CN1261754C - 用于检测气体的传感器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于检测气体的传感器及制作方法。它包括：衬底、在衬底的一面上有一层金刚石膜/纳米金刚石膜；在其上的两边各设置一条形金属电极，测量引线连接在其上；在衬底的另一面制作一金属加热电阻，加热电阻的测量引线连接在加热电阻两端的。该制作方法包括首先制作加热电阻；在金属加热电阻的两端用压焊测量引线；在衬底材料的另一面的金刚石膜是采用热灯丝化学气相沉积方法制备的，含有微米/亚微米晶粒的金刚石膜是在传统的研磨或偏压成核的衬底上，利用甲烷和氢气在高温下反应而合成的；再将测量引线分别连接在每一条形金属电极上。该传感器具有高选择性，高灵敏度，快速的响应与恢复的良好的一致性，及耐高温和抗辐射；同时具有工艺简单。
Description
技术领域
本发明属一种气体传感器，特别涉及一种包含金刚石膜/纳米金刚石膜，用于检测气体的传感器及其制作方法。
背景技术
现有技术所制作的气体传感器是采用传统催化金属电极的金属-绝缘体-半导体(MIS)二极管结构，所不同的是用本征金刚石膜作绝缘层，用掺杂的金刚石膜作半导体层，敏感膜还是传统的SnOx敏感材料，催化电极还是传统的Pt。通常，随敏感膜和催化电极的不同，可实现对H2，O2，CO等气体的检测。如文献1：“用于CO气体探测的高温金刚石二极管(High-temperature tolerant diamonddiode for carbon monoxide gas detection)，载于《Journal of Applied Physics》1998，Vol.84，No.7：6935-6936所公开；这种采用金刚石膜做绝缘与半导体层、具有多层结构的气体传感器如图1所示(Pt和SnOx层7、本征金刚石膜8和P型掺杂金刚石膜9等)；在衬底与Pt电极间施加一定的电压，通过测量电流，得到I-V曲线。在特定气体中，在Pt电极的催化作用下，二极管中的SnOx吸附气体后由于附加偏压的作用将使流经二极管的电流改变，从而达到对特定气体的选择性定量检测。它的优点是：由于金刚石膜的采用，该传感器具有较宽的工作温度范围和较高的稳定性。但是，由于采用的气敏材料一般需要在高温下才具有较强的吸附气体的能力，故在常温下该传感器的灵敏度较低，另外由于过渡金属和陶瓷敏感材料对多种气体均敏感，故这种结构的传感器选择性较差，造成检测的不准确性。另外，多层膜的结构使得制作工艺比较复杂，成本较高。而且，金刚石膜在此结构的传感器中是作为提高工作温度、替代半导体硅的半导体层，而不是用金刚石膜作为敏感材料，不能称其为真正意义上的金刚石气体传感器。
发明内容
本发明的目的在于：克服已有的气体传感器灵敏度较低和选择性较差，而造成检测不准确的缺点；另外，克服已有的器件具有多层膜的结构，致使器件制作工艺复杂，成本高的缺点；从而提供一种具有高选择性、高灵敏度和快速响应与恢复性能的用于检测气体的传感器及其制作方法。
本发明的目的是这样实现的：
本发明提供的用于检测气体的传感器，包括：衬底、在衬底的一个面上有一层金刚石膜/纳米金刚石膜；其特征在于：在金刚石膜/纳米金刚石膜上的两边各设置一条形金属电极，测量引线连接在其上；在衬底的另一面制作一金属加热电阻，加热电阻引线连接在加热电阻两端。
所述的金刚石膜/纳米金刚石膜厚至少为0.5μm以上。
所述的衬底包括：单晶硅片、石英或陶瓷等，并经过抛光的。
所述的金刚石膜上Ti/Pt/Au电极为：沉积50-200nm的Ti，100-400nm的Pt和200-600nm的Au的复合金属膜；其宽度为3mm-7mm，长度与衬底宽度一致。
