CN108275649B - 一种mems可燃气体传感器及其加工方法 - Google Patents

一种mems可燃气体传感器及其加工方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种MEMS可燃气体传感器及其加工方法，包括硅基底，硅基底的下表面设有2个绝热槽，上表面设有绝热层，绝热层表面设有对称分布且为多孔结构的第一贵金属催化层和第二贵金属催化层，第一贵金属催化层和第二贵金属催化层分别位于2个绝热槽的正上方，第一贵金属催化层表面设有气体隔绝层，第二贵金属催化层表面开有透气孔，气体隔绝层表面设有一组参比电阻，且与第一贵金属催化层和第二贵金属催化层串联，气体隔绝层边缘设有若干引线窗口。本发明提供的MEMS可燃气体传感器体积小，功耗低，性能稳定，加工方法简单，生产效率高。

Description

一种MEMS可燃气体传感器及其加工方法
技术领域
本发明属于可燃气体传感器技术领域，具体涉及一种MEMS可燃气体传感器及其加工方法。
背景技术
MEMS全称Micro Electromechanical System，微机电系统，是指尺寸在几毫米乃至更小的高科技装置，其内部结构一般在微米甚至纳米量级，是一个独立的智能系统。是在微电子技术(半导体制造技术)基础上发展起来的，融合了光刻、腐蚀、薄膜、硅微加工、非硅微加工和精密机械加工等技术制作的高科技电子机械器件。
可燃气体传感器广泛应用于煤矿、家用燃气报警、工业监测、安防等领域。随着氢燃料电池汽车逐渐走向人们的视野，可燃气体传感器也开始进入汽车电子领域，用于监测汽车的燃料—氢气的泄露情况，保障驾驶员的安全。催化型可燃气体传感器是利用难熔金属铂丝加热后的电阻变化来测定可燃气体浓度。当可燃气体进入探测器时，在铂丝表面引起氧化反应(无焰燃烧)，其产生的热量使铂丝的温度升高，而铂丝的电阻便发生变化，根据电阻的变化即可计算出气体的浓度。
传统的催化燃烧气体传感器体积大、能耗高，加工时需要手工制作，工艺复杂，生产效率低，且人工生产具有很大的误差，容易导致传感器的性能不稳定。
发明内容
本发明的目的是针对现有催化燃烧气体传感器的不足，提供一种体积小，功耗低，性能稳定，加工方法简单，生产效率高的MEMS可燃气体传感器及其加工方法。
本发明提供了如下的技术方案：
一种MEMS可燃气体传感器，包括硅基底，所述硅基底的下表面设有2个绝热槽，上表面设有绝热层，所述绝热层表面设有对称分布且为多孔结构的第一贵金属催化层和第二贵金属催化层，所述第一贵金属催化层和第二贵金属催化层分别位于2个所述绝热槽的正上方，所述第一贵金属催化层表面设有气体隔绝层，所述第二贵金属催化层表面开有透气孔，所述气体隔绝层表面设有一组参比电阻，且与所述第一贵金属催化层和所述第二贵金属催化层串联，所述气体隔绝层边缘设有若干引线窗口。
优选的，所述第一贵金属催化层和所述第二贵金属催化层的下表面均设有第一抗氧化缓冲层，所述第一贵金属催化层与所述气体隔绝层间设有第二抗氧化缓冲层。
优选的，所述第一抗氧化缓冲层和所述第二抗氧化缓冲层为氮化钛、氮化钽、氧化钛、氧化铝、氧化锆、氧化钨、氧化钇和氧化钒中的一种或者几种。
优选的，所述参比电阻的温度系数小于50PPM/℃。
优选的，所述参比电阻的电阻阻值为所述第一贵金属催化层和第二贵金属催化层的100-1000倍。
优选的，所述参比电阻为氮化钛或者氮化钽。
优选的，所述第一贵金属催化层和所述第二贵金属催化层为铂、钯或铂钯合金，厚度为400nm-3000nm。
一种MEMS可燃气体传感器的加工方法，包括以下步骤：
S1：清洗硅基底并吹干，分别以低压化学气相沉积法和等离子体增强化学气相沉积法，在硅基底表面依次沉积一层氮化硅和一层二氧化硅，获得1-5μm厚的绝热层；
S2：以磁控溅射法在绝热层表面沉积一组对称的贵金属催化层并图形化，经过退火处理获得多孔结构的第一贵金属催化层和第二贵金属催化层；
S3：在第一贵金属催化层和第二贵金属催化层的表面沉积氮化硅和二氧化硅，形成600-4000nm厚的气体隔绝层，以反离子刻蚀法在第二贵金属催化层上方刻蚀出透气孔，在气体隔绝层的边缘刻蚀出若干引线窗口；
S4：以S2中的工艺在气体隔绝层表面沉积一对参比电阻；
S5：采用湿法和干法相结合的工艺在硅基底下面制备出绝热槽。
优选的，所述S2中第一贵金属催化层和第二贵金属催化层的上下表面均以磁控溅射法沉积抗氧化缓冲层，第一贵金属催化层和第二贵金属催化层可直接串联或者通过电路串联。
