CN210626385U

CN210626385U - 一种具有四支撑悬梁结构的电阻式半导体气体传感器

Info

Publication number: CN210626385U
Application number: CN201921159036.9U
Authority: CN
Inventors: 张晓�; 徐瑶华; 刘皓; 赵文瑞; 魏峰
Original assignee: GRIMN Engineering Technology Research Institute Co Ltd
Current assignee: GRIMN Engineering Technology Research Institute Co Ltd
Priority date: 2019-07-22
Filing date: 2019-07-22
Publication date: 2020-05-26
Anticipated expiration: 2029-07-22

Abstract

本实用新型公开了一种具有四支撑悬梁结构的电阻式半导体气体传感器。该传感器结构自下而上依次包括：硅衬底层，其中部有凹槽作为隔热腔体；支撑层，其包括支撑悬梁和绝缘区，绝缘区位于硅衬底层隔热腔体上方，绝缘区通过四根支撑悬梁与硅衬底层相连；电极层，其包括加热电极、叉指电极、供电引线和测试引线，加热电极呈折线形分布于绝缘区两侧，并通过供电引线与供电电极相连；叉指电极分布于绝缘区中心，并通过测试引线与测试电极相连；气敏层，其覆盖于叉指电极上，并与所述叉指电极电连接。本实用新型功耗较小、绝热性良好。同时，温度控制更加合理，避免了叉指电极与加热电极因低阻气敏材料加载导致的短路现象。

Description

一种具有四支撑悬梁结构的电阻式半导体气体传感器

技术领域

本实用新型涉及一种电阻式半导体气体传感器，尤其涉及一种具有四支撑悬梁结构的电阻式半导体气体传感器，属于气体传感器领域。

背景技术

气体传感器，尤其是电阻式半导体气体传感器，是一类有效检测气体的手段。但是，传统电阻式半导体气体传感器体积大，功耗高，难以满足日益严格的检测环境。因此开发低成本、高效的气体传感器意义重大。

随着MEMS技术的发展，加速了电阻式半导体气体传感器的微型化进程。通过微机械加工技术，半导体气体传感器结构尺寸显著减小，甚至低达1×1mm尺度。尺寸的减小可有效减小热量的损耗，能耗的降低也更加符合低耗、高效的趋势。此外，MEMS技术制备的微热盘是平面状结构，有利于粉末材料、薄膜材料的均匀涂敷加载。但是，目前常见的封闭膜型微热盘结构热耗依然较大，同时基底材料通孔的制备损耗也极大。

因此，提高传感器的能量利用率，减小制备过程的工艺复杂性依然是本领域研究人员的技术难点。

专利文献CN102288644A公开了一种具有四支撑梁四层结构的电阻式气体传感器。该电阻式气体传感器是一个下而上可以分为四层具有不同功能结构，其中最下层(100)面硅衬底制成的硅框架，其中包含一个隔热腔体；第二层是位于隔热腔体上方的加热膜区和支撑悬梁，由氧化硅和氮化硅的多层复合膜组成；加热膜区通过四根支撑梁与衬底框架相连；第三层是加热电阻丝、供电引线、叉指电极和探测引线，加热电阻丝以折线形式排布在加热膜区上，叉指电极与加热电阻丝位于同一层上，且排布在加热电阻丝的间隙中，并与最上面第四层用于气体探测的敏感膜连接，敏感膜位于加热膜区上，覆盖整个加热电阻丝和叉指电极，并和叉指电极有良好的电连接。该电阻式传感器在降低成本和功耗的同时，叉能提高传感器的灵敏度和选择性。

在专利文献CN102288644A的电阻式气体传感器中，加热电阻丝以折线形式排布在加热膜区上，叉指电极排布在加热电阻丝的间隙中，这种方式容易导致叉指电极的短路。此外，专利文献CN102288644A中所述加热电极与叉指电极排布紧密，制备所需工艺流程精度要求高。当专利文献CN102288644A所述叉指电极区域加载敏感膜，当敏感膜为低阻材料时，测试过程叉指电极与加热电极容易通过敏感膜导通，造成结构失效。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种具有四支撑悬梁结构的电阻式半导体气体传感器。该电阻式半导体气体传感器能够降低功耗，提升传感器响应度，降低制作成本；能够避免短路现象，温度控制更加合理。

为实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种具有四支撑悬梁结构的电阻式半导体气体传感器，其中，该传感器结构自下而上依次包括：

硅衬底层，其中部有凹槽作为隔热腔体；

支撑层，其包括支撑悬梁和绝缘区，绝缘区位于硅衬底层隔热腔体上方，绝缘区通过四根支撑悬梁与硅衬底层相连；

电极层，其包括加热电极、叉指电极、供电引线和测试引线，加热电极呈折线形分布于绝缘区两侧，并通过供电引线与供电电极相连；叉指电极分布于绝缘区中心，并通过测试引线与测试电极相连；