所述的金属加热电阻包括：Ti、Pt、Au、W或Mo等；加热电阻的形状包括：条形、梳形或齿形等，均没有严格限制；只要其面积小于15mm×15mm，其电阻为0.1-5Ω；没有杂质从加热电阻中被蒸发，能达到将衬底加热到最高400℃即可。
所述的加热电阻的引线、测量引线是用Au丝或Pt丝等制作的。
本发明的用于检测气体的传感器的制作方法，包括以下步骤：
(1)首先制作加热电阻：取一衬底材料在其一表面用溅射方法蒸镀500-1000nm的金属膜，采用光刻技术，将金属膜刻蚀出条宽为10-50μm的金属条(如图2所示)，其电阻为0.1-5Ω的金属加热电阻；所选择金属的种类包括：Ti、Pt、Au、W或Mo等；加热电阻的结构与形状包括：条形、梳形或齿形等，只要能达到将衬底加热到最高400℃，其面积小于：15mm×15mm，没有杂质被蒸发即可。
(2)在金属电阻条的两端用超声压焊方法制作引线，如金的引线，可与直流低压电源连接，实现对衬底的加热，可将硅片的温度最高提升至400℃；
(3)在衬底材料的另一面制作金刚石膜/纳米金刚石膜：在SiO2上采用热灯丝分解甲烷和氢气的方法生长金刚石薄膜，金刚石在衬底上的成核采用衬底施加负偏压的方法或采用传统的表面研磨促进金刚石成核方法；其中成核条件：负偏压一般为80-300V，甲烷/氢气为：(5-40)∶100体积比，衬底温度为：650-1100℃，反应压力为：5-60mbar，成核时间为15-30分钟；成核后，微米/亚微米晶粒构成的金刚石薄膜的生长采用常规方法，其条件如下：偏压为零，甲烷/氢气为：(0.1-10)∶100体积比，其它条件不变；纳米金刚石薄膜的生长则采用对衬底连续施加负偏压的方法，保持成核时的各种条件不变。但通过偏压大小的控制，甲烷浓度的适当改变，可以调整纳米金刚石的晶粒尺寸，实现晶粒尺寸从十几纳米到几十纳米的控制。上述条件为生长微米/亚微米或纳米金刚石膜的较好条件，实际上并非很严格，只要能生长出金刚石薄膜即可。对膜的厚度也没有严格要求，只要形成了连续膜，厚度可以从几百纳米到几十微米，甚至几百微米均可；
(4)在金刚石膜/纳米金刚石膜上制作电极：采用的金属沉积方法、采用溅射方法分别沉积50-200nm厚的Ti，100-400nm厚的Pt和200-600nm厚的Au组成的作为欧姆接触用条形复合金属电极(如图2所示)，电极的大小以下一步的压焊引线工艺方便为主。如电极的长度与衬底宽度一致，电极宽度可以是3-7mm，长度与衬底宽度一致；
(5)2根测量引线，如Au丝分别连接在两条形金属电极上；用静电压焊方法将2根测量引线压焊在电极上，引线处可外接高阻计，将传感器样品引入某种气体环境中检测金刚石吸附气体后表面电阻的变化，进行检测气体。
为了达到表面电阻的测量更准确，还包括选择硅材料做衬底时，可在表面生长一100-600nm的SiO2绝缘层。
还包括衬底1为石英，其背面可制作Mo加热电阻2，为提高Mo与适应的附着力，在蒸镀Mo前可先蒸镀100-200nm的Cr。
还包括把生长后的金刚石膜为减少膜内的应力，在H2或H等离子体中退火：退火的条件为，衬底温度：600-1000℃，H2流量：100-1000sccm，气体压力：5-60mbar，退火时间：20分钟-2小时。上述为较好的退火条件。退火的目的在于减小膜内的应力，以退火后的应力达到-0.1---+0.1为益；退火同时获得了较好的P型金刚石膜表面，以电阻率达到105-107Ω·cm为益。
