CN117309949A - 一种mems气体传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种悬臂梁式MEMS气体传感器，通过将悬臂梁设计成两端粗中间细，使得粗大的端部可以承受较大的压力和应变，从而减小了悬臂梁发生断裂的风险，提高其机械强度和稳定性。另外，热盘结构的热量只能通过悬臂梁导向衬底，减小了固体热传导的面积，限制了热传导，减少了热损耗，使得功耗降低，同时悬臂梁中间细还可以进一步降低热传导，从而降低微热板结构的热损耗。因此，本发明的MEMS气体传感器能够兼顾低功耗和良好的机械性能稳定性。另外，本发明的悬臂梁上的测试丝比加热丝细，这样的结构可以在降低功耗的同时，不会影响器件的机械性能稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及微机电技术领域，具体涉及一种MEMS气体传感器及制备方法。
背景技术
气体传感器在物联网生态系统中扮演着重要的角色。随着人们对空气质量、工业安全和环境污染等问题日益关注，气体传感器可用于监测和检测大气中的有害气体、挥发性有机化合物、温室气体等。
通过将气体传感器与物联网技术相结合，可以实现实时监控和数据传输。这些数据可以被用来提供更准确的环境信息和预警，从而帮助人们采取必要的措施以保护健康和环境。此外，气体传感器还可以用于智能家居、智能城市、智慧医疗等领域，为人们提供更便捷、更智能的服务。气体传感器在物联网生态系统中具有重要的意义。
相比传统的气体传感器，利用MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统)微加工技术得到的MEMS气体传感器可实现器件的微型化和低功耗。然而，现有的MEMS气体传感器无法在降低器件功耗的同时兼顾良好的机械性能的稳定性。
因此，设计出一种能够兼顾低功耗和良好的机械性能稳定性的MEMS气体传感器具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的缺点，提供一种MEMS气体传感器，其能够兼顾低功耗和良好的机械性能稳定性。
本发明的另一目的是提供所述MEMS气体传感器的制备方法。
为了实现以上目的，本发明提供如下技术方案。
一种MEMS气体传感器，包括：
衬底，所述衬底上设有空腔；
微热板结构，所述微热板结构包括热盘结构和悬臂梁；所述热盘结构悬设于所述空腔上方；所述悬臂梁连接所述热盘结构和所述衬底，能够支撑所述热盘结构，其中，所述悬臂梁支撑梁，所述支撑梁包括中间部和位于所述中间部两端的第一端部和第二端部，所述第一端部和所述第二端部均比所述中间部粗；以及
气敏薄膜层，所述气敏薄膜层设置在所述热盘结构上。
上述MEMS气体传感器的制备方法，包括以下步骤：
在衬底上形成图形化的悬臂梁和热盘结构，所述悬臂梁包括支撑梁，所述支撑梁包括中间部和位于所述中间部两端的第一端部和第二端部，所述第一端部和所述第二端部均比所述中间部粗；
湿法刻蚀所述衬底，以除去所述悬臂梁和所述热盘结构下方的所述衬底部分，从而形成空腔；以及
在所述热盘结构上形成气敏薄膜层。
相比现有技术，本发明的有益效果：
1、本发明的MEMS气体传感器为悬臂梁式MEMS气体传感器，通过将悬臂梁设计成两端粗中间细，使得粗大的端部可以承受较大的压力和应变，从而减小了悬臂梁发生断裂的风险，提高其机械强度和稳定性。另外，热盘结构的热量只能通过悬臂梁导向衬底，减小了固体热传导的面积，限制了热传导，减少了热损耗，使得功耗降低，同时悬臂梁中间细还可以进一步降低热传导，从而降低微热板结构的热损耗。因此，本发明的MEMS气体传感器能够兼顾低功耗和良好的机械性能稳定性。
2、本发明的悬臂梁上的测试丝比加热丝细，较细的测试丝可以减小热通量的截面积，增加热阻，减小热传导，减小热损耗；较粗的加热丝可以使悬臂梁上的加热丝电阻较小，电阻分压较小，加热丝所产生的焦耳热主要集中在热盘结构电阻较大的部分，降低热损耗。这样的结构可以在降低功耗的同时，不会影响器件的机械性能稳定性。
