CN115980141A - 一种悬臂式mems气体传感器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种悬臂式MEMS气体传感器及其制造方法。该MEMS气体传感器包括衬底、第一绝缘支撑层、加热电极、敏感电极层、第二绝缘支撑层、半导体气敏材料层，MEMS温度隔离区通过悬臂与衬底连接，其加热电极和敏感电极位于同一工艺层，其加热电极加热区位于其第一敏感电极和第二敏感电极之间，半导体气敏材料层与下部的第一敏感电极和第二敏感电极通过第二绝缘支撑层上的接触通孔电连接。本发明的MEMS气体传感器采用悬臂式结构，其加热电极和敏感电极位于同一工艺层，可实现较好的温度隔离，避免加热电极对半导体气敏材料层电阻测量的干扰，降低传感器制造成本。该MEMS气体传感器成本低、功耗低、尺寸小、可靠性高。
Description
技术领域
本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种悬臂式MEMS气体传感器及其制造方法。
背景技术
随着人们生活水平的提高，对安全和健康越来越关注，气体传感器在环境有害气体和可燃气体检测方面得到了越来越多的应用。MEMS气体传感器虽然具有尺寸小、功耗低的优势，但通常MEMS气体传感器工作在200-500℃高温下，需要两次蒸发沉积耐高温的贵金属作为加热电极和感测电极材料，造成传感器制造成本偏高，不利用产品进一步大批量推广使用。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明提供了一种悬臂式MEMS气体传感器及其制造方法。
本发明所提供的技术方案如下：
一种悬臂式MEMS气体传感器，包括：
衬底，其中部设置有悬膜凹槽；
设置在所述衬底上的第一绝缘支撑层，其包括第一外圈和中间的第一悬膜部；
设置在所述第一绝缘支撑层上的敏感电极，其包括所述在第一悬膜部上构成叉指电极的第一敏感电极和与其对应的第二敏感电极；
设置在所述第一绝缘支撑层上的加热电极，其对应所述第一敏感电极和所述第二敏感电极间隙内设置；
设置在所述第一绝缘支撑层、加热电极和敏感电极上的第二绝缘支撑层，其包括第二外圈和中间的第二悬膜部，所述第二悬膜部覆盖所述第一敏感电极、所述第二敏感电极和所述加热电极，并且，还竖向设置有若干接触通孔；
设置在所述第二悬膜部上的半导体气敏材料层，其具有填充各所述接触通孔的接触部层，用于分别与所述第一敏感电极和所述第二敏感电极电连接；
以及若干悬臂，各所述悬臂固定支撑所述第一悬膜部，并将其固定连接到所述第一外圈上；和各所述悬臂固定支撑所述第二悬膜部，并将其固定连接到所述第二外圈上。
上述技术方案中，加热电极和敏感电极位于同一工艺层，敏感电极由第一敏感电极和第二敏感电极组成，加热电极加热区位于第一敏感电极和第二敏感电极之间。MEMS芯片的温度隔离区具有绕所述半导体气敏材料层的周向设置的贯穿各层的悬膜通孔，相邻的悬膜通孔之间形成悬臂结构。
基于上述技术方案，第一敏感电极与第二敏感电极之间只通过半导体气敏材料层的材料电连接，即接触通孔只位于加热区中的敏感电极的上部，从而可以避免加热电极对半导体气敏材料层电阻测量的干扰。气体传感器可工作在200-500℃高温条件下，通过加热电极工作，进而测试第一敏感电极与第二敏感电极之间的电阻来得到半导体气敏材料层的电阻。半导体气敏材料层的电阻值随着被测气体的浓度而改变，从而可根据半导体气敏材料层的电阻值与被测气体的浓度关系，得到被测气体的浓度。
具体的，所述衬底的材料为单晶硅。单晶硅(包括N型和P型掺杂的硅晶体)应用于MEMS衬底中，其优点是容易在衬底上集成CMOS集成电路，具有成熟的MEMS工艺方案、设备。
