CN204694669U - Mems气体传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及气体检测技术领域，提供了MEMS气体传感器，包括，单晶硅衬底；上氮化硅层与上氧化硅层，由下至上叠置于所述单晶硅衬底上表面；下氮化硅层，置于所述单晶硅衬底下表面；加热电极，置于所述上氧化硅层上；绝缘层，置于所述加热电极上；测量电极，置于所述绝缘层上；气体敏感层，置于所述测量电极上，且与所述测量电极电连接；隔热腔，位于所述上氮化硅层下方，将所述下氮化硅层及所述单晶硅衬底腐刻形成。本实用新型中，气体传感器本身精度高、重量轻、尺寸小，功耗低、效能高、成本低、能够大批量生产。

Description

MEMS气体传感器

技术领域

本实用新型涉及气体检测技术领域，更具体地说，是涉及一种MEMS气体传感器。

背景技术

MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统)气体传感器是基于微电子技术及微加工技术制造的气体传感器。气体传感器的原理是利用金属氧化物薄膜制成的阻抗器件，在一定的温度下，气体分子在表面与金属氧化物反应引起电阻率的变化，从而实现对气体的探测。

虽然随着MEMS技术的发展，气体传感器的生产工艺逐步优化，但是目前气体传感器在批量化生产、高精度、集成化和低功耗等方面仍存在改进的空间。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种MEMS气体传感器，旨在解决现有技术中气体传感器低功耗不优的问题。

为解决上述技术问题，本实用新型的技术方案是：提供一种MEMS气体传感器，包括，

单晶硅衬底；

上氮化硅层与上氧化硅层，由下至上叠置于所述单晶硅衬底上表面；

下氮化硅层，置于所述单晶硅衬底下表面；

加热电极，置于所述上氧化硅层上；

绝缘层，置于所述加热电极上，绝缘层上设有连接孔；

测量电极，置于所述绝缘层上，且通过所述连接孔与所述加热电极连通；

气体敏感层，置于所述测量电极上，且与所述测量电极电连接；

隔热腔，位于所述上氮化硅层下方，将所述下氮化硅层及所述单晶硅衬底腐刻形成。

可选地，所述气体敏感层材料为有二氧化锡或三氧化钨。

本实用新型中，具有上述结构的气体传感器，具有以下有益效果：

一、可大批量并行制造，可达到系统级集成，封装集成度高，可与芯片工艺兼容；

二、气体传感器本身精度高、重量轻、尺寸小，功耗低、效能高、成本低，能够大批量生产。

三、能实现对CO，NO2，CH4等多种气体的探测。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的MEMS气体传感器的纵向剖视图；

10-单晶硅衬底；      11a-上氮化硅层；      11b-下氮化硅层；

12a-上氧化硅层；     13-加热电极；         14-绝缘层；

15-测量电极；        16-气体敏感层；       17-隔热腔。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者可能同时存在居中元件。当一个元件被称为“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。

还需要说明的是，本实施例中的左、右、上、下等方位用语，仅是互为相对概念或是以产品的正常使用状态为参考的，而不应该认为是具有限制性的。

图1，为本实用新型提供的MEMS气体传感器的纵向剖视图。其包括单晶硅衬底10、由下至上沉积于单晶硅衬底10上表面的上氮化硅层11a与上氧化硅层12a；沉积于单晶硅衬底10下表面的下氮化硅层11b；置于上氧化硅层12a的加热电极13；置于加热电极13上的绝缘层14；置于绝缘层14上的测量电极15，测量电极15与加热电极13呈导通状；置于测量电极15上的气体敏感层16，气体敏感层16且与测量电极15电连接；位于上氮化硅层11a下方的隔热腔17，隔热腔17将单晶硅衬底10、下氮化硅层11b穿透。

