CN104316574B - 一种基于单个加热元件的甲烷传感器及制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
一种基于单个加热元件的甲烷传感器及制备方法和应用，适用于工矿企业中使用。该甲烷传感器包括加热元件、测量元件、环境温度测量元件。该甲烷传感器的加热元件的加热器和测量元件的测量构件通过支撑臂悬置于空气中，加热元件单独加热到高温工作状态，测量元件单独用于检测瓦斯气体浓度，环境温度测量元件检测片上温度用于温度补偿。该甲烷传感器加工工艺与CMOS工艺兼容。该传感器的优点为：结构简单、功耗低、灵敏度高、抗干扰性好、成本低。
Description
技术领域
本发明涉及一种甲烷传感器及制备方法和应用，特别是一种工矿物联网中使用的基于单个加热元件的甲烷传感器及制备方法和应用。
背景技术
随着物联网的发展，当前的甲烷传感器无法满足单兵装备等对低功耗、长寿命、低成本的检测低浓度甲烷的甲烷传感器的需求。
目前用于煤矿井下检测低浓度甲烷的仍多是基于传统铂丝加热的催化燃烧式甲烷传感器，其原理是基于甲烷气体的催化燃烧反应释热效应。催化燃烧式甲烷传感器功耗较大，由于催化剂的使用，该种甲烷传感器具有积碳、中毒、激活等缺点，且性能不稳定、校验时间短。除此之外，现有催化燃烧式甲烷传感器采用铂丝等贵金属手工或机械绕制的线圈作为加热元件，难以批量化生产、且一致性与互换性较差，因此，不能很好的满足物联网对低功耗高性能甲烷传感器的应用需求。而红外甲烷传感器价格高、传感元件受粉尘与水汽严重影响；这两种甲烷传感器都不能很好的满足物联网对低功耗甲烷传感器的应用需求。其它的甲烷传感器亦难以适应煤矿井下特殊的使用环境。
发明内容
技术问题：本发明的目的是提供一种结构简单，不依赖催化剂，基于单个加热元件的能够检测低浓度甲烷的基于单个加热元件的甲烷传感器及制备方法和应用。
技术方案：为实现上述目的，本发明的基于单个加热元件的甲烷传感器包括加热元件、测量元件与环境温度测量元件；所述环境温度测量元件设在支座上；
所述加热元件由两个固定端、两个并排设置的支撑臂A与加热器构成，两个支撑臂A的两端分别与固定端和加热器相连接，形成二端子器件；所述每个支撑臂A的长度至少300μm；所述测量元件由两个固定端、测量构件和两个支撑臂B构成，两个支撑臂B分别与测量构件的两端相连接，两个支撑臂B的另一端分别与两个固定端相连，构成二端子器件；所述每个支撑悬臂B的长度至少100μm；所述加热元件的固定端与测量元件的固定端相互独立的设在支座上，其余部分悬置在空气中；加热元件和测量元件在结构上都为悬臂梁结构；所述加热元件的加热器为环形结构，所述测量元件的测量构件为“一”字结构或圆弧状结构，所述加热元件的加热器与测量元件的测量构件之间不接触，所述相隔距离为2μm至200μm。
所述支座包括衬底与设在衬底上的隔离氧化硅层，及设在隔离氧化硅上的顶层单晶硅层；加热元件、测量元件与环境温度测量元件采用设在隔离氧化硅上的顶层单晶硅层加工形成，加热元件、测量元件与环境温度测量元件的硅结构分别与隔离氧化硅上的其它的顶层单晶硅层隔离不相连接；所述衬底为硅或其它可采用MEMS工艺加工的材料；所述设在支座上的环境温度测量元件包括两个电极引出端及测量电阻；
加热元件与测量元件的固定端及环境温度测量元件的电极引出端由顶层单晶硅层形加工成，在顶层单晶硅层外有氧化硅层，在氧化硅层上设有电引出焊盘金属；所述固定端与电极引出端的顶层单晶硅层内设有掺杂硅层；所述电引出焊盘金属通过氧化硅层的窗口与固定端的掺杂硅层相接触构成欧姆接触；
所述加热元件的伸出在空气中的支撑臂A与加热器以及测量元件的伸出在空气中的测量构件、支撑臂B的外表面设有钝化保护层；所述环境温度测量元件的测量电阻的外表面同样设有钝化保护层；所述钝化保护层为氧化硅，或氧化铪，或氧化硅/氧化铝复合层，或氧化铪/氧化铝复合层，或氧化铪/氮化硅复合层，或氧化铝/氮化硅复合层，或氧化硅/氮化硅复合层，或氧化硅、氧化铪、氧化铝、氮化硅几种材料组合形成的复合层；其中氧化硅的厚度至少10nm，氧化铪的厚度至少为5nm，氧化铝厚度至少6nm，氮化硅厚度至少10nm，整个钝化保护层的厚度不超过1μm。
