CN111689459A

CN111689459A - 一种基于硅酸钙基底的气体传感器芯片结构及制备方法

Info

Publication number: CN111689459A
Application number: CN202010414092.3A
Authority: CN
Inventors: 王海容; 田鑫; 雷伟涛; 王久洪; 吴欣雨; 金成�; 赵玉龙
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2020-05-15
Filing date: 2020-05-15
Publication date: 2020-09-22
Anticipated expiration: 2040-05-15
Also published as: CN111689459B

Abstract

本发明公开了一种基于硅酸钙基底的气体传感器芯片结构及制备方法，以硅酸钙材料作为基底，将加热丝溅射其上，使其中心与硅酸钙基底重合，呈三阶双曲螺旋形，然后将测温电阻、敏感材料和测试电极依次溅射到硅酸钙基底材料上。加热丝通电后，由于硅酸钙具有极低的导热系数，极大地溅射了热量通过热传导方式散失，使用更小的电压即可将气敏材料加热到指定的工作温度。本发明结构简单，在保持低功耗特性的同时极大地降低了制造工艺的复杂度，无需对基底背面进行加工，提高了成品率，局部高温，外围近于常温，易于封装。

Description

一种基于硅酸钙基底的气体传感器芯片结构及制备方法

技术领域

本发明涉及MEMS(Micro-Electro-Mechanic System微机电系统)加工技术，特别涉及一种以硅酸钙材料作为基底的气体传感器芯片结构及其制备方法。

背景技术

通常单一的气体传感器对不同气体的选择性较差，因此可以采用阵列化的气体传感器并结合适当的信号处理电路实现检测某些气体的目的，从而提高气体传感器的选择性。但是气体传感器数量的增多，导致整个检测系统的功耗增加，这将使其应用范围大幅度地减少。因此，降低气体传感器的功耗是种必然趋势。

目前气体传感器芯片结构都是以硅作为基底，因其导热系数大，使得热量损失大。现在常用的降低功耗的方法是在硅片背面去除大量的硅，形成的结构有两类，一类是基于硅片背面湿法腐蚀的悬膜结构，通过腐蚀背面大量的硅来降低热传导热量散失，即尽可能的避免硅与加热板接触；第二类是基于硅片正面湿法腐蚀的悬臂梁结构，通过腐蚀正面大量的硅来降低热传导热量散失。二者都是通过湿法腐蚀去除大量的硅来降低功耗，在硅的去除过程中需要使用干法刻蚀、正面保护和湿法腐蚀三项MEMS工艺，极大的增大了整体工艺的复杂度。由于湿法腐蚀过程中使用了大量的化学试剂，产生的刻蚀残留物不易清理，另外刻蚀速率不易控制，很容易造成图形失真，成品率低。另一方面，因为正面结构硅基底的大量去除使得加热板仅仅依靠四条悬空梁支撑，腐蚀速率不可控和热变形使得其结构极不稳定。

经查阅，目前未见有利用硅酸钙作为基底的气体传感器芯片的报道。因此提供一种以硅酸钙作为陶瓷材料、具有导热系数小、热扩散系数小、耐热性好，在其接触高温时，能够进行封装的硅酸钙基底的气体传感器芯片结构成为目前亟待解决的技术问题。

发明内容

为解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种基于硅酸钙基底的气体传感器芯片结构及制备方法，本发明解决了气体传感器芯片低功耗与低工艺复杂度不可兼得的问题，结构简单，在保持低功耗特性的同时极大地降低了制造工艺的复杂度，无需对基底背面进行加工，提高了成品率，局部高温，外围近于常温，易于封装。可以在工业生产中进行大批量的精确控温低功耗气体传感器芯片制备。

