在介质层200中形成加热器件和测温器件，以使气体传感器在预定的工作温度范围工作。需要说明的是，加热器件和测温器件并非必须的。由于石墨烯具有较大比表面积能够吸附待测气体，因此，即使在常温下工作也有较灵敏的响应。
步骤S3，在介质层200之上形成第一压焊块301和第二压焊块302。
具体地，可通过溅射等方式在介质层200上形成金属（例如：Al）材料的第一压焊块301和第二压焊块302，厚度约0.7μm。
步骤S4，在介质层200之上形成碳基薄膜400，该碳基薄膜400位于第一压焊块301与第二压焊块302之间，且覆盖第一压焊块301与第二压焊块302的一部分。其中，碳基薄膜400可为单层石墨烯、双层石墨烯、多层石墨烯等等。
具体地，在一个优选实施例中，通过Cu衬底上CVD后化学湿法转移，或者Pt衬底上CVD后电化学法转移方法，在介质层200之上形成碳基薄膜400。该过程中，碳基薄膜可以利用气压平整紧密地贴合在介质层上，与旋涂并烧结形成薄膜相比，所得的薄膜质量更好。
步骤S5，碳基薄膜400之上形成第一金属接触501和第二金属接触502，其中第一金属接触501与第一压焊块301的至少一部分相连，第二金属接触502与第二压焊块302的至少一部分相连。
具体地，可以通过蒸发、溅射等工艺在碳基薄膜400两侧上方形成几十纳米（通常取经验值40nm）厚度的金属材料及金属材料的组合，以形成第一金属接触501和第二金属接触502。
本发明的气体传感器的形成方法，具有如下优点：（1）气敏材料采用石墨烯，具有比表面积大、吸附能力强、灵敏度高的优点；（2）利用气压在形成介质层表面形成平整、紧密的碳基薄膜，与旋涂并烧结相比，所得的薄膜质量更好（3）形成碳基薄膜之后的工序少，仅需要蒸发金属以形成接触，避免了复杂加工对碳基薄膜的沾污或损害；（4）最终形成压焊块金属-碳基薄膜-接触金属的两面夹结构的电极，强度更大，接触电阻更小；（5）石墨烯作气敏材料的工作温度较低，可无需加热器件和测温器件，省去了附加结构，并避免了长时间高工作温度下整体器件老化或损坏。
本发明的还提出了一种气体传感器，如图7所示，包括：衬底100；形成在衬底100之上的介质层200；形成在介质层200之上的第一压焊块301和第二压焊块302；形成在介质层200之上的碳基薄膜400，其中，碳基薄膜400位于第一压焊块301与第二压焊块302之间，且覆盖第一压焊块301与第二压焊块302的一部分；以及形成在碳基薄膜400之上的第一金属接触501和第二金属接触502，其中第一金属接触501与第一压焊块301的至少一部分相连，第二金属接触502与第二压焊块302的至少一部分相连。
在本发明气体传感器的一个实施例中，还包括：位于介质层200中的加热器件和测温器件。
在本发明气体传感器的一个实施例中，衬底100为Si，介质层200为通过热氧化形成的SiO2或通过沉积形成的Si3N4。
在本发明气体传感器的一个实施例中，碳基薄膜400包括单层石墨烯、双层石墨烯、多层石墨烯、硫化钼薄膜或氮化硼薄膜。
在本发明气体传感器的一个实施例中，碳基薄膜通过Cu衬底上CVD后化学湿法转移，或者Pt衬底上CVD后电化学法转移形成。
本发明的气体传感器，具有如下优点：（1）气敏材料采用石墨烯，具有比表面积大、吸附能力强、灵敏度高的优点；（2）利用气压在形成介质层表面形成平整、紧密的碳基薄膜，与旋涂并烧结相比，所得的薄膜质量更好（3）形成碳基薄膜之后的工序少，仅需要蒸发金属以形成接触，避免了复杂加工对碳基薄膜的沾污或损害；（4）最终形成压焊块金属-碳基薄膜-接触金属的两面夹结构的电极，强度更大，接触电阻更小；（5）石墨烯作气敏材料的工作温度较低，可无需加热器件和测温器件，省去了附加结构，并避免了长时间高工作温度下整体器件老化或损坏。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。

Claims (10)

1.一种气体传感器的形成方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供衬底；
在所述衬底之上形成介质层；
在所述介质层之上形成第一压焊块和第二压焊块；
在所述介质层之上形成碳基薄膜，其中，所述碳基薄膜位于所述第一压焊块与第二压焊块之间，且覆盖所述第一压焊块与第二压焊块的一部分；以及
在所述碳基薄膜之上形成第一金属接触和第二金属接触，其中所述第一金属接触与所述第一压焊块的至少一部分相连，所述第二金属接触与所述第二压焊块的至少一部分相连。
2.如权利要求1所述的气体传感器的形成方法，其特征在于，还包括：在所述介质层中形成加热器件和测温器件。
3.如权利要求1所述的气体传感器的形成方法，其特征在于，所述衬底为Si，所述介质层为通过热氧化形成的SiO2或通过沉积形成的Si3N4。
4.如权利要求1所述的气体传感器的形成方法，其特征在于，所述碳基薄膜包括单层石墨烯、双层石墨烯或多层石墨烯。
5.如权利要求5所述的气体传感器的形成方法，其特征在于，通过Cu衬底上CVD后化学湿法转移，或者Pt衬底上CVD后电化学法转移以形成所述碳基薄膜。
6.一种气体传感器，其特征在于，包括以下部分：
衬底；
形成在所述衬底之上的介质层；
形成在所述介质层之上的第一压焊块和第二压焊块；
形成在所述介质层之上的碳基薄膜，其中，所述碳基薄膜位于所述第一压焊块与第二压焊块之间，且覆盖所述第一压焊块与第二压焊块的一部分；以及
形成在所述碳基薄膜之上的第一金属接触和第二金属接触，其中所述第一金属接触与所述第一压焊块的至少一部分相连，所述第二金属接触与所述第二压焊块的至少一部分相连。
7.如权利要求6所述的气体传感器，其特征在于，还包括：位于所述介质层中的加热器件和测温器件。
8.如权利要求6所述的气体传感器，其特征在于，所述衬底为Si，所述介质层为通过热氧化形成的SiO2或通过沉积形成的Si3N4。
9.如权利要求6所述的气体传感器，其特征在于，所述碳基薄膜包括单层石墨烯、双层石墨烯或多层石墨烯。
10.如权利要求6所述的气体传感器，其特征在于，所述碳基薄膜通过Cu衬底上CVD后化学湿法转移，或者Pt衬底上CVD后电化学法转移形成。
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