CN109970022A - 一种mems催化燃烧传感器及其加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种MEMS催化燃烧传感器及其加工方法。所述一种MEMS催化燃烧传感器，包括第一薄膜部分、第二薄膜部分，所述第二薄膜部分的两侧分别通过第一多孔磁性层对称连接所述第一薄膜部分；所述第一薄膜部分包括硅基底，以及以硅基底为衬底依次设置的第一氮化硅薄膜层、第一氧化硅薄膜层、第一加热敏感电阻层；所述第二薄膜部分包括依次设置的第二氮化硅薄膜层、第二氧化硅薄膜层、第二加热敏感电阻层、贵金属催化层；具有抗中毒、响应迅速和信噪比高的优点。
Description
技术领域
本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种MEMS催化燃烧传感器及其加工方法。
背景技术
在煤炭开采过程中，为保证作业安全，常常需要对各种烷类气体气的浓度进行检测，此时常用到催化燃烧传感器。传统的催化燃烧传感器，包括检测元件和补偿元件，检测元件和补偿元件构成测量电桥，可燃气体在检测元件载体及催化剂的作用下催化燃烧，释放热量，其内部的敏感元件电阻值升高，电桥失衡，输出与可燃气体浓度成正比的电信号。但是传统的催化燃烧传感器具有装置体积大，工作温度较高，功耗大等缺点；且在煤矿井下环境中进行各种烷类气体浓度检测时，容易造成催化燃烧传感器中毒，由于硫是井下常见的有毒物质，含由不同形态的硫化物，其中含量最多的是硫化氢，硫化氢如果先于待测气体吸附在催化燃烧传感器的催化剂表面上，则催化剂将无法对各种烷类气体分子吸附并进行催化作用；且含硫气体容易形成硫酸盐，附着于催化剂表面，限制各种烷类气体分子与催化剂的接触。
目前研发了一种基于MEMS(Micro Electro-Mechanical System，微机电系统)的催化燃烧传感器，其是利用集成电路工艺和微组装工艺i，基于物理效应的机械、电子元器件集成在一个基片上的传感器，具有体积微小，空间占有率小，便于集成化和功能化、功耗小，节省资源和能量，生产成本低等优点；
但是MEMS催化燃烧传感器仍然会存在传感器中毒的问题，如何加快MEMS催化燃烧传感器的响应时间，也是目前存在的技术难题。
因此，迫切需要研发一种抗中毒、响应迅速的MEMS催化燃烧传感器。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种MEMS催化燃烧传感器及其加工方法，具有抗中毒、响应迅速和信噪比高的优点。
为实现上述目的，本发明一方面提供的技术方案是：一种MEMS催化燃烧传感器，包括第一薄膜部分、第二薄膜部分，所述第二薄膜部分的两侧分别通过第一多孔磁性层对称连接所述第一薄膜部分；
所述第一薄膜部分包括硅基底，以及以硅基底为衬底依次设置的第一氮化硅薄膜层、第一氧化硅薄膜层、第一加热敏感电阻层；
所述第二薄膜部分包括依次设置的第二氮化硅薄膜层、第二氧化硅薄膜层、第二加热敏感电阻层、贵金属催化层。
优选地，所述第一加热敏感电阻层上依次设置第三氧化硅薄膜层、第三氮化硅薄膜层，所述第三氧化硅薄膜层和第三氮化硅薄膜层中开设孔结构。
优选地，所述贵金属催化层的两侧分别设置第四氧化硅薄膜层、第四氮化硅薄膜层，所述第四氧化硅薄膜层和第二加热敏感电阻层连接。
优选地，所述硅基底的两侧分别设置第一氮化硅薄膜层和第五氮化硅薄膜层。
优选地，所述贵金属催化层为钯/氧化铝溶胶薄膜层或铂/氧化铝溶胶薄膜层。
优选地，所述贵金属催化层为的薄膜厚度为5～15微米。
优选地，所述第一加热敏感电阻层为铂金属薄膜层、钯金属薄膜层或铂钯合金薄膜层。
本发明另一方面提供了一种MEMS催化燃烧传感器的加工方法，包括以下步骤：
采用化学气相沉积法在硅基底上沉积氮化硅薄膜层；
