CN117890437A - 一种mems气体传感器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种MEMS气体传感器及其制作方法，包括衬底，衬底的两侧成型有支撑膜，其中一层支撑膜远离衬底的一侧成型有绝缘层，支撑膜与绝缘层之间设置有加热器和测量电极，绝缘层对应测量电极和加热器的位置设置有气敏材料层，气敏材料层贴合测量电极，其中，衬底贴合设置有绝缘层的支撑膜的一侧设有凹槽，支撑膜和绝缘层的相同位置均设置有第一孔结构和第二孔结构，第二孔结构位于气敏材料层下方，第一孔结构和第二孔结构均连通凹槽。本发明实施例提供的MEMS气体传感器，进行了设计优化，可在不增加制造工艺步骤和加工成本、不牺牲有效接触面积尺寸的情况下，有效减少MEMS气体传感器中的热损失，进而降低MEMS气体传感器的功耗。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种MEMS气体传感器及其制作方法。
背景技术
目前，微机电系统(MEMS)气体传感器在人工智能、物联网、空气质量监测、化工生产和安全家居等领域发挥着重要作用，因为它们具有高灵敏度、低功耗、小体积和易于集成等多重优势。通常，MEMS气体传感器由两部分组成，即MEMS微型加热器和气体敏感薄膜。其中，MEMS微型加热器的作用至关重要，它用于提供稳定且恒定的工作温度，以确保气敏膜可以准确地检测被测气体浓度的变化。传统的MEMS微加热器结构自下而上包括硅衬底、下绝缘层、加热电极、上绝缘层和测试电极。硅衬底通过各向异性蚀刻形成空气绝热槽，下绝缘层和上绝缘层通过干法蚀刻和各向异性蚀刻形成加热平台和悬臂梁。然而，由于传统MEMS微加热器将加热电极和测试电极分别制作于不同层的位置，制备工艺步骤较多，最终影响整个气体传感器的加工成本。此外，任何使用微加热器组件构建MEMS器件(如气体传感器)的功耗始终会受到微加热器的功耗影响，因此低功耗微加热器的设计成为关注焦点。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决现有技术中的上述技术问题之一。为此，本发明实施例提供一种MEMS气体传感器，进行了设计优化，可在不增加制造工艺步骤和加工成本、不牺牲有效接触面积尺寸的情况下，有效减少MEMS气体传感器中的热损失，进而降低MEMS气体传感器的功耗。
本发明实施例还提供一种MEMS气体传感器及其制作方法。
根据本发明第一方面的实施例，提供一种MEMS气体传感器，包括衬底，所述衬底的两侧成型有支撑膜，其中一层所述支撑膜远离所述衬底的一侧成型有绝缘层，所述支撑膜与所述绝缘层之间设置有加热器和测量电极，所述绝缘层对应所述测量电极和所述加热器的位置设置有气敏材料层，所述气敏材料层贴合所述测量电极，其中，所述衬底贴合设置有所述绝缘层的所述支撑膜的一侧设有凹槽，所述支撑膜和所述绝缘层的相同位置均设置有第一孔结构和第二孔结构，所述第二孔结构位于所述气敏材料层下方，所述第一孔结构和所述第二孔结构均连通所述凹槽。
上述MEMS气体传感器，至少具有如下有益效果：现有技术中，气体传感器的功耗与其热损失机制相关，包括通过悬臂梁和膜的热传导产生的热损失、散失到环境中的热损失(对流)以及由辐射引起的热损失。其中，在所有的热损失机制中，通过膜传导的热损失是气体传感器中热损失的主要方式。本申请的气体传感器进行了设计优化，可在不增加制造工艺步骤和加工成本、不牺牲有效接触面积尺寸的情况下，有效减少MEMS气体传感器中的热损失，进而降低MEMS气体传感器的功耗，具体的，通过增设第二孔结构来减少薄膜的表面积，降低热损失，通过穿孔结构来减少了支撑膜内的热传导量，从而减少了气体传感器的功耗，另外，去除了隔离层(例如现有技术中的上绝缘层)即可实现加热器与测量电极之间的电绝缘。
根据本发明第一方面实施例所述的MEMS气体传感器，所述测量电极位于所述支撑膜的中部，所述加热器围设于所述测量电极的周边，其中，所述测量电极与所述加热器之间具有间隙。
根据本发明第一方面实施例所述的MEMS气体传感器，所述加热器与所述测量电极处于同一平面，所述绝缘层将所述支撑膜上除所述测量电极以及所述加热器与所述测量电极的焊盘之外的位置覆盖填满，以使所述加热器与所述气敏材料层之间电绝缘。