本发明是通过下述技术方案来实现的。

本发明基于硅酸钙基底的气体传感器芯片结构的制备方法，包括以下步骤：

1)制备硅酸钙基底；

2)将制得的硅酸钙基底分别采用低速500r/min、6s，高速1500r/min、40s匀涂光刻胶；

3)将涂有光刻胶的硅酸钙薄片烘干，然后进行光刻，曝光7s，得到设计好的加热丝及其引线盘的图形；

4)利用NaOH溶液对刻蚀有图形的硅酸钙薄片显影30s，然后烘干；

5)对显影后的硅酸钙基底正面溅射Cu，设置溅射功率为120KW，溅射时间为10s；

6)将溅射Cu的硅酸钙薄片依次放入丙酮、无水乙醇中分别超声，然后用去离子水冲洗，氮气吹干、高温烘干，并在300℃退火10min；

7)将步骤6)得到的硅酸钙薄片正面采用步骤2)的方法进行匀涂光刻胶；

8)将步骤7)得到的硅酸钙薄片烘干，然后进行光刻，曝光7s，得到设计好的测温电阻及其引线盘的图形；

9)利用NaOH溶液对步骤8)得到的硅酸钙薄片显影5s，然后烘干；

10)对步骤9)中得到的硅酸钙基底正面溅射Pt，设置溅射功率为120KW，溅射时间为10s；

11)将溅射Pt后的硅酸钙薄片依次放入丙酮、无水乙醇中分别超声，然后用去离子水冲洗，用氮气吹干，高温烘干，并在300℃退火5min，得到测温电阻及其引线盘的图形；

12)对步骤11)得到的硅酸钙薄片正面采用步骤2)的方法进行匀涂光刻胶；

13)将步骤12)中得到的硅酸钙薄片烘干，然后进行光刻，曝光12s，得到设计好的敏感材料的图形；

14)利用NaOH溶液对步骤13)中得到的硅酸钙薄片显影20s，然后烘干；

15)对步骤14)中得到的硅酸钙基底正面溅射SnO₂，设置溅射功率为150KW，溅射时间为2h；

16)将溅射SnO₂后的硅酸钙薄片依次放入丙酮、无水乙醇中分别超声，然后去离子水冲洗，氮气吹干，高温烘干，并在300℃退火3h，得到敏感材料的图形；

17)对步骤16)中得到的硅酸钙薄片正面采用步骤2)进行匀涂光刻胶；

18)将步骤17)中得到的硅酸钙薄片烘干，然后进行光刻，曝光7s，得到设计好的测试电极及其引线盘的图形；

19)利用NaOH溶液对步骤18)中得到的硅酸钙薄片显影10s，然后烘干；

20)对步骤19)中得到的硅酸钙薄片正面溅射Au，设置溅射功率为120KW，溅射时间为30s；

21)将步骤20)中得到的硅酸钙薄片依次放入丙酮、无水乙醇中分别超声，然后去离子水冲洗，氮气吹干，高温烘干，并在300℃退火10min，得到设计好的测试电极及其引线盘的图形。

进一步，所述步骤1)，将硅酸钙原材料粉碎得到粒径小于2μm粉末，按照液固质量比1：2与去离子水混合得到悬浊液；将悬浊液注入模具中经高温高压成型，得到硅酸钙薄片；并打磨，双面抛光，得到1mm厚硅酸钙基底。

进一步，所述步骤2)、7)、12)、17)中，采用低速500r/min、6s，高速1500r/min、40s匀涂光刻胶；光刻胶采用正胶EPG535。

进一步，所述步骤3)、8)、13)、18)中，在95℃下进行烘干5min。

进一步，所述步骤4)、9)、14)、19)中，NaOH溶液的浓度为质量分数5‰的溶液；在100℃下烘干10min。

进一步，所述步骤6)、11)、16)、21)中，将溅射后的硅酸钙薄片依次放入丙酮、无水乙醇中分别超声5min，在100℃下烘干5min。

本发明进而给出了基于上述方法制备的硅酸钙基底的气体传感器芯片结构，包括硅酸钙基底、测试电极、测温电阻、敏感材料、加热丝和引线盘；

所述加热丝和敏感材料在硅酸钙基底上方中心分别叠层设置；梳齿状结构的测试电极设在敏感材料上方，测温电阻设在加热丝和敏感材料的两侧；梳齿状结构测试电极的引出端设于测温电阻外侧；