在氮化硅薄膜层上生长氧化硅薄膜层；
在氧化硅薄膜层上溅射沉积加热敏感电阻层，刻蚀加热敏感电阻层，得到第一薄膜部分和第二薄膜部分；
第二薄膜部分的加热敏感电阻层上设置贵金属氧化层；
腐蚀第二薄膜部分的硅基底；
对第一薄膜部分和第二薄膜部分进行裂片处理，裂片处理后通过第一多孔磁性层连接第一薄膜部分和第二薄膜部分，得到上述的MEMS催化燃烧传感器。
优选地，所述第一薄膜部分的加热敏感电阻层上依次沉积第三氧化硅薄膜层、第三氮化硅薄膜层，刻蚀第三氧化硅薄膜层和第三氮化硅薄膜层；
所述第二薄膜部分的加热敏感电阻层上沉积第四氧化硅薄膜层，第四氧化硅薄膜层上涂敷贵金属氧化层，贵金属氧化层上沉积第四氮化硅薄膜层。
优选地，所述腐蚀第二薄膜部分的硅基底的步骤之后，还包括，退火处理所述贵金属氧化层。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明通以电流，环境中的各种烷类气体吸附在贵金属催化层上发生催化燃烧反应，各种烷类气体被催化燃烧为二氧化碳和水，并释放大量的热量，热量使得第一加热敏感电阻层的电阻值升高，根据电阻值的变化，计算环境中的各种烷类气体含量。
本发明所述的MEMS催化燃烧传感器相比于现有的MEMS气体催化燃烧传感器，其机械强度高，第一氮化硅薄膜层可以作为介质钝化膜，对硅基底形成张应力，第一氧化硅薄膜层可以作为缓冲层并起到绝缘的作用，对硅基底形成压应力，张应力和压应力互相抵消后，剩余的应力较小，在制作本发明所述的MEMS催化燃烧传感器时，机械强度高，结构稳定，不会造成坍塌。
本发明所述第二薄膜部分的两侧分别通过第一多孔磁性对称连接所述第一薄膜部分，所述第一多孔磁性层对含硫气体具有明显的吸附作用，防止含硫气体造成的传感器中毒现象。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的MEMS催化燃烧传感器的结构示意图；
图2是MEMS催化燃烧传感器的加工流程示意图。
其中，图中各附图标记为：
100-第一薄膜部分；200-第二薄膜部分；300-第一多孔磁性层；101-硅基底；102-第一氮化硅薄膜层；103-第一氧化硅薄膜层；104-第一加热敏感电阻层；105-第三氧化硅薄膜层；106-第三氮化硅薄膜层；107-第五氮化硅薄膜层；202-第二氮化硅薄膜层；203-第二氧化硅薄膜层；204-第二加热敏感电阻层；205-第四氧化硅薄膜层；206-第四氮化硅薄膜层；207-贵金属催化层。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”—“宽度”—“上”—“下”—“前”—“后”—“左”—“右”—“竖直”—“水平”—“顶”—“底”“内”—“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位—以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”—“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”—“相连”—“连接”—“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1所示，本发明实施例一方面提供了一种MEMS催化燃烧传感器，包括第一薄膜部分100、第二薄膜部分200，所述第二薄膜部分200的两侧分别通过第一多孔磁性层300对称连接所述第一薄膜部分100；
所述第一薄膜部分100包括硅基底101，以及以硅基底101为衬底依次设置的第一氮化硅薄膜层102、第一氧化硅薄膜层103、第一加热敏感电阻层104；
所述第二薄膜部分200包括依次设置的第二氮化硅薄膜层202、第二氧化硅薄膜层203、第二加热敏感电阻层204、贵金属催化层207。
