CN104316578B - 一种mems甲烷传感器及其应用和制备方法 - Google Patents

Abstract

一种MEMS甲烷传感器及其应用和制备方法，适用于煤矿检测使用。特别属于采用微电子机械系统加工技术的甲烷传感器及其甲烷检测方法。该传感器以普通单晶硅作为加热元件的材料，加热元件同时作为敏感元件，且不需催化剂载体及催化剂材料；加工工艺与CMOS工艺兼容，加热元件的释放采用双向同时刻蚀的湿法硅刻蚀技术。该传感器具有成本低、灵敏度高、功耗低、灵敏度高、测量不受氧气浓度影响、不受积碳、中毒影响的优点。

Description

一种MEMS甲烷传感器及其应用和制备方法

技术领域

本发明涉及一种甲烷传感器及其应用和制备方法，适用于一种煤矿安全检测中使用的MEMS甲烷传感器及其应用和制备方法。

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是基于传统铂丝加热的催化燃烧式甲烷传感器，其功耗较大，催化剂的使用导致甲烷检测性能不稳定、校验时间短，存在受积碳、中毒、激活等因使用催化剂所带来的不良影响等缺点；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。而其它的甲烷传感器亦无法适应煤矿井下高湿度的复杂环境。

发明内容

本发明的目的是要提供一种结构简单，不使用催化剂又能对低浓度甲烷(0～4％)具有高灵敏度检测能力的MEMS甲烷传感器及其应用和制备方法。

为实现上述技术问题，本发明的MEMS甲烷传感器以P型硅为衬底，P型硅衬底上设有N型硅；以所述P型硅衬底上的N型硅加工制备硅加热元件；所述硅加热元件包括两个固定端、硅加热器、两个硅悬臂；硅悬臂长度至少300um；硅悬臂的一端与硅加热器相连，另一端与一个固定端相连，为硅加热器提供电连接；所述两个硅悬臂平行并排设置、与硅加热器整体构成U形悬臂结构，将硅加热器悬于空气中；所述硅加热元件的硅加热器及硅悬臂外表面设有钝化保护层；所述固定端设在P型硅衬底上，包括N型硅、N型硅上的氧化硅层及用作电引出焊盘Pad金属，所述电引出焊盘Pad金属设在N型硅之上的氧化硅层上，且电引出焊盘Pad金属通过氧化硅层的窗口与其下面的N型硅直接接触构成欧姆接触，电引出焊盘Pad金属与其下的N型硅层接触部分没有氧化硅层；

在所述硅加热元件及其固定端周围设置有去除掉N型硅的隔离沟槽，所述隔离沟槽使所述硅加热元件及其固定端的N型硅与P型硅衬底上的其余N型硅之间为高阻状态，设在P型硅衬底上的硅加热元件的两个固定端之间除了由硅悬臂和硅加热器构成的电通路之外无其它电路通路。

一种甲烷检测应用，使用两个甲烷传感器，其中一个与环境空气接触，另一个进行气密性封装，保持与环境空气为隔绝密封；所使用的两个基于湿法双向刻蚀硅的MEMS甲烷传感器构成惠斯通电桥检测桥臂；在基于湿法双向刻蚀硅的MEMS甲烷传感器的两个固定端上施加电压或通以电流使硅加热元件的工作点位于其电流-电阻特性曲线中转折点左侧的工作点区域、加热元件的硅加热器发热，其特征在于电加热温度在500摄氏度以上；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；当有甲烷气体出现时，与环境空气接触的硅加热器的温度降低，使包括有该硅加热器的硅加热元件的电阻发生显著变化，通过所述基于湿法双向刻蚀硅的MEMS甲烷传感器构成的惠斯通电桥实现低浓度甲烷气体的检测。

MEMS甲烷传感器的制备方法其包括两种制备方法；

制备方法(一)的步骤为：

第一步，在(100)晶向的P型硅衬底的正面经掺杂或扩散制备N型硅，N型硅厚度为3um至30um；

第二步，热氧化生成氧化硅层，厚度0.5um至1um；

第三步，在P型硅衬底的正面制备光刻胶，光刻后形成硅加热元件、硅加热元件的固定端周围设置的隔离沟槽及正面刻蚀窗口的图形，并采用反应离子刻蚀方法干法刻蚀所露出的氧化硅层及其下面的N型硅，刻蚀深度大于N型硅与第二步生成的氧化硅层厚度之和，去除光刻胶；

第四步，在P型硅衬底的正面光刻第二步生成的氧化硅层，形成金属接触孔；

第五步，在P型硅衬底的正面溅射或淀积或蒸发形成金属层，金属层的材料是金或铝，并退火，使金属层与P型硅衬底上的露出的N型硅形成欧姆接触；

第六步，根据需要在刻蚀金属层后形成电引出焊盘Pad金属、金属连接线及总金属连接端，所形成的每个硅加热元件的电引出焊盘Pad金属与金属连接线均通过金属层相连通，金属连接线与总金属连接端通过金属层相连通；所述总金属连接端设在P型硅衬底的边缘，当在总金属连接端施加电势时，整个硅圆片上的所有硅加热元件的N型硅形成良好电连接并具有与总金属连接端相同的电势，所述金属连接线外设有划片槽；