优选的，所述S2中磁控溅射法的处理温度为650-1100℃，处理时间为10分钟-3小时。
本发明的有益效果是：
(1)本发明采用了平面化的MEMS加工方法制备，相较于传统的催化燃烧气体传感器，本发明提供的MEMS可燃气体传感器，体积大大减小，功耗由瓦级降低到毫瓦级别，因此使用寿命长。
(2)本发明提供的MEMS可燃气体传感器，贵金属催化层以磁控溅射的方法制成，相比传统绕丝法制作的加热线圈，加工方法简单，稳定性大大提升。
(3)本发明提供的MEMS可燃气体传感器的加工方法，易操作，生产效率高。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明的主视结构示意图；
图2是本发明的俯视结构示意图。
图中标记为：1、硅基底；2、绝热槽；3、绝热层；4、第一抗氧化缓冲层；5、第一贵金属催化层；6、第二抗氧化缓冲层；7、气体隔绝层；8、第二贵金属催化层；9、引线窗口；10、透气孔；11、参比电阻。
具体实施方式
如图1和图2所示，一种MEMS可燃气体传感器，包括硅基底1，硅基底1的下表面设有2个绝热槽2，上表面设有绝热层3，绝热层3表面设有对称分布且为多孔结构的第一贵金属催化层5和第二贵金属催化层8，第一贵金属催化层5和第二贵金属催化层8分别位于2个绝热槽2的正上方，第一贵金属催化层5表面设有气体隔绝层7，第二贵金属催化层8表面开有透气孔10，气体隔绝层7表面设有一组参比电阻11，且与第一贵金属催化层5和第二贵金属催化层8串联，参比电阻的温度系数小于50PPM/℃，气体隔绝层7边缘设有若干引线窗口9。
第一贵金属催化层5和第二贵金属催化层8的下表面均设有第一抗氧化缓冲层4，第一贵金属催化层5与气体隔绝层7间设有第二抗氧化缓冲层6。
本发明的工作原理为：第一贵金属催化层5、第二贵金属催化层8与一对参比电阻11构成惠斯通电桥，当在电桥两端施加电压时，第一贵金属催化层5和第二贵金属催化层8由于焦耳热温度上升，第二贵金属催化层8催化可燃气体燃烧，燃烧产生的热量使其温度高于第一贵金属催化层5，导致惠斯通电桥失去平衡而得到电压信号，该电压值与可燃气体的浓度呈线性关系，从而获得可燃气体浓度。
实施例1
一种MEMS可燃气体传感器的加工方法，包括以下步骤：
S1：清洗硅基底并吹干，分别以低压化学气相沉积法和等离子体增强化学气相沉积法，在硅基底表面依次沉积一层氮化硅和一层二氧化硅，获得1μm厚的绝热层；
S2：以磁控溅射法在绝热层表面沉积一层氮化钛材料的第一抗氧化缓冲层，然后以相同的方法沉积一组对称的铂材料的贵金属催化层并图形化，经过退火处理获得多孔结构的、厚度为400nm的第一贵金属催化层和第二贵金属催化层，处理温度为650℃，处理时间为3小时，随后再沉积一层氮化钽材料的第二抗氧化缓冲层；
S3：在第二抗氧化缓冲层表面沉积氮化硅和二氧化硅，形成600nm厚的气体隔绝层，以反离子刻蚀法在第二贵金属催化层上方刻蚀出透气孔，在气体隔绝层的边缘刻蚀出若干引线窗口；
S4：以S2中的工艺在气体隔绝层表面沉积一对氮化钛材料的参比电阻，电阻阻值为第一贵金属催化层和第二贵金属催化层的100倍；
S5：采用湿法和干法相结合的工艺在硅基底下面制备出绝热槽，即可获得MEMS可燃气体传感器。
实施例2
一种MEMS可燃气体传感器的加工方法，包括以下步骤：
S1：清洗硅基底并吹干，分别以低压化学气相沉积法和等离子体增强化学气相沉积法，在硅基底表面依次沉积一层氮化硅和一层二氧化硅，获得5μm厚的绝热层；
S2：以磁控溅射法在绝热层表面沉积一组对称的钯材料的贵金属催化层并图形化，经过退火处理获得多孔结构的、厚度为3000nm的第一贵金属催化层和第二贵金属催化层，处理温度为1100℃，处理时间为10分钟；
S3：在第一贵金属催化层和第二贵金属催化层的表面沉积氮化硅和二氧化硅，形成4000nm厚的气体隔绝层，以反离子刻蚀法在第二贵金属催化层上方刻蚀出透气孔，在气体隔绝层的边缘刻蚀出若干引线窗口；
S4：以S2中的工艺在气体隔绝层表面沉积一对氮化钽材料的参比电阻，电阻阻值为第一贵金属催化层和第二贵金属催化层的1000倍；
S5：采用湿法和干法相结合的工艺在硅基底下面制备出绝热槽，即可获得MEMS可燃气体传感器。
实施例3
一种MEMS可燃气体传感器的加工方法，包括以下步骤：
S1：清洗硅基底并吹干，分别以低压化学气相沉积法和等离子体增强化学气相沉积法，在硅基底表面依次沉积一层氮化硅和一层二氧化硅，获得3μm厚的绝热层；
