專利名稱：硅基共平面微型氣體傳感器芯片及制備微型氣體傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微納電子器件技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種建立在硅基底上、加熱電極和信號電極共居于同一介質(zhì)平面上的硅基共平面低功耗微型氣體傳感器芯片及用于制備微型氣體傳感器，該結(jié)構(gòu)傳感器可實(shí)現(xiàn)在較低溫度下工作。
背景技術(shù)：
微傳感器作為微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)的一個(gè)重要功能組件，具有微型化、功耗低、成本廉、易集成的特點(diǎn)。目前實(shí)用化的微氣體傳感器多采用懸臂梁結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在一定程度上阻斷了芯片中心部分與襯底周邊的熱傳導(dǎo)，起到了降低傳感器功耗的作用。懸臂梁傳感器采用微加工技術(shù)或表面犧牲層技術(shù)獲得，由于其芯片尺寸小、功耗低、易于集成而受到青睞。懸臂梁型氣體傳感器制備過程簡述如下在硅片上依次淀積多晶硅犧牲層和SiO2-Si3N4-SiO2介質(zhì)層；在介質(zhì)層上制作金屬電阻；淀積鈍化層后，開孔去掉犧牲層得到懸空微熱板結(jié)構(gòu)，以降低熱量的傳導(dǎo)，因此，由懸臂所支撐起的微熱板功耗較低且溫度分布均勻。但由于懸臂梁結(jié)構(gòu)傳感芯片包含微懸臂、微橋、微熱板等結(jié)構(gòu)，小尺寸的微懸臂機(jī)械強(qiáng)度也大大降低，力學(xué)性能較差，基于這種結(jié)構(gòu)的微氣體傳感器存在工藝復(fù)雜、可靠性差、成品率低等缺點(diǎn)。本發(fā)明提出一種簡單易行的共平面型微氣體傳感器結(jié)構(gòu)，將克服上述問題，它是將微熱板和信號電極安置在硅基表面的的同一個(gè)介質(zhì)平面上，克服懸臂梁結(jié)構(gòu)的力學(xué)不穩(wěn)定性，簡化工藝，提高成品率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服懸臂梁型微氣體傳感器可靠性差的缺點(diǎn)，提供一種由傳統(tǒng)半導(dǎo)體加工工藝制備的硅基共平面型微傳感器芯片，在新型傳感器設(shè)計(jì)和微傳感器應(yīng)用領(lǐng)域具有十分重要的價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。本發(fā)明所述的硅基共平面微型氣體傳感器芯片，由如下步驟制備(1)選用<100>晶向Si片，減薄處理至厚度為300 600 μ m，然后將減薄處理后的Si片的一個(gè)側(cè)面采用混合氧化法氧化處理得到300 450nm厚的SiO2絕緣層；(2)采用半導(dǎo)體平面加工工藝，在SiO2絕緣層上濺射30 60nm厚的Ti粘附層；(3)在Ti粘附層上旋涂光刻膠，通過掩膜、紫外線曝光、顯影后制備得到與需要制備的加熱電極和信號電極結(jié)構(gòu)互補(bǔ)的光刻膠圖形；(4)在光刻膠圖形上濺射200 300nm厚的Pt電極層；(5)剝離光刻膠及其上面的Pt電極層；(6)進(jìn)行酸法腐蝕，從而得到彼此絕緣的、包含Ti粘附層和Pt電極層、具有管腳的蛇形加熱電極和叉指狀信號電極，其中加熱電極由管腳101、管腳103和連接兩個(gè)管腳的蛇形電阻103組成，叉指狀信號電極由管腳11和與其連接的叉指狀電極12、管腳13和與其連接的叉指狀電極14組成；兩個(gè)叉指狀信號電極構(gòu)成叉指狀信號電極對；
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(7)劃片切割，即制備得到硅基共平面微型氣體傳感器芯片。本發(fā)明所述的硅基共平面微型氣體傳感器芯片可用于制備微型氣體傳感器，其備過程如下(1)利用金絲球焊機(jī)將Pt絲焊在各個(gè)電極的管腳上；(2)取敏感材料(ln203、SnO2, ZrO2, TiO2, Fe2O3等)加入去離子水研磨均勻后，涂敷在傳感器芯片上，自然風(fēng)干，敏感材料層厚10 IOOym ；(3)將傳感器芯片放入馬弗爐中高溫?zé)Y(jié)2 4小時(shí)后取出；(4)將傳感器芯片的加熱電極的兩管腳101、103間加1 IOV電壓，信號電極的兩個(gè)管腳11、13間通入20 IOOmA電流，老化12 24小時(shí)，即可制備得到微型氣體傳感器。