MEMS气体传感器的制作方法

mems气体传感器
技术领域
1.本实用新型涉及微机电技术领域，特别是涉及一种mems气体传感器。


背景技术：

2.随着mems(micro-electro-mechanical system，微机电)技术的快速发展，各类mems传感器出现在市场中，例如加速度计，mems压力传感器，mems气体传感器等。由于天然气警报、酒精测试仪等的应用，mems气体传感器成为研究以及应用的热点。现有的mems气体传感器的结构如图1所示，其微热板的结构都是加热电极13和测试电极15位于整个微热板的上下两层(其中加热电极在下层，测试电极在上层)。
3.这种mems气体传感器的基本制作过程都是通过mems工艺完成微热板11的制作，然后通过丝网印刷气敏材料，高温烧结完成。具体工艺步骤如下：
4.1、提供单晶硅衬底一片；
5.2、生成一层热氧化层作为绝缘层12；
6.3、光刻，金属淀积，剥离形成加热电极13；
7.4、淀积一层氧化层，cmp之后形成作为加热层的绝缘层14；
8.5、光刻，金属淀积，剥离形成测试电极15；
9.6、丝网印刷气敏材料16，之后高温烧结。
10.可以看到，现有的mems气体传感器的结构比较复杂，微热板的制作工艺繁琐，两种电极金属层需要分别在两层绝缘层上分步制作，完成金属淀积，光刻，剥离，使得整个工艺成本较高，效率低，而且两层金属之间容易产生寄生电容，在器件使用过程中，容易产生信号干扰。
11.现有的mems气体传感器检测气体的方法为，加热电极直流输入电流，将整个微热板加热到气敏材料的工作温度；然后测试电极输入测试信号得到气敏材料的电阻值。当没有对应的敏感气体时，气敏材料的电阻值为r0；当出现敏感气体时，气敏材料的电阻为ra，经信号处理之后，敏感度s＝r0/ra(r0》》ra)，当敏感度s达到设定值时，就会启动报警。因气敏材料和微热板中间形成有多个绝缘层，导致微热板的温度容易受到干扰，可能导致检测精度下降。