一种基于单个加热元件的甲烷传感器的甲烷检测应用方法，所述基于单个加热元件的甲烷传感器的加热元件通以较大电流或施加较大电压进入电流-电阻特性曲线中转折点左侧的工作区域、加热器的加热温度在500℃以上，所述转折点为电阻随电流或电压增大而出现的电阻最大点，当电流或电压继续增大时，电阻不再继续增大反而减小；测量元件与环境温度测量元件则都通以不产生明显高于环境空气温度的微小电流；当没有甲烷气体时，测量元件受加热元件的加热高温影响温度升高，电阻也增大；当甲烷气体出现及浓度增加时，加热元件的温度降低，独立的测量元件受其影响温度也降低，导致自身电阻的降低，通过电学测量方法检测测量元件的电学参数(如电阻)的变化实现甲烷浓度的测量；采用环境温度测量元件测量环境温度，用以调整加热元件的加热状态，还可用以对测量所获得的数据进行温度补偿。
基于单个加热元件的甲烷传感器的制备方法包括以下三种制备方法：
制备方法(一)的步骤为：
第一步，以SOI硅片为基片，在SOI硅片的正面，即在顶层单晶硅层上制备氧化硅层；
第二步，图形化顶层单晶硅层之上的氧化硅层，形成掺杂或离子注入所需的窗口；
第三步，掺杂或离子注入形成掺杂硅层；
第四步，在SOI硅片的正面通过淀积或蒸发形成金属层；
第五步，图形化第四步形成的金属层，形成电引出焊盘金属，退火形成欧姆接触；
第六步，光刻形成制备加热元件、测量元件与环境温度测量元件结构形状所需的刻蚀窗口图形，随后采用RIE方法干法刻蚀氧化硅层及顶层单晶硅层，刻蚀停止于隔离氧化硅层，在隔离氧化硅层上形成加热元件、测量元件与环境温度测量元件的结构；
第七步，在SOI硅片的正面(顶层单晶硅层面)制备刻蚀保护层，刻蚀保护层为光刻胶或PSG(磷硅玻璃)，所述刻蚀保护层覆盖整个SOI硅片的正面；
第八步，在SOI硅片背面图形光刻后形成背面硅刻蚀窗口的图形，采用湿法刻蚀或ICP或DRIE干法刻蚀方法刻蚀去除SOI硅片背面硅刻蚀窗口图形内的底层硅，即衬底，刻蚀停止于隔离氧化硅层；
第九步，采用氢氟酸溶液或氢氟酸气雾湿法刻蚀从衬底露出的隔离氧化硅层，释放出加热元件与环境温度测量元件；
第十步，去除第七步所形成的刻蚀保护层；
第十一步，对暴露出的硅进行氧化，形成薄层氧化硅层；
第十二步，采用保护层覆盖SOI硅片的正面，保护层为光刻胶，所述保护层覆盖除加热元件、测量元件悬空结构以及环境温度测量元件的测量电阻以外的SOI硅片正面部分；可以光刻胶作为保护层；可采用微喷印设备在精确定位后制备用作保护层的光刻胶；也可使用覆盖在SOI硅片正面的掩蔽版采用喷涂的方法制备所述用作保护层的光刻胶；所述掩蔽版仅露出加热元件、测量元件悬空结构以及环境温度测量元件的测量电阻，而其余的SOI基片正面部分则被掩蔽版遮挡住；
第十三步，采用ALD方法在加热元件、测量元件悬空结构以及环境温度测量元件的测量电阻的外表面制备氧化铪，或制备氧化铝薄膜，或制备氧化铪/氧化铝复合薄膜，或制备氧化硅/氧化铪/氧化铝复合薄膜，与第十一步形成的薄层氧硅层共同构成钝化保护层；
第十四步，去除第十二步使用的保护层，干燥；
第十五步，对SOI硅片进行划片与裂片，得到由加热元件、测量元件与环境温度测量元件集成在一起的甲烷传感器；
或制备方法(二)的步骤为：
第一步，以SOI硅片为基片，在顶层单晶硅层上制备氧化硅层；
第二步，图形化顶层单晶硅层之上的氧化硅层，形成掺杂或离子注入所需的窗口；
第三步，掺杂或离子注入形成掺杂硅层；
第四步，光刻形成制备加热元件、测量元件与环境温度测量元件结构形状所需的刻蚀窗口图形；采用RIE方法干法刻蚀氧化硅层及顶层单晶硅层，刻蚀停止于隔离氧化硅层，在隔离氧化硅层上形成加热元件、测量元件与环境温度测量元件的结构；
第五步，在SOI硅片的正面(顶层单晶硅层面)制备刻蚀保护层，刻蚀保护层为光刻胶或PSG(磷硅玻璃)，所述刻蚀保护层覆盖整个SOI硅片的正面；
第六步，在SOI硅片背面光刻，采用湿法刻蚀或ICP或DRIE干法刻蚀方法刻蚀SOI硅片的底层硅，即衬底，刻蚀停止于隔离氧化硅层；
第七步，采用氢氟酸溶液或气雾湿法刻蚀从衬底露出的隔离氧化硅层，释放出加热元件与环境温度测量元件；
第八步，去除第五步所形成的刻蚀保护层；
第九步，对暴露出的硅进行氧化，形成薄层氧化硅层；
第十步，采用保护层覆盖SOI硅片的正面，保护层为光刻胶，所述保护层覆盖除加热元件、测量元件悬空结构以及环境温度测量元件的测量电阻以外的SOI硅片正面部分；可以光刻胶作为保护层；可采用微喷印设备在精确定位后制备用作保护层的光刻胶；也可使用覆盖在SOI硅片正面的掩蔽版采用喷涂的方法制备所述用作保护层的光刻胶；所述掩蔽版仅露出加热元件、测量元件悬空结构以及环境温度测量元件的测量电阻，而其余的SOI基片正面部分则被掩蔽版遮挡住；
第十一步，采用ALD方法在加热元件、测量元件悬空结构以及环境温度测量元件的测量电阻的外表面制备氧化铝或氧化铪薄膜；