第七步，在P型硅衬底的正面制备光刻胶，对P型硅衬底光刻后形成正面刻蚀窗口图形，采用反应离子刻蚀方法干法刻蚀所形成的正面刻蚀窗口图形所露出的P型硅，刻蚀深度大于20um，形成湿法硅刻蚀的正面刻蚀窗口，去除光刻胶；

第八步，在P型硅衬底的背面进行与正面刻蚀窗口对准的光刻，形成背面刻蚀窗口的图形；所形成的背面刻蚀窗口图形与正面刻蚀窗口图形都小于单独进行正面湿法刻蚀刻穿硅片所需的正面刻蚀窗口图形，所形成的背面刻蚀窗口图形与正面刻蚀窗口图形的中心重叠，且各边方向相同，所形成的背面刻蚀窗口图形小于正面刻蚀窗口图形，刻蚀窗口大小应保证能刻穿硅片形成通孔，通孔尺寸远大于硅加热器的外形尺寸，且硅加热元件的硅加热器位于正面刻蚀窗口和背面刻蚀窗口的中心位置；采用反应离子刻蚀方法干法刻蚀露出的背面刻蚀窗口图形内的氧化硅层及其下面的硅，刻蚀深度10um至30um，形成湿法刻蚀所需的背面刻蚀窗口；

第九步，在P型硅衬底的正面与背面分别制备刻蚀保护层并图形化，露出第八步制备好的背面刻蚀窗口、第七步所形成的正面刻蚀窗口以及连接所有硅加热元件固定端金属的总金属连接端；

第十步，将上述制备好的硅片置于四甲基氢氧化铵溶液或氢氧化钾溶液中对P型硅采用PN结自停止方法在硅片的正面与背面同时进行硅湿法刻蚀；刻蚀时通过硅圆片上的总金属连接端给P型硅衬底上的N型硅施加正电压，所述正电压高于PN结自停止刻蚀的钝化电势，以使P型硅衬底与N型硅所形成的PN结处于反偏状态；在PN结自停止刻蚀的作用下，硅加热元件的N型硅不被刻蚀；刻蚀完成后不仅释放出硅加热元件，正面与背面的刻蚀窗口内还形成通孔，所述硅加热元件的硅加热器的中心投影与通孔中心的投影相重合；

第十一步，去除所述第九步制备的正面与背面刻蚀保护层后干燥，干燥后采用氢氟酸溶液或氢氟酸气雾去除第二步生成的硅加热元件表面的氧化硅；

第十二步，对硅加热元件外表面露出的硅进行氧化，形成厚度均匀的薄层氧化硅，其厚度为十数nm至100nm，作为钝化保护层；

第十三步，沿划线槽划片，切断部分划片槽内的金属连接线与电引出焊盘Pad金属的连接，裂片后得到多个基于湿法双向刻蚀硅的MEMS甲烷传感器；

或制备方法(二)的步骤为：

第一步，在晶向的P型硅衬底的正面经掺杂或扩散制备N型硅，N型硅厚度为3um至30um；

第二步，热氧化生成氧化硅层，厚度0.5um至1um；

第三步，在P型硅衬底的正面制备光刻胶，光刻后形成硅加热元件、硅加热元件的固定端周围设置的隔离沟槽及正面刻蚀窗口的图形，并采用反应离子刻蚀方法干法刻蚀所露出的氧化硅层及其下面的N型硅，刻蚀深度大于N型硅与第二步生成的氧化硅层厚度之和，去除光刻胶；

第四步，在P型硅衬底的正面通过溅射、淀积或蒸发的方法形成金属层，所述金属层的材料为铝，厚度1至2um，金属层退火，从而形成与N型硅之间的欧姆接触；在P型硅衬底的背面溅射或淀积或蒸发形成金属层，金属层的材料为铝；

第五步，图形化金属层，露出第三步所形成的正面刻蚀窗口图形内的氧化硅层及其下面的N型硅，采用反应离子刻蚀方法干法刻蚀所述露出的硅，刻蚀深度30um，形成正面湿法刻蚀所需的正面刻蚀窗口；

第六步，在P型硅衬底的背面进行与正面刻蚀窗口对准的光刻，形成背面刻蚀窗口的图形；所形成的背面刻蚀窗口图形与正面刻蚀窗口图形均小于单独进行正面湿法刻蚀刻穿硅片所需的正面刻蚀窗口图形，所形成的背面刻蚀窗口图形与正面刻蚀窗口图形的中心重叠，且各边方向相同，所形成的背面刻蚀窗口图形小于正面刻蚀窗口图形，刻蚀窗口大小应保证能刻穿硅片形成通孔，通孔外形尺寸远大于硅加热器的外形尺寸，且硅加热元件的硅加热器位于两个刻蚀窗口的中心位置；采用反应离子刻蚀方法干法刻蚀露出的背面刻蚀窗口图形内的氧化硅层及其下面的N型硅，刻蚀深度10um至30um，形成湿法刻蚀所需的背面刻蚀窗口；