3、本发明的悬臂梁具有曲折结构，从而增大了微热板结构到衬底的传热路径，增加热阻，减小热传导，降低了微热板结构的热损耗。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1为本发明一实施例的MEMS气体传感器的俯视图。
图2为图1中第一支撑梁的俯视图。
图3为本发明一实施例的MEMS气体传感器的截面图(图中未展示悬臂梁和四个电极)。
图4为本发明一实施例的MEMS气体传感器中加热结构的示意图。
图5为本发明一实施例的MEMS气体传感器中测试结构的示意图。
图6-图12为本发明一实施例提供的MEMS气体传感器的制备方法中各步骤所得结构的示意图。
具体实施方式
以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
在附图中示出了根据本公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
在本公开的上下文中，当将一层/元件称作位于另一层/元件“上”时，该层/元件可以直接位于该另一层/元件上，或者它们之间可以存在居中层/元件。另外，如果在一种朝向中一层/元件位于另一层/元件“上”，那么当调转朝向时，该层/元件可以位于该另一层/元件“下”。
在MEMS气体传感器中，微热板是非常重要的部分，它通过加热达到一定的工作温度，此时气体分子会在气敏材料的表面发生氧化还原反应引起气敏材料的电阻变化，从而实现对气体的检测。
研究发现，MEMS气体传感器的微热板的设计对器件的机械性能和功耗至关重要。然而，通过微热板的设计在降低MEMS气体传感器功耗时，往往会降低器件的机械性能稳定性，影响器件的可靠性和使用寿命，例如悬臂梁通过几根支撑梁作为机械支撑，热量只能通过支撑梁导向衬底，减小固体热传导的面积，限制热传导，减少热损耗，使得悬臂膜结构的功耗低于封闭膜结构，但是其机械性能稳定性低于封闭膜结构。因此，设计出一种微热板结构在降低器件功耗的同时兼顾机械性能的稳定性具有重要的意义。
为了解决该问题，本发明提供了一种改进的MEMS气体传感器，其能够兼顾低功耗和良好的机械性能稳定性。
具体地，参见图1-2，本发明一实施例的MEMS气体传感器包括：衬底100，衬底100上设有空腔120；微热板结构21，微热板结构21包括热盘结构110和悬臂梁(图1中示出了4根悬臂梁，分别为第一悬臂梁11、第二悬臂梁12、第三悬臂梁13和第四悬臂梁14)；热盘结构110悬设于空腔120上方；悬臂梁连接热盘结构110和衬底100，能够支撑热盘结构110，其中，悬臂梁包括支撑梁(图1中示出了4根支撑梁，分别为第一支撑梁131、第二支撑梁132、第三支撑梁133和第四支撑梁134)，支撑梁包括中间部和位于所述中间部两端的第一端部和第二端部，所述第一端部和所述第二端部均比所述中间部粗；以及气敏薄膜层260，气敏薄膜层260设置在热盘结构110上。
图2给出了图1中第一支撑梁131的俯视图。第一支撑梁131包括第一端310、中间部分320和第二端320。第一端部310和第二端部330的横截面均为梯形结构，中间部320的横截面为宽度均匀的条形结构。在一些实施例中，所述梯形结构为等腰梯形。所述条形结构为矩形。
悬臂梁通常是呈现出两端应力大、中间应力小的趋势，这是因为在微热板工作时悬臂梁需要承受由于热膨胀引起的局部应力。在悬臂梁接近微热板结构的部分承受着较大的应力，这是因为此处距离热盘结构较近，受到的热膨胀影响更大；而悬臂梁与衬底连接的一端，会受到来自衬底的约束力，从而使得此处的应力也较大。曲折状支撑梁两端粗中间细，粗大的端部可以承受较大的压力和应变，从而减小了悬臂梁发生断裂风险，提高其机械强度和稳定性。悬臂梁中间细还可以降低热传导，从而降低微热板结构的热损耗。梯形结构为上下底边长不相等，可以实现较长的边长与应力较大的端部连接，从而可以承受较大的压力和应变，从而减小了悬臂梁发生断裂风险。梯形结构还能确保从较短底边到较长底边的长度变化具有渐变的梯度，避免尺寸突变导致局部应力过大，从而防止悬臂梁断裂的发生。