第十二步，采用PECVD在400～450℃制备氮化硅；制备成氧化硅/氮化硅复合薄膜，或氧化硅/氧化铝/氮化硅复合薄膜，或氧化铪/氮化硅复合薄膜，或氧化硅/氧化铪/氧化铝/氮化硅复合薄膜，与第九步形成的薄层氧硅层、第十一步形成的氧化铝或氧化铪层共同构成钝化保护层。
第十三步，去除第十步使用的保护层，干燥；
第十四步，在SOI硅片正面制备光刻胶，光刻后露出加热元件、测量元件的固定端、环境温度测量元件的电极引出端；
第十五步，通过淀积或蒸发在加热元件、测量元件的固定端、环境温度测量元件的电极引出端上形成电引出焊盘金属；
第十六步，去除光刻胶，干燥；退火形成欧姆接触；
第十七步，对SOI硅片进行划片与裂片，得到由加热元件、测量元件与环境温度测量元件集成在一起的甲烷传感器；
或制备方法(三)的步骤为：
第一步至第十三步同制备方法(二)的第一步至第十三步，
第十四步，制备掩蔽版，所述掩蔽版上的图形与SOI硅片上的加热元件、测量元件的固定端、环境温度测量元件的电极引出端的图形相同；掩蔽版置于SOI硅片正面之上并对准后，通过溅射、沉积方法制备金属层，仅在加热元件、测量元件的固定端、环境温度测量元件的电极引出端之上形成电引出焊盘金属(22)；退火形成欧姆接触；
第十五步，对SOI硅片进行划片与裂片，得到由加热元件、测量元件与环境温度测量元件集成在一起的甲烷传感器。
有益效果：本发明提供了一种新型的甲烷传感器，该甲烷传感器以硅为加工材料，采用CMOS兼容的MEMS工艺加工，该甲烷传感器基于单个加热元件、单独的测量元件而未采用催化剂实现对低浓度甲烷的检测，并设有单独的环境温度传感元件检测传感器的片上温度。由于采用了上述方案，本发明的甲烷传感器具有以下有效效果：
1、本发明的甲烷传感器使用独立的加热元件与测量元件检测低浓度(0～4％)甲烷气体，未使用催化剂；由于没使用催化剂与催化载体，因此，传感器的性能不受催化剂的影响，不存在催化剂活性降低导致的灵敏度降低、中毒、激活问题；并且无需对甲烷进行催化燃式反即可实现甲烷检测，也就不需要氧气的参与，因此本发明的甲烷传感器对甲烷的检测不受空气中氧气的影响；
2、本发明的甲烷传感器的加热元件的加热器悬在空气中且远离硅衬底，距离大于300μm以上，以较低的功率即可将硅加热器加热到500℃以上的高温，相应的功耗为80～90mW左右；加热元件与测量元件相互独立，没有直接接触，即不存在固态介质连接，因此不存在从加热元件到温度测量元件的热传导形式的能量损失路径，因此也有效的降低了加热元件工作时的功耗；并且，本发明的甲烷传感器只有加热元件需要加热到高温；测量元件与环境温度测量元件都只需极低的电流即可工作，而无需加热至高温，因此测量元件与环境温度测量元件的功耗都极低；上述的综合措施大幅降低了本发明的甲烷传感器的总体功耗，因此具有低功耗的优势。
3、本发明的甲烷传感器的加热元件、测量元件与环境温度测量元件都以单晶硅为原材料加工获得，使得加工工艺统一、简单，且工艺与CMOS兼容，采用CMOS工艺批量生产，成本低廉、还可使加工的甲烷传感器具有良好的一致性、互换性，易于实现批量校准，能进一步提高传感器性能并降低传感器校准环节的成本。
4、本发明的甲烷传感器的加热元件、测量元件与环境温度测量元件都以单晶硅加工得到，由于单晶硅在高温下具有稳定的性能，这使本发明的甲烷传感器在高温工作状态下具有良好的稳定性与长的寿命。单晶硅不存在铂、钨金属加热材料在500摄氏度以上的高温容易挥发、升华、迁移等缺点、也不存在多晶硅电阻在高温下晶界电阻易于变化、无法掌控的缺点。同时，在本发明的加热元件、测量元件与环境温度测量元件的外表面设置的钝化层也降低了外界环境对上述元器件的影响，从而进一步提高了本发明的甲烷传感器性能的稳定性。
5、本发明的甲烷传感器的加热元件、测量元件与环境温度测量元件结构上的独立，便于单独调控加热元件、同时单独对温度测量元件进行检测，使加热与温度测量之间不存在耦合关系，不再受传统的单一元件加热与温度测量功能复用的限制，这使本发明的甲烷传感器可具有多种工作模式，且使调控配置简单、灵活，能进一步提高本发明甲烷传感器的智能化水平及传感性能。
6、本发明的甲烷传感器的环境温度测量元件用于独立检测本发明的甲烷传感器的片上温度，这提供了与加热元件、测量元件距离最近、最真实的温度数据，有利于对测量数据进行最佳的温度补偿、同时也为本发明的甲烷传感器智能化奠定了基础。
7、本发明的甲烷传感器，尺寸小、功耗低，并且响应速度快、可达40ms左右；加热元件与测量元件结构上的独立可使测量元件以极低的自加热效应检测甲烷浓度，自身热噪声的降低使本发明的传感器的灵敏度进一步得到提升。