第七步，将上述制备好的硅片置于四甲基氢氧化铵溶液中对P型硅采用PN结自停止方法在硅片的正面与背面同时进行硅湿法刻蚀以释放硅加热元件；刻蚀时通过正面的金属给N型硅施加高于PN结自停止刻蚀钝化电势的正电压，以使P型硅衬底与N型硅层所形成的PN结处于反偏状态，硅加热元件的N型硅在PN结自停止保护作用下不被腐蚀，刻蚀完成后不仅释放出硅加热元件，背面刻蚀窗口与正面刻蚀窗口形成通孔，所述硅加热元件的硅加热器中心的投影与通孔中心的投影相重合；

第八步，在硅加热元件的固定端上制备光刻胶，烘干光刻胶，去掉除固定端金属层外的残余金属；

第九步，采用氢氟酸溶液或氢氟酸气雾去除硅加热元件表面的氧化硅；去除掉第八步形成的光刻胶；

第十步，氧化露出的硅，形成厚度均匀的薄层氧化硅，其厚度为十数nm至100nm，作为钝化保护层；

第十一步，划片、裂片，得到所述的基于湿法双向刻蚀硅的MEMS甲烷传感器。

有益效果：本发明的湿法双向刻蚀硅的MEMS甲烷传感器以硅为加热材料，不使用金属；本发明的硅加热器使用普通的硅圆片进行加工且远离硅衬底；采用了湿法双向同时刻蚀硅的技术。由于采用了上述方案，具有以下有效效果：

1、本发明的MEMS甲烷传感器以硅加热元件为加热元件和检测元件，而不使用催化剂，便可实现对低浓度甲烷气体的高灵敏度的检测；本发明的MEMS甲烷传感器的硅加热器采用多个硅加热条的并联结构，具有较大的与空气接触的高温表面积，有助于灵敏度的提高，灵敏度可达10mV/CH₄％，这样的灵敏度可以直接推动仪表，达到了国家标准的要求；

2、不同于催化燃烧式甲烷传感器需要氧气参与催化燃式反应，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；

3、本发明的MEMS甲烷传感器不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、激活等问题；

4、本发明的MEMS甲烷传感器的硅加热器悬在空气中且远离硅衬底，距离大于300um以上，可较低的功率即可将硅加热器加热到500℃以上的高温，很好的降低了通过硅片损失的热量，因此具有功耗低的优势，单个硅加热元件工作时的功耗约80～90mW；

5、本发明的MEMS甲烷传感器的硅加热元件以硅为加热材料，原料成本大幅降低；加工工艺简单，可与CMOS工艺兼容、易于批量化生产；本发明采用湿法硅刻蚀工艺，使用低廉的化学溶液即可完成本发明器件的释放，与干法刻蚀相比，不需使用昂贵的干法刻蚀设备及加工费用，因此加工成本更低；并且本发明的硅加热元件采用湿法硅刻蚀从正面和背面双向同时刻蚀硅的方法加以释放，能节省约一半的刻蚀时间，提高约1倍的刻蚀加工效率；上述的综合方案极大的节约了成本，具有良好的效益；

6、本发明的MEMS甲烷传感器的硅加热元件采用性能稳定的单晶硅加工得到，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；这是因为单晶硅不存在铂、钨等金属加热材料在500摄氏度以上的高温容易挥发、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，在本发明的硅加热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；

7、本发明的甲烷传感器采用MEMS工艺加工，尺寸小、不但使传感器功耗低，并且响应速度快，可达40ms左右；

8、本发明的甲烷传感器可采用CMOS工艺批量生产，可具有良好的一致性，因此还可批量校准，因此能进一步提高传感器性能并降低传感器校准环节的成本；

优点：本发明提供的基于湿法双向刻蚀硅的MEMS甲烷传感器其制备方法可与CMOS工艺兼容；容易批量生产与校准；可降低成本、具有良好的一致性；并且，本发明的甲烷传感器尺寸小、响应速度快、传感器功耗低、灵敏度高、输出信号线性度好；传感器性能不受催化剂影响，对传感器的性能进行综合优化及补偿时不必考虑催化剂的复杂影响、简单易行，对低浓度甲烷具有高灵敏度的检测能力。

