CN107064222B - 气体传感器及其加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了气体传感器及其加工方法，本发明制作的气体传感器由于对其悬膜进行镂空操作使得悬膜具有镂空结构，且镂空结构均匀分布在所述悬膜上，可以通过镂空结构有效快速地把该气流排泄掉，有效地减小气流对悬膜的冲击，从而达到保护悬膜的目的。另外，空气的导热系数要远小于现有的SiO2/Si3N4/SiO2三明治结构的悬膜，因此，具有镂空结构的悬膜又可以有效减少热散失。
Description
技术领域
本发明涉及微机电技术领域，尤其涉及一种气体传感器。
背景技术
微机电(MEMS)气体传感器是基于微机电技术和半导体气体敏感原理制作的传感器件。用于检测各种气体，如氢气，氮气，甲烷，一氧化碳，酒精，VOC(挥发性有机物质)等等。微机电气体传感器具有体积小、功耗低的特点，适合大批量生产，能够广泛应用于工业、家居、环境检测和消费电子领域。
目前，气体传感器的构造基于半导体工艺，经过体硅加工和表面微加工后的单晶硅基体经过湿法或干法刻蚀后形成一个很薄的悬膜，该悬膜支撑加热电极和敏感电极。为了减小散热量，这层悬膜通常做的很薄，只有2～3个微米。然而，气体传感器在校准或使用过程中，如果气流过大，悬膜受到气流冲击容易破碎，造成整个传感器失效。
综上所述，有必要对气体传感器的结构进行改进，从而解决现有技术中存在的气体传感器的悬膜容易受到气流冲击而破碎失效的问题。
发明内容
本发明提供一种气体传感器，目的在于有效地减小气流对悬臂膜的冲击，又可以有效防止散热。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种气体传感器，包括：悬膜；所述悬膜具有镂空结构。
可选地，所述镂空结构的数量为两个或两个以上，两个或两个以上的所述镂空结构均匀分布在所述悬膜上。
可选地，所述悬膜的厚度包括1～10μm。
可选地，所述镂空结构的形状包括扇环形或孔形。
可选地，若所述镂空结构的形状为扇环形，则所述扇环形的宽度包括0.1～200μm；若所述镂空结构的形状为孔形，则所述孔形的直径包括0.1～10μm。
可选地，所述的气体传感器还包括：悬臂结构，所述悬臂结构为对所述悬膜镂空后形成的结构。
本发明提供一种气体传感器的加工方法，包括：
在所述气体传感器的悬膜上设计待镂空区域；
对所述待镂空区域进行涂胶、烘烤、曝光显影后，对所述待镂空区域进行等离子体刻蚀；
对等离子体刻蚀后的所述待镂空区域去胶形成所述悬膜的镂空结构。
可选地，在所述气体传感器的悬膜上设计待镂空区域，包括：
在所述气体传感器的悬膜上设计两个或两个以上的待镂空区域，所述两个或两个以上的待镂空区域均匀分布在所述悬膜上。
可选地，所述待镂空区域的形状包括扇环形或孔形，若所述待镂空区域的形状为扇环形，则所述扇环形的宽度包括0.1～200μm；若所述待镂空区域的形状为孔形，则所述孔形的直径包括0.1～10μm。
可选地，所述的方法还包括：对所述悬膜镂空后形成的结构作为所述悬膜的悬臂结构。
本发明制作的气体传感器由于对其悬膜进行镂空操作使得悬膜具有镂空结构，且镂空结构均匀分布在所述悬膜上，可以通过镂空结构有效快速地把该气流排泄掉，有效地减小气流对悬膜的冲击，从而达到保护悬膜的目的。另外，空气的导热系数要远小于现有的SiO2/Si3N4/SiO2三明治结构的悬膜，因此，具有镂空结构的悬膜又可以有效减少热散失。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一实施例提供的气体传感器的截面图；
图2为图1所示实施例提供的气体传感器的俯视图；
图3为本发明另一实施例提供的气体传感器的截面图；
图4为图3所示实施例提供的气体传感器的俯视图；
图5为本发明又一实施例提供的气体传感器的截面图；
图6为图5所示实施例提供的气体传感器的俯视图；
图7为本发明一实施例提供的气体传感器的加工方法流程示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义，“多种”一般包含至少两种，但是不排除包含至少一种的情况。
应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
