专利名称：集成有加热器的声表面波气体传感器阵列及其制备方法
技术领域：
本发明涉及气体传感器技术领域，具体涉及一种集成有加热器的声表面波气体传感器阵列及其制备方法。
背景技术：
声表面波(SAW)传感器就是利用声表面波器件作为传感元件，在传播途径上涂覆敏感材料，敏感材料吸附待测气体后，导致质量、电导、粘弹性等的改变，进而改变声波的传播速度，引起传感器频率改变，通过测量传感器频率变化来测量气体浓度，以实现对待测对象的检测的一种传感器。与其他类型的传感器相比，声表面波气体传感器具有灵敏度高、响 应快、体积小、重量轻、功耗低、抗干扰、数字输出、耐噪声等优点，特别适合于有毒、有害等低浓度气体的检测。声表面波器件本身对气体不敏感，需要涂覆敏感材料。敏感材料有多种，需根据检测对象的不同而加以优选。常规的金属氧化物半导体气敏材料需要加热到一定的温度以提高灵敏度；而即使采用聚合物作为敏感材料，也因聚合物的玻璃化温度不同，使得不同的敏感材料的最佳工作温度不同。例如，以探测化学战剂的声表面波传感器为例，当采用SXFA敏感膜检测有机磷DMMP时，从5°C升温到45°C，传感器的响应下降了 55%，但响应时间从大于300s缩短到约IOs (参见文献潘勇，何世堂，刘岩，王文，王艳武，刘明华，SAff-SXFA传感器检测有机膦化合物的研究，化学传感器，2010，30 (2) 42-46)。此外，常温工作的声表面波气体传感器还存在着解吸慢的缺点，文献①Seto Y，Kanamori-Kataoka M, Tsuge K，et al. Sensing technology for chemical-warfare agents and its evaluation usingauthentic agents, Sensors & Actuators B, 108 (2005) :193 - 197 ;②张天，陈传治，左伯莉，马晋毅，李伟，氢键酸性接枝聚硅氧烷的合成及应用，化学试剂，2009,31 (I) 43-45等报道的化学战剂传感器的解吸时间长达4-8分钟，难以满足实际需求。为了调节声表面波气体传感器的工作温度，中国专利CN201010161745. 8公开了一种快速响应的声表面波气体传感器及其制备方法，其特征是在基板的同一面制作有多个传感单元，每个传感单元包括两对叉指电极和一个Pt膜加热器，用外电路控制使得一半的传感单元工作于最佳吸附温度，而另一半的传感单元工作于最佳解吸温度，一段时间后两部分交换工作状态，从而缩短整个传感器的分析时间。但是，该传感器的Pt膜加热器穿插于叉指电极中，会严重影响声表面波的传播，劣化声表器件的性能。W02006020881公开了一种声表面波湿度/结露传感器，其特征是将加热器制作在压电基板的背面，而在基板正面正对的位置制作叉指电极，克服了 CN201010161745. 8的上述缺点。但是，加热器需对整个压电基板加热，甚至会加热部分电路板(通常压电基板是粘贴在电路板上的)，存在着热效率低、功耗大、加热速度较慢的缺点。另一方面，声表面波传感器是制作在石英、LiNbO3^ LiTaO3等压电单晶片上，难以与传感器的电路集成，与CMOS工艺的兼容性差。US2008230859、US2009114798 以及文献③ Anis Nurashikin Nordin, IoanaVoiculescu, Mona Zaghloul, Micro-hotplate based temperature stabilizationsystem for CMOS SAW resonators, Microsyst Technol, 2009, 15:1187-1193;④ OnurTigli, Mona E. Zaghloul, Design and