具体地，本发明实施例通以电流，环境中的各种烷类气体吸附在贵金属催化层207上发生催化燃烧反应，各种烷类气体被催化燃烧为二氧化碳和水，并释放大量的热量，热量使得第一加热敏感电阻层104的电阻值升高，根据电阻值的变化，计算环境中的各种烷类气体含量。本发明实施例的响应时间短，响应时间小于6秒，信噪比高。
本发明实施例所述的MEMS催化燃烧传感器相比于现有的MEMS气体催化燃烧传感器，其机械强度高，第一氮化硅薄膜层102可以作为介质钝化膜，对硅基底101形成张应力，第一氧化硅薄膜层103可以作为缓冲层并起到绝缘的作用，对硅基底101形成压应力，张应力和压应力互相抵消后，剩余的应力较小，在制作本发明实施例所述的MEMS催化燃烧传感器时，机械强度高，结构稳定，不会造成坍塌。
本发明实施例所述第二薄膜部分200的两侧分别通过第一多孔磁性层300对称连接所述第一薄膜部分100，所述第一多孔磁性层300对含硫气体具有明显的吸附作用，防止含硫气体造成的传感器中毒现象。
所述第一多孔磁性层300可以为磁性多孔碳纳米复合物，如以天然多聚物海藻酸为碳源，结合氧化铁磁性纳米颗粒制备的磁性多孔碳纳米复合物，但不限于上述物质，可以是任意一种具有磁性的且具有多孔结构的物质。
优选地，所述第一加热敏感电阻层104上依次设置第三氧化硅薄膜层105、第三氮化硅薄膜层106，所述第三氧化硅薄膜层105和第三氮化硅薄膜层106中开设孔结构。第三氧化硅薄膜层105可以起到缓冲、绝缘的作用，第三氮化硅薄膜层106可以作为介质钝化膜。
优选地，所述贵金属催化层207的两侧分别设置第四氧化硅薄膜层205、第四氮化硅薄膜层206，所述第四氧化硅薄膜层205和第二加热敏感电阻层204连接。第四氧化硅薄膜层205可以起到缓冲、绝缘的作用，第四氮化硅薄膜层206可以作为介质钝化膜。
优选地，所述硅基底101的两侧分别设置第一氮化硅薄膜层102和第五氮化硅薄膜层107。所述第五氮化硅薄膜层107可以作为介质钝化膜，防止硅基底101的损伤。
优选地，所述贵金属催化层207可以为钯/氧化铝溶胶薄膜层或铂/氧化铝溶胶薄膜层。所述贵金属催化层207将贵金属催化剂负载与载体氧化铝中，可以在三维空间中均匀分散贵金属催化剂，增大各种烷类气体与贵金属催化剂的接触面积。
进一步优选地，所述贵金属催化层207可以为钯/氧化铝溶胶薄膜层。
进一步优选地，所述贵金属催化层为的薄膜厚度为5～15微米。5～15微米的厚度可以充分催化各种烷类气体的燃烧反应。作为本发明一具体实施例，所述贵金属催化层为的薄膜厚度可以为5、6、7、8、9、10、11、12、13、14或15微米。
优选地，所述第一加热敏感电阻层可以为铂金属薄膜层、钯金属薄膜层或铂钯合金薄膜层。进一步优选地，所述第一加热敏感电阻层可以为铂金属薄膜层。
结合图2，本发明实施例另一方面提供了一种MEMS催化燃烧传感器的加工方法，包括以下步骤：
S01、采用化学气相沉积法在硅基底上沉积氮化硅薄膜层；
S02、在氮化硅薄膜层上生长氧化硅薄膜层；
S03、在氧化硅薄膜层上溅射沉积加热敏感电阻层，刻蚀加热敏感电阻层，得到第一薄膜部分100和第一薄膜部分200；
S04、第一薄膜部分200的加热敏感电阻层上设置贵金属氧化层207；
S05、腐蚀第一薄膜部分200的硅基底；
S06、对第一薄膜部分100和第一薄膜部分200进行裂片处理，裂片处理后通过第一多孔磁性层300连接第一薄膜部分100和第一薄膜部分200，得到上述的MEMS催化燃烧传感器。
具体地，步骤S01中，可以通过LPCVD法(Low Pressure Chemical VaporDeposition，低压力化学气相沉积法)沉积氮化硅薄膜层；可采用现有常规工艺进行沉积；