附图说明

图1为本发明的MEMS甲烷传感器的俯视示意图。

图2为本发明的MEMS甲烷传感器在完成刻蚀窗口图形的制备后在硅圆片上的俯视示意图。

图3为本发明的图1中的A-A截面剖视图。

图4为本发明的MEMS甲烷传感器的硅加热元件的硅加热器的结构示意图。

图5为制备本发明的基于湿法双向刻蚀硅的MEMS甲烷传感器时电引出焊盘Pad金属、金属连接线与部分划片槽在硅圆片上的示意图。

图6为本发明的基于湿法双向刻蚀硅的MEMS甲烷传感器的硅加热元件的电流-电阻特性曲线。

图中：01-P型硅衬底，02-N型硅，101-硅加热元件，1011-硅加热器，1012-硅悬臂，1013-硅加热条，102-固定端，103-隔离沟槽，20-氧化硅层，21-电引出焊盘Pad金属，22-钝化保护层，31-金属连接线，32-金属连接端，40-划片槽。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步的描述：

如图1、图2、图3所示，本发明的MEMS甲烷传感器包括P型硅衬底01，P型硅衬底01上设有N型硅02；以所述P型硅衬底01上的N型硅02加工制备硅加热元件101；所述硅加热元件101包括两个固定端102、硅加热器1011、两个硅悬臂1012；硅悬臂1012长度至少300um；硅悬臂1012的一端与硅加热器1011相连，另一端与一个固定端102相连，为硅加热器1011提供电连接；所述两个硅悬臂1012平行并排设置、与硅加热器1011整体构成U形悬臂结构，将硅加热器1011悬于空气中；所述硅加热元件101的硅加热器1011及硅悬臂1012外表面设有钝化保护层22；所述固定端102设在P型硅衬底01上，包括N型硅02、N型硅02上的氧化硅层20及用作电引出焊盘Pad金属21，所述电引出焊盘Pad金属21设在N型硅02之上的氧化硅层20上，且电引出焊盘Pad金属21通过氧化硅层20的窗口与其下面的N型硅02直接接触构成欧姆接触，电引出焊盘Pad金属21与其下的N型硅层02接触部分没有氧化硅层20。

在所述硅加热元件101及其固定端102周围设置有去除掉N型硅的隔离沟槽103，所述隔离沟槽103使所述硅加热元件101及其固定端102的N型硅与P型硅衬底01上的其余N型硅之间为高阻状态，设在P型硅衬底01上的硅加热元件101的两个固定端102之间除了由硅悬臂1012和硅加热器1011构成的电通路之外无其它电路通路。

图4是本发明的基于湿法双向刻蚀硅的MEMS甲烷传感器的硅加热元件的硅加热器1011的结构示意图；如图4所示的硅加热器1011的结构为多个硅加热条1013的并联，用以增加与空气接触的高温表面积。

图6是本发明的基于湿法双向刻蚀硅的MEMS甲烷传感器的硅加热元件的电流-电阻特性曲线。

一种甲烷检测应用，使用两个甲烷检测传感器，其中一个与环境空气接触，另一个进行气密性封装，保持与环境空气为隔绝密封；所使用的两个基于湿法双向刻蚀硅的MEMS甲烷传感器构成惠斯通电桥检测桥臂；在基于湿法双向刻蚀硅的MEMS甲烷传感器的两个固定端102上施加电压或通以电流使硅加热元件101的工作点位于其电流-电阻特性曲线中转折点左侧的工作点区域、加热元件101的硅加热器1011发热，其特征在于电加热温度在500摄氏度以上；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；当有甲烷气体出现时，与环境空气接触的硅加热器1011的温度降低，使包括有该硅加热器1011的硅加热元件101的电阻发生显著变化，通过所述基于湿法双向刻蚀硅的MEMS甲烷传感器构成的惠斯通电桥实现低浓度甲烷气体的检测。两个硅加热元件的功耗在180mW左右，输出信号在10mv左右/CH₄％。

MEMS甲烷传感器的制备方法包括两种制备方法；

制备方法一的步骤为：

第一步，在100晶向的P型硅衬底01的正面经掺杂或扩散制备N型硅02，N型硅02厚度为3um至30um；

第二步，热氧化生成氧化硅层20，厚度0.5um至1um；

第三步，在P型硅衬底01的正面制备光刻胶，光刻后形成硅加热元件101、硅加热元件的固定端周围设置的隔离沟槽103及正面刻蚀窗口104的图形，并采用反应离子刻蚀方法干法刻蚀所露出的氧化硅层20及其下面的N型硅02，刻蚀深度大于N型硅02与第二步生成的氧化硅层20厚度之和，去除光刻胶；

第四步，在P型硅衬底01的正面光刻第二步生成的氧化硅层20，形成金属接触孔；

第五步，在P型硅衬底01的正面溅射或淀积或蒸发形成金属层，金属层的材料可以是金或铝，并退火，使金属层与P型硅衬底01上的露出的N型硅02形成欧姆接触；

第六步，根据需要在金属层上光刻，刻蚀金属层后形成电引出焊盘Pad金属21、金属连接线31及总金属连接端32，所形成的每个硅加热元件101的电引出焊盘Pad金属21与金属连接线31均通过金属层相连通，金属连接线31与总金属连接端32通过金属层相连通；所述总金属连接端32设在P型硅衬底的边缘，当在总金属连接端32施加电势时，整个硅圆片上的所有硅加热元件101的N型硅形成良好电连接并具有与总金属连接端32相同的电势，所述金属连接线31外设有划片槽40；