技术实现要素：

12.鉴于以上所述现有技术的缺点，本实用新型的目的在于提供一种mems气体传感器，用于解决现有技术现有的mems气体传感器的结构比较复杂，微热板的制作工艺繁琐，两种电极金属层需要分别在两层绝缘层上分步制作，完成金属淀积，光刻，剥离，使得整个工艺成本较高，效率低，而且两层金属之间容易产生寄生电容，在器件使用过程中，容易产生信号干扰，以及检测精度下降等问题。
13.为实现上述目的及其他相关目的，本实用新型提供一种mems气体传感器，所述mems气体传感器包括衬底、绝缘层、加热电极、测试电极及气敏材料层，所述衬底中设置有
隔热槽，所述绝缘层中设置有通孔，所述通孔与所述隔热槽相连通，所述加热电极和测试电极共同位于单层的所述绝缘层上，所述测试电极包括一对相向设置的梳齿状电极，测试电极的梳齿部交错间隔设置，所述加热电极环绕所述测试电极的梳齿部，所述气敏材料层覆盖部分测试电极和部分加热电极。
14.可选地，所述加热电极和所述测试电极分别交替输入对应的加热信号和测试信号。
15.可选地，所述衬底为《100》单晶硅衬底。
16.可选地，所述气敏材料层位于所述隔热槽的正上方。
17.可选地，所述绝缘层包括二氧化硅层。
18.可选地，所述加热电极和测试电极均包括铂金属层。
19.可选地，所述绝缘层的厚度为1μm-5μm。
20.可选地，所述加热电极的两个电引出端位于一矩形的对角线上。
21.可选地，所述隔热槽的顶部开口尺寸大于底部开口尺寸。
22.可选地，所述mems气体传感器还包括悬臂梁，所述测试电极和加热电极通过不同的悬臂梁连接至不同的电极板。
23.可选地，所述通孔为环形孔，环形孔的外径不小于隔热槽的直径。
24.如上所述，本实用新型的mems气体传感器，具有以下有益效果：本实用新型提供的mems气体传感器将加热电极和测试电极设计在单层的同一绝缘层上，不仅可以有效避免现有技术中因两层金属电极上下叠置产生的电容对信号造成的干扰，而且测试电极和加热电极仅需一次工艺(光刻，金属淀积，剥离)完成，可以有效降低传感器的制备成本，提高工艺良率。同时，本实用新型提供的mems气体传感器有助于提高测试精度。
附图说明
25.图1显示为现有技术中的mems气体传感器的截面结构示意图。
26.图2显示为本实用新型提供的mems气体传感器的截面结构示意图。
27.图3显示为图2中的加热电极和测试电极的例示性俯视结构示意图。
28.图4显示为本实用新型提供的mems气体传感器工作时测试电极和加热电极的输入信号的波形图。
29.元件标号说明
30.21
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衬底
31.211
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隔热槽
32.22
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绝缘层
33.221
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通孔
34.23
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加热电极
35.24
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测试电极
36.241
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梳齿部
37.25
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气敏材料层
38.26
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悬臂梁
具体实施方式
39.以下通过特定的具体实例说明本实用新型的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点与功效。本实用新型还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本实用新型的精神下进行各种修饰或改变。如在详述本实用新型实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本实用新型保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
40.为了方便描述，此处可能使用诸如“之下”、“下方”、“低于”、“下面”、“上方”、“上”等的空间关系词语来描述附图中所示的一个元件或特征与其他元件或特征的关系。将理解到，这些空间关系词语意图包含使用中或操作中的器件的、除了附图中描绘的方向之外的其他方向。此外，当一层被称为在两层“之间”时，它可以是所述两层之间仅有的层，或者也可以存在一个或多个介于其间的层。
41.在本技术的上下文中，所描述的第一特征在第二特征“之上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。
42.需要说明的是,本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本实用新型的基本构想，遂图式中仅显示与本实用新型中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。为使图示尽量简洁，各附图中并未对所有的结构全部标示。
43.请参阅图2至图3。