本发明的传感器中由于增加加热电阻的设计，一方面是为了使金刚石膜吸附气体后在高温下(300℃)尽快恢复，提高恢复时间；另一方面是提高金刚石膜在高温下对气体吸附的响应时间。金刚石膜是采用热灯丝化学气相沉积(HFCVD)或微波化学气相沉积(NMPCVD)方法制备的，含有微米/亚微米晶粒的金刚石膜是在传统的研磨或偏压成核的衬底上，利用甲烷和氢气在高温下反应而合成的。纳米金刚石膜是在直流负偏压下用H+离子连续轰击衬底生长出来的，通过H2或H等离子体中的退火减小金刚石膜中的应力，同时形成H键饱和的P型金刚石膜表面。之后采用溅射方法在生长的金刚石膜表面两端依次沉积金属Ti、Pt、Au，形成测量电极，用压焊Au丝做测量引线而制成的该传感器。纳米金刚石膜的采用是为了获得器件的高灵敏度。采用任何一种生长金刚石膜的方法，制备的含微米、亚微米级或纳米晶粒的金刚石膜经退火处理都可作为敏感膜，但其对检测气体的灵敏度以纳米金刚石膜为最高。
本发明的优点在于：
本发明的金刚石膜/纳米金刚石膜气体传感器是一种采用微米/亚微米或纳米金刚石膜为敏感材料，利用其H终止表面所表现出的P型半导体特性，使吸附的气体与金刚石膜表面交换电子，从而改变金刚石膜表面电阻，达到常温或高温下对低浓度气体的高灵敏度、高选择性检测。
采用上述方法制作的金刚石膜/纳米金刚石膜气体传感器可实现对气体的检测。如对NOx，在该气氛中金刚石膜的表面电阻将减小。而对NH3，在该气氛中金刚石膜表面电阻将增加。在常温下，纳米金刚石膜检测的气体浓度可以达到几个ppm量级，高温下(300℃)可以检测到ppb量级。对微米/亚微米晶粒构成的金刚石膜，常温下可以检测到几十个ppm，高温下可以检测到几个ppm。对金刚石膜/纳米金刚石膜气体传感器，加热可以使吸附的气体尽快脱附。通常，在300℃下，恢复时间小于1分钟(纳米金刚石膜的恢复时间小于30秒)，而在常温下，恢复时间大于1小时。
本发明的金刚石膜/纳米金刚石膜气体传感器具有高选择性，高灵敏度，快速的响应与恢复，良好的一致性及耐高温和抗辐射等高稳定性的优点，同时具有工艺简单，便于集成化的特点，因而适于大批量、低成本生产。
附图说明：
图1检测CO的高温金刚石膜二极管结构示意图
图2本发明的气体传感器的加热电阻平面结构示意图
图3本发明的金刚石膜/纳米金刚石膜气体传感器平面结构示意图
图面说明如下：
1衬底； 2加热电阻； 3加热电阻引线；
4电极； 5测量引线； 6金刚石膜/纳米金刚石膜；
7 Pt和SnOx层 8本征金刚石膜 9 P型掺杂金刚石膜
具体实施方式
实施例1
本发明的传感器具体结构参见图2和图3，在抛光的单晶硅片做衬底1，在衬底1的一面上长有一层0.5μm厚的金刚石膜/纳米金刚石膜6；在其金刚石膜6上的两边各沉积一Ti/Pt/Au电极4，其Ti厚50或200nm，Pt厚100或400nm和Au厚200或600nm的复合金属电极；其宽度为3或7mm，长度与衬底宽度一致；2根Au丝测量引线5连接在电极4上。其衬底1的背面制作一呈梳状Pt加热电阻2，其厚度500-1000nm的Pt金属膜，采用光刻技术，将金属膜刻蚀出条宽为10或50μm的Pt金属条，其面积为15mm×15mm，电阻值为0.1-5Ω；用金做的加热电阻引线3连接在加热电阻2的两端。
实施例2
本实施例的传感器具体结构参见图2和图3，并结合制作方法对本发明的传感器具体结构进行详细说明：
(1)在抛光的单晶硅片做衬底1，其背面用溅射方法蒸镀700nm的金属膜，采用光刻技术，将金属膜刻蚀出条宽为25μm的Ti金属条，其形状呈梳状的加热电阻2，两根金丝做加热电阻的引线3与加热电阻2的两端连接。加热电阻2的设计一方面是为了使金刚石膜吸附气体后在高温下(300-400℃)尽快恢复，提高恢复时间；另一方面是提高金刚石膜在高温下对气体吸附的响应时间。