8、本发明的甲烷传感器工艺与CMOS兼容，可实现传感器及其信号处理电路的单片集成。10、本发明的甲烷传感器能够满足采用电池的便携装备、煤矿井下环境物联网使用环境对高性能甲烷传感器的需求。
优点：本发明提供的基于单个加热元件的甲烷传感器，以性能稳定的硅为加热材料，无需采用催化剂实现低浓度甲烷的高灵敏度检测；这使该甲烷传感器具有性能稳定、长期稳定性好的优点，无中毒、积碳、激活等缺点；本发明的甲烷传感器的功耗主要由采用的单个加热元件的功耗决定，测量元件及环境温度测量元件消耗的功耗极低，因此传感器的总体功耗低；本发明的甲烷传感器有利于采用计算机根据片上集成的环境温度测量元件获得的环境温度灵活的调节加热元件的温度、完成直接进行温度补偿，从而提高传感器的性能。本发明的甲烷传感器抗干扰性能好、灵敏度高，批量生产成本低且一致性好，易于批量快速校准。
附图说明
图1为本发明的基于单个加热元件的甲烷传感器的俯视示意图。
图2为本发明的加热元件和测量元件的固定端的剖视图，即图1中的A-A截面剖视图。
图3为本发明的加热元件、测量元件设置在同一侧时的俯视示意图。
图中：100-支座，101-加热元件，102-测量元件，103-环境温度测量元件，1001-固定端，1012-支撑臂A，1011-加热器，1021-测量构件，1022-支撑臂B，1031-电极引出端，1032-测量电阻，11-衬底，12-隔离氧化硅层，13-顶层单晶硅层，14-钝化保护层，22-电引出焊盘金属，23-氧化硅层，24-掺杂硅层。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作进一步的描述：
实施例1：如在图1、图2中，该甲烷传感器包括加热元件101、测量元件102与环境温度测量元件103；所述环境温度测量元件103设在支座100上；
所述加热元件101由两个固定端1001、两个并排设置的支撑臂A1012与加热器1011构成，两个支撑臂A1012的两端分别与固定端1001和加热器1011相连接，形成二端子器件；所述每个支撑臂A1012的长度至少300μm；所述测量元件102由两个固定端1001、测量构件1021和两个支撑臂B1022构成，两个支撑臂B1022分别与测量构件1021的两端相连接，两个支撑臂B1022的另一端分别与两个固定端1001相连，构成二端子器件；所述每个支撑悬臂B1022的长度至少100μm；所述加热元件101的固定端1001与测量元件102的固定端1001相互独立的设在支座100上，其余部分悬置在空气中；加热元件101和测量元件102在结构上都为悬臂梁结构；所述加热元件101的加热器1011为环形结构，测量元件102的测量构件1021为“一”字结构或如图3中所示的圆弧状结构；如图1所示，所述加热元件101与测量元件102设在左右两侧；所述加热元件101的加热器1011与测量元件102的测量构件1021之间不接触，所述相隔距离为2μm至200μm。所述支座100包括衬底11与设在衬底11上的隔离氧化硅层12，及设在隔离氧化硅12上的顶层单晶硅层13；加热元件101、测量元件102与环境温度测量元件103采用设在隔离氧化硅12上的顶层单晶硅层13加工形成，加热元件101、测量元件102与环境温度测量元件103的硅结构分别与隔离氧化硅12上的其它的顶层单晶硅层13隔离不相连接；所述衬底11为硅或其它可采用MEMS工艺加工的材料；所述设在支座100上的环境温度测量元件103包括两个电极引出端1031及测量电阻1032；
加热元件101与测量元件102的固定端1001及环境温度测量元件103的电极引出端1031由顶层单晶硅层13加工形成，在顶层单晶硅层13外设有氧化硅层23，在氧化硅层23上设有电引出焊盘金属22；所述固定端1001与电极引出端1031的顶层单晶硅层13内设有掺杂硅层24；所述电引出焊盘金属22通过氧化硅层23的窗口与固定端1001的掺杂硅层24相接触构成欧姆接触；
所述加热元件101的伸出在空气中的支撑臂A1012与加热器1011以及测量元件102的伸出在空气中的测量构件1021、支撑臂B1022的外表面设有钝化保护层14；所述环境温度测量元件103的测量电阻1032的外表面同样设有钝化保护层14；所述钝化保护层14为氧化硅，或氧化铪，或氧化硅/氧化铝复合层，或氧化铪/氧化铝复合层，或氧化铪/氮化硅复合层，或氧化铝/氮化硅复合层，或氧化硅/氮化硅复合层，或氧化硅、氧化铪、氧化铝、氮化硅几种材料组合形成的复合层；其中氧化硅的厚度至少10nm，氧化铪的厚度至少为5nm，氧化铝厚度至少6nm，氮化硅厚度至少10nm，整个钝化保护层的厚度不超过1μm。