气敏层，其覆盖于叉指电极上，并与所述叉指电极电连接。

所述硅衬底层中部凹槽的截面形状为V字形或圆弧形。

所述支撑层为SiO₂/Si₃N₄或SiO₂/Si₃N₄/SiO₂复合膜结构，绝缘区的形状为矩形。

所述加热电极设置在叉指电极的两侧。

本实用新型的优点在于：

1、本实用新型的气体传感器基于MEMS工艺，相比于传统的管式、片式气体传感器，具有体积小、功耗低、成本低、易规模生产的优点。

2、本实用新型采用由正面体硅腐蚀制备的四悬梁微型加热盘结构，功耗较小、绝热性良好，且温度均匀性佳，易于通过加热电压控制微热板温度，且加工工艺易与CMOS工艺兼容。

3、加热电极与叉指电极位于同一层，简化了制作工艺；同时加热电极分布于叉指电极两侧，温度控制更加合理，也避免了叉指电极与加热电极因低阻气敏材料加载导致的短路现象。

附图说明

图1是本实用新型提供的一种具有四支撑悬梁结构的半导体电阻式气体传感器的立体图。

图2为图1中硅衬底层上方各部分的分解示意图。

图3为图1中支撑层的分解示意图。

图4为图1中的半导体电阻式气体传感器的俯视图。

图5为图1中的半导体电阻式气体传感器的纵向截面图。

图6为本实用新型提供的另一种具有四支撑悬梁结构的半导体电阻式气体传感器的俯视图。

图7为图6中的半导体电阻式气体传感器的纵向截面图。

具体实施方式

为进一步说明本实用新型的技术内容和特点，下面将结合附图对本实用新型进行说明，但并不意味着对本实用新型保护范围的限制。

如图1-5所示，本实用新型的电阻式半导体气体传感器结构自下而上依次包括：硅衬底层1、支撑层2、电极层3和气敏层4。其中在硅衬底层1的中部有凹槽作为隔热腔体12，该凹槽的截面为圆弧形；支撑层2包括绝缘区21和位于绝缘区四角位置上的四根支撑悬梁22，绝缘区21位于硅衬底层1的隔热腔体12上方，绝缘区21的形状为矩形，绝缘区21的四角通过四根支撑悬梁与硅衬底层1相连，如图3所示，支撑层2由氧化硅层23和氮化硅层24复合而成。电极层3包括两个加热电极31、叉指电极32、供电引线33和测试引线34，加热电极31呈折线形对称分布于绝缘区两侧，并通过供电引线33与供电电极相连。叉指电极32分布于绝缘区中心，并通过测试引线34与测试电极相连。如图1所示，两个加热电极31位于与绝缘区21的两个对角对应的位置，其所连接的供电引线33位于与相对的两根支撑悬梁对应的位置上；叉指电极32所连接的两根测试引线34位于与另外两根支撑悬梁对应的位置上。气敏层4覆盖于叉指电极32上，并与叉指电极32电连接。

如图6、7所示，本实用新型的另一种电阻式半导体气体传感器结构中除了隔热腔体12的截面形状为V字形，以及支撑层2为SiO₂/Si3N₄/SiO₂复合膜以外，其余与图1-5所示的电阻式半导体气体传感器结构相同。

本实用新型采用由正面体硅腐蚀制备的四悬梁微型加热盘结构，功耗较小、绝热性良好，且温度均匀性佳，易于通过加热电压控制微热板温度。加热电极分布于叉指电极两侧，温度控制更加合理，也避免了叉指电极与加热电极因低阻气敏材料加载导致的短路现象。

制作工艺上，本实用新型的电阻式半导体气体传感器制备包括两部分，即首先利用MEMS工艺实现硅衬底层、支撑层、电极层的制作，完成微传感器结构的制备；再利用磁控溅射法、化学气相沉积法或传统的滴涂法、旋涂法、毛细点样法等方法实现气敏层的制备。本实用新型提供的一种具有四支撑悬梁结构的电阻式半导体气体传感器的制作方法具体步骤如下：

(1)衬底选择及清洗。选用(100)面硅片为衬底材料，硅片为单面抛光片，硅片为N型或P型，厚度为400～500μm；清洗时，先采用浓硫酸高温蒸煮，再采用超纯水冲洗，最后氮气枪吹干，并110℃烘干30min。

(2)支撑层制备。支撑层用于形成绝缘区和支撑悬梁，支撑层为复合膜结构，由多层氧化硅和氮化硅复合而成，可采用热氧化法、等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)分别制备氧化硅和氮化硅，支撑层根据悬梁尺寸确定图形。

(3)电极层制备。采用金属材料，如、金、铂、钨、铝等金属，利用腐蚀或lift-off工艺制备加热电极、测试电极、供电引线和测试引线；金电极制备前首先溅射一层过渡金属，如镍、铬、钛等，增加电极材料与衬底粘结性。

(4)开腐蚀窗。利用反应离子刻蚀(RIE)或感应耦合等离子体反应离子刻蚀(ICP)技术将暴露的氧化硅和氮化硅复合膜进行选择性的腐蚀，在规定区域内形成特定图形的薄膜释放窗口直至露出硅衬底层；采用光刻的方式进行图形化处理。