加热丝连接一对对称分布的引线盘，一对加热丝引线盘与测温电阻引线盘和测试电极引线盘交错布置。

进一步，所述梳齿状结构的测试电极为一对，梳齿相互插入，测试电极引线盘自梳齿结构对角线引出，并与测温电阻引线盘平行设置。

进一步，所述测温电阻中部刻蚀为剪刀柄状的矩形块，剪刀口的测温电阻包围在梳齿状测试电极外侧。

进一步，所述加热丝为三阶双曲螺旋形结构，设于硅酸钙基底上方，且被敏感材料覆盖填充；加热丝引线盘自螺旋线的引出端沿加热丝对角线分布。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下有益效果：

1.加热丝与硅酸钙基底材料直接接触，由于硅酸钙材料导热系数小，使得加热丝产生的热量损失小，进一步降低了功耗。

2.利用硅酸钙基底代替硅基底，由于硅酸钙的导热系数接近于空气，所以避免了硅片背部绝热槽的加工，无需干法刻蚀、正面保护和湿法腐蚀等工艺步骤。大大地降低了工艺复杂度。

3.基于硅酸钙基底的气体传感器芯片结构只需从上往下加工即可，无需对背部进行加工处理，提高了气体传感器芯片的成品率。

4.对加热丝使用三阶双曲螺旋布局，使得在敏感薄膜区域产生局部高温，另外在基底周围接近于常温，易于传感器芯片的封装。

5.设置了中心对称的测温电阻，通过对敏感区域温度进行实时控制，使得传感器芯片对不同气体都能选择不同的最佳工作温度。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：

图1为本发明基于硅酸钙为基底的气体传感器芯片结构剖面图图；

图2(a)、图2(b)分别为本发明基于硅酸钙基底的气体传感器芯片结构的加热电极、测温电阻、测试电极、敏感材料的平面结构图；

图3为本发明制备基于硅酸钙基底的气体传感器芯片结构流程图；

图4(a)-图4(q)为本发明基于硅酸钙基底的气体传感器芯片结构的制备工艺流程图；

图5为利用COMSOL5.4对所设计的结构进行电磁热仿真的温度分布图。

图中：1、硅酸钙基底；2、测试电极；3、测温电阻；4、敏感材料；5、加热丝；6、加热丝引线盘；7、测温电阻引线盘；8、测试电极引线盘。

具体实施方式

下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

如图1、图2(a)、图2(b)所示，本发明是基于硅酸钙基底的气体传感器芯片结构，包括硅酸钙基底1、测试电极2、测温电阻3、敏感材料4、加热丝5、加热丝引线盘6、测温电阻引线盘7、测试电极引线盘8；加热丝5和敏感材料4在硅酸钙基底1上方中心分别叠层设置；梳齿状结构的测试电极2设在敏感材料4上方，测温电阻3设在加热丝5和敏感材料4的两侧；梳齿状结构测试电极2的引出端设于测温电阻3外侧；加热丝5连接一对对称分布的加热丝引线盘6，一对加热丝引线盘6与测温电阻引线盘7和测试电极引线盘8交错布置。梳齿状结构的测试电极2为一对，梳齿相互插入，测试电极引线盘8自梳齿结构对角线引出，并与测温电阻引线盘7平行设置。

加热丝及引线盘材料使用金属铜，测温电阻材料使用贵金属铂，测试电极材料使用贵金属金。

如图2(b)所示，加热丝5布局位于芯片中心位置，设于硅酸钙基底1上方，呈三阶双曲螺旋形结构，且被敏感材料4覆盖填充；加热丝引线盘6自螺旋线的引出端沿加热丝5对角线分布。

测温电阻3呈中心对称结构分布于加热丝外侧，测温电阻3中部刻蚀为剪刀柄状的矩形块，剪刀口的测温电阻3包围在梳齿状测试电极2外侧。敏感材料4处于加热丝5上方，测试电极2位于敏感材料上方，并与其充分接触。每个电极均有各自独立的引线盘，分布于四周，所有电极和引线盘均为中心对称。