如图5所示，制备MEMS甲烷传感器时，电引出焊盘Pad金属、金属连接线与部分划片槽在硅圆片上的示意图。第六步所述的在硅圆片上的金属连接线31、部分划片槽40、总金属连接端32以及电引出焊盘Pad金属21；

第七步，在P型硅衬底01的正面制备光刻胶，对P型硅衬底01光刻后形成正面刻蚀窗口104图形，采用反应离子刻蚀方法干法刻蚀所形成的正面刻蚀窗口104图形所露出的P型硅，刻蚀深度大于20um，形成湿法硅刻蚀的正面刻蚀窗口104，去除光刻胶；

第八步，在P型硅衬底01的背面进行与正面刻蚀窗口104对准的光刻，形成背面刻蚀窗口105的图形；所形成的背面刻蚀窗口105图形与正面刻蚀窗口104图形都可小于单独进行正面湿法刻蚀刻穿硅片所需的正面刻蚀104窗口图形，所形成的背面刻蚀窗口105图形与正面刻蚀窗口104图形的中心重叠，且各边方向相同，所形成的背面刻蚀窗口105图形小于正面刻蚀窗口104图形，刻蚀窗口大小应保证能刻穿硅片形成通孔，通孔尺寸远大于硅加热器1011的外形尺寸，且硅加热元件101的硅加热器1011位于正面刻蚀窗口104和背面刻蚀窗口105的中心位置；采用反应离子刻蚀方法干法刻蚀露出的背面刻蚀窗口105图形内的氧化硅层及其下面的硅，刻蚀深度10um至30um，形成湿法刻蚀所需的背面刻蚀窗口105；

第九步，在P型硅衬底01的正面与背面分别制备刻蚀保护层并图形化，露出第八步制备好的背面刻蚀窗口105、第七步所形成的正面刻蚀窗口104以及连接所有硅加热元件101固定端102金属的总金属连接端32；

第十步，将上述制备好的硅片置于四甲基氢氧化铵溶液或氢氧化钾溶液中对P型硅采用PN结自停止方法在硅片的正面与背面同时进行硅湿法刻蚀；刻蚀时通过硅圆片上的总金属连接端32给P型硅衬底01上的N型硅02施加正电压，所述正电压高于PN结自停止刻蚀的钝化电势，以使P型硅衬底01与N型硅02所形成的PN结处于反偏状态；在PN结自停止刻蚀的作用下，硅加热元件101的N型硅02不被刻蚀；刻蚀完成后不仅释放出硅加热元件101，正面与背面的刻蚀窗口内还形成通孔，所述硅加热元件101的硅加热器1011的投影与通孔中心的投影相重合；

第十一步，去除所述第九步制备的正面与背面刻蚀保护层后干燥，干燥后采用氢氟酸溶液或氢氟酸气雾去除第二步生成的硅加热元件101表面的氧化硅；

第十二步，对硅加热元件101外表面露出的硅进行氧化，形成厚度均匀的薄层氧化硅，其厚度为十数nm至100nm，作为钝化保护层22；

第十三步，沿划线槽划片，切断如图5中所示的部分划片槽40内的金属连接线31与电引出焊盘Pad金属21的连接，裂片后得到数量众多的本发明所述的基于湿法双向刻蚀硅的MEMS甲烷传感器。

制备方法二的步骤为：

第一步，在100晶向的P型硅衬底01的正面经掺杂或扩散制备N型硅02，N型硅02厚度为3um至30um；

第二步，热氧化生成氧化硅层20，厚度0.5um至1um；

第三步，在P型硅衬底01的正面制备光刻胶，光刻后形成硅加热元件101、硅加热元件的固定端周围设置的隔离沟槽103及正面刻蚀窗口104的图形，并采用反应离子刻蚀方法干法刻蚀所露出的氧化硅层20及其下面的N型硅02，刻蚀深度大于N型硅02与第二步生成的氧化硅层20厚度之和，去除光刻胶；

第四步，在P型硅衬底01的正面通过溅射、淀积或蒸发的方法形成金属层，所述金属层的材料为铝，厚度1至2um，金属层退火，从而形成21与N型硅02之间的欧姆接触；在P型硅衬底的背面溅射或淀积或蒸发形成金属层，金属层的材料为铝；

第五步，图形化金属层，露出第三步所形成的正面刻蚀窗口104图形内的氧化硅层20及其下面的N型硅02，采用反应离子刻蚀方法干法刻蚀所述露出的硅，刻蚀深度30um，形成正面湿法刻蚀所需的正面刻蚀窗口104；