Fabrication of a novel SAW Bio/ChemicalSensor in CMOS, Proceedings of IEEE Sensors, 2005, 2005:137-140;⑤Onur Tigli,Mona E. Zaghloul, Surface Acoustic Wave (SAW) Biosensors, Midwest Symposiumon Circuits and Systems, 2010:77-80; ⑥ Onur Tigli, Louis Bivona, Cynthia.Chaterjee, Mona E. ZaghloulI, Patricia Berg, Surface Acoustic Wave BasedBiosensor in CMOS for Cancer Biomarker Detection, Proceedings of IEEE Sensors,2008: 1452-1455公开了一种硅基的SAW化学/生物传感器，系在硅片上溅射ZnO压电薄膜构成SAW传感器，并将传感器的控制电路集成在同一个硅片上 。该传感器还包括一个埋层加热器，采用CMOS N阱工艺制作，以进行温度控制和补偿。该传感器虽然解决了 SAW传感器难以与CMOS电路集成的问题，但同样存在热效率低、功耗大、加热速度较慢的缺点。并且，由于硅片上无隔热措施，即使采样多个加热器，整个硅片也会很快达到热平衡，无法在不同的位置维持不同的温度，这样无法使得传感器阵列中的每个敏感膜都处于最佳的工作温度。简言之，现有的声表面波气体传感器存在着温控元件功耗大，且无法实现不同的传感器单元都工作于最佳吸附温度的缺点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是如何提供一种集成有加热器的声表面波气体传感器阵列及其制备方法，解决现有的声表面波气体传感器存在着温控元件功耗大，且无法实现不同的传感器单元都工作于最佳吸附温度的缺点的问题。本发明所提出的技术问题是这样解决的一种集成有加热器的声表面波气体传感器阵列，由设置在硅基板上的多个相同的传感器单元构成阵列结构，所述传感器单元包括硅基板，硅基板正面沉积有压电薄膜，压电薄膜上设置有叉指电极形成两组声通道，一组声通道上涂敷有敏感薄膜，硅基板的背面对应叉指电极的位置具有梯形槽，梯形槽底四周具有隔热气隙，梯形槽底具有薄膜加热器。进一步地，所述梯形槽处的娃基板厚度为30 100 u nio进一步地，所述压电薄膜为ZnO或AlN薄膜。进一步地，所述叉指电极为延迟线结构或者谐振器结构。进一步地，所述薄膜加热器材料为Pt或Au或Al或掺杂多晶硅。进一步地，所述每个传感器单元上的两组声通道之间的压电薄膜上涂敷有吸声胶。本发明还提供了一种集成有加热器的声表面波气体传感器阵列的制备方法，包括以下步骤
a、在硅基板双面沉积掩蔽层；
b、在硅基板背面蚀刻梯形槽；
C、在硅基板正面蚀刻隔热气隙；
d、在梯形槽底制备薄膜加热器；e、在硅基板的正面沉积压电薄膜；
f、在硅基板正面对应梯形槽位置的压电薄膜上制备叉指电极形成两组声通道；
g、在其中一组声通道上涂敷敏感薄膜。进一步地,步骤a中所述掩蔽层为氮化娃或氧化娃薄膜。进一步地，步骤b中采用各向异性湿法腐蚀法在硅基板背面刻蚀梯形槽。进一步地，步骤c中采用采用干法刻蚀在硅基板正面刻蚀隔热气隙。 进一步地，步骤d中采用光刻腐蚀或剥离工艺在梯形槽底制备薄膜加热器。进一步地，步骤e中采用用溅射法在硅基板的正面沉积压电薄膜。进一步地，步骤f中采用光刻腐蚀或剥离工艺在硅基板正面对应梯形槽位置的压电薄膜上制备叉指电极形成两对平行的声通道。进一步地，步骤g中根据检测的目标气体，采用漏板法在每个传感器单元中的一组声通道上涂敷不同的敏感薄膜。进一步地，在每个传感器单元上的两组声通道之间的压电薄膜上涂敷吸声胶。本发明与现有技术相比具有如下优点