一种基于单个加热元件的甲烷传感器的甲烷检测应用方法，所述基于单个加热元件的甲烷传感器的加热元件101通以较大电流或施加较大电压进入电流-电阻特性曲线中转折点左侧的工作区域、加热器1011的加热温度在500℃以上，所述转折点为电阻随电流或电压增大而出现的电阻最大点，当电流或电压继续增大时，电阻不再继续增大反而减小；测量元件102与环境温度测量元件103则都通以不产生明显高于环境空气温度的微小电流；当没有甲烷气体时，测量元件102受加热元件101的加热高温影响温度升高，电阻也增大；当甲烷气体出现及浓度增加时，加热元件101的温度降低，独立的测量元件102受其影响温度也降低，导致自身电阻的降低，通过电学测量方法检测测量元件102的电学参数如电阻的变化实现甲烷浓度的测量；采用环境温度测量元件103测量环境温度，用以调整加热元件101的加热状态，还可用以对测量所获得的数据进行温度补偿。
基于单个加热元件的甲烷传感器的制备方法包括以下三种制备方法；
制备方法(一)的步骤为：
第一步，以SOI硅片为基片，在SOI硅片的正面，即在顶层单晶硅层13上制备氧化硅层23；
第二步，图形化顶层单晶硅层13之上的氧化硅层23，形成掺杂或离子注入所需的窗口；
第三步，掺杂或离子注入形成掺杂硅层24；
第四步，在SOI硅片的正面通过淀积或蒸发形成金属层；
第五步，图形化第四步形成的金属层，形成电引出焊盘金属22，退火形成欧姆接触；
第六步，光刻形成制备加热元件101、测量元件102与环境温度测量元件103结构形状所需的刻蚀窗口图形，随后采用RIEReactive Ion Etching，反应离子刻蚀方法干法刻蚀氧化硅层23及顶层单晶硅层13，刻蚀停止于隔离氧化硅层12，在隔离氧化硅层12上形成加热元件101、测量元件102与环境温度测量元件103的结构；
第七步，在SOI硅片的正面顶层单晶硅层面制备刻蚀保护层，刻蚀保护层为光刻胶或PSG(磷硅玻璃)，所述保护层为光刻胶或PSG(磷硅玻璃)，所述刻蚀保护层覆盖整个SOI硅片的正面；
第八步，在SOI硅片背面图形光刻后形成背面硅刻蚀窗口的图形，采用湿法刻蚀或ICP或DRIE干法刻蚀方法刻蚀去除SOI硅片背面的硅刻蚀窗口图形内的底层硅，即衬底11，刻蚀停止于隔离氧化硅层12；
第九步，采用氢氟酸溶液或氢氟酸气雾湿法刻蚀从衬底11露出的隔离氧化硅层12，释放出加热元件101与环境温度测量元件103；
第十步，去除第七步所形成的刻蚀保护层；
第十一步，对暴露出的硅进行氧化，形成薄层氧化硅层；
第十二步，采用保护层覆盖SOI硅片的正面，保护层为光刻胶，所述保护层覆盖除加热元件101、测量元件102悬空结构以及环境温度测量元件103的测量电阻1032以外的SOI硅片正面部分；可以光刻胶作为保护层；可采用微喷印设备在精确定位后制备用作保护层的光刻胶；也可使用覆盖在SOI硅片正面的掩蔽版采用喷涂的方法制备所述用作保护层的光刻胶；所述掩蔽版仅露出加热元件101、测量元件102悬空结构以及环境温度测量元件103的测量电阻1032，而其余的SOI基片正面部分则被掩蔽版遮挡住；
第十三步，采用ALD原子层沉积方法在加热元件101、测量元件102悬空结构以及环境温度测量元件103的测量电阻1032的外表面制备氧化铪，或制备氧化铝薄膜，或制备氧化铪/氧化铝复合薄膜，或制备氧化硅/氧化铪/氧化铝复合薄膜，与第十一形成的薄层氧硅层共同构成钝化保护层14；
第十四步，去除第十二步使用的保护层，干燥；
第十五步，对SOI硅片进行划片与裂片，得到由加热元件101、测量元件102与环境温度测量元件103集成在一起的甲烷传感器；
或制备方法(二)的步骤为：
第一步，以SOI硅片为基片，在顶层单晶硅层13上制备氧化硅层23；
第二步，图形化顶层单晶硅层13之上的氧化硅层23，形成掺杂或离子注入所需的窗口；
第三步，掺杂或离子注入形成掺杂硅层24；
第四步，第四步，光刻形成制备加热元件101、测量元件102与环境温度测量元件(103)结构形状所需的刻蚀窗口图形；采用RIE干法刻蚀氧化硅层23及顶层单晶硅层13，刻蚀停止于隔离氧化硅层12，在隔离氧化硅层12上形成加热元件101、测量元件102与环境温度测量元件103的结构；
第五步，在SOI硅片的正面顶层单晶硅层面制备刻蚀保护层，刻蚀保护层为光刻胶或PSG(磷硅玻璃)，所述刻蚀保护层覆盖整个SOI硅片的正面；
