专利名称：微悬臂梁谐振式酞菁锌薄膜气体传感器及其制备方法
技术领域：
本发明涉及微电子机械系统气体传感器及其制备方法。
背景技术：
随着MEMS(微电子机械系统)技术的迅速发展，传感器的小型化、集成化已经成为传感器发展的方向。气体传感器作为对各种气体的敏感器件，能检测各种气体的成分和浓度，被广泛应用于探测各种有毒有害气体，各种可燃性气体，温室效应气体和污染环境气体。目前，MEMS气体传感器包括MOSFET型、固体电解质型、金属氧化物型和谐振式等。其中谐振式微梁传感器由于灵敏度高，稳定性好等优点，成为气体传感器发展和研究的重要方向之一。
近年来，对于谐振式传感器的研究越来越多。2004年法国Johann Mertens等人研究了HF(氟化氢)悬臂梁式气体检测器，采用压电激励/光学拾振方法检测HF气体的浓度；同年美国Northern Arizona大学的A.Kooser，R.L.Gunter，W.D.Delinger等人，采用EPM(embedded piezoresistivemicrocantilever)技术研发了一种新型气体传感器。采用压阻型悬臂梁结构，含Ni的聚合体敏感材料，来检测CO气体。在国内，西安理工大学刘月明等人，采用电热激励/压电拾取方法对硅微机械悬臂梁的谐振性能进行了实验研究，成功实现了对硅微悬臂梁谐振器前三阶振型的实验测试。复旦大学周嘉等人研制了压电谐振式微悬臂梁气体传感器，是一种利用PZT压电薄膜的压电效应，在交流电压的作用下实现谐振激励的谐振式微悬臂梁器件。在微悬臂梁表面形成均匀的分子筛膜，由分子筛吸附氟利昂分子而引起的质量变化转换成机械谐振频率的改变，并继而以电信号输出，检测氟利昂的含量。(参见1、JohannMertens，Eric Finot et al，Detection of gas trace of hydrofluoric acidusing microcantilever，Sensors and Actuators B 99(2004)58-65；2、A.Kooser，R.L.Gunter，W.D.Delinger，et al，Gas sensing usingembedded piezoresistive microcantilever sensors，Sensors and ActuatorsB 99(2004)474-479；3、刘月明、田维坚、刘君华，硅微悬臂梁谐振器的电激电拾方法研究，半导体光电，2003，24(6)289-391；4、周嘉、黎坡、黄宜平等，压电谐振式微悬臂梁气体传感器，压电与声光，2003.10，25(5)359～361.)目前，在谐振式气体传感器中，多采用谐振元件结合特定的气体敏感膜结构。不同之处在于，谐振元件、敏感膜以及激励/拾振方式的不同。谐振元件一般包括方膜、两端固支微梁和微桥以及微悬臂梁等。现今，静电激励需要两个电极，对电极间距控制要求较高，电容检测难度大。电磁激励必须利用磁场，难于实现微型化。压电激励加工工艺与集成电路工艺不兼容，不利于集成化和智能化等问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有微电子机械系统气体传感器难于实现微型化、集成化和智能化及制作工艺与集成电路工艺不兼容的问题，提供了一种微悬臂梁谐振式酞菁锌薄膜气体传感器及其制备方法，解决上述问题的具体技术方案如下本发明的微悬臂梁谐振式酞菁锌薄膜气体传感器，它由微悬臂梁1、压阻拾振电桥2、热激励电阻3组成，在微悬臂梁1的根部和自由端分别渗有压阻拾振电桥2和热激励电阻3，在渗有热激励电阻3处的微悬臂梁1的上表面上蒸镀有酞菁锌气体敏感膜4，并使酞菁锌气体敏感膜4完全覆盖在热激励电阻3上面。
本发明的微悬臂梁谐振式酞菁锌薄膜气体传感器的制备方法的步骤如下A、将压阻拾振电桥2和热激励电阻3，采用扩散工艺分别制作在微悬臂梁硅片的根部和自由端；B、将经步骤A形成的有压阻拾振电桥2和热激励电阻3的扩散区的制作微悬臂梁的硅片采用各向异性腐蚀技术，经过二次腐蚀，形成微悬臂梁1的结构；C、制备酞菁锌气体敏感膜4；D、将经步骤C制成的酞菁锌气体敏感膜4，采用真空蒸镀方法将酞菁锌气体敏感膜4蒸镀在热激励电阻3处的微悬臂梁1的上表面上，并使酞菁锌气体敏感膜4完全覆盖在渗入微悬臂梁1的热激励电阻3上面。
