CN104297303A - 丙酮气敏传感器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种丙酮气敏传感器，包括：底座，底座包括镂空结构；支撑层，一侧与底座的正面复合，且支撑层悬空地架设在镂空结构上；加热电阻，设置在支撑层的另一侧；绝缘层，复合在加热电阻及支撑层的另一侧；两个电极，间隔地设置在绝缘层的远离支撑层一侧的表面上；对丙酮气体敏感的敏感层，设置在绝缘层的外侧，且两个电极分别与敏感层的两侧连接。由于支撑层悬空地架设在镂空结构上，因此构成了不含底座材料的多层膜结构，有效降低了结构热导，加热电阻在低功率的情况下就能使敏感层温度升至工作温度，从而进一步降低了丙酮气敏传感器功耗，使器件具有高集成度、低功耗的特点。

Description

丙酮气敏传感器及其制备方法
技术领域
本发明涉及微机电系统领域，特别涉及一种丙酮气敏传感器及其制备方法。
背景技术
丙酮气敏传感器可在医学诊断、食品检测、公共安全等领域发挥重要的作用。现有的丙酮气敏传感器主要有催化燃烧式传感器、电化学传感器以及半导体传感器三类。其中，半导体传感器因具有灵敏度高、相应快、操作简单等优点受到广泛关注。
半导体传感器是利用氧化物半导体在高温时与丙酮气体相互作用，发生物理吸附、扩散、化学吸附、解吸附、逆扩散从而引起载流子数量增加，氧化物半导体电阻减少，外部电信号相应变化。目前关于丙酮半导体传感器的研究主要分为两个方向：采用旁热式结构对敏感材料进行研究，以及采用微机电系统工艺对内热式结构进行研究。现有的内热式结构受加工工艺的影响，保留有体硅结构，由于硅具有较好的热导性，会导致器件功耗增加。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种集成度高、低功耗的丙酮气敏传感器及其制备方法。
本发明提供了一种丙酮气敏传感器，包括：底座，底座包括镂空结构；支撑层，一侧与底座的正面复合，且支撑层悬空地架设在镂空结构上；加热电阻，设置在支撑层的另一侧；绝缘层，复合在加热电阻及支撑层的另一侧；两个电极，间隔地设置在绝缘层的远离支撑层一侧的表面上；对丙酮气体敏感的敏感层，设置在绝缘层的外侧，且两个电极分别与敏感层的两侧连接。
优选地，敏感层是氧化物半导体，优选地，可以是氧化锌、氧化锡、或氧化钨等材料、或在这些材料基础上掺杂得到的材料，优选地敏感层的厚度为0.1微米至1微米。
优选地，支撑层是半导体介质，优选地可以是氮化硅、或氧化硅等，优选地支撑层的厚度在0.1微米至1微米。
优选地，加热电阻是导体，优选地可以是铂、金、多晶硅等，优选地加热电阻的厚度在0.05微米至0.5微米。
优选地，绝缘层是半导体介质，优选地可以是氮化硅、或氧化硅等，优选地绝缘层的厚度在0.1微米至1微米。
优选地，电极是金属，优选地可以是金、铂等，优选地电极的厚度在0.1微米至0.5微米。
优选地，底座是指硅衬底。
本发明还提供了一种丙酮气敏传感器的制备方法，包括：在底座的正面淀积半导体介质从而形成支撑层；在支撑层上淀积导体以形成加热电阻；优选地，将导体经过光刻、刻蚀后形成多个线条形的加热电阻；在加热电阻上淀积半导体介质以形成绝缘层；在绝缘层上淀积金属以形成两个电极；优选地，电极是金属，优选地可以是金、铂等，优选地电极的厚度在0.1微米至0.5微米；在电极上淀积对丙酮气体敏感的氧化物半导体以形成敏感层；优选地，敏感层是氧化物半导体，优选地，可以是氧化锌、氧化锡、或氧化钨等材料、或在这些材料基础上掺杂得到的材料，优选地敏感层的厚度为0.1微米至1微米；在底座的背面通过淀积、光刻、刻蚀形成腐蚀窗口，通过腐蚀窗口背面腐蚀底座的体硅，以在底座上形成镂空结构，最终释放得到悬空的不含体硅的多层膜结构。
优选地，背面腐蚀是通过KOH湿法腐蚀或TMAH湿法腐蚀与XeF2干法刻蚀共同实现的。
优选地，支撑层的淀积和绝缘层的淀积是通过化学气相沉积实现；优选地，加热电阻的淀积和电极的淀积是通过溅射、蒸发、电镀中的一种或几种实现的；优选地，敏感层的淀积是通过溅射、蒸发、溶胶凝胶、等离子体增强化学气相沉积、喷雾热解、激光烧结中的一种实现的。