S2：以磁控溅射法在绝热层表面沉积一层氧化钛、氧化铝和氧化锆材料的第一抗氧化缓冲层，然后以相同的方法沉积一组对称的铂钯合金材料的贵金属催化层并图形化，经过退火处理获得多孔结构的、厚度为2000nm的第一贵金属催化层和第二贵金属催化层，处理温度为900℃，处理时间为1.5小时，随后再沉积一层氧化钨、氧化钇和氧化钒材料的第二抗氧化缓冲层；
S3：在第二抗氧化缓冲层表面沉积氮化硅和二氧化硅，形成2500nm厚的气体隔绝层，以反离子刻蚀法在第二贵金属催化层上方刻蚀出透气孔，在气体隔绝层的边缘刻蚀出若干引线窗口；
S4：以S2中的工艺在气体隔绝层表面沉积一对参比电阻，电阻阻值为第一贵金属催化层和第二贵金属催化层的500倍；
S5：采用湿法和干法相结合的工艺在硅基底下面制备出绝热槽，即可获得MEMS可燃气体传感器。
实施例1-3制备获得的MEMS可燃气体传感器，与传统催化燃烧气体传感器相比，功耗降低10倍，由500Mw降低到50Mw以内，响应时间由6秒降低到3秒，测量范围提升一倍，由0-4％提升到0-8％。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，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。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种MEMS可燃气体传感器，其特征在于，包括硅基底，所述硅基底的下表面设有2个绝热槽，上表面设有绝热层，所述绝热层表面设有对称分布且为多孔结构的第一贵金属催化层和第二贵金属催化层，所述第一贵金属催化层和第二贵金属催化层分别位于2个所述绝热槽的正上方，所述第一贵金属催化层表面设有气体隔绝层，所述第二贵金属催化层表面开有透气孔，所述气体隔绝层表面设有一组参比电阻，且与所述第一贵金属催化层和所述第二贵金属催化层串联，所述气体隔绝层边缘设有若干引线窗口。
2.根据权利要求1所述的一种MEMS可燃气体传感器，其特征在于，所述第一贵金属催化层和所述第二贵金属催化层的下表面均设有第一抗氧化缓冲层，所述第一贵金属催化层与所述气体隔绝层间设有第二抗氧化缓冲层。
3.根据权利要求2所述的一种MEMS可燃气体传感器，其特征在于，所述第一抗氧化缓冲层和所述第二抗氧化缓冲层为氮化钛、氮化钽、氧化钛、氧化铝、氧化锆、氧化钨、氧化钇和氧化钒中的一种或者几种。
4.根据权利要求1所述的一种MEMS可燃气体传感器，其特征在于，所述参比电阻的温度系数小于50PPM/℃。
5.根据权利要求4所述的一种MEMS可燃气体传感器，其特征在于，所述参比电阻的电阻阻值为所述第一贵金属催化层和第二贵金属催化层的100-1000倍。
6.根据权利要求5所述的一种MEMS可燃气体传感器，其特征在于，所述参比电阻为氮化钛或者氮化钽。
7.根据权利要求1所述的一种MEMS可燃气体传感器，其特征在于，所述第一贵金属催化层和所述第二贵金属催化层为铂、钯或铂钯合金，厚度为400nm-3000nm。
8.一种MEMS可燃气体传感器的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：清洗硅基底并吹干，分别以低压化学气相沉积法和等离子体增强化学气相沉积法，在硅基底表面依次沉积一层氮化硅和一层二氧化硅，获得1-5μm厚的绝热层；
S2：以磁控溅射法在绝热层表面沉积一组对称的贵金属催化层并图形化，经过退火处理获得多孔结构的第一贵金属催化层和第二贵金属催化层；
S3：在第一贵金属催化层和第二贵金属催化层的表面沉积氮化硅和二氧化硅，形成600-4000nm厚的气体隔绝层，以反离子刻蚀法在第二贵金属催化层上方刻蚀出透气孔，在气体隔绝层的边缘刻蚀出若干引线窗口；
S4：以S2中的工艺在气体隔绝层表面沉积一对参比电阻；
S5：采用湿法和干法相结合的工艺在硅基底下面制备出绝热槽。
9.根据权利要求8所述的一种MEMS可燃气体传感器的加工方法，其特征在于，所述S2中第一贵金属催化层和第二贵金属催化层的上下表面均以磁控溅射法沉积抗氧化缓冲层，第一贵金属催化层和第二贵金属催化层可直接串联或者通过电路串联。
10.根据权利要求8所述的一种MEMS可燃气体传感器的加工方法，其特征在于，所述S2中磁控溅射法的处理温度为650-1100℃，处理时间为10分钟-3小时。
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