下面给出本发明以硅酸钙材料作为基底的气体传感器芯片结构的制备方法，如图3所示，包括如下步骤：

1)将硅酸钙原材料进行粉碎，得到硅酸钙粉末，控制该硅酸钙粉末粒径小于2μm，称取该硅酸钙粉末并与去离子水混合，按照液固质量比1：2与去离子水混合得到悬浊液；将悬浊液注入模具中经高温高压成型，得到硅酸钙薄片；并打磨，双面抛光，得到1mm厚硅酸钙基底，如图4(a)所示；

2)对步骤1)制得的硅酸钙薄片匀涂光刻胶，采用低速500r/min,6s；高速1500r/min,40s；光刻胶采用正胶EPG535，如图4(b)所示；

3)将步骤2)中得到的硅酸钙薄片在95℃下进行烘干5min，然后在光刻机上进行光刻，设置曝光时间为7s，得到设计好的加热丝及其引线盘5的图形，如图2(a)、2(b)并结合图4(c)所示；

4)利用质量分数为5‰的NaOH溶液对步骤3)中得到的硅酸钙薄片显影30s，然后在100℃下烘干10min；

5)对步骤4)中得到的硅酸钙基底正面进行溅射Cu，设置溅射功率为120KW，溅射时间为10s，溅射后的图案如图4(d)所示；

6)将步骤5)中得到的硅酸钙薄片依次放入丙酮、无水乙醇中分别超声5min，然后用去离子水冲洗，用氮气吹干，在100℃下烘干5min并进行退火处理，退火温度为300℃，时间为10min。得到加热丝5及其引线盘6的图形，如图2(a)、2(b)并结合图4(e)所示；

7)对步骤6)中得到的硅酸钙薄片正面进行匀涂光刻胶EPG535，匀胶参数与步骤2)相同，如图4(f)所示；

8)将步骤7)中得到的硅酸钙薄片在95℃下进行烘干5min，然后在光刻机上进行光刻，设置曝光时间为7s，得到设计好的测温电阻及其引线盘3的图形，如图2(a)、2(b)并结合图4(g)所示；

9)利用质量分数为5‰的NaOH溶液对步骤8)中得到的硅酸钙薄片显影5s，然后在100℃下烘干10min；

10)对步骤9)中得到的硅酸钙基底正面进行溅射Pt，设置溅射功率为120KW，溅射时间为10s，溅射后的图案如图4(h)所示；

11)将步骤10)中得到的硅酸钙薄片依次放入丙酮、无水乙醇中分别超声5min，然后用去离子水冲洗，用氮气吹干，在100℃下烘干5min并进行退火处理，退火温度为300℃，时间为5min。得到测温电阻及其引线盘3的图形，如图2(a)、2(b)和图4(i)所示；

12)对步骤11)中得到的硅酸钙薄片正面进行匀涂光刻胶EPG535，匀胶参数与步骤(7)相同，如图4(j)所示；

13)将步骤12)中得到的硅酸钙薄片在95℃下进行烘干5min，然后在光刻机上进行光刻，设置曝光时间为12s，得到设计好的敏感材料4的图形，如图2(a)、2(b)并结合图4(k)所示；

14)利用质量分数为5‰的NaOH溶液对步骤13)中得到的硅酸钙薄片显影20s，然后在100℃下烘干10min。

15)对步骤14)中得到的硅酸钙基底正面SnO₂，设置溅射功率为150KW，溅射时间为2h，如图4(l)所示；

16)将步骤15)中得到的硅酸钙薄片依次放入丙酮、无水乙醇中分别超声5min，然后用去离子水冲洗，用氮气吹干，在100℃下烘干5min并进行退火处理，退火温度为300℃，时间为3h，得到敏感材料4的图形，如图2(a)、2(b)并结合图4(m)所示；

17)对步骤16)中得到的硅酸钙薄片正面进行匀涂光刻胶EPG535，匀胶参数与步骤(12)相同，如图4(n)所示；

18)将步骤17)中得到的硅酸钙薄片在95℃下进行烘干5min，然后在光刻机上进行光刻，设置曝光时间为7s，得到设计好的测试电极及其引线盘2的图形，如图2(a)、2(b)并结合图4(o)所示；