第六步，在P型硅衬底01的背面进行与正面刻蚀窗口104对准的光刻，形成背面刻蚀窗口105的图形；所形成的背面刻蚀窗口105图形与正面刻蚀窗口104图形均小于单独进行正面湿法刻蚀刻穿硅片所需的正面刻蚀窗口104图形，所形成的背面刻蚀窗口105图形与正面刻蚀窗口104图形的中心重叠，且各边方向相同，所形成的背面刻蚀窗口105图形小于正面刻蚀窗口104图形，刻蚀窗口大小应保证能刻穿硅片形成通孔，通孔外形尺寸远大于硅加热器1011的外形尺寸，且硅加热元件101的硅加热器1011位于两个刻蚀窗口的中心位置；采用反应离子刻蚀方法干法刻蚀露出的背面刻蚀窗口105图形内的氧化硅层20及其下面的N型硅02，刻蚀深度10um至30um，形成湿法刻蚀所需的背面刻蚀窗口105；

第七步，将上述制备好的硅片置于四甲基氢氧化铵溶液中对P型硅采用PN结自停止方法在硅片的正面与背面同时进行硅湿法刻蚀以释放硅加热元件；刻蚀时通过正面的金属给N型硅02施加高于PN结自停止刻蚀钝化电势的正电压，以使P型硅衬底与N型硅层所形成的PN结处于反偏状态，硅加热元件101的N型硅02在PN结自停止保护作用下不被腐蚀，刻蚀完成后不仅释放出硅加热元件101，背面刻蚀窗口105与正面刻蚀窗口104形成通孔，所述硅加热元件101的硅加热器1011中心的投影与通孔中心的投影相重合；

第八步，在硅加热元件101的固定端102上制备光刻胶，烘干光刻胶，去掉除固定端102金属层外的残余金属；

第九步，采用氢氟酸溶液或氢氟酸气雾去除硅加热元件101表面的氧化硅23；去除掉第八步形成的光刻胶；

第十步，氧化露出的硅，形成厚度均匀的薄层氧化硅，其厚度为十数nm至100nm，作为钝化保护层22；

第十一步，划片、裂片，得到所述的基于湿法双向刻蚀硅的MEMS甲烷传感器。

Claims (2)

1.一种传感器的甲烷检测应用，使用MEMS甲烷传感器，包括P型硅衬底（01），P型硅衬底（01）上设有N型硅（02）；以所述P型硅衬底（01）上的N型硅（02）加工制备硅加热元件（101）；所述硅加热元件（101）包括两个固定端（102）、硅加热器（1011）、两个硅悬臂（1012）；硅悬臂（1012）长度至少300um；硅悬臂（1012）的一端与硅加热器（1011）相连，另一端与一个固定端（102）相连，为硅加热器（1011）提供电连接；所述两个硅悬臂（1012）平行并排设置、与硅加热器（1011）整体构成U形悬臂结构，将硅加热器（1011）悬于空气中；所述硅加热元件（101）的硅加热器（1011）及硅悬臂（1012）外表面设有钝化保护层（22）； 所述固定端（102）设在P型硅衬底（01）上，包括N型硅（02）、N型硅（02）上的氧化硅层（20）及用作电引出焊盘Pad金属（21），所述电引出焊盘Pad金属（21）设在N型硅（02）之上的氧化硅层（20）上，且电引出焊盘Pad金属（21）通过氧化硅层（20）的窗口与其下面的N型硅（02）直接接触构成欧姆接触，电引出焊盘Pad金属（21）与其下的N型硅（02）接触部分没有氧化硅层（20）；

在所述硅加热元件（101）及其固定端（102）周围设置有去除掉N型硅的隔离沟槽（103），所述隔离沟槽（103）使所述硅加热元件（101）及其固定端（102）的N型硅与P型硅衬底（01）上的其余N型硅之间为高阻状态，设在P型硅衬底（01）上的硅加热元件（101）的两个固定端（102）之间除了由硅悬臂（1012）和硅加热器（1011）构成的电通路之外无其它电路通路；

其特征在于：使用两个MEMS甲烷传感器，其中一个与环境空气接触，另一个进行气密性封装、封装内的空气保持与环境空气为隔绝密封；所使用的两个MEMS甲烷传感器构成惠斯通电桥检测桥臂；在MEMS甲烷传感器的两个固定端（102）上施加电压或通以电流使硅加热元件（101）的工作点位于其电流-电阻特性曲线中转折点左侧的工作点区域、硅加热元件（101）的硅加热器（1011）发热，电加热温度在500摄氏度以上；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；当有甲烷气体出现时，与环境空气接触的硅加热器（1011）的温度降低，使包括有该硅加热器（1011）的硅加热元件（101）的电阻发生显著变化，通过所述MEMS甲烷传感器构成的惠斯通电桥实现低浓度甲烷气体的检测。