如图2所示，所述梯形结构的较短底边与中间部320连接。
如图2所示，所述梯形结构的较短底边的边长大于或等于中间部320的宽度。所述梯形结构的较短底边的边长可为15-50μm，优选20-40μm，最优选30μm。所述梯形结构的较长底边的边长可为30～60μm，优选45-55μm，最优选50μm。所述梯形结构的高度可为15-50μm，优选20-40μm，最优选30μm。中间部320的宽度可为15-50μm，优选20-40μm，最优选30μm。如果所述梯形结构的较短底边的边长小于中间部320的宽度，则较短底边这一侧的端部将承受比中间部分更大的应力，导致悬臂梁断裂的风险增加。
如图2所示，支撑梁为曲折状。将支撑梁设计成曲折结构，从而增大了微热板结构到衬底的传热路径，增加热阻，减小热传导，降低了微热板结构的热损耗。
如图2所示，中间部320的横截面为直条形结构，第一端部310和第二端部330的中轴线与中间部320的长度方向垂直。垂直状可以更有效地利用横向空间，减少纵向空间的占用。这有助于减小空腔的尺寸，并促进器件的小型化和集成度提升。
继续参考图1，悬臂梁包括第一悬臂梁11、第二悬臂梁12、第三悬臂梁13和第四悬臂梁14。第一悬臂梁11包括第一支撑梁131和第一梁上加热丝141。第二悬臂梁12包括第二支撑梁132和第二梁上加热丝142。第三悬臂梁13包括第三支撑梁133和第三梁上测试丝161。第四悬臂梁14包括第四支撑梁134和第四梁上测试丝162。第三梁上测试丝161和第四梁上测试丝162均比第一梁上加热丝141和第二梁上加热丝142细。
本发明的悬臂梁上的测试丝比加热丝细，较细的测试丝可以减小热通量的截面积，增加热阻，减小热传导，减小热损耗；较粗的加热丝可以使悬臂梁上的加热丝电阻较小，电阻分压较小，加热丝所产生的焦耳热主要集中在热盘结构电阻较大的部分，降低热损耗。这样的结构可以在降低功耗的同时，不会影响器件的机械性能稳定性。
在一些实施例中，第一支撑梁131、第二支撑梁132、第三支撑梁133和第四支撑梁134具有相同的形貌，都是两端粗中间细。第一梁上加热丝141、第二梁上加热丝142、第三梁上测试丝161和第四梁上测试丝162均为曲折状。
在一些实施例中，第三梁上测试丝161和第四梁上测试丝162的线宽均为5μm-20μm，优选8-12μm，最优选10μm。第三梁上测试丝161和第四梁上测试丝162的长度均为130μm～300μm，优选180-220，最优选200μm。
在一些实施例中，第一梁上加热丝141和第二梁上加热丝142的线宽均为15μm-40μm，优选20-30μm，最优选25μm。第一梁上加热丝141和第二梁上加热丝142的长度均为130μm-300μm，优选180-220μm，最优选200μm。
继续参考图1，空腔120的顶部为正方形，边长可为250μm-500μm，优选250-350μm，最优选300μm。热盘结构110的形状优选为除去四个角的正方形，边长可为80μm-200μm，优选130-170μm，最优选150μm。
MEMS气体传感器还包括第一电极151、第二电极152、第三电极171和第四电极172。
第一电极151、第二电极152、第三电极171、第四电极172的形状可以是任何规则形状，优选正方形，边长可以是100-200μm，优选130-170，最优选150μm。
第一电极151和第二电极152分别与第一梁上加热丝141和第二梁上加热丝142连接，从而实现热盘结构110上的加热丝(下文简称热盘加热丝)与第一电极151、第二电极152的电学连接，通过在第一电极151和第二电极152上施加电压，会在加热丝上形成电流，由此产生焦耳热，从而为器件工作供热。第三电极171和第四电极172分别与第三梁上测试丝161和第四梁上测试丝162连接，从而实现热盘结构110上的测试丝(下文简称热盘测试丝)与第三电极171、第四电极172的电学连接，通过在第三电极171和第四电极172上施加电压，可实现对热盘测试丝上方的气敏薄膜层的电阻检测。