根据本发明第一方面实施例所述的MEMS气体传感器，所述第一孔结构设置有4个，4个所述第一孔结构围设于所述加热器周边。
根据本发明第一方面实施例所述的MEMS气体传感器，所述支撑膜上处于所述测量电极的各电极之间的部分镂空以形成所述第二孔结构。
根据本发明第一方面实施例所述的MEMS气体传感器，所述支撑膜的厚度为1μm，所述支撑膜的材质为SiNx。
根据本发明第一方面实施例所述的MEMS气体传感器，所述测量电极和所述加热器包括Ta电极和Pt电极，所述Ta电极的厚度为20nm，所述Pt电极的厚度为200nm。
根据本发明第一方面实施例所述的MEMS气体传感器，所述测量电极与所述加热器均位于所述凹槽上方。
根据本发明第二方面的实施例，提供一种上述MEMS气体传感器的制作方法，包括如下步骤：
S1、利用气态的SiH2Cl2和NH3在衬底的两侧面进行低压化学气相沉积，以形成支撑膜；
S2、通过电子束蒸镀和剥离工艺在其中一层所述支撑膜的表面生成测量电极与加热器；
S3、通过等离子体增强化学气相沉积在具有所述测量电极与所述加热器的所述支撑膜生成绝缘层，其中，所述绝缘层包覆住所述测量电极与所述加热器；
S4、通过正性光刻胶对所述绝缘层进行曝光光刻和选择性电感耦合等离子体蚀刻，以形成用于裸露所述测量电极和所述测量电极的各电极之间的所述衬底的第一窗口、在所述加热器周围生成用于各向异性蚀刻的第二窗口以及用于裸露所述测量电极和所述加热器的焊盘的第三窗口；
S5、通过各向异性蚀刻在所述衬底的上表面对应所述第一窗口和所述第二窗口的位置分别生成第一穿孔和第二穿孔，所述第一穿孔与所述第一窗口形成第二孔结构，所述第二穿孔和所述第二窗口形成第一孔结构；
S6、在所述第一窗口处利用磁控溅射沉积一层金属氧化物以形成气敏材料层，所述气敏材料层不覆盖所述测量电极的各电极之间的所述第一穿孔；
S7、透过所述第一孔结构和所述第二孔结构，采用各向异性蚀刻使所述衬底形成凹槽。
上述MEMS气体传感器的制作方法，至少具有如下有益效果：上述的制作方法能够在不增加制造工艺步骤和加工成本、不牺牲有效接触面积尺寸的情况下制造出节能的MEMS气体传感器，新的优化设计能够有效减少MEMS气体传感器中的热损失，进而降低MEMS气体传感器的功耗。
根据本发明第二方面实施例所述的MEMS气体传感器的制作方法，所述各向异性蚀刻采用的蚀刻材料为40wt.％的氢氧化钾，蚀刻时的温度控制在65℃。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步地说明；
图1是本发明实施例中，MEMS气体传感器的成型示意图一；
图2是本发明实施例中，MEMS气体传感器的成型示意图二；
图3是本发明实施例中，MEMS气体传感器的成型示意图三；
图4是本发明实施例中，MEMS气体传感器的成型示意图四；
图5是本发明实施例中，MEMS气体传感器的成型示意图五；
图6是本发明实施例中，MEMS气体传感器的成型示意图六；
图7是本发明实施例中，MEMS气体传感器的成型过程示意图；
图8是本发明实施例中，传统气体传感器与本申请的MEMS气体传感器的加热温度传导示意图；
图9是本发明实施例中，传统气体传感器与本申请的MEMS气体传感器的热应力分布图。
具体实施方式
本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右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。
在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，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或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
目前，研究人员一直在利用基本原理来降低功耗(包括传导、对流和辐射的热损失)来改进低功率微型加热器的设计。迄今为止的研究已经产生了不同的低功耗设计，从加热器直接位于薄膜上(即直接附着在硅片上)的封闭薄膜，到薄膜完全悬浮在空腔上的悬浮薄膜。封闭薄膜式微加热器具有更好的机械稳定性，而悬浮薄膜微加热器提供更好的隔热性能，因此功耗相比封闭薄膜更低。大多数生物传感器/化学传感器需要较大的活性接触面积才能获得更好的灵敏度，活性面积的减少必然会导致灵敏度降低。