具体的，所述第一绝缘支撑层、第二绝缘支撑层的材料为氮化硅、氧化硅、氮氧化硅。采用CVD(化学气相沉积)工艺形成的氮化硅绝缘薄膜支撑层具有较高的力学强度，能够承受MEMS高温工作导致的热应力；采用CVD工艺形成的氧化硅薄膜具有较低的热导系数，可以实现更好的温度隔离；采用CVD工艺形成的氮氧化硅薄膜，可以调配薄膜力学性能、热导系数、薄膜应力，实现高度可靠的MEMS微热盘结构。
具体的，所述加热电极与敏感电极层为Pt或Pt合金，加热电极和敏感电极位于同一工艺层，可以减少工艺成本。Pt或Pt合金可以通过溅射或蒸发工艺沉积，通过剥离工艺实现图案化，Pt或Pt合金具有良好的高温稳定性，同时Pt或Pt合金具有较大的正温度系数，可通过对加热电极测量得到加热温度，实现微热板工作温度高精度测量。
具体的敏感电极由第一敏感电极和第二敏感电极组成，在加热区域呈现叉指形状。
具体的，所述半导体气敏材料层的材料为掺杂或未掺杂的SnO2、WO3或In2O3。
具体的，所述半导体气敏材料层在所述第二绝缘支撑层上的投影位于其中心区域。
具体的，所述第一外圈和所述中间的第一悬膜部之间的空隙，以及所述第二外圈和所述中间的第二悬膜部的空隙共同组成MEMS温度隔离区。
具体的，各所述悬臂将所述MEMS温度隔离区划分为若干悬膜通孔。
具体的，所述悬臂的数量为四个，绕所述半导体气敏材料层的周向均匀分布，并将所述MEMS温度隔离区划分为四个悬膜通孔。
具体的，所述第一敏感电极具有经由一个所述悬臂延伸到所述第一外圈上的第一触头；所述第二敏感电极具有经由另一所述悬臂延伸到所述第一外圈上的第二触头；所述第一触头和所述第二触头相对设置。
具体的，所述加热电极具有两端的两个触头，各触头分别经由一个所述悬臂延伸到所述第一外圈上，并与敏感电极的各触头交替设置。
具体的，所述加热电极位于所述第一敏感电极和所述第二敏感电极中间，并且，所述加热电极的加热区覆盖所述第一敏感电极和第二敏感电极的叉指区。
基于上述技术方案，加热电极加热区位于第一敏感电极和第二敏感电极中间，加热电极加热区与第一敏感电极之间的间隙、加热电极加热区与第二敏感电极之间的间隙等距设置，避免局部电场强度过高损坏传感器
具体的，所述加热电极与所述第一敏感电极之间的间距在各位置等距设置；所述加热电极与所述第二敏感电极之间的间距在各位置等距设置。
基于上述技术方案，加热电极加热区与第一敏感电极之间的间隙在各位置等距设置，加热电极加热区与第二敏感电极之间的间隙在各位置等距设置，避免局部电场强度过高损坏传感器。
本发明还提供了所述的悬臂式MEMS气体传感器的制造方法，包括以下步骤：
1)在所述衬底上通过低压气相沉积(LPCVD)形成低应力的所述第一绝缘支撑层；
2)通过剥离工艺(LIFT OFF)蒸发并图案化所述加热电极和所述敏感电极；
3)通过等离子增强气相沉积(PECVD)形成所述第二绝缘支撑层；
4)通过光刻和蚀刻工艺在所述第二绝缘支撑层上形成所述接触通孔；
5)通过光刻和蚀刻工艺在所述第一绝缘支撑层和所述第二绝缘支撑层上形成各所述悬臂的主体结构；
6)采用四甲基氢氧化氨(TMAH)或氢氧化钾(KOH)溶液选择性刻蚀所述MEMS温度隔离区下方的衬底材料，通过刻蚀出所述悬膜凹槽，形成各所述悬臂；
7)采用滴涂工艺在MEMS气体传感器的中心工作区域涂敷半导体气敏材料层，干燥并烧结气敏材料，使半导体气敏材料层与所述第二绝缘支撑层、敏感电极层之间牢固结合，得到所述的悬臂式MEMS气体传感器。
本发明的MEMS气体传感器采用悬臂结构，其加热电极和敏感电极位于同一工艺层，可以较小的尺寸实现较好的温度隔离，避免加热电极对半导体气敏材料层电阻测量的干扰，降低了传感器制造成本。该MEMS气体传感器成本低、功耗低、尺寸小、可靠性高。
附图说明
图1是本发明所提供的悬臂式MEMS气体传感器的整体结构俯视示意图。
图2是图1的E-E剖视图。
图3是图1中部加热区域的局部放大图。