图3给出了本发明一实施例的MEMS气体传感器的截面图(图中未展示悬臂梁和四个电极)。如图3所示，微热板结构包括热盘结构110和悬臂梁(图3未示出)。热盘结构110悬设于衬底100的空腔120的上方。热盘结构110包括热盘支撑层220、热盘加热丝230、热盘绝缘层240和热盘测试丝250。热盘支撑层220与衬底上支撑层221通过悬臂梁上的支撑层(图中未示出)连接，热盘绝缘层240与衬底上绝缘层241通过悬臂梁上的绝缘层(图中未示出)连接。气敏薄膜层260设置在热盘结构110上，并覆盖热盘测试丝250。
图4给出了本发明一实施例的MEMS气体传感器中加热结构的示意图。如图4所示，第一电极151、第一梁上加热丝141、热盘加热丝230、第二梁上加热丝142和第二电极152依次连接。热盘加热丝230为螺旋结构或蛇形结构，从而使热盘加热丝230阻值较大，减小功耗，并使微热盘受热更均匀。
图5给出了本发明一实施例的MEMS气体传感器中测试结构的示意图。如图5所示，第三电极171、第三梁上测试丝161、热盘测试丝250、第四梁上测试丝162和第四电极172依次连接。通过在第三电极171和第四电极172施加电压，可实现对热盘测试丝250上方气敏薄膜层260的电阻检测。热盘测试丝250可为叉指电极结构，从而增加电极表面积，与气敏材料充分接触，可以在微小的空间内产生更强的电场，提高电荷的收集效率。
本发明还提供上述MEMS气体传感器的制备方法，包括以下步骤：
在衬底上形成图形化的悬臂梁和热盘结构，所述悬臂梁包括支撑梁，所述支撑梁包括中间部和位于所述中间部两端的第一端部和第二端部，所述第一端部和所述第二端部均比所述中间部粗；
湿法刻蚀所述衬底，以除去所述悬臂梁和所述热盘结构下方的所述衬底部分，从而形成空腔；以及
在所述热盘结构上形成气敏薄膜层。
在一些实施例中，上述MEMS气体传感器的制备方法可包括以下步骤：
首先，在衬底100上形成第一介质层22，如图6所示。
在一些实施例中，衬底100可为硅衬底。
在一些实施例中，第一介电层22可以是SiO2、SiNx、SiC或SiO2/SiNx复合膜中的任何一种材料。其中，x为0-4。第一介电层22优选为SiO2/SiNx复合膜，其中SiO2通过热氧化完成，SiNx通过LPCVD(低压化学气相沉积)完成。第一介电层22的厚度可为1～5μm，优选1-3μm，最优选2μm。可选地，可对第一介电层22进行化学机械研磨平坦化处理。第一介电层22起到支撑的作用，保证器件的机械稳定性。
然后，在第一介质层22上形成热盘加热丝230，如图7所示。
在一些实施例中，可通过刻蚀方法或剥离方法实现。刻蚀方法包括：在第一介质层22上沉积加热材料层；以及对加热材料层图形化。对加热材料层图形化包括：在加热材料层上添加硬掩模层作为掩模，利用光罩，曝光图形化形成热盘加热丝230，去除硬掩模层。刻蚀方法包括：在第一介电层22上旋涂光刻胶；对光刻胶图形化，使第一介电层22的部分表面裸露；沉积加热材料层；利用去胶液去除光刻胶。在去除光刻胶的步骤中，光刻胶与其上的加热材料一起被剥离，而第一介电层22上没有光刻胶的区域则会留下加热材料，从而形成热盘加热丝230。在形成热盘加热丝230的步骤中，在第一介质层22上，同时还形成了第一电极151、第二电极152、第一梁上加热丝141和第二梁上加热丝142，如图4所示，热盘加热丝230、第一电极151、第二电极152、第一梁上加热丝141和第二梁上加热丝142为一体成型。
加热材料层可为多晶硅、扩散硅、Pt、W、Ni、NiCr中的任何一种材料，优选为Pt。
加热材料层的厚度可为100nm-600nm，优选100-300nm，最优选200nm。
