專利名稱：一種氣敏傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種氣敏傳感器。
背景技術(shù)：
氣體傳感器技術(shù)有著關(guān)闊的應(yīng)用前景，可用于工廠、車間和礦山的各 種易燃易爆或有害氣體的檢測(cè)、家庭可燃性氣體泄漏的監(jiān)控檢測(cè)等。二氧化錫氣敏傳感器由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作方便，壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)而得到 廣泛應(yīng)用。但是傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的二氧化錫氣敏傳感器具有體積大、功耗大、響 應(yīng)慢和一致性差等不可避免的弱點(diǎn)。近年來(lái)，隨著硅加工技術(shù)的發(fā)展，特別是微機(jī)械加工技術(shù)帶來(lái)了制造 加工技術(shù)的根本性變革。采用微電子、微機(jī)械加工和薄膜加工技術(shù)制備的 微結(jié)構(gòu)氣敏傳感器具有以下諸多獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)(1)微型化；(2)低功耗；(3)工作精度可精確測(cè)定和控制；(4) 批量生產(chǎn)，成本低， 一致性、可靠性好；(5)易于與信號(hào)采集處理電路集 成。己有報(bào)道的利用微加工技術(shù)制作的結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖1為目前利用 微加工技術(shù)制作的氣敏傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。其中，(l)為叉指電極，(2) 為加熱電極，(3)為測(cè)溫電極。這種結(jié)構(gòu)使用加熱電極(2)對(duì)叉指電極 上面的氣體敏感層進(jìn)行加熱，由測(cè)溫電極(3)對(duì)溫度進(jìn)行監(jiān)控。這種結(jié)構(gòu)的最大問(wèn)題是器件沒(méi)有與周圍熱絕緣，導(dǎo)致熱量通過(guò)電絕緣 層向四周擴(kuò)散，增大了器件功耗。而且采用測(cè)溫電極和加熱電極分別制作 的方法，增加了器件引出線和制作的復(fù)雜度。發(fā)明內(nèi)容(一)要解決的技術(shù)問(wèn)題有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種氣敏傳感器，以提高器件 被加熱的工作區(qū)域部分與周圍的熱絕緣，降低器件功耗，簡(jiǎn)化器件中加熱 和測(cè)溫部分的結(jié)構(gòu)，進(jìn)而有利于器件的大量生產(chǎn)以及和信號(hào)采集處理電路 的集成。(二)技術(shù)方案為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種氣敏傳感器，該氣敏傳感器包括單晶硅襯底1，起支撐作用的二氧化硅/氮化硅層2，加熱測(cè)溫電極9、叉 指電極8，加熱測(cè)溫電極9和叉指電極8之間的電絕緣層，叉指電極引出 線壓焊點(diǎn)6、加熱測(cè)溫電極引出線壓焊點(diǎn)7和氣體敏感層10;所述加熱測(cè)溫電極9由二氧化硅/氮化硅層2形成的支撐臂11固定在 單晶硅襯底l上，支撐臂ll下方為空腔結(jié)構(gòu)；所述支撐臂11上淀積有金屬引線，加熱測(cè)溫電極9和叉指電極8通 過(guò)各自的金屬引線分別與加熱測(cè)溫電極引出線壓焊點(diǎn)7和叉指電極引出線 壓焊點(diǎn)6相連接；所述電絕緣層在所述加熱測(cè)溫電極9形成后依次淀積在所述加熱測(cè)溫 電極9上，所述叉指電極8形成于所述電絕緣層上，所述氣體敏感層10 淀積在所述叉指電極8上。上述方案中，所述加熱測(cè)溫電極9采用剝離法在支撐臂11形成，由 Pt/Ti構(gòu)成，Pt厚度為1000 2000 A， Ti厚度為100 200 A，所述加熱測(cè) 溫電極的寬度為5 10|_im，間隔為5 10pm。上述方案中，所述支撐臂11的寬度為5 3(Him，厚度為300 1000 A。