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、家庭可燃性氣體泄漏的監(jiān)控檢測等。二氧化錫氣敏傳感器由于結(jié)構(gòu)簡單，制作方便，壽命長等特點(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，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)易于與信號采集處理電路集 成。己有報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)為測溫電極。這種結(jié)構(gòu)使用加熱電極(2)對叉指電極 上面的氣體敏感層進(jìn)行加熱，由測溫電極(3)對溫度進(jìn)行監(jiān)控。這種結(jié)構(gòu)的最大問題是器件沒有與周圍熱絕緣，導(dǎo)致熱量通過電絕緣 層向四周擴(kuò)散，增大了器件功耗。而且采用測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，簡化器件中加熱 和測溫部分的結(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，加熱測溫電極9、叉 指電極8，加熱測溫電極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、加熱測溫電極引出線壓焊點(diǎn)7和氣體敏感層10;所述加熱測溫電極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，加熱測溫電極9和叉指電極8通 過各自的金屬引線分別與加熱測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溫電極9形成后依次淀積在所述加熱測溫 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 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 極同時作為加熱電極和測溫電極，簡化了器件設(shè)計和制作復(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，對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。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，加熱測溫電極9、叉指電極8，加熱測溫電極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、 加熱測溫電極引出線壓焊點(diǎn)7和氣體敏感層10。其中，加熱測溫電極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，加熱測溫電極9和叉指電極8通過各自的金屬引線分別與加熱測溫 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溫電極9形成后依 次淀積在所述加熱測溫電極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溫電極的俯視 圖。加熱測溫電極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。叉指電極和加熱測溫電極通過支撐臂與電源和信號采集 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)對不同氣體探測目標(biāo)的探測。當(dāng)敏感層吸附了待探測的氣體之 后，敏感層的電阻發(fā)生變化，敏感層的電阻變化通過叉指電極輸出到測試 電路。實(shí)施例再參照圖2、 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)、加熱測溫電極引出線Au/Cr層(7)、叉指 電極Pt/Ti層(8)、加熱測溫電極(9)和二氧化錫氣體敏感層(10)十個 部分構(gòu)成。硅襯底主要作為支撐結(jié)構(gòu)，器件通過支撐臂(11)固定在硅襯底上， 利用KOH對硅的各向異性腐蝕，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，叉指電極和加熱測溫電極通過支撐臂與電源和信 號采集處理電路相連接。支撐臂寬度為5 3(Him。加熱測溫電極寬度為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 測溫電極通過兩根支撐梁上面的導(dǎo)線和電源以及測試電路連接。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)通過兩根支撐梁上面的電極的導(dǎo)線與測試電路連接。通過濺 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)對不同氣體探測目標(biāo)的探測。當(dāng)敏感層吸附了待探測 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叉指電極輸 出到測試電路。以上所述的具體實(shí)施例，對本發(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)，加熱測溫電極(9)、叉指電極(8)，加熱測溫電極(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)、加熱測溫電極引出線壓焊點(diǎn)(7)和氣體敏感層(10)；所述加熱測溫電極(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，加熱測溫電極(9)和叉指電極(8)通過各自的金屬引線分別與加熱測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溫電極(9)形成后依次淀積在所述加熱測溫電極(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，加熱測溫電極、叉指電極，加熱測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溫電極形成后淀積在所述加熱測溫電極上，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，簡化了器件中加熱和測溫部分的結(jié)構(gòu)，有利于器件的大量生產(chǎn)以及和信號采集處理電路的集成。
文檔編號G01N27/00GK101329291SQ20071011761
公開日2008年12月24日 申請日期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 申請人:中國科學(xué)院微電子研究所