CN106053541A - 一种环形加热器的Al2O3‑AlN陶瓷微热板气体传感器 - Google Patents

一种环形加热器的Al2O3‑AlN陶瓷微热板气体传感器 Download PDF

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Abstract

一种环形加热器的Al2O3‑AlN陶瓷微热板气体传感器，包括：衬底、导热介质层、加热器电极、信号电极、焊盘、热隔离通孔、敏感膜。传感器中心加热区采用环形加热器设计，环形加热器周围采用环形热隔离通孔设计，从而减小热传导损耗。传感器衬底采用Al2O3陶瓷基片，通过磁控溅射在Al2O3陶瓷基片表面形成AlN导热介质膜，在AlN介质膜上通过柔性机械光刻剥离工艺实现Pt膜加热电极和信号电极制备，通过激光微加工工艺实现热隔离通孔的刻蚀。本发明通过环形加热器和半环形热隔离通孔设计，解决了微热板气体传感器热损耗高问题。同时，通过高热导率AlN导热介质膜设计，降低了微热板加热区热梯度效应，提高热平衡响应速率。本发明传感器可兼容多种半导体敏感膜，实现多种有毒有害气体检测功能，对现代传感器智能终端微型化、低功耗、智能化发展具有重要意义。

Description

一种环形加热器的Al2O3-AlN陶瓷微热板气体传感器
技术领域
本发明涉及一种环形加热器的Al2O3-AlN陶瓷微热板气体传感器。
背景技术
目前，现有的硅衬底结构微热板气体传感器具有工艺程序复杂、敏感膜兼容性差和高温热稳定性不理想等缺点，制约了微结构气体传感器的发展和应用。
发明内容
为了克服现有微热板传感器膜兼容性和热稳定性不足，本发明提供一种环形加热器的Al2O3-AlN陶瓷微热式气体传感器。该传感器结构设计包括：衬底1、导热介质层2、加热器电极3、信号电极4、焊盘5、热隔离通孔6、敏感膜7。传感器衬底1表面形成导热介质层2；传感器的中心加热器电极3为环形结构；在加热器电极3内部是信号电极4，信号电极4为梳状对称结构；加热器电极3外围是热隔离通孔6，热隔离通孔6为半环状结构。传感器四个角为焊盘5，分别与加热器电极3和信号电极4连接；敏感膜7在传感器中心的信号电极4之间。
所述衬底1为Al2O3陶瓷基片。
所述导热介质层2为AlN陶瓷薄膜。
所述加热器电极3为Pt膜。
所述信号电极4为Pt膜。
所述焊盘5为Pt膜。
所述敏感膜7为半导体氧化物敏感材料，敏感材料成分根据检测目标气体类型而定。
本发明所采用的工艺制备方法是：一、清洗Al2O3陶瓷基片；二、利用磁控溅射工艺，在Al2O3陶瓷基片表面镀一层AlN陶瓷薄膜；三、在镀有AlN陶瓷薄膜的Al2O3陶瓷基片表面通过柔性机械光刻剥离工艺制备Pt膜加热器电极、信号电极及与其相连焊盘；四、通过激光刻蚀工艺在加热器电极外围刻蚀热隔离通孔；五、利用半导体敏感材料成膜技术在信号电极中心形成敏感膜。
所述的Al2O3陶瓷基片厚度0.2mm。
所述的AlN陶瓷薄膜厚度为10μm。
所述的Pt膜厚度为500nm。
所述的热隔离通孔的孔深0.210μm。
所述的加热电极3与信号电极4和焊盘5厚度一致。
具体实施工艺步骤
步骤一：选用Al2O3陶瓷基片为衬底，将Al2O3陶瓷基片浸入在丙酮溶液中，并采用在50kHz频率的超声波对其进行清洗10～15min后，取出Al2O3陶瓷基片再浸入酒精溶液中，在30kHz频率下进行超声波清洗10～15min，再取出Al2O3陶瓷基片在120℃干燥箱中进行烘干，获得烘干后的Al2O3陶瓷基片；
步骤二：利用步骤一中烘干后的Al2O3陶瓷基片，放入磁控溅射镀膜机中，在真空条件下通入一定比例氩气和氮气，进行磁控溅射镀膜，获得镀有氮化铝（AlN）薄膜的Al2O3陶瓷基片衬底；
步骤三：对步骤二中获得镀有氮化铝薄膜的Al2O3陶瓷基片，进行正性光刻胶匀胶工艺，并在100-120℃进行10-15min烘烤处理，在镀有氮化铝薄膜的Al2O3陶瓷基片上形成一层光刻胶；
步骤四：对步骤三中涂有光刻胶的Al2O3陶瓷基片，以带有传感器图形的掩模版为制版模具对涂有光刻胶的Al2O3陶瓷基片进行光刻，并放入正性胶显影液中显影，直至图案清晰，取出并用去离子水冲洗掉显影液，放入90℃干燥箱中烘烤10-15min，获得带有光刻胶传感器图案的Al2O3陶瓷基片；
步骤五：将步骤四中带有光刻胶传感器图案的Al2O3陶瓷基片放入磁控溅射镀膜机中，用铂金靶材作为溅射靶材，进行磁控溅射镀膜，形成带有铂膜的Al2O3陶瓷基片；
步骤六：将步骤五中带有铂膜的Al2O3陶瓷基片放入丙酮溶液中浸泡，溶解光刻胶，同时对带有铂膜的Al2O3陶瓷基片在30kHz频率下进行超声30s处理加速溶解光刻胶,取出后采用柔性机械光刻剥离法剥离掉不需要的铂金属膜，获得Al2O3陶瓷基片上与掩膜版图案相反的铂金属传感器电极结构；