本发明将加热器制备在减薄的硅基板背面的梯形槽内，并且与硅基板正面的叉指电极相对应，大大加快了温度控制速度，提高了热效率，减小了功耗，可以将温度迅速调整到检测气体所需的最佳工作温度点，从而加快吸附和解吸速度；每个传感器单元涂敷不同的敏感薄膜，其加热器分别与外电路对应接口相连，在外电路的控制下，使每个传感器单元工作在不同的温度点，硅基板背面的梯形槽结构和围绕在梯形槽四周的隔热气隙具有很好的隔热效果，使每个传感器单元在各自的最佳温度点下工作，且互不影响；该气体传感器阵列采用硅基板作为衬底便于集成化，且制备方法简单，采用传统的微加工技术便可实现。
图I为本发明所提供的传感器阵列的俯视 图2为本发明所提供的传感器阵列的仰视 图3为制备本发明所提供的传感器阵列的流程示意图。其中，I为硅基板，2为氮化硅薄膜，3为隔热气隙，4为蛇形加热器，5为氧化锌薄膜，6为叉指电极，7为敏感薄膜，8为吸声胶，9为硅桥。
具体实施例方式提供以下参照附图的描述以助于全面理解由权利要求及其等同物限定的本发明的示例性实施例。以下描述包括各种特定细节以助于理解，但这些仅被认为是示例性的。因此，本领域的普通技术人员将认识到，在不脱离本发明的范围和精神的情况下可对在此描述的实施例做出各种改变和修改。另外，为了清楚和简洁，省略了已知功能和结构的描述。
实施例如图I至图3所示，一种集成有加热器的声表面波气体传感器阵列，包括4个传感器单兀，共用一个500 V- m厚的娃基板,娃基板的正面沉积有氧化锌压电薄膜，娃基板的背面局部腐蚀减薄至40 iim形成4个梯形槽，槽底尺寸15 X 8mm，每个梯形槽的四周刻蚀有500 u m宽的隔热空气隙，中间形成14X 7mm的悬空平板，该悬空平板通过4个Imm宽的硅桥与四周的娃固定。梯形槽的底部制备有蛇形的钼膜加热器，线宽100 ii m,间距200 u m,膜厚300nm。硅基板的正面正对梯形槽的部位制备有叉指电极形成的两组声通道，其中一组声通道上涂敷有敏感薄膜，构成平行的声表面波测量通道和参考通道。其制备步骤如下
①采用双面抛光的厚度为500i!m的(100)单晶硅片作为衬底，并进行标准清洗，采用PECVD工艺在硅片双面制备400nm厚的氮化硅薄膜作掩蔽层(图3a);
3)加工背硅腐蚀的光刻版，采用KOH腐蚀液在硅基板背面刻蚀梯形槽(图3b);
③加工干法刻蚀的光刻版，与背面的梯形槽对准后，采用干法刻蚀从硅基板的正面刻蚀隔热气隙(图3c);即将槽底四周大部分打穿，只留少部分连接，形成硅桥，这样就能减少热传递。3)采用剥离工艺在梯形槽底制备钼薄膜加热器(图3d);；
D采用射频溅射法在硅基板的正面沉积氧化锌压电薄膜，膜厚约I. 2pm (图3e);
2)在硅片的正面蒸发铝薄膜，在正对梯形槽的位置采用光刻-腐蚀工艺制备叉指电
极，每个梯形槽上制备两对平行的叉指电极，两对电极之间涂敷有吸声胶；至此，完成了 4单元传感器阵列结构的制备，每个传感器单元包括一个悬空平板，制备在平板下的薄膜加热器，制备在平板上的叉指电极(图3f);
⑦采用漏板法在每个传感器单元中的一对叉指电极之间喷涂不同的敏感薄膜，而另一对叉指电极不涂膜。本实施例针对化学战剂的探测，在4个传感器单元上分别喷涂DKAP，PECH, SXPYR, ECEL (图 3g)。 ⑧在每个传感器单元上的两组声通道之间的压电薄膜 上涂敷吸声胶。通过上述工艺，完成了一种集成有加热器的声表面波气体传感器阵列的制备，该气体传感器阵列中的每个单元由于制备在悬空的平板上，周围由空气隙隔热，从而可以独立控制每个传感器的工作温度，使每个传感器单元工作在不同的温度点，互不影响。如对于本实施例的4种聚合物敏感膜，其最佳工作温度在15-50°C之间，相差并不大，本发明的传感器阵列可以很容易地实现。而如果采用金属氧化物薄膜作为敏感膜，其最佳工作点在300-450V之间，温差可达100°C以上，本发明的传感器阵列同样可以实现。其次，本发明的薄膜加热器制备在悬空平板的背面，悬空平板热容小，绝热效果好。因此，仅需0. Iff就可在2秒左右加热到约50°C的工作温度；在解吸时，仅需0. 6W就可在2秒左右快速加热到200°C，从而实现声表面波气体传感器的快速解吸。