之后，在第一介质层22上形成第二介质层24，使其覆盖热盘加热丝230，如图8所示。
在一些实施例中，第二介质层24可以是SiO2、SiNx中的任何一种。第二介质层24可通过PECVD(等离子化学气相沉积)形成。第二介质层24的厚度可为200nm-1μm，优选400-500nm，最优选500nm。可选地，可对第二介电层24进行化学机械研磨平坦化处理。
在一些实施例中，在形成第二介质层24之后，刻蚀第二介电层24，使第一电极151和第二电极152裸露。所述刻蚀包括反应离子刻蚀。
接下来，在第二介质层24上形成热盘测试丝250，如图9所示。
形成热盘测试丝250的方法与形成热盘加热丝230的方法相同，也可以通过刻蚀方法或剥离方法实现。在形成热盘测试丝250的步骤中，在第二介质层24上，同时还形成了第三电极171、第四电极172、第三梁上测试丝161和第四梁上测试丝162，如图5所示，热盘测试丝250、第三电极171、第四电极172、第三梁上测试丝161和第四梁上测试丝162为一体成型。第三梁上测试丝161和第四梁上测试丝162均比第一梁上加热丝141和第二梁上加热丝142细。
热盘测试丝250、第三电极171、第四电极172、第三梁上测试丝161和第四梁上测试丝162可为Au、Cu、Al、Pt中的任何一种材料。厚度可为100nm-800nm，优选300-500nm，最优选400nm。
可选地，在形成热盘测试丝250的步骤中，同时在裸露的第一电极151和第二电极152上也形成了与测试丝相同的金属材料层，得到了包括与测试丝相同的金属材料层和与加热丝相同的金属材料层的第一电极151和第二电极152。通过增加第一电极151和第二电极152的厚度，有利于后期的探针测试。
然后，干法刻蚀第一介质层22和第二介质层24，得到图形化的悬臂梁和热盘结构110，如图10所示，所述悬臂梁包括支撑梁，所述支撑梁包括中间部和位于所述中间部两端的第一端部和第二端部，所述第一端部和所述第二端部均比所述中间部粗，悬臂梁的俯视图可参考图1。第一支撑梁131从下到上依次包括第一介质层22、第一梁上加热丝141和第二介质层24。第二支撑梁132从下到上依次包括第一介质层22、第二梁上加热丝142和第二介质层24。第三支撑梁133从下到上依次包括第一介质层22、第二介质层24和第三梁上测试丝161。第四支撑梁134从下到上依次包括第一介质层22、第二介质层24和第四梁上测试丝162。
之后，湿法刻蚀衬底100，以除去图形化的悬臂梁和热盘结构下方的衬底部分，从而形成空腔120，如图11所示。湿法刻蚀采用的刻蚀液可为氢氧化钾(KOH)水溶液、TMAH(四甲基氢氧化铵水溶液)和EPW(邻苯二酚-乙二胺-水)中的任何一种。空腔120上方的第一介质层(即热盘支撑层220)、热盘加热丝230、第二介质层(即热盘绝缘层240)和热盘测试丝250构成热盘结构110。热盘结构110和衬底100通过悬臂梁连接，使热盘结构110悬于空腔120上方。
最后，在所述热盘结构上形成气敏薄膜层260，如图12所示。
气敏薄膜层260具有多孔结构，多孔结构的孔径为50nm-10μm，气敏薄膜层260的材料为气敏材料，所述气敏材料为金属氧化物。
在一些实施例中，多孔结构的孔径为1μm-10μm，例如为1μm、2μm、3μm、4μm、5μm、6μm、7μm、8μm、9μm或10μm。
本发明的多孔结构的孔径可达微米级别，比表面积大，不仅能够吸附更多的气体分子与吸附氧反应，增加气体传感器的灵敏度，还有利于气体分子的穿梭，使得气体分子的吸附和解吸过程变快，响应恢复时间变短。
优选地，多孔结构的孔径为5μm-7μm，最优选为6μm。孔径较大，比表面积会比较大，不仅能够吸附更多的气体分子与吸附氧反应，有利于气体分子的穿梭，但是若孔径太大，会影响气敏材料的电导率，使电导率大幅下降，不利于电学测试。5μm-7μm孔径会保证有较大的比表面积，并有较为理想的电导率。