为此，如图6和图7所示，本申请实施例提供一种MEMS气体传感器，包括衬底100，衬底100的两侧成型有支撑膜200，其中一层支撑膜200远离衬底100的一侧成型有绝缘层500，支撑膜200与绝缘层500之间设置有加热器400和测量电极300，需说明的是本申请的MEMS气体传感器制作时，先成型加热器400和测量电极300再进行绝缘层500的成型，以便绝缘层500将加热器400和气敏材料层600分隔形成电绝缘，进一步的，绝缘层500对应测量电极300和加热器400的位置设置有气敏材料层600，气敏材料层600贴合测量电极300，其中，衬底100贴合设置有绝缘层500的支撑膜200的一侧设有凹槽110，支撑膜200和绝缘层500的相同位置均设置有第一孔结构210和第二孔结构220，第二孔结构220位于气敏材料层600下方，第一孔结构210和第二孔结构220均连通凹槽110，凹槽110的设置能够很好的进行隔热，配合第一孔结构210和第二孔结构220的使用能够有效减少加热器的热损失。
现有技术中，气体传感器的功耗与其热损失机制相关，包括通过悬臂梁和膜的热传导产生的热损失、散失到环境中的热损失(对流)以及由辐射引起的热损失。其中，在所有的热损失机制中，通过膜传导的热损失是气体传感器中热损失的主要方式。本申请的气体传感器进行了设计优化，可在不增加制造工艺步骤和加工成本、不牺牲有效接触面积尺寸的情况下，有效减少MEMS气体传感器中的热损失，进而降低MEMS气体传感器的功耗，具体的，通过增设第二孔结构220来减少支撑膜200和绝缘层500的表面积，降低热损失，通过穿孔结构来减少了支撑膜200和绝缘层500内的热传导量，从而减少了气体传感器的功耗，另外，去除了隔离层(例如现有技术中的上绝缘层)即可实现加热器400与测量电极300之间的电绝缘。
进一步的，如图2至图6所示，测量电极300位于支撑膜200的中部，加热器400围设于测量电极300的周边，其中，测量电极300与加热器400之间具有间隙，避免测量电极300与加热器400之间出现电性连接的情况。
在一些实施例中，如图7所示，加热器400与测量电极300处于同一平面，绝缘层500将支撑膜200上除测量电极300以及加热器400与测量电极300的焊盘700之外的位置覆盖填满，以使加热器400与气敏材料层600之间电绝缘。
在一些实施例中，如图4至图6所示，第一孔结构210设置有4个，4个第一孔结构210围设于加热器400周边，进一步通过第一孔结构210来降低支撑膜200和绝缘层500的面积，减少热传导，进而能够降低功耗。
在另外的一些实施例中，如图7所示，支撑膜200上处于测量电极300的各电极之间的部分镂空以形成第二孔结构220，通过第二孔结构220来降低支撑膜200和绝缘层500的面积，减少热传导，进而能够降低功耗。
进一步的，支撑膜200的厚度为1μm，支撑膜200的材质为SiNx，支撑膜200通过低压化学气相沉积的方式形成。
进一步的，测量电极300和加热器400包括Ta电极和Pt电极，Ta电极的厚度为20nm，Pt电极的厚度为200nm，其中，测量电极300通过电子束蒸镀和剥离工艺成型。
优选的，测量电极300与加热器400均位于凹槽110上方，通过增设凹槽110，降低支撑膜200与其它层结构进行热传导导致热损耗，进一步降低功耗。
具体的，本申请还提供一种上述MEMS气体传感器的制作方法，具体包括如下步骤：
S1、如图1所示，利用气态的SiH2Cl2和NH3在衬底100的两侧面进行低压化学气相沉积，以形成支撑膜200。
S2、如图2所示，通过电子束蒸镀和剥离工艺在其中一层支撑膜200的表面生成测量电极300与加热器400。
S3、如图3所示，通过等离子体增强化学气相沉积在具有测量电极300与加热器400的支撑膜200生成绝缘层500，其中，绝缘层500包覆住测量电极300与加热器400。