附图1、2、3中，各标号所代表的结构列表如下：
1、衬底，2、第一绝缘支撑层，3、加热电极，4、敏感电极，41、第一敏感电极，42、第二敏感电极，5、第二绝缘支撑层，6、半导体气敏材料层，7、接触通孔，8、悬膜通孔，9、MEMS温度隔离区，10、悬臂。
图3中：A部分为加热电极与第一敏感电极位置一间隙；B部分为加热电极与第一敏感电极位置二间隙；C部分为加热电极与第二敏感电极位置一间隙；D部分为加热电极与第二敏感电极位置二间隙。
具体实施方式
以下对本发明的原理和特征进行描述，所举实施例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
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、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，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。
在一个具体实施方式中，如图1、2、3所示，悬臂式MEMS气体传感器包括衬底1、第一绝缘支撑层2、加热电极层3、第一敏感电极41、第二敏感电极42、第二绝缘支撑层5、半导体气敏材料层6。其中，第一敏感电极41和第二敏感电极42组成的敏感电极为叉指电极，加热电极层3加热区域位于第一敏感电极41和第二敏感电极42之间。敏感电极通过接触通孔7内的半导体气敏材料连接半导体气敏材料层6，可用于检测半导体气敏材料层6的电阻变化。MEMS温度隔离区9边缘设置有悬膜通孔8。加热区通过悬臂10与衬底1连接，但被悬膜通孔8隔离，可有效减少工作时加热区温度向衬底1热传导。悬臂的数量可为四根。
如图3所示，加热电极与第一敏感电极间隙位置一(A)与加热电极与第一敏感电极间隙位置二(B)设置为相等，加热电极与第二敏感电极间隙位置一(C)与加热电极与第二敏感电极间隙位置二(D)设置为相等，加热电极与第一敏感电极间隙(B)与加热电极与第二敏感电极间隙(C)设置为相等。
其中，衬底1的材料为单晶硅；第一绝缘支撑层2、第二绝缘支撑层5的材料为氮化硅；加热电极3、第一敏感电极41、第二敏感电极42的材料为Pt；半导体气敏材料层6采用贵金属Pd掺杂的SnO2。
在一个具体的实施方式中悬臂式MEMS气体传感器的制造方法，包括如下步骤：
1)低压气相沉积(LPCVD)在硅衬底上沉积300nm厚度低应力Si3N4，形成第一绝缘支撑层；
2)采用剥离工艺(LIFT OFF)蒸发并图案化300nm厚度Pt，形成加热电极和敏感电极层；
3)采用等离子增强气相沉积(PECVD)沉积300nm厚度SiN，形成第二绝缘支撑层；
4)通过光刻和蚀刻工艺在第二绝缘支撑层SiN上形成通孔；
5)通过光刻和蚀刻工艺在第一绝缘支撑层Si3N4和第二绝缘支撑层SiN上形成悬臂结构；
6)在四甲基氢氧化氨(TMAH)溶液中选择性蚀刻体硅衬底，释放MEMS悬臂结构；
7)采用滴涂工艺在MEMS中心工作区域涂敷10um厚度半导体气敏材料层，干燥后烧结气敏材料600℃中2小时，使之与第二绝缘支撑层SiN、敏感电极层Pt之间形成稳定牢固结合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种悬臂式MEMS气体传感器，其特征在于，包括：
衬底(1)，其中部设置有悬膜凹槽；
设置在所述衬底(1)上的第一绝缘支撑层(2)，其包括第一外圈和中间的第一悬膜部；
设置在所述第一绝缘支撑层(2)上的敏感电极(4)，其包括在所述第一悬膜部上构成叉指电极的第一敏感电极(41)和与其对应的第二敏感电极(42)；
设置在所述第一绝缘支撑层(2)上的加热电极(3)，其对应所述第一敏感电极(41)和所述第二敏感电极(42)间隙内设置；