由于采用了KOH湿法腐蚀或TMAH湿法腐蚀与XeF2干法刻蚀相结合的背面腐蚀工艺，支撑层可悬空地架设在镂空结构上，因此构成了不含体硅的多层膜结构，有效降低了结构热导，加热电阻在低功率的情况下就能使敏感层温度升至工作温度，从而进一步降低了丙酮气敏传感器功耗，使器件具有高集成度、低功耗的特点。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是底座及支撑层的仰视图。
图中，1、底座；2、支撑层；3、加热电阻；4、绝缘层；5、电极；6、敏感层；7、镂空结构。
具体实施方式
本发明针对现有技术的不足，提供一种丙酮气敏传感器及其制备方法，利用不含体硅的多层膜结构降低器件功耗，使器件具有高集成度、低功耗的特点。
请参考图1，本发明提供了一种丙酮气敏传感器，可广泛应用在化工、医药、食品等领域，包括：底座1，底座1包括镂空结构7；支撑层2，一侧与底座1的正面复合，且支撑层2悬空地架设在镂空结构7上；加热电阻3，设置在支撑层2的另一侧；绝缘层4，复合在加热电阻3及支撑层2的另一侧；两个电极5，间隔地设置在绝缘层4的远离支撑层2一侧的表面上；对丙酮气体敏感的敏感层6，设置在绝缘层4的外侧，且两个电极5分别与敏感层6的两侧连接。优选地，底座1是指硅衬底。
当本发明的丙酮气敏传感器，其加热电阻3与外部电源相连，敏感层6通过两根电极5与外部测试电路相连。当加热电阻3被通以电流后，加热电阻3产生热量，由支撑层2、加热电阻3、绝缘层4、电极5、敏感层6构成的多层膜结构温度升高，并达到敏感层6的工作温度。敏感层6敏感丙酮气体，敏感层6的电阻减小，外部测试电路读出电学信号变化量，并进一步通过后续的信号处理，将电学信号变化量对应为丙酮气体浓度信息。
由于支撑层2悬空地架设在镂空结构7上，因此构成了不含体硅的多层膜结构，有效降低了结构热导，加热电阻3在低功率的情况下就能使敏感层6温度升至工作温度，从而进一步降低了丙酮气敏传感器功耗，使器件具有高集成度、低功耗的特点。
优选地，敏感层6是氧化物半导体，优选地，可以是氧化锌、氧化锡、或氧化钨等材料、或在这些材料基础上掺杂得到的材料，优选地敏感层6的厚度为0.1微米至1微米。
优选地，支撑层2是半导体介质，优选地可以是氮化硅、或氧化硅等，优选地支撑层2的厚度在0.1微米至1微米。
优选地，加热电阻3是导体，优选地可以是铂、金、多晶硅等，优选地加热电阻3的厚度在0.05微米至0.5微米，优选地，高度在0.05微米至0.5微米。优选地，本发明包括多个线条状的加热电阻3。
优选地，绝缘层4是半导体介质，优选地可以是氮化硅、或氧化硅等，优选地绝缘层4的厚度在0.1微米至1微米。
优选地，电极5是金属，优选地可以是金、铂等，优选地电极5的厚度在0.1微米至0.5微米，优选地，高度在0.1微米至0.5微米。
图2示出了本发明一个实施例中的底座镂空结构7示意图。如图2所示，底座1具有上下贯通的通孔，该通孔呈锥台形，例如，可以为四棱锥形等。支撑层2盖在通孔的上开口处。显然，镂空结构7并不限于本实施例所示的结构，也可以是利用微加工技术可以实现的其他结构。
本发明还提供了一种丙酮气敏传感器的制备方法，包括：在底座1的正面淀积半导体介质从而形成支撑层2；在支撑层2上淀积导体以形成加热电阻3；优选地，将导体经过光刻、刻蚀后形成多个线条形的加热电阻3；在加热电阻3上淀积半导体介质以形成绝缘层4；在绝缘层4上淀积金属以形成两个电极5；优选地，电极5是金属，优选地可以是金、铂等，优选地电极5的厚度在0.1微米至0.5微米；在电极5上淀积对丙酮气体敏感的氧化物半导体以形成敏感层6；优选地，敏感层6是氧化物半导体，优选地，可以是氧化锌、氧化锡、或氧化钨等材料、或在这些材料基础上掺杂得到的材料，优选地敏感层6的厚度为0.1微米至1微米。
优选地，方法还包括：在底座1的背面通过淀积、光刻、刻蚀形成腐蚀窗口，通过腐蚀窗口背面腐蚀底座1的体硅，以在底座1上形成镂空结构7，最终释放得到悬空的不含体硅的多层膜结构；优选地，背面腐蚀是通过KOH湿法腐蚀或TMAH湿法腐蚀与XeF2干法刻蚀共同实现的。这样，既能保证工艺过程中对氧化物半导体的正面保护，也能保证释放后得到完整的多层膜结构。