2.一种甲烷传感器的MEMS甲烷传感器制备方法，使用MEMS甲烷传感器，包括P型硅衬底（01），P型硅衬底（01）上设有N型硅（02）；以所述P型硅衬底（01）上的N型硅（02）加工制备硅加热元件（101）；所述硅加热元件（101）包括两个固定端（102）、硅加热器（1011）、两个硅悬臂（1012）；硅悬臂（1012）长度至少300um；硅悬臂（1012）的一端与硅加热器（1011）相连，另一端与一个固定端（102）相连，为硅加热器（1011）提供电连接；所述两个硅悬臂（1012）平行并排设置、与硅加热器（1011）整体构成U形悬臂结构，将硅加热器（1011）悬于空气中；所述硅加热元件（101）的硅加热器（1011）及硅悬臂（1012）外表面设有钝化保护层（22）； 所述固定端（102）设在P型硅衬底（01）上，包括N型硅（02）、N型硅（02）上的氧化硅层（20）及用作电引出焊盘Pad金属（21），所述电引出焊盘Pad金属（21）设在N型硅（02）之上的氧化硅层（20）上，且电引出焊盘Pad金属（21）通过氧化硅层（20）的窗口与其下面的N型硅（02）直接接触构成欧姆接触，电引出焊盘Pad金属（21）与其下的N型硅（02）接触部分没有氧化硅层（20）；

在所述硅加热元件（101）及其固定端（102）周围设置有去除掉N型硅的隔离沟槽（103），所述隔离沟槽（103）使所述硅加热元件（101）及其固定端（102）的N型硅与P型硅衬底（01）上的其余N型硅之间为高阻状态，设在P型硅衬底（01）上的硅加热元件（101）的两个固定端（102）之间除了由硅悬臂（1012）和硅加热器（1011）构成的电通路之外无其它电路通路；其特征在于：包括两种制备方法；

制备方法（一）的步骤为：

第一步，在（100）晶向的P型硅衬底（01）的正面经掺杂或扩散制备N型硅（02），N型硅（02）厚度为3um至30um；

第二步，热氧化生成氧化硅层（20），厚度0.5um至1um；

第三步，在P型硅衬底（01）的正面制备光刻胶，光刻后形成硅加热元件（101）、硅加热元件的固定端周围设置的隔离沟槽（103）及正面刻蚀窗口（104）的图形，并采用反应离子刻蚀方法干法刻蚀所露出的氧化硅层（20）及其下面的N型硅（02），刻蚀深度大于N型硅（02）与第二步生成的氧化硅层（20）厚度之和，去除光刻胶；

第四步，在P型硅衬底（01）的正面光刻第二步生成的氧化硅层（20），形成金属接触孔；

第五步，在P型硅衬底（01）的正面溅射或淀积或蒸发形成金属层，金属层的材料是金或铝，并退火，使金属层与P型硅衬底（01）上的露出的N型硅（02）形成欧姆接触；

第六步，根据需要在金属层上光刻，刻蚀金属层后形成电引出焊盘Pad金属（21）、金属连接线（31）及总金属连接端（32），所形成的每个硅加热元件（101）的电引出焊盘Pad金属（21）与金属连接线(31)均通过金属层相连通，金属连接线(31)与总金属连接端(32) 通过金属层相连通；所述总金属连接端(32)设在P型硅衬底的边缘，当在总金属连接端(32)施加电势时，整个硅圆片上的所有硅加热元件（101）的N型硅形成良好电连接并具有与总金属连接端(32)相同的电势，所述金属连接线(31)外设有划片槽(40)；

第七步，在P型硅衬底（01）的正面制备光刻胶，对P型硅衬底（01）光刻后形成正面刻蚀窗口（104）图形，采用反应离子刻蚀方法干法刻蚀所形成的正面刻蚀窗口（104）图形所露出的P型硅，刻蚀深度大于20um，形成湿法硅刻蚀的正面刻蚀窗口（104），去除光刻胶；

第八步，在P型硅衬底（01）的背面进行与正面刻蚀窗口（104）对准的光刻，形成背面刻蚀窗口（105）的图形；所形成的背面刻蚀窗口（105）图形与正面刻蚀窗口（104）图形都小于单独进行正面湿法刻蚀刻穿硅片所需的正面刻蚀（104）窗口图形，所形成的背面刻蚀窗口（105）图形与正面刻蚀窗口（104）图形的中心重叠，且各边方向相同，所形成的背面刻蚀窗口（105）图形小于正面刻蚀窗口（104）图形，刻蚀窗口大小应保证能刻穿硅片形成通孔，通孔尺寸远大于硅加热器（1011）的外形尺寸，且硅加热元件（101）的硅加热器（1011）位于正面刻蚀窗口（104）和背面刻蚀窗口（105）的中心位置；采用反应离子刻蚀方法干法刻蚀露出的背面刻蚀窗口（105）图形内的氧化硅层及其下面的硅，刻蚀深度10um至30um，形成湿法刻蚀所需的背面刻蚀窗口（105）；

第九步，在P型硅衬底（01）的正面与背面分别制备刻蚀保护层并图形化，露出第八步制备好的背面刻蚀窗口（105）、第七步所形成的正面刻蚀窗口（104）以及连接所有硅加热元件（101）固定端（102）金属的总金属连接端（32）；