S4、如图4所示，通过正性光刻胶对绝缘层500进行曝光光刻和选择性电感耦合等离子体蚀刻，以形成用于裸露测量电极300和测量电极300的各电极之间的部分衬底100的第一窗口510、在加热器400周围生成用于各向异性蚀刻的第二窗口530以及用于裸露焊盘700的第三窗口520。
S5、如图5和图6所示，通过各向异性蚀刻在衬底100的上表面对应第一窗口510和第二窗口530的位置分别生成第一穿孔和第二穿孔，第一穿孔与第一窗口510形成第二孔结构220，第二穿孔和第二窗口530形成第一孔结构210。
S6、在第一窗口510处利用磁控溅射沉积一层金属氧化物以形成气敏材料层600，使得气敏材料层600既与测量电极300接触，又使得气敏材料层600不覆盖测量电极300的各电极之间的第一穿孔。
S7、透过第一孔结构210和第二孔结构220，采用各向异性蚀刻使衬底100形成凹槽110。
其中，上述的各向异性蚀刻采用的蚀刻材料为40wt.％的氢氧化钾，蚀刻时的温度控制在65℃。以便更好的通过第一孔结构210、第二孔结构220形成凹槽110。
上述的制作方法能够在不增加制造工艺步骤和加工成本、不牺牲有效接触面积尺寸的情况下制造出节能的MEMS气体传感器，新的优化设计能够有效减少MEMS气体传感器中的热损失，进而降低MEMS气体传感器的功耗。
另外，通过使用商用仿真工具COMSOL Multiphysics进行有限元素法(FiniteElement Method,FEM)分析，并使用COMSOL的几何函数对所提出的MEMS气体传感器进行建模，所有使用的材料均取自COMSOL的材料库，模拟测试采用COMSOL的焦耳热物理模型，具备电流和固体传热特性，并模拟传导和对流传热。具体的，通过设计了两种相同尺寸和材料特性的气体传感器模型：一种带有穿孔膜，另一种具有全膜(无孔)，两种气体传感器模型在相同条件下进行仿真，并在相同加热电压下，与未穿孔膜的模型相比，如图8所示，具有穿孔膜的模型具有更高的加热温度。如图9所示，两种微加热器(具有穿孔的气体传感器和无孔气体传感器)的热应力分布图表明，与非穿孔气体传感器相比，穿孔的气体传感器降低了薄膜加热区域的热应力，可有效减少由热应力引起的薄膜破坏。
上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所述技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (10)
1.一种MEMS气体传感器，其特征在于：包括衬底(100)，所述衬底(100)的两侧成型有支撑膜(200)，其中一层所述支撑膜(200)远离所述衬底(100)的一侧成型有绝缘层(500)，所述支撑膜200与所述绝缘层(500)之间设置有加热器(400)和测量电极(300)，所述绝缘层(500)对应所述测量电极(300)和所述加热器(400)的位置设置有气敏材料层(600)，所述气敏材料层(600)贴合所述测量电极(300)，其中，所述衬底(100)贴合设置有所述绝缘层(500)的所述支撑膜(200)的一侧设有凹槽(110)，所述支撑膜(200)和所述绝缘层(500)的相同位置均设置有第一孔结构(210)和第二孔结构(220)，所述第二孔结构(220)位于所述气敏材料层(600)下方，所述第一孔结构(210)和所述第二孔结构(220)均连通所述凹槽(110)。
2.根据权利要求1所述的MEMS气体传感器，其特征在于：所述测量电极(300)位于所述支撑膜(200)的中部，所述加热器(400)围设于所述测量电极(300)的周边，其中，所述测量电极(300)与所述加热器(400)之间具有间隙。
3.根据权利要求2所述的MEMS气体传感器，其特征在于：所述加热器(400)与所述测量电极(300)处于同一平面，所述绝缘层(500)将所述支撑膜(200)上除所述测量电极(300)以及所述加热器(400)与所述测量电极(300)的焊盘(700)之外的位置覆盖填满，以使所述加热器(400)与所述气敏材料层(600)之间电绝缘。
4.根据权利要求1所述的MEMS气体传感器，其特征在于：所述第一孔结构(210)设置有4个，4个所述第一孔结构(210)围设于所述加热器(400)周边。
5.根据权利要求1所述的MEMS气体传感器，其特征在于：所述支撑膜(200)上处于所述测量电极(300)的各电极之间的部分镂空以形成所述第二孔结构(220)。