优选地，支撑层2的淀积和绝缘层4的淀积是通过化学气相沉积实现；优选地，加热电阻3的淀积和电极5的淀积是通过溅射、蒸发、电镀中的一种或几种实现的；优选地，敏感层6的淀积是通过溅射、蒸发、溶胶凝胶、等离子体增强化学气相沉积、喷雾热解、激光烧结中的一种实现的。
本发明中，对丙酮气体敏感的氧化物半导体易溶于酸和碱，因此采用湿法腐蚀与干法刻蚀相结合的工艺，既能保证工艺过程中对氧化物半导体的正面保护，也能保证释放后得到完整的多层膜结构。

Claims (10)

1.一种丙酮气敏传感器，其特征在于，包括：
底座(1)，所述底座(1)包括镂空结构(7)；
支撑层(2)，一侧与所述底座(1)的正面复合，且所述支撑层(2)悬空地架设在所述镂空结构(7)上；
加热电阻(3)，设置在所述支撑层(2)的另一侧；
绝缘层(4)，复合在所述加热电阻(3)及所述支撑层(2)的所述另一侧；
两个电极(5)，间隔地设置在所述绝缘层(4)的远离支撑层(2)一侧的表面上；
对丙酮气体敏感的敏感层(6)，设置在所述绝缘层(4)的外侧，且所述两个电极(5)分别与所述敏感层(6)的两侧连接。
2.根据权利要求1所述的丙酮气敏传感器，其特征在于，所述敏感层(6)是氧化物半导体，优选地，可以是氧化锌、氧化锡、或氧化钨等材料、或在这些材料基础上掺杂得到的材料，优选地所述敏感层(6)的厚度为0.1微米至1微米。
3.根据权利要求1所述的丙酮气敏传感器，其特征在于，所述支撑层(2)是半导体介质，优选地可以是氮化硅、或氧化硅等，优选地所述支撑层(2)的厚度在0.1微米至1微米。
4.根据权利要求1所述的丙酮气敏传感器，其特征在于，所述加热电阻(3)是导体，优选地可以是铂、金、多晶硅等，优选地加热电阻(3)的厚度在0.05微米至0.5微米。
5.根据权利要求1所述的丙酮气敏传感器，其特征在于，所述绝缘层(4)是半导体介质，优选地可以是氮化硅、或氧化硅等，优选地所述绝缘层(4)的厚度在0.1微米至1微米。
6.根据权利要求1所述的丙酮气敏传感器，其特征在于，所述电极(5)是金属，优选地可以是金、铂等，优选地所述电极(5)的厚度在0.1微米至0.5微米。
7.根据权利要求1所述的丙酮气敏传感器，其特征在于，所述底座(1)是指硅衬底。
8.一种丙酮气敏传感器的制备方法，其特征在于，包括：
在底座(1)的正面淀积半导体介质从而形成支撑层(2)；
在所述支撑层(2)上淀积导体以形成加热电阻(3)；优选地，将所述导体经过光刻、刻蚀后形成多个线条形的所述加热电阻(3)；
在所述加热电阻(3)上淀积半导体介质以形成绝缘层(4)；
在所述绝缘层(4)上淀积金属以形成两个电极(5)；优选地，所述电极(5)是金属，优选地可以是金、铂等，优选地所述电极(5)的厚度在0.1微米至0.5微米；
在所述电极(5)上淀积对丙酮气体敏感的氧化物半导体以形成敏感层(6)；优选地，所述敏感层(6)是氧化物半导体，优选地，可以是氧化锌、氧化锡、或氧化钨等材料、或在这些材料基础上掺杂得到的材料，优选地所述敏感层(6)的厚度为0.1微米至1微米；
在所述底座(1)的背面通过淀积、光刻、刻蚀形成腐蚀窗口，通过所述腐蚀窗口背面腐蚀所述底座(1)的体硅，以在所述底座(1)上形成镂空结构(7)，最终释放得到悬空的不含体硅的多层膜结构。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述背面腐蚀是通过KOH湿法腐蚀或TMAH湿法腐蚀与XeF2干法刻蚀共同实现的。
10.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述支撑层(2)的淀积和所述绝缘层(4)的淀积是通过化学气相沉积实现；优选地，所述加热电阻(3)的淀积和所述电极(5)的淀积是通过溅射、蒸发、电镀中的一种或几种实现的；优选地，所述敏感层(6)的淀积是通过溅射、蒸发、溶胶凝胶、等离子体增强化学气相沉积、喷雾热解、激光烧结中的一种实现的。
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