19)利用质量分数为5‰的NaOH溶液对步骤18)中得到的硅酸钙薄片显影10s，然后在100℃下烘干10min。

20)对步骤19)中得到的硅酸钙薄片溅射正面Au，设置溅射功率为120KW，溅射时间为30s，如图4(p)所示；

21)将步骤20)中得到的硅酸钙薄片依次放入丙酮、无水乙醇中分别超声5min，然后用去离子水冲洗，用氮气吹干，在100℃下烘干5min并进行退火处理，退火温度为300℃，时间为10min，得到设计好的测试电极及其引线盘2的图形，如图2(a)、2(b)并结合图4(q)所示；

如图5所示，用COMSOL5.4对其所述结构进行电磁热仿真，中心区域温度达到340℃时，边缘区域温度接近于常温，功耗为8mW。

将芯片置于待测气体中时，给加热丝两端施加电压，加热丝瞬间产生高温，高温数值有测温电阻测出，敏感材料与待测气体在高温下发生反应使得气敏薄膜的电导率发生变化，这种变化通过测试电极测出。给加热丝两端施加电压时，由于硅酸钙基底材料的导热系数很小，使得热量散失小，使气敏薄膜达到相同的工作温度就需要更低的功耗。

采用本发明结构，结构简单，局部高温、易于封装，待正面结构加工好后无需进行背面的干法刻蚀、正面保护和湿法腐蚀等工艺。极大的降低了工艺复杂度，提高了成品率，由于硅酸钙基底材料具有极低的导热系数，使得敏感材料达到相同的工作温度需要更低的电压，即更低的功耗。

本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种基于硅酸钙基底的气体传感器芯片结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)制备硅酸钙基底；

9)利用NaOH溶液对步骤8)得到的硅酸钙薄片显影5s，然后烘干；

2.根据权利要求1所述的基于硅酸钙基底的气体传感器芯片结构的制备方法，其特征在于，所述步骤1)，将硅酸钙原材料粉碎得到粒径小于2μm粉末，按照液固质量比1：2与去离子水混合得到悬浊液；将悬浊液注入模具中经高温高压成型，得到硅酸钙薄片；并打磨，双面抛光，得到1mm厚硅酸钙基底。

3.根据权利要求1所述的基于硅酸钙基底的气体传感器芯片结构的制备方法，其特征在于，所述步骤2)、7)、12)、17)中，采用低速500r/min、6s，高速1500r/min、40s匀涂光刻胶；光刻胶采用正胶EPG535。

4.根据权利要求1所述的基于硅酸钙基底的气体传感器芯片结构的制备方法，其特征在于，所述步骤3)、8)、13)、18)中，在95℃下进行烘干5min。

5.根据权利要求1所述的基于硅酸钙基底的气体传感器芯片结构的制备方法，其特征在于，所述步骤4)、9)、14)、19)中，NaOH溶液的浓度为质量分数5‰的溶液；在100℃下烘干10min。

6.根据权利要求1所述的基于硅酸钙基底的气体传感器芯片结构的制备方法，其特征在于，所述步骤6)、11)、16)、21)中，将溅射后的硅酸钙薄片依次放入丙酮、无水乙醇中分别超声5min，在100℃下烘干5min。

7.一种基于权利要求1-6任一项所述方法制备的硅酸钙基底的气体传感器芯片结构，其特征在于，包括硅酸钙基底、测试电极、测温电阻、敏感材料、加热丝和引线盘；

8.根据权利要求7所述的硅酸钙基底的气体传感器芯片结构，其特征在于，所述梳齿状结构的测试电极为一对，梳齿相互插入，测试电极引线盘自梳齿结构对角线引出，并与测温电阻引线盘平行设置。

9.根据权利要求7所述的硅酸钙基底的气体传感器芯片结构，其特征在于，所述测温电阻中部刻蚀为剪刀柄状的矩形块，剪刀口的测温电阻包围在梳齿状测试电极外侧。

10.根据权利要求7所述的硅酸钙基底的气体传感器芯片结构，其特征在于，所述加热丝为三阶双曲螺旋形结构，设于硅酸钙基底上方，且被敏感材料覆盖填充；加热丝引线盘自螺旋线的引出端沿加热丝对角线分布。