在一些实施例中，金属氧化物包括SnO2、WO3、In2O3、Nb2O5、TiO2、NiO、CuO、ZnO、Cr2O3、Co3O4、Fe2O3、Mn3O4中的一种或多种。
在一些实施例中，气敏薄膜层260的表面为波浪状。波浪状结构可增加气敏薄膜层260表面与气体接触的面积，增加气体交换的界面，有利于吸附更多的气体，进一步提高气敏薄膜层260的气敏性能。
在一些具体实施例中，波浪状结构的高度d可在30nm至30μm范围内，波长λ可在50nm至50μm范围内。通常波浪状结构的高度小于波长。
在一些实施例中，气敏薄膜层260的厚度可为1um～50μm，优选5-15μm，最优选10μm。
气敏薄膜层260可通过包括以下步骤的方法制备。
首先，形成介质层，介质层包括有机聚合物和致孔剂。
在一些实施例中，形成介质层包括：将致孔剂和液态的有机聚合物混合，得到混合物；通过点胶、旋涂或丝网印刷的方式涂覆混合物，并加热固化。
在一些实施例中，介质层的厚度可为1μm-50μm，优选5-15μm，最优选10μm。
在一些实施例中，有机聚合物包括聚二甲基硅氧烷、硅橡胶、聚氨酯、氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物、聚酰亚胺、聚甲基丙烯酸甲酯中的一种或多种。
在一些实施例中，致孔剂包括水溶性盐类化合物或水溶性糖类化合物。水溶性盐类化合物包括NaCl、CuCl2和Na2SO4中的一种或多种；
在一些实施例中，控制有机聚合物和致孔剂的质量比，从而调控所述多孔结构的孔径。有机聚合物和致孔剂的质量比可为(0.1-50):1，优选为(5-15)：1，最优选10:1。有机聚合物和致孔剂的质量比越高，气敏薄膜层260中多孔结构的孔径越大，选择合适的质量比有利于控制孔径在合理范围内。
在一些实施例中，在去除致孔剂之前，所述制备方法还包括：将介质层加热至胶态；将微结构模具放置在胶态的介质层上，使介质层的表面呈波浪状；加热胶态的介质层，使其完全固化，加热温度为75-85℃，加热时间为3～6小时，优选加热条件为80℃、4小时；剥离微结构模具。在一些具体实施例中，将介质层加热至胶态，加热温度为60℃～80℃，加热时间为10～30分钟，优选加热条件为60℃、20分钟。
在一些具体实施例中，微结构模具可以是波浪状的聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜、波浪状的PDMS厚膜或波浪状的PDMS块状体。波浪状PDMS薄膜的制备包括：将PDMS薄膜原料放置在定制的拉伸夹具中进行单向预拉伸，使其长度增加；然后进行UVO紫外光处理，以氧化PDMS薄膜的上表面，使之变成稠密的硅酸盐层，相比于下层PDMS，经过本步处理的PDMS薄膜的上表面具有更高的弹性模量；释放应力后，上下两层PDMS的弹性模量发生失配，使PDMS的上表面形成为波浪状。PDMS模具的微结构尺寸可以通过预拉伸程度和UVO紫外曝光时间调控。预拉伸程度可以是10～80％，优选30％，微结构的高度随着预拉伸程度的增加而增加，而微结构的波长几乎没有变化。UVO紫外曝光时间可以是1～8小时，优选2.5小时。随着曝光时间增加，微结构的波长和高度以近似指数的规律增加。波浪状结构的高度d可在30nm至30μm范围内，优选1um～5um,波长λ可在50nm至50μm范围内,优选为5um～20um。通常波浪状结构的高度小于波长。
然后，去除致孔剂，从而在介质层中形成孔。
在一些实施例中，去除致孔剂包括：将介质层浸没于水中以去除致孔剂。由于致孔剂为水溶性盐类化合物，因此将介质层浸泡在水中后，致孔剂会溶解在水中，从而被去除。
接下来，在孔中填充气敏材料，并固化。
在一些实施例中，在孔结构中填充气敏材料包括：通过丝网印刷或者点胶的方式将气敏材料涂覆在介质层上，使气敏材料渗透到孔中。涂覆后，气敏材料会透过孔，把介质层的孔完全填充，波浪状结构有利于气敏材料的渗透。
气敏材料以溶液形式涂覆在介质层上。配制气敏材料溶液包括将气敏材料溶于溶剂。溶剂可为水、乙醇、松油醇、丙酮、二甲基甲酰胺(DMF)、二甲基亚砜(DMSO)等一种或多种。