其中，加热电极13为多晶硅离子形成，且掺杂有磷，且磷所占浓度比例为1％至3％。需要说明的是，该加热电极13是通过注入电流产生焦耳热量。

其中，气体敏感层16材料为二氧化锡或三氧化钨。

本实用新型提供的上述MEMS气体传感器的制作方法，其包括以下工艺步骤：

S1：预备单晶硅衬底10，并于单晶硅衬底10的上表面与下表面分别沉积上氮化硅层11a与下氮化硅层11b；

本实施案例中：单晶硅衬底10选取双面抛光的6英寸n型硅片，材料参数为<100>晶向，光洁度＜0.05μm，平整度≤±2μm，无损伤，厚度为500±10μm，电阻率为1～5Ωcm。硅片清洗干净后，采用LPCVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition,低压力化学气相沉积法)于硅片上表面与下表面分别沉积100nm-600nm的低应力氮化硅层。同时，上氮化硅层11a与下氮化硅层11b作为阻挡层，在后序湿法刻蚀工艺中对单晶硅衬底10起到保护作用。

S2：于上氮化硅层11a上沉积上氧化硅层12a；

在此步骤中，采用LPCVD法在上氮化硅层11a沉积上氧化硅层12a。由于本实用新型实施例中，气体传感器整个器件需要进行湿法刻蚀，在S1步骤中沉积低应力氮化硅后再采用LPCVD沉积低应力氧化硅，这样，整个器件薄膜应力 低于200Mpa，结构稳定性更好。同时，氧化硅和氮化硅的导热性远不如硅故又能起到防止热量散失的作用。

S3：于上氧化硅层12a上制备加热电极13；

在此步骤中，同样采用LPCVD法于上氧化硅层12a上沉积8k的多晶硅离子，同时，离子注入浓度比例为1％至3％的磷来增强导电性能。这是因为多晶硅导电与金属不同，它除了要依靠自由电子外，还要依靠空穴来导电，当多晶硅含有极微量的杂质时，就可使其电导率有很大的变化，能有效的降低电阻率，故掺杂磷，可以提高导电率。且当磷的浓度为1％至3％时，电阻率≤800Ω·cm，导电效果最佳。然后经过正胶甩胶，前烘光刻显影后，后烘工艺后进行反应离子刻蚀，对多晶硅离子层刻蚀出图形后去胶成型所述的加热电极13。气体传感器工作时，多晶硅加热电极13不仅能给气体传感器提供最佳的工作温度使其达到最佳工作状态，并能使吸附在敏感膜上的气体分子获得足够的能量脱附。

S4：于加热电极13上制备绝缘层14；

在此步骤中，采用PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，等离子体增强化学气相沉积法)于加热电极13上沉积一层1.5μm的二氧化硅，二氧化硅具有较好的绝缘性能，作为绝缘层14置于加热电极13上。同时在沉积后利甩胶，前烘光刻后显影，RIE等离子刻蚀二氧化硅层，并于二氧化硅层上形成连接孔141，加热电极13沉积于连接孔141处，目的便于测量电极15通过连接孔141给加热电极13提供电流加热。

S5：于绝缘层14上制备与加热电极13绝缘的测量电极15；

在此步骤中，采用溅射的方式或者热蒸发的方式于绝缘层14上沉积100nm～1000nm的金或者铂金。测量电极使用金或者铂金是因为金或者铂金的密度比较高，柔韧性很好，做打孔引线的时候不会刻穿而影响其他的膜层。具体地，先于绝缘层14上甩正胶，用阴版光掩膜进行剥离工艺，先甩胶，前烘后显影光刻后进行后烘，正面涂胶保护金电极，涂胶过程中应避免出现气泡影响保护效果，并在80℃～100℃高温下进行烘干，缩短固化时间。此处，选用金 属金做测量电极15，是因为金抗氧化性能较好，能准确测量气体敏感层16的电阻变化率。

S6：于测量电极15上制备气体敏感层16；

在此步骤中，气体敏感层材料为二氧化锡或三氧化钨等金属氧化物，并同时添加有贵金属，贵金属可为具有催化作用的Pt、Pd等，加入贵金属的作用是，降低二氧化锡或三氧化钨的半导体势垒，促进气体传感器的选择性。具体操作时，将二氧化锡、三氧化钨及贵金属加工成靶材，通过蒸镀的方式成型于测量电极15上。贵金属的掺加质量比为1％-5％，提高气敏敏感性。当气体敏感层的厚度为5um-8um的时候，敏感度最高。