作为本发明一具体实施例，可以采用意法半导体(STS)集团生产的MutiplexPECVD设备，其具有高频13.56MHz和低频380kHz两套独立的射频系统，高低频反应时间比为1∶1的混频条件，其中SiH4：6sccm(standard cubic centimeter per minute，每分钟1立方厘米的流量.)，NH3：20sccm，N2：300sccm，气压600mTorr(毫托)，温度300/250℃；应力测试120Mpa。
步骤S02中，可以采用LPCVD法沉积氧化硅薄膜层，也可采用TEOS(正硅酸乙酯)源沉积氧化硅薄膜层；可采用现有常规工艺进行沉积；氧化硅薄膜层的厚度可以为1.5～3微米，优选为2微米。
作为本发明一具体实施例，可以采用SUSS设备，淀积温度为550℃～700℃之间，在低于600℃的生长温度条件下，表面粗糙度小，并可以增大SiCl2H2的流速，高温退火(>900℃)处理来释放应力。
氮化硅薄膜层和氧化硅薄膜层通过应力测试(张应力和压应力抵消)，其挠曲度较小，约为80～100Mpa。在腐蚀硅基底后，牺牲硅基底的部分结构后，桥面不会塌陷。
步骤S03中，在氧化硅薄膜层上溅射沉积加热敏感电阻层，刻蚀加热敏感电阻层，得到第一薄膜部分100和第一薄膜部分200；可采用现有常规工艺进行沉积和刻蚀；
通过刻蚀加热敏感电阻层，调整其阻值，在进行催化燃烧反应时，反应时间短，响应迅速，恢复时间短，恢复迅速。
作为本发明一具体实施例，可以采用VECOO设备进行Pt铂溅射。对所述加热敏感电阻层进行刻蚀时，可以通过增粘处理，显影，刻金出图形，具体为：HMDS(六甲基乙硅氮烷)作增粘处理，正胶甩胶，采用像面分割，覆盖最大芯片面积的单次曝光区作为最小成像单元，波长是3650～4358埃，实际分辨率约为1微米；TMAH((Tetramethylammonium Hydroxide，四甲基氢氧化铵)显影后，采用80℃的质量浓度为10％KOH碱性溶液，去胶；在120℃下烘干10分钟；刻金出图形，SF6六氟化硫作为刻蚀气体，内衬温度120℃，内管温度100℃，气管温度35℃，腔室温度60℃。
所述步骤S04中，第一薄膜部分200的加热敏感电阻层上设置贵金属氧化层207；所述贵金属氧化层207可以为铂/氧化铝溶胶薄膜层或钯/氧化铝溶胶薄膜层，将铂/氧化铝溶胶或钯/氧化铝溶胶涂敷于第一薄膜部分200的加热敏感电阻层上。
所述步骤S05中，腐蚀第一薄膜部分200的硅基底；
在所述硅基底的上层结构都已完成后，所述硅基底的下层结构用TMAH((Tetramethylammonium Hydroxide，四甲基氢氧化铵)湿法腐蚀，一般采用TMAH浓度为80％，温度80℃，其刻蚀速率较快，表面光滑。只保留第一薄膜部分100的硅基底101，其余部分的硅基底101都湿法腐蚀去掉，包含腐蚀第一薄膜部分200的硅基底。
所述步骤S06中，对第一薄膜部分100和第一薄膜部分200进行裂片处理，裂片处理后通过第一多孔磁性层300连接第一薄膜部分100和第一薄膜部分200，得到上述各实施例所述的MEMS催化燃烧传感器。
优选地，所述第一薄膜部分100的加热敏感电阻层上依次沉积第三氧化硅薄膜层105、第三氮化硅薄膜层106，刻蚀第三氧化硅薄膜层105和第三氮化硅薄膜层106；
所述第一薄膜部分200的加热敏感电阻层上沉积第四氧化硅薄膜层205，第四氧化硅薄膜层205上涂敷贵金属氧化层207，贵金属氧化层207上沉积第四氮化硅薄膜层206。
具体地，在所述步骤S03之后，还包括，S07、所述第一薄膜部分100的加热敏感电阻层上沉积第三氧化硅薄膜层105，所述第一薄膜部分200的加热敏感电阻层上沉积第四氧化硅薄膜层205；
进行步骤S04、第一薄膜部分200的加热敏感电阻层上设置贵金属氧化层207；
在所述步骤S04之后，还包括，S08、所述第一薄膜部分100的加热敏感电阻层上沉积第三氮化硅薄膜层106，刻蚀第三氧化硅薄膜层105和第三氮化硅薄膜层106；