(2)电极制作后，在硅衬底的正面制作金刚石膜/纳米金刚石膜6：在硅衬底上采用热灯丝或微波分解甲烷和氢气的方法生长金刚石薄膜，金刚石在衬底上的成核采用衬底施加负偏压的方法或采用传统的表面研磨促进金刚石成核方法；其中成核条件：负偏压一般为80-300V，甲烷：氢气为：(5或40)∶100体积比，衬底温度为：650-1100℃，反应压力为：5-60mbar，成核时间为15-30分钟；成核后，微米/亚微米晶粒构成的金刚石薄膜的生长采用常规方法，其条件如下：偏压为零，甲烷/氢气为：(0.1-10)∶100体积比，其它条件不变；纳米金刚石薄膜的生长则采用对衬底连续施加负偏压的方法，保持成核时的各种条件不变。但通过偏压大小的控制，甲烷浓度的适当改变，可以调整纳米金刚石的晶粒尺寸，实现晶粒尺寸从十几纳米到几十纳米的控制。上述条件为生长微米/亚微米或纳米金刚石膜的较好条件，实际上并非很严格，只要能生长出金刚石薄膜即可。对膜的厚度也没有严格要求，只要形成了连续膜，厚度可以从几百纳米到几十微米，甚至几百微米均可；本实施例在硅衬底的正面制作金刚石膜/纳米金刚石膜6厚度为1.5μm。
(3)在金刚石膜/纳米金刚石膜上制作电极：采用的金属沉积方法、采用溅射方法分别沉积100nm厚的Ti，200nm厚的Pt和400nm厚的Au组成的作为欧姆接触用条形复合金属电极(如图2所示)，电极的大小以下一步的压焊引线工艺方便为主。如电极的长度与衬底宽度一致，电极宽度是4mm，长度与衬底宽度一致；
(4)2根测量引线，如Au丝分别连接在两条形金属电极上；用静电压焊方法将2根测量引线压焊在电极上，引线处可外接高阻计，将传感器样品引入某种气体环境中检测金刚石吸附气体后表面电阻的变化，进行检测气体。
实施例3
在抛光的单晶硅片做衬底1，还包括先在衬底1采用低压CVD方法，沉积200-600nm的二氧化硅做绝缘层，为了提高测量的准确性。其余结构同实施例1，制备方法还包括以下退火步骤：把生长后的金刚石膜在H2或H等离子体中退火：其退火的条件如下：衬底温度：600-1000℃，H2流量：100-1000sccm，气体压力：5-60mbar，退火时间：20分钟-2小时。其余工艺同实施例2。金刚石膜是采用热灯丝化学气相沉积(HFCVD)方法制备的，含有微米/亚微米晶粒的金刚石膜是在传统的研磨或偏压成核在衬底上，利用甲烷和氢气在高温下反应而合成的。纳米金刚石膜是在直流负偏压下用H+离子连续轰击衬底生长出来的，通过H2或H等离子体中的退火减小金刚石膜中的应力，同时形成H键饱和的P型金刚石膜表面。之后采用溅射方法在生长的金刚石膜表面两端依次沉积金属Ti、Pt、Au，形成测量电极4，用点焊Au丝做测量引线3，制成气体传感器。纳米金刚石膜的采用，是为了获得高灵敏度。采用任何一种传统的生长金刚石膜的方法，制备的含微米、亚微米级或纳米晶粒的金刚石膜经退火处理都可作为敏感膜，但其对检测气体的灵敏度以纳米金刚石膜为最高。
实施例4
选用两面均经过抛光的石英作为衬底，在其中一面(背面)制作加热电阻，具体结构仍可参见图2和图3，不同的是衬底1为石英，其背面可制作Mo加热电阻2，为提高Mo与适应的附着力，在蒸镀Mo前可先蒸镀100-200nm的Cr。其它制作加热电阻的步骤同实施例1。电极制作后，在石英衬底的正面，由于石英的高绝缘性，不必象实施例1那样再沉积二氧化硅做绝缘层。金刚石膜是采用微波等离子体化学气相沉积(MWPCVD)方法制备的，含有微米/亚微米晶粒的金刚石膜或纳米金刚石膜的生长同实施例1，略有不同的是为减小金刚石膜在石英衬底上的高应力，在保证金刚石膜质量的前提下，生长过程中尽量提高甲烷的浓度例如5-10％；退火过程中尽量延长时间如1-2小时；其它制作工艺同实施例1。
Claims (12)
1.一种用于检测气体的传感器，包括：衬底、在衬底的一个面上有一层金刚石膜/纳米金刚石膜；其特征在于：在金刚石膜/纳米金刚石膜上的两边各设置一条形金属电极，Au丝测量引线连接在其上；在衬底的另一面制作一金属加热电阻，加热电阻的测量引线连接在加热电阻两端。