应当理解，尽管在本发明实施例中可能采用术语第一、第二、第三等来描述XXX，但这些XXX不应限于这些术语。这些术语仅用来将XXX彼此区分开。例如，在不脱离本发明实施例范围的情况下，第一XXX也可以被称为第二XXX，类似地，第二XXX也可以被称为第一XXX。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。
现有的气体传感器具有SiO2/Si3N4/SiO2三明治结构的悬膜，为了减小散热量，这层悬膜通常做的很薄，只有2～3个微米。然而，气体传感器在校准或使用过程中，由于气流过大使得悬膜发生很大的形变，进而导致悬膜破损，造成整个传感器失效。
为了有效地减小气流对悬膜的冲击，又可以有效防止散热，本发明实施例对悬膜进行了技术改进：对悬膜进行部分镂空，形成1个以上镂空结构，进一步地，镂空结构均匀分布在悬膜上，这样，可以通过镂空结构均匀有效快速地把气流排泄掉，有效地减小气流对悬膜的冲击，从而达到保护悬膜的目的。另外，空气的导热系数要远小于现有的SiO2/Si3N4/SiO2三明治结构的悬膜，因此，具有镂空结构的悬膜又可以有效减少热散失。
图1为本发明一实施例提供的气体传感器的截面图。如图1所示，包括：
在衬底1上沉积SiO2绝缘层2(a)和2(b)；
在绝缘层2(a)上沉积低应力Si3N4层3；
在Si3N4层上沉积制备加热电极4；
在加热电极4上沉积一层SiO2绝缘层5；
在绝缘层5上沉积制备测量电极6；
制备加热电极焊盘7和测量电极焊盘8；
在衬底1的另一面制作背腔9，并形成悬膜10；
在测量电极6上沉积制备敏感膜13，形成气体传感器。
图2为图1所示实施例提供的气体传感器的俯视图；如图2所示：
悬膜10具有镂空结构11，可选地，悬膜10的厚度可以设置为1～10μm之间的任一尺寸；
进一步地，如图2所示，镂空结构11的形状可以为扇环形，且为多条扇环形。每条扇环形的宽度可以设置为0.1～200μm之间的任一尺寸，需要说明的是，在同一个悬膜10上，每条扇环形的宽度设置是相同的，且均匀分布在悬膜10上，以便均匀减小气流对悬膜的冲击。具体实现时，如图2所示，将悬膜10划分为四个区域，在每个区域上镂空3条扇环形，每条扇环形围绕圆心均匀分布在悬膜10上。
进一步地，如图2所示，对悬膜10镂空后形成悬臂结构12，其中，悬臂结构12用于支撑悬膜、加热电极和敏感电极。
图3为本发明另一实施例提供的气体传感器的截面图；图4为图3所示实施例提供的气体传感器的俯视图；如图3和图4所示，包括：
悬膜10，悬膜10的厚度可以设置为1～10μm之间的任一尺寸，悬膜10具有镂空结构11，如图4所示，将悬膜10划分为四个区域，在每个区域上镂空1条扇环形，每条扇环形围绕圆心均匀分布在悬膜10上。每条扇环形的宽度可以设置为0.1～200μm之间的任一尺寸，需要说明的是，在同一个悬膜10上，每条扇环形的宽度设置是相同的。如图4所示，对悬膜10镂空后形成悬臂结构12，其中，悬臂结构12用于支撑悬膜、加热电极和敏感电极。
图5为本发明又一实施例提供的气体传感器的截面图；图6为图5所示实施例提供的气体传感器的俯视图；如图5和图6所示，包括：
悬膜10，悬膜10的厚度可以设置为1～10μm之间的任一尺寸，所述悬膜10具有镂空结构11，如图6所示，本发明实施例中，镂空结构11的形状为孔形，具体实现时，如图6所示，将悬膜10划分为四个区域，在每个区域上均匀镂空数量直径相同的孔，每个孔的直径可以设置在0.1～10μm之间的任一尺寸，需要说明的是，在同一个悬膜10上，每个孔的直径大小是相同的，以便均匀减小气流对悬膜的冲击。
需要说明的是，为了均匀减小气流对悬膜的冲击，上述对悬膜10进行部分镂空处理时，为了能够使得镂空结果(扇环形或孔形)均匀分布在悬膜10上，可以将悬膜10均匀划分为多个区域，每个区域镂空结构的形状、数量、大小都是相同的，每个区域镂空结构的排列都是相同的。
本发明实施例提供的气体传感器的加工方法包括：
在衬底1上沉积SiO2绝缘层2(a)和2(b)；
在绝缘层2(a)上沉积低应力Si3N4层3；
在Si3N4层上沉积制备加热电极4；
在加热电极4上沉积一层SiO2绝缘层5；
在绝缘层5上沉积制备测量电极6；