最后，去除剩余的介质层部分，从而得到具有多孔结构的气敏薄膜层260。
气敏材料填充在介质层的孔中，通过去除剩余的介质层部分，才能得到具有多孔结构的气敏薄膜层260。
在一些实施例中，去除剩余的介质层部分包括：放入刻蚀液中进行去除。优选地，刻蚀液包含丙酮。为了增加介质层在刻蚀液中的溶解度，刻蚀液还可包含水、乙醇、苯、甲苯、二甲苯、正庚烷、氯仿的一种或多种。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种MEMS气体传感器，其特征在于，包括：
衬底，所述衬底上设有空腔；
微热板结构，所述微热板结构包括热盘结构和悬臂梁；所述热盘结构悬设于所述空腔上方；所述悬臂梁连接所述热盘结构和所述衬底，能够支撑所述热盘结构，其中，所述悬臂梁包括支撑梁，所述支撑梁包括中间部和位于所述中间部两端的第一端部和第二端部，所述第一端部和所述第二端部均比所述中间部粗；以及
气敏薄膜层，所述气敏薄膜层设置在所述热盘结构上。
2.根据权利要求1所述的MEMS气体传感器，其特征在于，所述第一端部和所述第二端部的横截面均为梯形结构，所述中间部的横截面为宽度均匀的条形结构。
3.根据权利要求2所述的MEMS气体传感器，其特征在于，所述梯形结构的较短底边与所述中间部连接。
4.根据权利要求2所述的MEMS气体传感器，其特征在于，所述梯形结构的较短底边的边长大于或等于所述中间部的宽度。
5.根据权利要求2所述的MEMS气体传感器，其特征在于，所述支撑梁为曲折状；优选地，所述中间部的横截面为直条形结构，所述第一端部和所述第二端部的中轴线与所述中间部的长度方向垂直。
6.根据权利要求1或2所述的MEMS气体传感器，其特征在于，所述悬臂梁包括第一悬臂梁、第二悬臂梁、第三悬臂梁和第四悬臂梁，所述第一悬臂梁包括第一支撑梁和第一梁上加热丝，所述第二悬臂梁包括第二支撑梁和第二梁上加热丝，所述第三悬臂梁包括第三支撑梁和第三梁上测试丝，所述第四悬臂梁包括第四支撑梁和第四梁上测试丝，所述第三梁上测试丝和所述第四梁上测试丝均比所述第一梁上加热丝和所述第二梁上加热丝细。
7.根据权利要求6所述的MEMS气体传感器，其特征在于，所述第三梁上测试丝和所述第四梁上测试丝的线宽均为5μm～20μm；
所述第一梁上加热丝和所述第二梁上加热丝的线宽均为15μm～40μm。
8.权利要求1-7中任一项所述的MEMS气体传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
在衬底上形成图形化的悬臂梁和热盘结构，所述悬臂梁包括支撑梁，所述支撑梁包括中间部和位于所述中间部两端的第一端部和第二端部，所述第一端部和所述第二端部均比所述中间部粗；
湿法刻蚀所述衬底，以除去所述悬臂梁和所述热盘结构下方的所述衬底部分，从而形成空腔；以及
在所述热盘结构上形成气敏薄膜层。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，形成图形化的所述悬臂梁和所述热盘结构包括：
在所述衬底上形成第一介质层；
在所述第一介质层上形成热盘加热丝；
在所述第一介质层上形成第二介质层，使其覆盖所述热盘加热丝；
在所述第二介质层上形成热盘测试丝；
干法刻蚀所述第一介质层和所述第二介质层，以实现所述悬臂梁和所述热盘结构的图形化。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，在形成所述热盘加热丝的步骤中，在所述第一介质层上还形成第一梁上加热丝和第二梁上加热丝；
在形成所述热盘测试丝的步骤中，在所述第二介质层上还形成第三梁上测试丝和第四梁上测试丝；
所述第三梁上测试丝和所述第四梁上测试丝均比所述第一梁上加热丝和所述第二梁上加热丝细。
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