本发明具有如下特点输出量为频率信号、易与计算机系统接口、对吸附质量分辨率高、对NO2气体具有良好的选择性、制作工艺可与集成电路工艺兼容，还具有成本低、集成化、微型化。
图1是微悬臂梁谐振式酞菁锌薄膜气体传感器的侧剖面结构示意图。
具体实施例方式具体实施方式
一本实施方式由微悬臂梁1、压阻拾振电桥2、热激励电阻3组成，在微悬臂梁1的根部和自由端分别渗有压阻拾振电桥2和热激励电阻3，在热激励电阻3处的微悬臂梁1的上表面上蒸镀有酞菁锌气体敏感膜4，并使酞菁锌气体敏感膜4完全覆盖在热激励电阻3上面。
本传感器的热激励电阻3和压阻拾振电桥2完成电热激励/压阻拾振，使传感器形成自激振荡回路和输出量检测，当被测气体分子被吸附在酞菁锌气体敏感膜4上时，硅梁质量增加(有机化合物酞菁锌是制作二氧化氮气敏传感器的理想材料。当有机化合物酞菁锌(ZnPc)膜4暴露在被测气体NO2中时，气体会被敏感膜吸附，引起微悬臂梁谐振器5质量的变化，影响梁的谐振频率)，使微悬臂梁谐振器5的谐振频率改变，由于谐振频率变化量与被吸附气体的浓度成正比，故通过检测谐振频率可计算出气体浓度的大小。
电热激励是一种结构简单且容易控制的方法。它是基于微悬臂梁的热膨胀现象。热激励电阻3产生的热量，在梁的长度方向及法向形成温度梯度，法向温度梯度造成梁在法向上热膨胀梯度，使梁产生弯曲变形，增大其振幅，使激励效果更佳。因此，在热激励电阻3上施加交变电压，梁上产生交变的温度应力，驱动悬臂梁发生振动，当振动频率与其固有频率一致时，即产生谐振。微悬臂梁的谐振频率为fi=λi22πL2EIρA---(1)]]>式中λi是一个与几何尺寸无关的参数，E是微悬臂梁的杨氏模量，I是梁的截面惯量矩，ρ是梁的密度，A是梁的横截面积，L是梁的长度。
当微悬臂梁谐振器5置于被测气体中时，硅梁的谐振频率f与其上的吸附气体的质量m之间的关系式为f=f0[1+m(ρ1h1+ρ2h2)bl]-12---(2)]]>式中ρ1为硅的密度，ρ2为气体敏感膜的密度，h1为硅梁厚度，h2为气体敏感膜厚度，b为梁宽，l为梁长，f0为气体吸附量为零时梁的固有谐振频率。通过测量硅梁谐振频率f的变化量，就可得到气体分子的吸附量，从而得到被测气体的浓度值。
有机化合物酞菁锌是制作二氧化氮气敏传感器的理想材料。当有机化合物酞菁锌(ZnPc)膜4暴露在被测气体NO2中时，气体会被敏感膜吸附，引起微悬臂梁谐振器1质量的变化，影响梁的谐振频率。NO2分子吸附在敏感膜上后很难自动脱附，因此在气体敏感膜下方设计的热激励电阻3在激励谐振器振动的同时，亦令气体敏感膜受热，使NO2分子有足够的能量脱附，保证了传感器具有良好的重复性。当气体分子的吸附与脱附过程达到平衡时，谐振器的谐振频率保持稳定。被测气体浓度发生改变时，气体敏感膜的吸附质量发生变化，谐振频率亦随之变化。因此，通过检测微悬臂梁谐振器5的谐振频率的变化即可实时检测被测气体的浓度。
具体实施方式
二本实施方式的微悬臂梁谐振式酞菁锌薄膜气体传感器的制备方法采用如下步骤A、采用双面抛光N型(100)晶向硅片，清洗该硅片后，采用热生长方法进行双面氧化，在硅片的两平面上生长出一定厚度的SiO2层，进行一次光刻，刻出扩散区图形，在硅表面通过硼离子注入进行扩散，在微悬臂梁的根部和自由端形成压阻拾振电桥2和热激励电阻3的扩散区；B、将经步骤A形成的有压阻拾振电桥2和热激励电阻3的扩散区的制作微悬臂梁的硅片，采用二次光刻，刻出引线孔图形，蒸铝，反刻铝，形成铝电极，采用PECVD方法，双面生长Si3N4层；进行三次光刻，刻蚀出背面硅杯窗口，用浓度为40％的KOH腐蚀溶液在85℃～120℃下进行各向异性腐蚀，形成厚度为40~70um的硅杯，四次光刻，刻蚀出正面悬臂梁窗口，用40％的KOH溶液进行再次腐蚀，最终形成20~35um厚的微悬臂梁1，去掉电极处的保护层，露出铝电极；C、制备酞菁锌气体敏感膜4，将0.50g(3.35mmol)无水氯化锌、1.90g(15.1mmol)邻苯二甲腈、2.88ml(3.35mmol)DBU在80ml正戊醇溶剂中搅拌加热回流6小时(上述组分的比例关系不变，可乘以一定的倍数)，冷却后过滤，将过滤后获得的产物依次用正戊醇、3％盐酸、水和100％的乙醇洗涤，用氯仿萃取后得深蓝色粉末，将此深蓝色粉末在真空度为2.5×10-3Pa，温度为400～500℃条件下，采用真空升华法纯化后得酞菁锌粉末；采用加热真空蒸发镀膜机，将酞菁锌蒸镀在基片上，沉积前，对所用的基片进行表面清洁处理，将酞菁锌粉末放置在真空系统中的石英坩埚内，坩埚的底部配置有电阻丝加热器来控制加热温度；调节电阻丝电流对酞菁锌粉体进行蒸镀，衬底温度为室温，蒸发时的系统压强在2×10-4Pa至4×10-4Pa之间，蒸发时间控制在15～30分钟，制得0.8～1.2μm厚的酞菁锌(ZnPc)升华膜。