第六步，在SOI硅片背面图形光刻后形成背面硅刻蚀窗口的图形，采用湿法刻蚀或ICP或DRIE干法刻蚀方法刻蚀去除SOI硅片背面的硅刻蚀窗口图形内的底层硅，即衬底11，刻蚀停止于隔离氧化硅层12；
第七步，采用氢氟酸溶液或气雾湿法刻蚀从衬底11露出的隔离氧化硅层12，释放出加热元件101与温度测量元件；
第八步，去除第五步所形成的刻蚀保护层；
第九步，对暴露出的硅进行氧化，形成薄层氧化硅层；
第十步，采用保护层覆盖SOI硅片的正面，保护层为光刻胶，所述保护层覆盖除加热元件101、测量元件102悬空结构以及环境温度测量元件103的测量电阻1032以外的SOI硅片正面部分；可以光刻胶作为保护层；可采用微喷印设备在精确定位后制备用作保护层的光刻胶；也可使用覆盖在SOI硅片正面的掩蔽版采用喷涂的方法制备所述用作保护层的光刻胶；所述掩蔽版仅露出加热元件101、测量元件102悬空结构以及环境温度测量元件103的测量电阻1032，而其余的SOI基片正面部分则被掩蔽版遮挡住；
第十一步，采用ALD原子层沉积方法在加热元件101、测量元件102悬空结构以及环境温度测量元件103的测量电阻1032的外表面制备氧化铝或氧化铪薄膜；
第十二步，采用PECVD在400～450℃制备氮化硅；制备成氧化硅/氮化硅复合薄膜，或氧化硅/氧化铝/氮化硅复合薄膜，或氧化铪/氮化硅复合薄膜，或氧化硅/氧化铪/氧化铝/氮化硅复合薄膜，与第九步形成的薄层氧硅层、第十一步形成的氧化铝或氧化铪层共同构成钝化保护层14；
第十三步，去除第十步使用的保护层，干燥；
第十四步，在SOI硅片正面制备光刻胶，光刻后露出加热元件101、测量元件102的固定端1001、环境温度测量元件103的电极引出端1031；
第十五步，通过淀积或蒸发在加热元件101、测量元件102的固定端1001、环境温度测量元件103的电极引出端1031上形成电引出焊盘金属22；
第十六步，去除光刻胶，干燥；退火形成欧姆接触；
第十七步，对SOI硅片进行划片与裂片，得到由加热元件101、测量元件102与环境温度测量元件103集成在一起的甲烷传感器；
或制备方法(三)的步骤为：
第一步至第十三步同制备方法二的第一步至第十三步，
第十四步，制备掩蔽版，所述掩蔽版上的图形与SOI硅片上的加热元件101、测量元件102的固定端1001、环境温度测量元件103的电极引出端1031的图形相同；掩蔽版置于SOI硅片正面之上并对准后，通过溅射、沉积方法制备金属，仅在加热元件101、测量元件102的固定端1001、环境温度测量元件103的电极引出端1031之上形成电引出焊盘金属(22)；退火形成欧姆接触；
第十五步，对SOI硅片进行划片与裂片，得到由加热元件101、测量元件102与环境温度测量元件103集成在一起的甲烷传感器。
Claims (3)
1.一种基于单个加热元件的甲烷传感器，其特征在于：它包括加热元件(101)、测量元件(102)与环境温度测量元件(103)；所述环境温度测量元件(103)设在支座(100)上；所述加热元件(101)由两个固定端(1001)、两个并排设置的支撑臂A(1012)与加热器(1011)构成，两个支撑臂A(1012)的两端分别与固定端(1001)和加热器(1011)相连接，形成二端子器件；所述每个支撑臂A(1012)的长度至少300μm；所述测量元件(102)由两个固定端(1001)、测量构件(1021)和两个支撑臂B(1022)构成，两个支撑臂B(1022)分别与测量构件(1021)的两端相连接，两个支撑臂B(1022)的另一端分别与两个固定端(1001)相连，构成二端子器件；所述每个支撑臂B(1022)的长度至少100μm；所述加热元件(101)的固定端(1001)与测量元件(102)的固定端(1001)相互独立的设在支座(100)上，其余部分悬置在空气中；加热元件(101)和测量元件(102)在结构上都为悬臂梁结构；所述加热元件(101)的加热器(1011)与测量元件(102)的测量构件(1021)不接触，相距2μm至200μm；
所述支座(100)包括衬底(11)与设在衬底(11)上的隔离氧化硅层(12)，及设在隔离氧化硅(12)上的顶层单晶硅层(13)；加热元件(101)、测量元件(102)与环境温度测量元件(103)采用设在隔离氧化硅(12)上的顶层单晶硅层(13)加工形成，加热元件(101)、测量元件(102)与环境温度测量元件(103)的硅结构分别与隔离氧化硅(12)上的其它的顶层单晶硅层(13)隔离不相连接；所述衬底(11)为硅或其它可采用MEMS工艺加工的材料；所述设在支座(100)上的环境温度测量元件(103)包括两个电极引出端(1031)及测量电阻(1032)；