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是制備步驟簡單，制作成本低，可靠性高。利用共平面型微傳感器制成的氣體傳感器，在工作電壓為5V工作電流為53mA時(shí)，表面工作溫度可達(dá)320°C，溫度分布均勻，功耗低，可滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。本發(fā)明中硅基共平面微型氣體傳感器的性能較懸臂梁式結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于，懸臂梁型傳感器由于微懸臂、微橋等結(jié)構(gòu)，機(jī)械強(qiáng)度差導(dǎo)致器件的可靠性降低，同時(shí)制作這些微小結(jié)構(gòu)使得工藝復(fù)雜度增大，成品率低，成本較高。在機(jī)械強(qiáng)度允許的范圍內(nèi)減薄Si片，所制得的共平面型傳感器兼顧了器件的可靠性和功耗兩方面，其簡單的制作工藝也使得器件成本大大降低。共平面型傳感器功耗小，表面溫度分布均勻性好，使得所制作的微氣體傳感器性能得以充分發(fā)揮。


圖1 硅基共平面微型氣體傳感器芯片表面電極布線示意圖；圖2 硅基共平面微型氣體傳感器芯片結(jié)構(gòu)示意圖；圖3 制備硅基共平面微型氣體傳感器芯片的工藝流程圖；圖4 硅基共平面型微傳感器芯片表面溫度分布云圖；圖5 硅基共平面型微傳感器芯片表面溫度 功耗關(guān)系曲線；圖6 實(shí)施例1制備的In2O3酒精傳感器的最佳工作溫度曲線；圖7 實(shí)施例1制備的In2O3酒精傳感器的響應(yīng)恢復(fù)曲線。如圖1所示，管腳101、管腳103和蛇形加熱電阻102組成加熱電極，管腳11與叉指狀電極14及管腳12與叉指狀電極13分別組成信號電極，構(gòu)成信號電極對，如圖中所注， 電極條寬與電極條間的間距均為20 μ m，加熱電極的兩個(gè)管腳的尺寸為260 X 340 μ m2，信號電極的兩個(gè)管腳的尺寸為300 X 300 μ m2，整個(gè)芯片尺寸為1X1X0. 3mm3。如圖2所示，21為<110>晶向Si片，22為SiO2絕緣層，23為Ti粘附層，24為Pt 電極層。如圖3所示，25為光刻膠，26為掩膜板，27為紫外光。如圖4所示，共平面型傳感器的溫度分布云圖，150mW的功耗時(shí)，該芯片表面溫度約為320°C，且溫度分布均勻。如圖5所示，共平面型傳感器表面溫度與加熱端功耗的關(guān)系曲線，傳感器的表面溫度與加熱端功耗呈線性關(guān)系；如圖6所示，當(dāng)加熱電極兩管腳間工作電壓為1. IV，工作電流為70mA時(shí)，In2O3酒精傳感器靈敏度達(dá)到峰值，此時(shí)傳感器表面溫度達(dá)到120°C，即120°C為該傳感器的最佳工作溫度，此時(shí)傳感器功耗僅為77mW。此時(shí)信號電極兩管腳間電壓為6V，電流為2. 5mA。如圖7所示，利用RQ-2測試儀測得，120°C下In2O3酒精傳感器對濃度為500ppm的酒精氣體響應(yīng)時(shí)間為5s，恢復(fù)時(shí)間為15s。在連續(xù)的四個(gè)反應(yīng)周期里，該傳感器具有良好的可逆性和重復(fù)性。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1 1、選用<100>晶向Si片，在滿足劃片機(jī)械強(qiáng)度要求情況下減到越薄越好，在本例中對其進(jìn)行減薄處理至300 μ m ；在減薄后的Si片一個(gè)側(cè)面上采用混合氧化法制備300nm 厚SiO2絕緣層；采用半導(dǎo)體加工工藝，在SiO2絕緣層上濺射45nm厚Ti粘附層；利用勻膠機(jī)在Si片濺射好金屬Ti的一側(cè)旋涂光刻膠BP212，勻膠機(jī)轉(zhuǎn)速為3000r/min，勻膠時(shí)間25s ； 涂好光刻膠后，將玻璃制掩模板覆蓋在Si片上對好，在1000W光功率下曝光4s ；采用正膠顯影液進(jìn)行顯影；在顯影后的Si片上涂有光刻膠一側(cè)濺射250nm厚的金屬Pt ；采用剝離工藝，剝除光刻膠及其上面的金屬Pt;利用HF ΗΝ03(摩爾比4 1)混合酸溶液對Ti粘附層進(jìn)行腐蝕，腐蝕深度為45nm，得到加工好電極的Si片；將Si片進(jìn)行劃片，即得到硅基共平面型微傳感器芯片。