2.按权利要求1所述的用于检测气体的传感器，其特征在于：所述的金刚石膜/纳米金刚石膜厚至少为0.5μm以上。
3.按权利要求1所述的用于检测气体的传感器，其特征在于：所述的衬底选自经过抛光的单晶硅片、石英或陶瓷。
4.按权利要求1所述的用于检测气体的传感器，其特征在于：所述的金刚石膜上的条形金属电极为Ti/Pt/Au复合金属电极，该Ti/Pt/Au复合金属电极：50-200nm厚的Ti，100-400nm厚的Pt和200-600nm厚的Au；其宽度为3-7mm，长度与衬底宽度一致。
5.按权利要求1所述的用于检测气体的传感器，其特征在于：所述的加热电阻的电阻为0.1-5Ω；所述的加热电阻材料选自：Ti、Pt、Au、W或Mo，加热电阻的形状选自：条形、梳形或齿形；其面积小于15mm×15mm。
6.按权利要求1所述的用于检测气体的传感器，其特征在于：所述的加热电阻的测量引线是用金做的。
7.按权利要求1所述的用于检测气体的传感器，其特征在于：条形金属电极的测量引线处外接高阻计。
8.一种制备权利要求1所述的用于检测气体的传感器的方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)首先制作加热电阻：取一衬底材料在其一表面用溅射方法蒸镀500-1000nm厚的金属膜，采用光刻技术，将金属膜刻蚀出条宽为10-50μm，电阻为0.1-5Ω金属加热电阻；
(2)在衬底材料的另一面制作金刚石膜/纳米金刚石膜：在衬底材料上采用热灯丝分解甲烷和氢气的方法生长金刚石薄膜，金刚石在衬底上的成核采用衬底施加负偏压的方法或采用传统的表面研磨促进金刚石成核方法；其中成核条件：负偏压为80-300V，甲烷/氢气为：(5-40)∶100体积比，衬底温度为：650-1100℃，反应压力为：5-60mbar，成核时间为15-30分钟；成核后，生长微米/亚微米晶粒构成的金刚石薄膜，其生长条件如下：偏压为零，甲烷/氢气为：(0.1-10)∶100体积比，其它条件不变；纳米金刚石薄膜的生长则采用对衬底连续施加负偏压的方法，保持成核时的各种条件不变；
(3)在金刚石膜/纳米金刚石膜上的两边制作条形金属电极，采用溅射方法分别沉积50-200nm厚的Ti，100-400nm厚的Pt和200-600nm厚的Au，作为欧姆接触电极，电极宽度是3-7mm，长度与衬底宽度一致；
(4)用压焊方法在条形金属电极处制作两根金的测量引线，并将上述测量引线分别连接在每一条形金属电极上。
9.按权利要求8所述的用于检测气体的传感器，其特征在于：衬底为硅片，金属加热电阻的测量引线与直流低压电源连接，实现对衬底的加热，将硅片的温度最高提升至400℃。
10.按权利要求8所述的制备用于检测气体的传感器的方法，其特征在于：还包括衬底为石英，其背面制作Mo加热电阻，在蒸镀Mo前先蒸镀100-200nm的Cr。
11.按权利要求8所述的制备用于检测气体的传感器的方法，其特征在于：还包括以下步骤：选择硅材料做衬底时，先在衬底表面生长一100-600nm的SiO2绝缘层，再在SiO2绝缘层的衬底上制作金刚石膜/纳米金刚石膜。
12.按权利要求8所述的制备用于检测气体的传感器的方法，其特征在于：还包括以下步骤：把生长后的金刚石膜在H2或H等离子体中退火：其退火的条件如下：衬底温度：600-1000℃，H2流量：100-1000sccm，气体压力：5-60mbar，退火时间：20分钟-2小时。
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