上述方案中，所述空腔結(jié)構(gòu)用于增大器件與周圍的熱絕緣，是利用 KOH對(duì)硅進(jìn)行各向異性腐蝕，將器件下方的硅腐蝕掉而形成的。上述方案中，所述支撐臂11上的金屬引線寬度分別為所述加熱測(cè)溫 電極9和叉指電極8寬度的1.4 3倍。上述方案中，所述電絕緣層為二氧化硅電絕緣層3，或?yàn)榈桦娊^ 緣層4，或?yàn)槎趸桦娊^緣層3和氮化硅電絕緣層4。上述方案中，所述二氧化硅電絕緣層3或氮化硅電絕緣層4采用濺射 法淀積在所述加熱測(cè)溫電極9上，厚度分別為4500A和1500 A。上述方案中，所述叉指電極8采用剝離法形成于所述電絕緣層上，由Pt/Ti構(gòu)成，Pt厚度為1000 2000A， Ti厚度為100 200A，所述叉指電 極8的寬度為5 20pm，間隔為5 20pm。上述方案中，所述氣體敏感層10采用濺射法淀積在所述叉指電極8 上，厚度為2000A。上述方案中，所述氣體敏感層10為半導(dǎo)體氣體敏感材料，至少包括 二氧化錫、氧化鋅、三氧化二銦和三氧化鎢。(三)有益效果 從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果1、 本發(fā)明提供的這種氣敏傳感器，與利用微加工技術(shù)制作的氣敏傳 感器相比，具有更好的熱絕緣效果，降低了器件功耗，而且采用Pt/Ti電 極同時(shí)作為加熱電極和測(cè)溫電極，簡(jiǎn)化了器件設(shè)計(jì)和制作復(fù)雜度。2、 本發(fā)明提供的這種氣敏傳感器，使用成熟可行的MEMS工藝制造， 可以實(shí)現(xiàn)器件的大規(guī)模制造，降低單個(gè)器件的制造成本，提高器件性能的 可靠性和一致性。


圖1為目前利用微加工技術(shù)制作的氣敏傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明提供的氣敏傳感器的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明提供的氣敏傳感器的俯視圖；圖4為本發(fā)明提供的氣敏傳感器中加熱測(cè)溫電極的俯視圖；圖5為本發(fā)明提供的氣敏傳感器中叉指電極的俯視圖。
具體實(shí)施方式
為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí) 施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。如圖2和圖3所示，圖2為本發(fā)明提供的氣敏傳感器的剖面結(jié)構(gòu)示意 圖，圖3為本發(fā)明提供的氣敏傳感器的俯視圖。該氣敏傳感器包括單晶硅 襯底1，起支撐作用的二氧化硅/氮化硅層2，加熱測(cè)溫電極9、叉指電極8，加熱測(cè)溫電極9和叉指電極8之間的電絕緣層，叉指電極引出線壓焊點(diǎn)6、 加熱測(cè)溫電極引出線壓焊點(diǎn)7和氣體敏感層10。其中，加熱測(cè)溫電極9由二氧化硅/氮化硅層2形成的支撐臂11固定 在單晶硅襯底1上，支撐臂11下方為空腔結(jié)構(gòu)。支撐臂11上淀積有金屬 引線，加熱測(cè)溫電極9和叉指電極8通過(guò)各自的金屬引線分別與加熱測(cè)溫 電極引出線壓焊點(diǎn)7和叉指電極引出線壓焊點(diǎn)6相連接。所述電絕緣層可 以為二氧化硅電絕緣層3，也可以為氮化硅電絕緣層，或者為二氧化硅電 絕緣層3和氮化硅電絕緣層4。電絕緣層在所述加熱測(cè)溫電極9形成后依 次淀積在所述加熱測(cè)溫電極9上，所述叉指電極8形成于所述電絕緣層上， 所述氣體敏感層10淀積在所述叉指電極8上。如圖4所示，圖4為本發(fā)明提供的氣敏傳感器中加熱測(cè)溫電極的俯視 圖。加熱測(cè)溫電極9采用剝離法在支撐臂ll形成，由Pt/Ti構(gòu)成，Pt厚度 為1000 2000A， Ti厚度為100 200A，所述加熱測(cè)溫電極的寬度為5 10pm，間隔為5 1(Him。支撐臂11的寬度為5 30pm，厚度為300 1000 A。上述空腔結(jié)構(gòu)用于增大器件與周圍的熱絕緣，是利用KOH對(duì)硅進(jìn)行 各向異性腐蝕，將器件下方的硅腐蝕掉而形成的。支撐臂11上的金屬引 線寬度分別為所述加熱測(cè)溫電極9和叉指電極8寬度的1.4 3倍。二氧化 硅電絕緣層3或氮化硅電絕緣層4采用濺射法淀積在所述加熱測(cè)溫電極9 上，厚度分別為4500 A和1500 A。