6.根据权利要求1所述的MEMS气体传感器，其特征在于：所述支撑膜(200)的厚度为1μm，所述支撑膜(200)的材质为SiNx。
7.根据权利要求1所述的MEMS气体传感器，其特征在于：所述测量电极(300)和所述加热器(400)包括Ta电极和Pt电极，所述Ta电极的厚度为20nm，所述Pt电极的厚度为200nm。
8.根据权利要求1所述的MEMS气体传感器，其特征在于：所述测量电极(300)与所述加热器(400)均位于所述凹槽(110)上方。
9.一种MEMS气体传感器的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、利用气态的SiH2Cl2和NH3在衬底(100)的两侧面进行低压化学气相沉积，以形成支撑膜(200)；
S2、通过电子束蒸镀和剥离工艺在其中一层所述支撑膜(200)的表面生成测量电极(300)与加热器(400)；
S3、通过等离子体增强化学气相沉积在具有所述测量电极(300)与所述加热器(400)的所述支撑膜(200)生成绝缘层(500)，其中，所述绝缘层(500)包覆住所述测量电极(300)与所述加热器(400)；
S4、通过正性光刻胶对所述绝缘层(500)进行曝光光刻和选择性电感耦合等离子体蚀刻，以形成用于裸露所述测量电极(300)和所述测量电极(300)的各电极之间的所述衬底(100)的第一窗口(510)、在所述加热器(400)周围生成用于各向异性蚀刻的第二窗口(530)以及用于裸露所述测量电极(300)和所述加热器(400)的焊盘(700)的第三窗口(520)；
S5、通过各向异性蚀刻在所述衬底(100)的上表面对应所述第一窗口(510)和所述第二窗口(530)的位置分别生成第一穿孔和第二穿孔，所述第一穿孔与所述第一窗口(510)形成第二孔结构(220)，所述第二穿孔和所述第二窗口(530)形成第一孔结构(210)；
S6、在所述第一窗口(510)处利用磁控溅射沉积一层金属氧化物以形成气敏材料层(600)，所述气敏材料层(600)不覆盖所述测量电极(300)的各电极之间的所述第一穿孔；
S7、透过所述第一孔结构(210)和所述第二孔结构(220)，采用各向异性蚀刻使所述衬底(100)形成凹槽(110)。
10.根据权利要求9所述的MEMS气体传感器的制作方法，其特征在于：所述各向异性蚀刻采用的蚀刻材料为40wt.％的氢氧化钾，蚀刻时的温度控制在65℃。
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| CN202311728439.1A CN117890437A (zh) | 2023-12-14 | 2023-12-14 | 一种mems气体传感器及其制作方法 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311728439.1A CN117890437A (zh) | 2023-12-14 | 2023-12-14 | 一种mems气体传感器及其制作方法 |
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|---|---|
| CN117890437A true CN117890437A (zh) | 2024-04-16 |
Family
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| CN202311728439.1A Pending CN117890437A (zh) | 2023-12-14 | 2023-12-14 | 一种mems气体传感器及其制作方法 |
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2023
- 2023-12-14 CN CN202311728439.1A patent/CN117890437A/zh active Pending
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