(5)体硅腐蚀。使用各项异性的腐蚀液，如四甲基氢氧化铵(TMAH)、氢氧化钾(KOH)等，通过腐蚀窗选择性的腐蚀衬底材料，直至薄膜完全释放形成悬臂结构。

(6)气敏层制备。采用磁控溅射、化学气相沉积、滴涂、旋涂、毛细点样法等手段将气敏材料覆于叉指电极上，形成气敏膜层。

实施例1

该实施例结构示意图参照图1-5所示，具体操作方法如下：

1、衬底选择和清洗。选取N型(100)面单抛面硅片作为衬底层1，电阻率约为1～10Ω·cm，厚度为500μm；将选好的硅片采用浓硫酸高温蒸煮1min，然后用超纯水冲洗，最后在110℃烘箱中烘干30min备用。

2、支撑层2制备。首先利用热氧化法形成约400nm的氧化硅23，并利用lift-off手段，将支撑层绝缘区21部分去除；再利用PECVD方式在氧化硅表面沉积一层约600nm氮化硅24薄膜，以最大限度的消除残余应力。

3、电极层3制备。利用lift-off工艺，采用光刻工艺定义加热电极31和供电引线33的形状，并溅射一层约100nm的金属铂，最后丙酮中浸泡30min去胶形成加热电极31和供电引线33；利用光刻工艺定义叉指电极32和测试引线34的形状，溅射一层约15nm的金属铬，以增加贵金属与氮化硅的粘结性，再溅射一层约100nm的金，最后丙酮中浸泡30min去胶形成叉指电极32和测试引线34。

4、开腐蚀窗(隔热腔体12)。采用光刻技术，正面光刻定义释放的绝缘层21和支撑悬梁22腐蚀窗口，并采用RIE技术，将图形区域的氧化硅与氮化硅复合膜彻底腐蚀直至露出硅衬底层1，所用气体为八氟环丁烷。

5、体硅腐蚀。利用TMAH腐蚀液，通过腐蚀窗腐蚀硅衬底层1，并在绝缘区21下方形成隔热腔体12，所用TMAH浓度为20％，腐蚀时间约为4h。

6、气敏层4制备。采用磁控溅射的方式，在电极层叉指电极32区溅射一层约200nm的氧化物薄膜作为气敏薄膜层4。

实施例2

该实施例结构示意图参照图6-7所示，具体操作方法如下：

1、衬底选择和清洗。选取P型(100)面单抛面硅片作为硅衬底层1，电阻率约为15～25Ω·cm，厚度为500μm；将选好的硅片采用浓硫酸高温蒸煮1min，然后用超纯水冲洗，最后在110℃烘箱中烘干30min备用。

2、支撑层2制备。首先利用热氧化法形成约200nm的氧化硅，并利用lift-off手段，将支撑层绝缘区21部分去除；再利用PECVD方式在氧化硅表面沉积一层约400nm氮化硅薄膜，最后利用PECVD方式在氮化硅表面沉积一层约200nm氧化硅，形成SiO₂/Si₃N₄/SiO₂复合膜，最大限度的消除残余应力。

3、电极层3制备。利用lift-off工艺，采用光刻工艺定义加热电极31和供电引线33的形状，并溅射一层约100nm的金属钨，最后丙酮中浸泡30min去胶形成加热电极31和供电引线33；利用光刻工艺定义叉指电极32和测试引线34的形状，溅射一层约15nm的金属铬，以增加贵金属与氮化硅的粘结性，再溅射一层约100nm的金，最后丙酮中浸泡30min去胶形成叉指电极32和测试引线34。

4、开腐蚀窗(隔热腔体12)。采用光刻技术，正面光刻定义释放的绝缘层21和支撑悬梁22腐蚀窗口，并采用ICP技术，将图形区域的氧化硅与氮化硅复合膜彻底腐蚀直至露出硅衬底层1，所用气体为八氟环丁烷。

5、体硅腐蚀。利用KOH溶液，通过腐蚀窗腐蚀硅衬底层1，并在绝缘区21下方形成隔热腔体12，所用KOH浓度为0.1M。

6、气敏层4制备。采用滴涂的方式，在电极层叉指电极32区滴加一层氧化物，并在300℃条件下退火1h形成气敏膜层4。

Claims

1.一种具有四支撑悬梁结构的电阻式半导体气体传感器，其特征在于，该传感器结构自下而上依次包括：

硅衬底层，其中部有凹槽作为隔热腔体；

气敏层，其覆盖于叉指电极上，并与所述叉指电极电连接。

2.根据权利要求1所述的具有四支撑悬梁结构的电阻式半导体气体传感器，其特征在于，所述硅衬底层中部凹槽的截面形状为V字形或圆弧形。

3.根据权利要求1所述的具有四支撑悬梁结构的电阻式半导体气体传感器，其特征在于，所述支撑层为SiO₂/Si₃N₄或SiO₂/Si₃N₄/SiO₂复合膜结构，绝缘区的形状为矩形。

4.根据权利要求1所述的具有四支撑悬梁结构的电阻式半导体气体传感器，其特征在于，所述加热电极设置在叉指电极的两侧。