步骤七：将步骤六中带有铂膜传感器电极结构的Al2O3陶瓷基片，利用激光划片机在Al2O3陶瓷基片铂膜加热器电极外围进行激光刻蚀，刻蚀形成两个环状热隔离通孔；
步骤八：将步骤七中带有刻蚀热隔离通孔的Al2O3陶瓷基片放入800℃高温炉中退火处理2h,获得热隔离结构和环形加热器的Al2O3-AlN陶瓷微热板气体传感器芯片；
步骤九：将步骤八中Al2O3-AlN陶瓷微热板气体传感器芯片，通过半导体敏感材料成膜工艺，在芯片中心的梳状信号电极间形成敏感膜，获得一种环形加热器的Al2O3-AlN陶瓷微热板气体传感器。
附图说明
图1是本发明一种环形加热器的Al2O3-AlN陶瓷微热板气体传感器的平面结构图。
图2是图1中A-B两点截面结构图。
图3是图1中加热器电极结构图。
图4是图1中信号电极结构图。
图1和图2中，1- 衬底，2- 导热介质层，3-加热器电极，4-信号电极，5-焊盘，6-热隔离通孔，7- 敏感膜。
具体实施方式
具体实施方式一、结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述一种环形加热器的Al2O3-AlN陶瓷微热板气体传感器，该传感器结构包括：衬底1、导热介质层2、加热器电极3、信号电极4、焊盘5、热隔离通孔6、敏感膜7。传感器衬底1表面形成导热介质层2；传感器的中心加热器电极3为环形结构；在加热器电极3内部是信号电极4，信号电极4为梳状对称结构；加热器电极3外围是热隔离通孔6，热隔离通孔6为半环状结构。传感器四个角为焊盘5，分别与加热器电极3和信号电极4连接；敏感膜7在传感器中心的信号电极4之间。
本实施方式中所述热隔离通孔，有效的降低了传感器热传导功耗损失，提高了温度效率。
本实施方式中所述衬底1为Al2O3陶瓷基片。
本实施方式中所述导热介质层2为AlN陶瓷薄膜。
本实施方式中所述加热器电极3、信号电极4、焊盘5均为Pt膜。
本实施方式中所述敏感膜7指半导体敏感材料所成的膜。
具体实施方式二、结合图1、图2、图3和图4说明本实施方式，本实施方式所述一种环形加热器的Al2O3-AlN陶瓷微热板气体传感器，具体实施工艺步骤为：
步骤一：选用Al2O3陶瓷基片为衬底，将Al2O3陶瓷基片浸入在丙酮溶液中，并采用在50kHz频率的超声波对其进行清洗10～15min后，取出Al2O3陶瓷基片再浸入酒精溶液中，在30kHz频率下进行超声波清洗10～15min，再取出Al2O3陶瓷基片在120℃干燥箱中进行烘干，获得烘干后的Al2O3陶瓷基片；
步骤二：利用步骤一中烘干后的Al2O3陶瓷基片，放入磁控溅射镀膜机中，在真空条件下通入一定比例氩气和氮气，进行磁控溅射镀膜，获得镀有氮化铝（AlN）薄膜的Al2O3陶瓷基片衬底；
步骤三：对步骤二中获得镀有氮化铝薄膜的Al2O3陶瓷基片，进行正性光刻胶匀胶工艺，并在100-120℃进行10-15min烘烤处理，在镀有氮化铝薄膜的Al2O3陶瓷基片上形成一层光刻胶；
步骤四：对步骤三中涂有光刻胶的Al2O3陶瓷基片，以带有传感器图形的掩模版为制版模具对涂有光刻胶的Al2O3陶瓷基片进行光刻，并放入正性胶显影液中显影，直至图案清晰，取出并用去离子水冲洗掉显影液，放入90℃干燥箱中烘烤10-15min，获得带有光刻胶传感器图案的Al2O3陶瓷基片；
步骤五：将步骤四中带有光刻胶传感器图案的Al2O3陶瓷基片放入磁控溅射镀膜机中，用铂金（Pt）靶材作为溅射靶材，进行磁控溅射镀膜，形成带有铂膜的Al2O3陶瓷基片；
步骤六：将步骤五中带有铂膜的Al2O3陶瓷基片放入丙酮溶液中浸泡，溶解光刻胶，同时对带有铂膜的Al2O3陶瓷基片在30kHz频率下进行超声30s处理加速溶解光刻胶,取出后采用柔性机械光刻剥离法剥离掉不需要的铂金属膜，获得Al2O3陶瓷基片上与掩膜版图案相反的铂金属传感器电极结构；
步骤七：将步骤六中带有铂膜传感器电极结构的Al2O3陶瓷基片，利用激光划片机在Al2O3陶瓷基片铂膜加热器电极外围进行激光刻蚀，刻蚀形成两个环状热隔离通孔；
步骤八：将步骤七中带有刻蚀热隔离通孔的Al2O3陶瓷基片放入800℃高温炉中退火处理2h,获得热隔离结构和环形加热器的Al2O3-AlN陶瓷微热板气体传感器芯片；
步骤九：将步骤八中Al2O3-AlN陶瓷微热板气体传感器芯片，通过半导体敏感材料成膜工艺，在芯片中心的梳状信号电极间形成敏感膜，获得一种环形加热器的Al2O3-AlN陶瓷微热板气体传感器。
本实施方式中所述步骤一中衬底Al2O3陶瓷基片厚度0.2mm。
本实施方式中所述步骤二中AlN陶瓷薄膜厚度为10μm。
本实施方式中所述步骤五中Pt膜厚度为500nm。
本实施方式中所述步骤七中热隔离通孔的孔深0.210μm。