在测量电极6上沉积制备敏感膜13；
制备加热电极焊盘7和测量电极焊盘8；
在衬底1的另一面制作背腔9，并形成悬膜10；
对悬膜10进行镂空操作形成镂空结构。
图7为本发明一实施例提供的气体传感器的加工方法流程示意图，如图7所示，对悬膜10进行镂空操作形成镂空结构的工艺流程具体包括：
101、在所述气体传感器的悬膜上设计待镂空区域；
为了可以通过镂空结构均匀有效快速地把气流排泄掉，有效地减小气流对悬膜的冲击，从而达到保护悬膜的目的。本发明例如可以采用光刻工艺在所述气体传感器的悬膜上设计两个或两个以上的待镂空区域，所述两个或两个以上的待镂空区域均匀分布在所述悬膜上。
具体地，所述待镂空区域的形状可以包括扇环形或孔形；
所述待镂空区域的形状例如可以为扇环形，且为多条扇环形，则每条扇环形的宽度可以设置为0.1～200μm之间的任一尺寸，需要说明的是，在同一个悬膜上，每条扇环形的宽度设计是相同的，且均匀分布在悬膜上，以便均匀减小气流对悬膜的冲击。具体实现时，如图2所示，将悬膜划分为四个区域，在每个区域上设计3条扇环形的待镂空区域，每条扇环形的待镂空区域围绕圆心均匀分布在悬膜上。
所述待镂空区域的形状例如可以为孔形，且为多个孔形，具体实现时，如图6所示，将悬膜划分为四个区域，在每个区域上均匀设计需要镂空的孔形数量，且每个孔形的直径相同，每个孔的直径可以设置在0.1～10μm之间的任一尺寸，需要说明的是，在同一个悬膜上，每个孔的直径大小是相同的，以便均匀减小气流对悬膜的冲击。
102、对所述待镂空区域进行涂胶、烘烤、曝光显影后，对所述待镂空区域进行等离子体刻蚀；
103、对等离子体刻蚀后的所述待镂空区域去胶形成所述悬膜的镂空结构。
需要说明的是，上述工艺中的涂胶、烘烤、曝光显影、等离子体刻蚀和去胶可以为现有技术中任一可以实现上述功能的技术，本发明对此不作限定。
需要说明的是，本发明实施例中，对所述悬膜镂空后形成的结构作为所述悬膜的悬臂结构，如图4所示的悬臂结构12，用于支撑悬膜、加热电极和敏感电极。
本发明制作的气体传感器由于对其悬膜进行镂空操作使得悬膜具有镂空结构，且镂空结构均匀分布在所述悬膜上，可以通过镂空结构有效快速地把该气流排泄掉，有效地减小气流对悬膜的冲击，从而达到保护悬膜的目的。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (6)
1.一种气体传感器，其特征在于，包括：悬膜和悬臂结构；
所述悬膜具有多个镂空结构，所述多个镂空结构的形状包括扇环形或孔形；所述悬臂结构为对所述悬膜镂空后形成的结构；
其中，所述悬膜均匀划分为多个区域，所述多个镂空结构均匀分布在所述悬膜的多个区域上，每个区域的镂空结构相同，以均匀减少气流对所述悬膜的冲击。
2.根据权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，所述悬膜的厚度包括1~10μm。
3.根据权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，若所述镂空结构的形状为扇环形，则所述扇环形的宽度包括0.1~200μm；若所述镂空结构的形状为孔形，则所述孔形的直径包括0.1~10μm。
4.一种气体传感器的加工方法，其特征在于，包括：
在所述气体传感器的悬膜上设计多个待镂空区域，所述待镂空区域的形状包括扇环形或孔形，所述多个待镂空区域均匀分布在所述悬膜的多个区域上，每个区域的待镂空区域相同，以均匀减少气流对所述悬膜的冲击；
对所述待镂空区域进行涂胶、烘烤、曝光显影后，对所述待镂空区域进行等离子体刻蚀；
对等离子体刻蚀后的所述待镂空区域去胶形成所述悬膜的镂空结构。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，若所述待镂空区域的形状为扇环形，则所述扇环形的宽度包括0.1~200μm；若所述待镂空区域的形状为孔形，则所述孔形的直径包括0.1~10μm。
6.根据权利要求4-5中任一项所述的方法，其特征在于，还包括：
对所述悬膜镂空后形成的结构作为所述悬膜的悬臂结构。
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