加热元件(101)与测量元件(102)的固定端(1001)及环境温度测量元件(103)的电极引出端(1031)由顶层单晶硅层(13)加工形成，在顶层单晶硅层(13)外有氧化硅层(23)，在氧化硅层(23)上设有电引出焊盘金属(22)；所述固定端(1001)与电极引出端(1031)的顶层单晶硅层(13)内设有掺杂硅层(24)；所述电引出焊盘金属(22)通过氧化硅层(23)的窗口与固定端(1001)的掺杂硅层(24)相接触构成欧姆接触；
所述加热元件(101)的伸出在空气中的支撑臂A(1012)与加热器(1011)以及测量元件(102)的伸出在空气中的测量构件(1021)、支撑臂B(1022)的外表面设有钝化保护层(14)；所述环境温度测量元件(103)的测量电阻(1032)的外表面同样设有钝化保护层(14)；所述钝化保护层(14)为氧化硅，或氧化铪，或氧化硅/氧化铝复合层，或氧化铪/氧化铝复合层，或氧化铪/氮化硅复合层，或氧化铝/氮化硅复合层，或氧化硅/氮化硅复合层，或氧化硅、氧化铪、氧化铝、氮化硅四种材料组合形成的复合层；其中氧化硅的厚度至少10nm，氧化铪的厚度至少为5nm，氧化铝厚度至少6nm，氮化硅厚度至少10nm，整个钝化保护层的厚度不超过1μm。
2.一种使用权利要求1所述基于单个加热元件的甲烷传感器的单个加热元件的甲烷传感器的应用，其特征在于：所述加热元件的甲烷传感器的加热元件(101)通以较大电流或施加较大电压进入电流-电阻特性曲线中转折点左侧的工作区域、加热器(1011)的加热温度在500℃以上，所述转折点为电阻随电流或电压增大而出现的电阻最大点，当电流或电压继续增大时，电阻不再继续增大反而减小；测量元件(102)与环境温度测量元件(103)则都通以不产生明显高于环境空气温度的微小电流；当没有甲烷气体时，测量元件(102)受加热元件(101)的加热高温影响温度升高，电阻也增大；当甲烷气体出现及浓度增加时，加热元件(101)的温度降低，独立的测量元件(102)受其影响温度也降低，导致自身电阻的降低，通过电学测量方法检测测量元件(102)的电学参数：电阻的变化实现甲烷浓度的测量；采用环境温度测量元件(103)测量环境温度，用以调整加热元件(101)的加热状态，还可用以对测量所获得的数据进行温度补偿。
3.一种使用权利要求1所述基于单个加热元件的甲烷传感器的基于单个加热元件的甲烷传感器的制备方法，其特征在于；
制备方法(一)的步骤为：
第一步，以SOI硅片为基片，在SOI硅片的正面，也即顶层单晶硅层(13)上制备氧化硅层(23)；
第二步，图形化顶层单晶硅层(13)之上的氧化硅层(23)，形成掺杂或离子注入所需的窗口；
第三步，掺杂或离子注入形成掺杂硅层(24)；
第四步，在SOI硅片的正面通过淀积或蒸发形成金属层；
第五步，图形化第四步形成的金属层，形成电引出焊盘金属(22)，退火形成欧姆接触；
第六步，光刻形成制备加热元件(101)、测量元件(102)与环境温度测量元件(103)结构形状所需的刻蚀窗口图形，随后采用RIE(Reactive Ion Etching，反应离子刻蚀)方法干法刻蚀氧化硅层(23)及顶层单晶硅层(13)，刻蚀停止于隔离氧化硅层(12)，在隔离氧化硅层(12)上形成加热元件(101)、测量元件(102)与环境温度测量元件(103)的结构；
第七步，在SOI硅片的正面制备刻蚀保护层，保护层为光刻胶或PSG(磷硅玻璃)，所述刻蚀保护层覆盖整个SOI硅片的正面；
第八步，在SOI硅片背面图形光刻后形成背面硅刻蚀窗口的图形，采用湿法刻蚀或ICP(Inductively Coupled Plasma，感应耦合离子体刻蚀)或DRIE(Deep Reactive IonEtching，深反应离子刻蚀)干法刻蚀方法刻蚀去除SOI硅片背面硅刻蚀窗口图形内的底层硅，即衬底(11)，刻蚀停止于隔离氧化硅层(12)；
第九步，采用氢氟酸溶液或氢氟酸气雾湿法刻蚀从衬底(11)露出的隔离氧化硅层(12)，释放出加热元件(101)与环境温度测量元件(103)；
第十步，去除第七步所形成的刻蚀保护层；
第十一步，对暴露出的硅进行氧化，形成薄层氧化硅层；
第十二步，采用保护层覆盖SOI硅片的正面，所述保护层覆盖除加热元件(101)、测量元件(102)悬空结构以及环境温度测量元件(103)的测量电阻(1032)以外的SOI硅片正面部分；