44.如图2及3所示，本实用新型提供一种mems气体传感器，所述mems气体传感器包括衬底21、绝缘层21、加热电极23、测试电极24及气敏材料层25，所述衬底21中设置有隔热槽211，所述绝缘层21中设置有通孔221，所述通孔221与所述隔热槽211相连通，所述加热电极23和测试电极24共同位于单层的所述绝缘层21上，所述测试电极24包括一对相向设置的梳齿状电极，测试电极24的梳齿部交错间隔设置，所述加热电极23环绕所述测试电极24的梳齿部，所述气敏材料层25覆盖部分测试电极24和部分加热电极23。
45.本实用新型提供的mems气体传感器将加热电极和测试电极设计在单层的同一绝缘层上，不仅可以有效避免现有技术中因两层金属电极上下叠置产生的电容对信号造成的干扰，而且测试电极和加热电极仅需一次工艺(光刻，金属淀积，剥离)完成，可以有效降低工艺成本，提高工艺良率。
46.在一示例中，所述衬底21为《100》单晶硅衬底，这有利于在制备过程中控制刻蚀方向，以在衬底21内形成所需的结构。所述衬底21的厚度可以根据需要设置，例如为200-500μm，所述隔热槽211的尺寸亦可以根据需要设置，例如深度可以为衬底21厚度的1/4-1/2，更具体地，例如可以为100μm-200μm。在一示例中，所述隔热槽211的顶部开口尺寸大于底部开口尺寸，其截面形状类似一倒梯形结构。所述隔热槽211的顶部开口不小于气敏材料层25的表面积，以确保气敏材料层25覆盖的测试电极24和加热电极23整个位于隔热槽211上，且所述气敏材料层25通常位于所述隔热槽211的正上方，即所述气敏材料层25的中心点和隔热槽211的中心点在同一垂线上。
47.在一示例中，所述绝缘层21为二氧化硅层但不限于此。当所述衬底21为硅衬底时，所述绝缘层21选择二氧化硅层，因而在制备过程中可以通过对所述硅衬底的热氧化快速形成所述绝缘层21，有助于降低制备成本和提高工艺效率。所述绝缘层21的厚度例如可以为1μm-5μm(微米)，更佳地，例如为2-3μm。
48.在一示例中，所述加热电极23和测试电极24均选用铂金属层作为电极，但并不限于此，还可以采用其他贵金属电极，例如金电极。
49.作为示例，所述通孔221为环形孔，通孔221的外径通常不小于隔热槽211的顶部开口的直径。在一较佳示例中，通孔221的外径和隔热槽211的顶部开口直径相同。
50.所述测试电极24为梳齿结构，包括若干个(通常为2个以上)平行间隔设置的梳齿部241，以及连接该梳齿部241的连接部，梳齿部241的长度延伸方向通常和连接部的长度延伸方向相互垂直，两个测试电极24的梳齿部241交错平行间隔设置，而加热电极23则蜿蜒环绕这些梳齿部241，通过这样的电极设计，可以有效避免测试电极和加热电极的接触。
51.作为示例，所述气敏材料层25包括但不限于氧化锌层、氧化锡层或其他稀土复合氧化层。所述气敏材料层25填充各电极之间的间隙且覆盖于对应电极的表面。
52.作为示例，所述mems气体传感器还包括悬臂梁26，所述测试电极24和加热电极23通过不同的悬臂梁26连接至不同的电极板，以连接至不同的输入信号。悬臂梁可以和测试电极和加热电极通过对同一金属层的同步刻蚀同时形成。在进一步的示例中，加热电极26和测试电极24的两端各自连接至交替输入的加热信号和测试信号。参考图3所示：在加热电极23的两端接入两个信号端口h_in和gnd_h(接地)，加热电极23输入方波电压信号h_in；占空比为20％，方波信号周期为t＝1ms～10ms；在测试电极24两端接入两个信号端口t_in和gnd_t(接地)，测试电极24输入脉冲测试信号t_in，刚好在加热电极23输入为0的时域内，进行电阻信号采集；h_in和t_in的信号波形如图4所示。加热电极和测试电极交替工作，保证两种电极之间不会发生短路，而且加热电极电流断态时间只有不到1ms，所以整个微热板(即衬底)的温度不会受到影响，可以保证mems气体传感器处于正常工作的温度区间以内，有助于提高检测精度。
53.本实用新型提供的mems气体传感器的例示性制备过程如下：
54.1、提供《100》单晶硅衬底；
55.2、在硅衬底上生长一层热氧化层作为绝缘层21；
56.3、在绝缘层21上光刻、淀积金属层，例如铂金属层，对金属层进行光刻刻蚀而同时形成加热电极23和测试电极24；
57.4、光刻刻蚀出湿法腐蚀的掩蔽层，然后进行各向异性湿法腐蚀，形成衬底21的隔热槽211；
58.5、丝网印刷形成气敏材料层25，高温烧结。
59.综上所述，本实用新型提供一种mems气体传感器，所述mems气体传感器包括衬底、绝缘层、加热电极、测试电极及气敏材料层，所述衬底中设置有隔热槽，所述绝缘层中设置有通孔，所述通孔与所述隔热槽相连通，所述加热电极和测试电极共同位于单层的所述绝缘层上，所述测试电极包括一对相向设置的梳齿状电极，测试电极的梳齿部交错间隔设置，所述加热电极环绕所述测试电极的梳齿部，所述气敏材料层覆盖部分测试电极和部分加热电极。本实用新型提供的mems气体传感器将加热电极和测试电极设计在单层的同一绝缘层
上，不仅可以有效避免现有技术中因两层金属电极上下叠置产生的电容对信号造成的干扰，而且测试电极和加热电极仅需一次工艺(光刻，金属淀积，剥离)完成，可以有效降低传感器的制备成本，提高工艺良率，且有助于提高检测精度。所以，本实用新型有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
60.上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本实用新型所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。