设置在所述第一绝缘支撑层(2)、加热电极(3)和敏感电极(4)上的第二绝缘支撑层(5)，其包括第二外圈和中间的第二悬膜部，所述第二悬膜部覆盖所述第一敏感电极(41)、所述第二敏感电极(42)和所述加热电极(3)，并且，还竖向设置有若干接触通孔(7)；
设置在所述第二悬膜部上的半导体气敏材料层(6)，其具有填充各所述接触通孔(7)的接触部层，用于分别与所述第一敏感电极(41)和所述第二敏感电极(42)电连接；
以及若干悬臂(10)，各所述悬臂(10)固定支撑所述第一悬膜部，并将其固定连接到所述第一外圈上；和各所述悬臂(10)固定支撑所述第二悬膜部，并将其固定连接到所述第二外圈上。
2.根据权利要求1所述的悬臂式MEMS气体传感器，其特征在于：所述第一外圈和所述中间的第一悬膜部之间的空隙，以及所述第二外圈和所述中间的第二悬膜部的空隙共同组成MEMS温度隔离区(9)。
3.根据权利要求2所述的悬臂式MEMS气体传感器，其特征在于：各所述悬臂(10)将所述MEMS温度隔离区划分为若干悬膜通孔(8)。
4.根据权利要求2所述的悬臂式MEMS气体传感器，其特征在于：所述悬臂(10)的数量为四个，绕所述半导体气敏材料层(6)的周向均匀分布，并将所述MEMS温度隔离区(9)划分为四个悬膜通孔(8)。
5.根据权利要求1所述的悬臂式MEMS气体传感器，其特征在于：
所述第一敏感电极(41)具有经由一个所述悬臂(10)延伸到所述第一外圈上的第一触头；
所述第二敏感电极(42)具有经由另一所述悬臂(10)延伸到所述第一外圈上的第二触头；
所述第一触头和所述第二触头相对设置。
6.根据权利要求5所述的悬臂式MEMS气体传感器，其特征在于：
所述加热电极(3)具有两端的两个触头，各触头分别经由一个所述悬臂(10)延伸到所述第一外圈上，并与敏感电极(4)的各触头交替设置；
所述加热电极(3)位于所述第一敏感电极(41)和所述第二敏感电极(42)中间；
所述加热电极(3)的加热区覆盖所述第一敏感电极(41)和第二敏感电极(42)的叉指区。
7.根据权利要求5所述的悬臂式MEMS气体传感器，其特征在于：
所述加热电极(3)与所述第一敏感电极(41)之间的间距在各位置等距设置；
所述加热电极(3)与所述第二敏感电极(42)之间的间距在各位置等距设置。
8.一种根据权利要求1至7任一所述的悬臂式MEMS气体传感器的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)在所述衬底(1)上通过低压气相沉积形成低应力的所述第一绝缘支撑层(2)；
2)通过剥离工艺蒸发并图案化所述加热电极(3)和所述敏感电极(4)；
3)通过等离子增强气相沉积形成所述第二绝缘支撑层(5)；
4)通过光刻和蚀刻工艺在所述第二绝缘支撑层(5)上形成所述接触通孔(7)；
5)通过光刻和蚀刻工艺在所述第一绝缘支撑层(2)和所述第二绝缘支撑层(5)上形成各所述悬臂(10)的主体结构；
6)采用四甲基氢氧化氨或氢氧化钾溶液选择性刻蚀所述MEMS温度隔离区下方的衬底(1)材料，通过刻蚀出所述悬膜凹槽，形成各所述悬臂(10)；
7)采用滴涂工艺在MEMS气体传感器的中心工作区域涂敷半导体气敏材料层(6)，干燥并烧结气敏材料，使半导体气敏材料层(6)与所述第二绝缘支撑层(5)、敏感电极(4)层之间牢固结合，得到所述的悬臂式MEMS气体传感器。
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| CN202211514354.9A CN115980141A (zh) | 2022-11-29 | 2022-11-29 | 一种悬臂式mems气体传感器及其制造方法 |
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