如圖5所示，圖5為本發(fā)明提供的氣敏傳感器中叉指電極的俯視圖。 叉指電極8采用剝離法形成于所述電絕緣層上，由Pt/Ti構(gòu)成，Pt厚度為 1000 2000 A，Ti厚度為100 200 A，所述叉指電極8的寬度為5 20pm， 間隔為5 20pm。叉指電極和加熱測(cè)溫電極通過(guò)支撐臂與電源和信號(hào)采集 處理電路相連接。氣體敏感層10采用濺射法淀積在所述叉指電極8上， 厚度為2000 A。氣體敏感層10為半導(dǎo)體氣體敏感材料，至少包括二氧化 錫、氧化鋅、三氧化二銦和三氧化鎢。各種不同的半導(dǎo)體氣體敏感材料， 能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)不同氣體探測(cè)目標(biāo)的探測(cè)。當(dāng)敏感層吸附了待探測(cè)的氣體之 后，敏感層的電阻發(fā)生變化，敏感層的電阻變化通過(guò)叉指電極輸出到測(cè)試 電路。實(shí)施例再參照?qǐng)D2、 3、 4和5，器件主要由硅襯底(1)、 二氧化硅/氮化硅層 (2)、 二氧化硅電絕緣層(3)、氮化硅電絕緣層(4)、 二氧化硅層(5)、 叉指電極引出線Au/Cr層(6)、加熱測(cè)溫電極引出線Au/Cr層(7)、叉指 電極Pt/Ti層(8)、加熱測(cè)溫電極(9)和二氧化錫氣體敏感層(10)十個(gè) 部分構(gòu)成。硅襯底主要作為支撐結(jié)構(gòu)，器件通過(guò)支撐臂(11)固定在硅襯底上， 利用KOH對(duì)硅的各向異性腐蝕，把器件下方的硅腐蝕掉形成空腔，以增 大器件與周圍的熱絕緣，叉指電極和加熱測(cè)溫電極通過(guò)支撐臂與電源和信 號(hào)采集處理電路相連接。支撐臂寬度為5 3(Him。加熱測(cè)溫電極寬度為5 lO(im，間隔為5 10jim，加熱區(qū)域面積為40X40、 60X60、 80X80、 120 X120pm2。加熱測(cè)溫電極下面為起支撐作用的二氧化硅/氮化硅層(2), 厚度為300 1000A。使用剝離法形成加熱測(cè)溫電極之后，使用濺射法淀 積二氧化硅和氮化硅作為電絕緣層，厚度分別為4500 A和1500 A。加熱 測(cè)溫電極通過(guò)兩根支撐梁上面的導(dǎo)線和電源以及測(cè)試電路連接。使用剝離法在氮化硅電絕緣層(4)上面制作叉指電極Pt/Ti層(8)， 叉指電極Pt/Ti層(8)的寬度為5 20pm，間隔為5 20pm，叉指電極 Pt/Ti層(8)通過(guò)兩根支撐梁上面的電極的導(dǎo)線與測(cè)試電路連接。通過(guò)濺 射法在叉指電極Pt/Ti層(8)上淀積二氧化錫氣體敏感層，厚度2000A， 也可以濺射其它敏感材料，包括氧化鋅、三氧化二銦、三氧化鎢等半導(dǎo)體 氣體敏感材料，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同氣體探測(cè)目標(biāo)的探測(cè)。當(dāng)敏感層吸附了待探測(cè) 的氣體之后，敏感層的電阻發(fā)生變化，敏感層的電阻變化通過(guò)叉指電極輸 出到測(cè)試電路。以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行 了進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而 已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修 改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種氣敏傳感器，其特征在于，該氣敏傳感器包括單晶硅襯底(1)，起支撐作用的二氧化硅/氮化硅層(2)，加熱測(cè)溫電極(9)、叉指電極(8)，加熱測(cè)溫電極(9)和叉指電極(8)之間的電絕緣層，叉指電極引出線壓焊點(diǎn)(6)、加熱測(cè)溫電極引出線壓焊點(diǎn)(7)和氣體敏感層(10)；所述加熱測(cè)溫電極(9)由二氧化硅/氮化硅層(2)形成的支撐臂(11)固定在單晶硅襯底(1)上，支撐臂(11)下方為空腔結(jié)構(gòu)；所述支撐臂(11)上淀積有金屬引線，加熱測(cè)溫電極(9)和叉指電極(8)通過(guò)各自的金屬引線分別與加熱測(cè)溫電極引出線壓焊點(diǎn)(7)和叉指電極引出線壓焊點(diǎn)(6)相連接；所述電絕緣層在所述加熱測(cè)溫電極(9)形成后依次淀積在所述加熱測(cè)溫電極(9)上，所述叉指電極(8)形成于所述電絕緣層上，所述氣體敏感層(10)淀積在所述叉指電極(8)上。