2、取切割后的傳感器芯片，利用金絲球焊機(jī)，將Pt絲焊在各個(gè)電極的引腳上，備用；取0. 5g的In2O3納米纖維放入IOOml去離子水中研磨均勻；將研磨好的漿料均勻涂在傳感器芯片上，自然風(fēng)干，敏感膜厚度30 μ m ；將傳感器放入馬弗爐中60(TC燒結(jié)3小時(shí)后取出；在70mA電流下老化12小時(shí)，即可制備好In2O3酒精傳感器。3、In2O3酒精傳感器在75mW功耗下，表面溫度達(dá)到120°C，此時(shí)傳感器靈敏度達(dá)到峰值。在此溫度下，500ppm乙醇?xì)怏w中，In2O3酒精傳感器響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間分別為15s和5s。
權(quán)利要求
1.一種硅基共平面微型氣體傳感器芯片，其由如下步驟制備(1)選用<100>晶向Si片(21)，減薄處理至厚度為300 600μ m，然后將減薄處理后的Si片的一個(gè)側(cè)面采用混合氧化法氧化處理得到300 450nm厚的SiO2絕緣層(22)；(2)在SiO2絕緣層上濺射30 60nm厚的Ti粘附層(23)；(3)在Ti粘附層上旋涂光刻膠，通過掩膜、紫外線曝光、顯影后得到與需要制備的加熱電極和信號電極結(jié)構(gòu)互補(bǔ)的光刻膠圖形(25)；(4)在光刻膠圖形上濺射200 300nm厚的Pt電極層(24)；(5)剝離光刻膠及其上面的Pt電極層；(6)進(jìn)行酸法腐蝕，從而得到彼此絕緣的、包含Ti粘附層(23)和Pt電極層(24)的、具有管腳結(jié)構(gòu)的蛇形加熱電極和叉指狀信號電極；其中加熱電極由管腳(101)、管腳(103)和連接兩管腳的蛇形電阻(103)組成，叉指狀信號電極由管腳(11)和與其連接的叉指狀電極 (12)、管腳(13)和與其連接的叉指狀電極(14)組成，兩個(gè)叉指狀信號電極(12、13)構(gòu)成叉指狀信號電極對；(7)劃片切割，即制備得到硅基共平面微型氣體傳感器芯片。
2.權(quán)利要求1所述的硅基共平面微型氣體傳感器芯片在制備微型氣體傳感器方面的應(yīng)用。
3.如權(quán)利要求2所述的硅基共平面微型氣體傳感器芯片在制備微型氣體傳感器方面的應(yīng)用，在是制備酒精傳感器方面的應(yīng)用。
4.如權(quán)利要求2所述的硅基共平面微型氣體傳感器芯片在制備微型氣體傳感器方面的應(yīng)用，其制備過程包括如下步驟1)利用金絲球焊機(jī)將Pt絲焊在硅基共平面微型氣體傳感器芯片加熱電極和信號電極的管腳上；2)取敏感材料ln203、SnO2,ZrO2, TiO2或Fe2O3，加入去離子水研磨均勻后，涂敷在上面步驟獲得的硅基共平面微型氣體傳感器芯片上，自然風(fēng)干，敏感材料層厚10 ΙΟΟμπι;3)將上面步驟獲得的硅基共平面微型氣體傳感器芯片放入馬弗爐中高溫?zé)Y(jié)2 4 小時(shí)后取出；4)在上面步驟獲得的硅基共平面微型氣體傳感器芯片的加熱電極的管腳(101)和管腳(103)間加1 IOV電壓，信號電極通入20 IOOmA電流，老化12 24小時(shí)，即制備得到微型氣體傳感器。
全文摘要
本發(fā)明屬于微納電子器件技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種建立在硅基底上、加熱電極和信號電極共居于同一介質(zhì)平面上的硅基共平面低功耗微型氣體傳感器芯片及用于制備微型氣體傳感器，該結(jié)構(gòu)傳感器可實(shí)現(xiàn)在較低溫度下工作。本發(fā)明所述的微型氣體傳感器芯片是利用常規(guī)熱氧化法在晶向的Si基片上制做SiO2絕緣層；采用半導(dǎo)體平面工藝，在絕緣層SiO2上依次濺射Ti粘附層和Pt電極層(加熱電極和信號電極)；然后經(jīng)過光刻、劃片，得到共平面型微氣體傳感器的芯片。本發(fā)明制備的氣體傳感器芯片功耗低，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)越于懸臂梁型微傳感器。本發(fā)明工藝簡單，成本低廉，功耗較小，易于集成。
文檔編號B81C1/00GK102358612SQ20111024162
公開日2012年2月22日 申請日期2011年8月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月23日
發(fā)明者張彤, 王麗杰, 王蕊, 費(fèi)騰, 賀媛, 馬曉康 申請人:吉林大學(xué)