D、将经步骤C制成的酞菁锌气体敏感膜4，采用真空蒸镀方法，将酞菁锌气体敏感膜4蒸镀在渗有微悬臂梁1的热激励电阻3的上表面上，并使酞菁锌气体敏感膜4完全覆盖在渗入微悬臂梁1的热激励电阻3的上表面上。即制得本发明的微悬臂梁谐振式酞菁锌薄膜气体传感器。
权利要求
1.微悬臂梁谐振式酞菁锌薄膜气体传感器，它由微悬臂梁(1)、压阻拾振电桥(2)、热激励电阻(3)组成，在微悬臂梁(1)的根部和自由端分别渗有压阻拾振电桥(2)和热激励电阻(3)，其特征在于在渗有热激励电阻(3)处的微悬臂梁(1)的上表面上蒸镀有酞菁锌气体敏感膜(4)，并使酞菁锌气体敏感膜(4)完全覆盖在热激励电阻(3)的上面。
2.根据权利要求1所述的微悬臂梁谐振式酞菁锌薄膜气体传感器，其特征在于酞菁锌气体敏感膜(4)的厚度为0.8～1.2μm。
3.微悬臂梁谐振式酞菁锌薄膜气体传感器的制备方法，其特征在于该制备方法的步骤如下A、将压阻拾振电桥(2)和热激励电阻(3)，采用扩散工艺分别制作在微悬臂梁硅片的根部和自由端；B、将经步骤A形成的有压阻拾振电桥(2)和热激励电阻(3)的扩散区的制作微悬臂梁的硅片采用各向异性腐蚀技术，经过二次腐蚀，形成微悬臂梁(1)的结构；C、制备酞菁锌气体敏感膜(4)；D、将经步骤C制成的酞菁锌气体敏感膜(4)，采用真空蒸镀方法将酞菁锌气体敏感膜(4)蒸镀在热激励电阻(3)处的微悬臂梁(1)的上表面上，并使酞菁锌气体敏感膜(4)完全覆盖在渗入微悬臂梁(1)的热激励电阻(3)上面。
4.根据权利要求3所述的微悬臂梁谐振式酞菁锌薄膜气体传感器的制备方法，其特征在于酞菁锌气体敏感膜(4)的制作方法是由0.50g无水氯化锌、1.90g邻苯二甲腈、2.88mlDBU在80ml正戊醇溶剂中搅拌加热回流6小时，冷却后过滤，将过滤后获得的产物依次用正戊醇、3％盐酸、水和100％的乙醇洗涤，用氯仿萃取后得深蓝色粉末，将此深蓝色粉末在真空度为2.5×10-3Pa，温度为400～500℃条件下，采用真空升华法纯化后得酞菁锌粉末；采用加热真空蒸发镀膜机，将酞菁锌蒸镀在基片上，沉积前，对所用的基片进行表面清洁处理，将酞菁锌粉末放置在真空系统中的石英坩埚内，坩埚的底部配置有电阻丝加热器来控制加热温度；调节电阻丝电流对酞菁锌粉体进行蒸镀，衬底温度为室温，蒸发时的系统压强在2×10-4Pa至4×10-4Pa之间，蒸发时间控制在15～30分钟，制得0.8～1.2μm厚的酞菁锌气体敏感膜(4)。
5.根据权利要求3所述的微悬臂梁谐振式酞菁锌薄膜气体传感器的制备方法，其特征在于微悬臂梁(1)的腐蚀温度为85～120℃。
全文摘要
微悬臂梁谐振式酞菁锌薄膜气体传感器及其制备方法，它涉及微电子机械系统气体传感器及其制备，为了解决现有微电子机械系统气体传感器难于实现微型化，不利于集成和智能化的问题。该传感器由微悬臂梁1、压阻拾振电桥2、热激励电阻3组成，在微悬臂梁1上渗有压阻拾振电桥2和热激励电阻3，在热激励电阻3处的微悬臂梁1的上表面上蒸镀有酞菁锌气体敏感膜4，并使酞菁锌气体敏感膜4完全覆盖在热激励电阻3上面。制备方法A.将压阻拾振电桥2和热激励电阻3集成在硅片上；B.制备微悬臂梁1结构；C.制备酞菁锌气体敏感膜4，D.将酞菁锌气体敏感膜4真空蒸镀在微悬臂梁1上。本发明具有如下特点输出量为频率信号，对吸附质量分辨率高，还具有成本低、集成化、微型化。
文档编号B81C1/00GK1719240SQ200510010248
公开日2006年1月11日 申请日期2005年8月5日 优先权日2005年8月5日
发明者邱成军, 左霞, 卜丹, 穆长生, 安旭 申请人:黑龙江大学