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣敏傳感器，其特征在于，所述加熱測(cè)溫 電極(9)采用剝離法在支撐臂(11)形成，由Pt/Ti構(gòu)成，Pt厚度為1000 2000 A， Ti厚度為100 200 A，所述加熱測(cè)溫電極的寬度為5 10pm， 間隔為5 10|im。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣敏傳感器，其特征在于，所述支撐臂(11) 的寬度為5 30pm，厚度為300 1000A。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣敏傳感器，其特征在于，所述空腔結(jié)構(gòu) 用于增大器件與周圍的熱絕緣，是利用KOH對(duì)硅進(jìn)行各向異性腐蝕，將 器件下方的硅腐蝕掉而形成的。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣敏傳感器，其特征在于，所述支撐臂(11) 上的金屬引線寬度分別為所述加熱測(cè)溫電極(9)和叉指電極(8)寬度的 1.4 3倍。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣敏傳感器，其特征在于，所述電絕緣層 為二氧化硅電絕緣層(3)，或?yàn)榈桦娊^緣層(4)，或?yàn)槎趸桦娊^ 緣層(3)和氮化硅電絕緣層(4)。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣敏傳感器，其特征在于，所述二氧化硅電絕緣層(3)或氮化硅電絕緣層(4)采用濺射法淀積在所述加熱測(cè)溫電極(9)上，厚度分別為4500A和1500A。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣敏傳感器，其特征在于，所述叉指電極 (8)采用剝離法形成于所述電絕緣層上，由Pt/Ti構(gòu)成，Pt厚度為1000 2000 A， Ti厚度為100 200A，所述叉指電極(8)的寬度為5 20pm， 間隔為5 20拜。
9、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣敏傳感器，其特征在于，所述氣體敏感 層(10)采用濺射法淀積在所述叉指電極(8)上，厚度為2000A。
10、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣敏傳感器，其特征在于，所述氣體敏感 層(10)為半導(dǎo)體氣體敏感材料，至少包括二氧化錫、氧化鋅、三氧化二 銦和三氧化鉤。
全文摘要
本發(fā)明涉及微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，公開(kāi)了一種氣敏傳感器，包括單晶硅襯底，起支撐作用的二氧化硅/氮化硅層，加熱測(cè)溫電極、叉指電極，加熱測(cè)溫電極和叉指電極之間的電絕緣層，叉指電極引出線壓焊點(diǎn)、加熱測(cè)溫電極引出線壓焊點(diǎn)和氣體敏感層；所述電絕緣層在所述加熱測(cè)溫電極形成后淀積在所述加熱測(cè)溫電極上，所述叉指電極形成于所述電絕緣層上，所述氣體敏感層淀積在所述叉指電極上。利用本發(fā)明，提高了器件被加熱的工作區(qū)域部分與周圍的熱絕緣，降低了器件功耗，簡(jiǎn)化了器件中加熱和測(cè)溫部分的結(jié)構(gòu)，有利于器件的大量生產(chǎn)以及和信號(hào)采集處理電路的集成。
文檔編號(hào)G01N27/00GK101329291SQ20071011761
公開(kāi)日2008年12月24日 申請(qǐng)日期2007年6月20日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月20日
發(fā)明者葉甜春, 景玉鵬, 毅 歐, 陳大鵬, 黃欽文 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院微電子研究所