Claims (6)

1.一种环形加热器的Al2O3-AlN陶瓷微热板气体传感器，其特征在于包括：衬底1、导热介质层2、加热器电极3、信号电极4、焊盘5、热隔离通孔6、敏感膜7；
传感器衬底1表面形成导热介质层2；传感器的中心加热器电极3为环形结构；在加热器电极3内部是信号电极4，信号电极4为梳状对称结构；加热器电极3外围是热隔离通孔6，热隔离通孔6为半环状结构；传感器四个角为焊盘5，分别与加热器电极3和信号电极4连接；敏感膜7在传感器中心的信号电极4之间。
2.根据权利要求1 所述的一种环形加热器的Al2O3-AlN陶瓷微热板气体传感器，其特征在于：所述的导热介质层2材料为磁控溅射镀膜形成氮化铝（AlN）薄层，AlN层在Al2O3衬底表面，厚度远小于Al2O3衬底，目的是提高加热区热响应速率，降低热梯度效应。
3.根据权利要求1所述的一种环形加热器的Al2O3-AlN陶瓷微热板气体传感器，其特征在于：所述的加热器电极3为环形结构，加热器电极材料为铂膜（Pt膜），通过柔性机械光刻剥离工艺实现。
4.根据权利要求1所述的一种环形加热器的Al2O3-AlN陶瓷微热板气体传感器，其特征在于：所述的信号电极4为对称梳状结构，信号电极材料为Pt膜；
信号电极4外部由环状加热器电极3包围，所述信号电极是通过柔性机械光刻剥离工艺实现。
5.根据权利要求1所述的一种环形加热器的Al2O3-AlN陶瓷微热板气体传感器，其特征在于：所述的焊盘5，焊盘表面为矩形，厚度与所连接的加热区电极和信号电极厚度一致，焊盘材料为Pt膜，焊盘作用为焊接引线，便于封装。
6.根据权利要求1所述的一种环形加热器的Al2O3-AlN陶瓷微热板气体传感器，其特征是，所述的热隔离通孔6，热隔离通孔在加热器电极外围，为半环状结构，通过激光刻蚀工艺实现，孔深为Al2O3和AlN层的厚度。
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