第十三步，采用ALD(原子层沉积)方法在加热元件(101)、测量元件(102)的悬空结构以及环境温度测量元件(103)的测量电阻(1032)的外表面制备氧化铪，或制备氧化铝薄膜，或制备氧化铪/氧化铝复合薄膜，或制备氧化硅/氧化铪/氧化铝复合薄膜，与第十一步形成的薄层氧硅层共同构成钝化保护层(14)；
第十四步，去除第十二步使用的保护层，干燥；
第十五步，对SOI硅片进行划片与裂片，得到由加热元件(101)、测量元件(102)与环境温度测量元件(103)集成在一起的甲烷传感器；
或制备方法(二)步骤为：
第一步，以SOI硅片为基片，在顶层单晶硅层(13)上制备氧化硅层(23)；
第二步，图形化顶层单晶硅层(13)之上的氧化硅层(23)，形成掺杂或离子注入所需的窗口；
第三步，掺杂或离子注入形成掺杂硅层(24)；
第四步，光刻形成制备加热元件(101)、测量元件(102)与环境温度测量元件(103)结构形状所需的刻蚀窗口图形；采用RIE(Reactive Ion Etching，反应离子刻蚀)方法干法刻蚀氧化硅层(23)及顶层单晶硅层(13)，刻蚀停止于隔离氧化硅层(12)，在隔离氧化硅层(12)上形成加热元件(101)、测量元件(102)与环境温度测量元件(103)的结构；
第五步，在SOI硅片的正面制备刻蚀保护层，刻蚀保护层为光刻胶或PSG(磷硅玻璃)，所述刻蚀保护层覆盖整个SOI硅片的正面；
第六步，在SOI硅片背面图形光刻后形成背面硅刻蚀窗口的图形，采用湿法刻蚀或ICP(Inductively Coupled Plasma，感应耦合离子体刻蚀)或DRIE(Deep Reactive IonEtching，深反应离子刻蚀)干法刻蚀方法刻蚀去除SOI硅片背面硅刻蚀窗口图形内的底层硅，即衬底(11)，刻蚀停止于隔离氧化硅层(12)；
第七步，采用氢氟酸溶液或气雾湿法刻蚀从衬底(11)露出的隔离氧化硅层(12)，释放出加热元件(101)与环境温度测量元件(103)；
第八步，去除第五步所形成的刻蚀保护层；
第九步，对暴露出的硅进行氧化，形成薄层氧化硅层；
第十步，采用保护层覆盖SOI硅片的正面，所述保护层覆盖除加热元件(101)、测量元件(102)悬空结构以及环境温度测量元件(103)的测量电阻(1032)以外的SOI硅片正面部分；
第十一步，采用ALD(原子层沉积)方法在加热元件(101)、测量元件(102)悬空结构以及环境温度测量元件(103)的测量电阻(1032)的外表面制备氧化铝或氧化铪薄膜；
第十二步，采用PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，等离子体增强化学气相沉积法)在加热元件(101)、测量元件(102)悬空结构以及环境温度测量元件(103)的测量电阻(1032)的外表面制备氮化硅，制备温度400～450℃；制备成氧化硅/氮化硅复合薄膜，或氧化硅/氧化铝/氮化硅复合薄膜，或氧化铪/氮化硅复合薄膜，或氧化硅/氧化铪/氧化铝/氮化硅复合薄膜，与第九步形成的薄层氧硅层、第十一步形成的氧化铝或氧化铪层共同构成钝化保护层(14)；
第十三步，去除第十步使用的保护层，干燥；
第十四步，在SOI硅片正面制备光刻胶，光刻后露出加热元件(101)、测量元件(102)的固定端(1001)、环境温度测量元件(103)的电极引出端(1031)；
第十五步，通过淀积或蒸发在加热元件(101)、测量元件(102)的固定端(1001)、环境温度测量元件(103)的电极引出端(1031)上形成电引出焊盘金属(22)；
第十六步，去除光刻胶，干燥；退火形成欧姆接触；
第十七步，对SOI硅片进行划片与裂片，得到由加热元件(101)、测量元件(102)与环境温度测量元件(103)集成在一起的甲烷传感器；
或制备方法(三)步骤为：
第一步至第十三步同制备方法(二)的第一步至第十三步，
第十四步，制备掩蔽版，所述掩蔽版上的图形与SOI硅片上的加热元件(101)、测量元件(102)的固定端(1001)、环境温度测量元件(103)的电极引出端(1031)的图形相同；掩蔽版置于SOI硅片正面之上并对准后，通过溅射、沉积方法制备金属，仅在加热元件(101)、测量元件(102)的固定端(1001)、环境温度测量元件(103)的电极引出端(1031)之上形成电引出焊盘金属(22)；退火形成欧姆接触；
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