CN104297303B - 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 (12)

1.一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);
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);
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);
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。
2.根据权利要求1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。
3.根据权利要求2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。
4.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,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)。
5.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述电极(5)是金属。
6.根据权利要求5所述的制备方法,其特征在于,所述电极(5)是金或铂。
7.根据权利要求5所述的制备方法,其特征在于,所述电极(5)的厚度为0.1微米至0.5微米。
8.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述敏感层(6)是氧化物半导体。
9.根据权利要求8所述的制备方法,其特征在于,所述敏感层(6)是氧化锌、氧化锡、或氧化钨,或在氧化锌、氧化锡、或氧化钨基础上掺杂得到的材料。
10.根据权利要求8所述的制备方法,其特征在于,所述敏感层(6)的厚度为0.1微米至1微米。
11.根据权利要求3所述的制备方法,其特征在于,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。
12.根据权利要求3所述的制备方法,其特征在于,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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