需要说明的是，Pt、Pd是很好的氧化催化剂，如果添加的量过多，会使被测的可燃气体在其上发生显著的燃烧反应，使气敏层温度大幅升高，导致性能劣化，故通常情况下Pt、Pd等贵金属的掺杂量以不超过5％为佳。

S7：将S6步骤中产物底部进行腐蚀，形成位于上氮化硅层11a下方的隔热腔17；

在此步骤中，于S6步骤中产物上表面旋涂一层保护胶，用于保护气体敏感层16不受强碱腐蚀。于S6步骤中产物的背面上正胶，前烘光刻出二氧化硅湿法刻蚀的窗口显影后烘后，用浓度为20％，温度80摄氏度的KOH溶液进行硅刻蚀，直到刻蚀到上层LPCVD沉积的氮化硅这层为止。湿法体硅刻蚀后用氧离子释放阻挡层。需要说明的是，上述KOH溶液也可以采用四甲基氢氧化铵溶液替代。这两种溶液可以刻蚀出斜梯形的结构，且工艺造价低，适合于大量生产，在KOH或者四甲基氢氧化铵溶液在浓度为20％～30％，温度80℃的时候硅片的刻蚀速率大概为1μm/min时，刻蚀效果最好。

S8：将S7步骤中刻蚀后的产物进行退火处理，并冷却形成所述的MEMS气体传感器。

需要说明的是，在进行退火处理前，还包括对上述S7中产物进行切割，切割成多个气体传感器半成品的步骤。此处，优先采用激光切割，不会污染气体 敏感层16，且切割处平整，效率高。

在S8步骤中，将切割好的各气体传感器半成品进行退火工艺，退火处理是由100℃～150℃上升至600℃～800℃时保持两个小时，并在空气中保持600℃～800℃两小时，最后自然冷却，气体敏感层16上即得到孔状的敏感薄膜。

表1二氧化锡薄膜或三氧化钨薄膜的体电阻阻值范围与退火处理的对应表

目前的生产工艺中均没有退火工艺，由表1中可以清楚的看到，当不进行退火工艺的时候，二氧化锡薄膜或三氧化钨薄膜的体电阻阻值范围为较小，且在固定范围内3kΩ～7kΩ；而进行退火处理时，随着退火温度的升高，二氧化锡薄膜或三氧化钨的体电阻阻值范围逐渐增大，当达到700℃，二氧化锡薄膜或三氧化钨的体电阻阻值范围为5kΩ～20kΩ。而且当退火温度为400℃、500℃、600℃、700℃时，气体传感器各自的线性度均比较好，随着退火温度的提高，二氧化锡薄膜或三氧化钨薄膜对于氢气、甲烷等可燃气体的灵敏度大幅度提高。

综上，采用上述方法制作的上述气体传感器，具有以下有益效果：

一、可大批量并行制造，可达到系统级集成，封装集成度高，可与芯片工艺兼容；

二、气体传感器本身精度高、重量轻、尺寸小，功耗低、效能高、成本低。

三、能实现对CO，NO2，CH4等多种气体的探测。

以上仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在 本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种MEMS气体传感器，其特征在于，包括，

单晶硅衬底；

上氮化硅层与上氧化硅层，由下至上叠置于所述单晶硅衬底上表面；

下氮化硅层，置于所述单晶硅衬底下表面；

加热电极，置于所述上氧化硅层上；

绝缘层，置于所述加热电极上，绝缘层上设有连接孔；

测量电极，置于所述绝缘层上，且通过所述连接孔与所述加热电极连通；

气体敏感层，置于所述测量电极上，且与所述测量电极电连接；

隔热腔，位于所述上氮化硅层下方，将所述下氮化硅层及所述单晶硅衬底腐刻形成。

2.如权利要求1所述的MEMS气体传感器，其特征在于，所述气体敏感层材料为有二氧化锡或三氧化钨。