权利要求
1.一种集成有加热器的声表面波气体传感器阵列，其特征在于由设置在娃基板上的多个相同的传感器单元构成阵列结构，所述传感器单元包括硅基板，硅基板正面沉积有压电薄膜，压电薄膜上设置有叉指电极形成两组声通道，其中一组声通道上涂敷有敏感薄膜，硅基板的背面对应叉指电极的位置具有梯形槽，梯形槽四周具有隔热气隙，梯形槽底具有薄膜加热器。
2.根据权利要求I所述的一种集成有加热器的声表面波气体传感器阵列，其特征在于所述梯形槽处的硅基板厚度为3(T100 u m。
3.根据权利要求I所述的一种集成有加热器的声表面波气体传感器阵列，其特征在于所述压电薄膜为ZnO或AlN薄膜。
4.根据权利要求I所述的一种集成有加热器的声表面波气体传感器阵列，其特征在于所述叉指电极为延迟线结构或者谐振器结构。
5.根据权利要求I所述的一种集成有加热器的声表面波气体传感器阵列，其特征在于所述薄膜加热器材料为Pt或Au或Al或掺杂多晶硅。
6.根据权利要求I所述的一种集成有加热器的声表面波气体传感器阵列，其特征在于所述每个传感器单元上的两组声通道之间的压电薄膜上涂敷有吸声胶。
7.一种集成有加热器的声表面波气体传感器阵列的制备方法，其特征在于包括以下步骤 a、在硅基板双面沉积掩蔽层； b、在硅基板背面蚀刻梯形槽； C、在硅基板正面蚀刻隔热气隙； d、在梯形槽底制备薄膜加热器； e、在硅基板的正面沉积压电薄膜； f、在硅基板正面对应梯形槽位置的压电薄膜上制备叉指电极形成两组声通道； g、在其中一组声通道上涂敷敏感薄膜。
8.根据权利要求7所述的一种集成有加热器的声表面波气体传感器阵列的制备方法，其特征在于步骤a中所述掩蔽层为氮化硅或氧化硅薄膜，步骤b中采用各向异性湿法腐蚀法在硅基板背面刻蚀梯形槽，步骤c中采用干法刻蚀在硅基板正面刻蚀隔热气隙，步骤d中采用光刻腐蚀或剥离工艺在梯形槽底制备薄膜加热器，步骤e中采用溅射法在硅基板的正面沉积压电薄膜，步骤f中采用光刻腐蚀或剥离工艺在硅基板正面对应梯形槽位置的压电薄膜上制备叉指电极形成两对平行的声通道，步骤g中根据检测的目标气体，采用漏板法在每个传感器单元中的一组声通道上涂敷不同的敏感薄膜。
9.根据权利要求7或8所述的一种集成有加热器的声表面波气体传感器阵列的制备方法，其特征在于在每个传感器单元上的两组声通道之间的压电薄膜上涂敷吸声胶。
全文摘要
本发明公开了一种集成有加热器的声表面波气体传感器阵列及其制备方法，由设置在硅基板上的多个相同的传感器单元构成阵列结构，所述传感器单元包括硅基板，硅基板正面沉积有压电薄膜，压电薄膜上设置有叉指电极形成两组声通道，其中一组声通道上涂敷有敏感薄膜，硅基板的背面对应叉指电极的位置具有梯形槽，梯形槽四周具有隔热气隙，梯形槽底具有薄膜加热器。本发明的传感器阵列大大加快了温度控制速度，提高了热效率，减小了功耗，每个传感器单元工作于各自的最佳的温度点，且互不影响；该气体传感器阵列采用硅基板作为衬底便于集成化，且制备方法简单，采用传统的微加工技术便可实现。
文档编号G01N29/02GK102636564SQ201210122620
公开日2012年8月15日 申请日期2012年4月25日 优先权日2012年4月25日
发明者刘子骥, 杜晓松, 熊丽霞, 蒋亚东 申请人:电子科技大学