第十步，将上述制备好的硅片置于四甲基氢氧化铵溶液或氢氧化钾溶液中对P型硅采用PN结自停止方法在硅片的正面与背面同时进行硅湿法刻蚀；刻蚀时通过硅圆片上的总金属连接端（32）给P型硅衬底（01）上的N型硅（02）施加正电压，所述正电压高于PN结自停止刻蚀的钝化电势，以使P型硅衬底（01）与N型硅（02）所形成的PN结处于反偏状态；在PN结自停止刻蚀的作用下，硅加热元件（101）的N型硅（02）不被刻蚀；刻蚀完成后不仅释放出硅加热元件（101），正面与背面的刻蚀窗口内还形成通孔，所述硅加热元件（101）的硅加热器（1011）的中心投影与通孔中心的投影相重合；

第十一步，去除所述第九步制备的正面与背面刻蚀保护层后干燥，干燥后采用氢氟酸溶液或氢氟酸气雾去除第二步生成的硅加热元件（101）表面的氧化硅；

第十二步，对硅加热元件（101）外表面露出的硅进行氧化，形成厚度均匀的薄层氧化硅，其厚度为十数nm至100nm，作为钝化保护层（22）；

第十三步，沿划片槽（40）划片，切断部分划片槽（40）内的金属连接线（31）与电引出焊盘Pad金属（21）的连接，裂片后得到多个MEMS甲烷传感器；

或制备方法（二）的步骤为：

第一步，在（100）晶向的P型硅衬底（01）的正面经掺杂或扩散制备N型硅（02），N型硅（02）厚度为3um至30um；

第二步，热氧化生成氧化硅层（20），厚度0.5um至1um；

第三步，在P型硅衬底（01）的正面制备光刻胶，光刻后形成硅加热元件（101）、硅加热元件的固定端周围设置的隔离沟槽（103）及正面刻蚀窗口（104）的图形，并采用反应离子刻蚀方法干法刻蚀所露出的氧化硅层（20）及其下面的N型硅（02），刻蚀深度大于N型硅（02）与第二步生成的氧化硅层（20）厚度之和，去除光刻胶；

第四步，在P型硅衬底（01）的正面通过溅射、淀积或蒸发的方法形成金属层，所述金属层的材料为铝，厚度1至2um，金属层退火，从而形成电引出焊盘Pad金属（21）与N型硅（02）之间的欧姆接触；在P型硅衬底的背面溅射或淀积或蒸发形成金属层，金属层的材料为铝；

第五步，图形化金属层，露出第三步所形成的正面刻蚀窗口（104）图形内的氧化硅层（20）及其下面的N型硅（02），采用反应离子刻蚀方法干法刻蚀所述露出的硅，刻蚀深度30um，形成正面湿法刻蚀所需的正面刻蚀窗口（104）；

第六步，在P型硅衬底（01）的背面进行与正面刻蚀窗口（104）对准的光刻，形成背面刻蚀窗口（105）的图形；所形成的背面刻蚀窗口（105）图形与正面刻蚀窗口（104）图形均小于单独进行正面湿法刻蚀刻穿硅片所需的正面刻蚀窗口（104）图形，所形成的背面刻蚀窗口（105）图形与正面刻蚀窗口（104）图形的中心重叠，且各边方向相同，所形成的背面刻蚀窗口（105）图形小于正面刻蚀窗口（104）图形，刻蚀窗口大小应保证能刻穿硅片形成通孔，通孔外形尺寸远大于硅加热器（1011）的外形尺寸，且硅加热元件（101）的硅加热器（1011）位于两个刻蚀窗口的中心位置；采用反应离子刻蚀方法干法刻蚀露出的背面刻蚀窗口（105）图形内的氧化硅层（20）及其下面的N型硅（02），刻蚀深度10um至30um，形成湿法刻蚀所需的背面刻蚀窗口（105）；

第七步，将上述制备好的硅片置于四甲基氢氧化铵溶液中对P型硅采用PN结自停止方法在硅片的正面与背面同时进行硅湿法刻蚀以释放硅加热元件；刻蚀时通过正面的金属给N型硅（02）施加高于PN结自停止刻蚀钝化电势的正电压，以使P型硅衬底与N型硅层所形成的PN结处于反偏状态，硅加热元件（101）的N型硅（02）在PN结自停止保护作用下不被腐蚀，刻蚀完成后不仅释放出硅加热元件（101），背面刻蚀窗口（105）与正面刻蚀窗口（104）形成通孔，所述硅加热元件（101）的硅加热器（1011）中心的投影与通孔中心的投影相重合；

第八步，在硅加热元件（101）的固定端（102）上制备光刻胶，烘干光刻胶，去掉除固定端（102）金属层外的残余金属；

第九步，采用氢氟酸溶液或氢氟酸气雾去除硅加热元件（101）表面的氧化硅（23）；去除掉第八步形成的光刻胶；

第十步，氧化露出的硅，形成厚度均匀的薄层氧化硅，其厚度为十数nm至100nm，作为钝化保护层（22）；

第十一步，划片、裂片，得到所述的MEMS甲烷传感器。