所述贵金属氧化层207上沉积第四氮化硅薄膜层206。
上述各实施例中的沉积方法均可采用现有工艺进行沉积。
作为本发明一具体实施例，第三氮化硅薄膜层106、第四氮化硅薄膜层206沉积生长后，将第三氧化硅薄膜层105和第三氮化硅薄膜层106刻蚀出的图形和第一加热敏感电阻层为同一个图形。
优选地，在步骤S05之后，还包括，S09、退火处理所述贵金属氧化层207。
退火处理后的所述贵金属氧化层207，是多孔气敏结构，为微小的孔状结构，其比表面积更大，可以吸附更多的各种烷类气体与催化剂反应，催化剂分布均匀，即催化活性中心分布均匀且稳定，也可减少贵金属催化剂的烧结和升华，各种烷类气体与催化剂接触的更充分，反应更迅速。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改—等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种MEMS催化燃烧传感器，其特征在于，包括第一薄膜部分、第二薄膜部分，所述第二薄膜部分的两侧分别通过第一多孔磁性层对称连接所述第一薄膜部分；
所述第一薄膜部分包括硅基底，以及以硅基底为衬底依次设置的第一氮化硅薄膜层、第一氧化硅薄膜层、第一加热敏感电阻层；
所述第二薄膜部分包括依次设置的第二氮化硅薄膜层、第二氧化硅薄膜层、第二加热敏感电阻层、贵金属催化层。
2.根据权利要求1所述的MEMS催化燃烧传感器，其特征在于，所述第一加热敏感电阻层上依次设置第三氧化硅薄膜层、第三氮化硅薄膜层，所述第三氧化硅薄膜层和第三氮化硅薄膜层中开设孔结构。
3.根据权利要求1所述的MEMS催化燃烧传感器，其特征在于，所述贵金属催化层的两侧分别设置第四氧化硅薄膜层、第四氮化硅薄膜层，所述第四氧化硅薄膜层和第二加热敏感电阻层连接。
4.根据权利要求1所述的MEMS催化燃烧传感器，其特征在于，所述硅基底的两侧分别设置第一氮化硅薄膜层和第五氮化硅薄膜层。
5.根据权利要求1所述的MEMS催化燃烧传感器，其特征在于，所述贵金属催化层为钯/氧化铝溶胶薄膜层或铂/氧化铝溶胶薄膜层。
6.根据权利要求5所述的MEMS催化燃烧传感器，其特征在于，所述贵金属催化层为的薄膜厚度为5～15微米。
7.根据权利要求1所述的MEMS催化燃烧传感器，其特征在于，所述第一加热敏感电阻层为铂金属薄膜层、钯金属薄膜层或铂钯合金薄膜层。
8.一种MEMS催化燃烧传感器的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
采用化学气相沉积法在硅基底上沉积氮化硅薄膜层；
在氮化硅薄膜层上生长氧化硅薄膜层；
在氧化硅薄膜层上溅射沉积加热敏感电阻层，刻蚀加热敏感电阻层，得到第一薄膜部分和第二薄膜部分；
第二薄膜部分的加热敏感电阻层上设置贵金属氧化层；
腐蚀第二薄膜部分的硅基底；
对第一薄膜部分和第二薄膜部分进行裂片处理，裂片处理后通过第一多孔磁性层连接第一薄膜部分和第二薄膜部分，得到如权利要求1～7任一权利要求所述的MEMS催化燃烧传感器。
9.根据权利要求8所述的MEMS催化燃烧传感器的加工方法，其特征在于，所述第一薄膜部分的加热敏感电阻层上依次沉积第三氧化硅薄膜层、第三氮化硅薄膜层，刻蚀第三氧化硅薄膜层和第三氮化硅薄膜层；
所述第二薄膜部分的加热敏感电阻层上沉积第四氧化硅薄膜层，第四氧化硅薄膜层上涂敷贵金属氧化层，贵金属氧化层上沉积第四氮化硅薄膜层。
10.根据权利要求8或9所述的MEMS催化燃烧传感器的加工方法，其特征在于，所述腐蚀第二薄膜部分的硅基底的步骤之后，还包括，退火处理所述贵金属氧化层。
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