本实用新型属于微电子机械系统领域，特别是涉及一种微色谱柱及微热导检测器的集成芯片及制备方法。
背景技术：
气相色谱仪是一种重要的分析仪器，其应用十分广泛。传统的气相色谱仪由于体积大、功耗高、重量重，一般只能在实验室内使用。然而，在当前环境安全、生产安全、食品安全、公共安全监测等方面需要对复杂气体组份进行实时、现场、快速检测，急需研发一种微型气相色谱仪。色谱柱和热导检测器是气相色谱仪的两个关键部件，国内外相关研究小组一般采用MEMS技术，将色谱柱、热导检测器芯片化，最终实现气相色谱仪的微型化。
色谱柱芯片和热导检测器芯片的连接会带来新的死体积，这不利于提高微型气相色谱的分离检测性能。为了进一步提高分离、检测性能，研究人员尝试将微色谱柱和微热导检测器集成在同一块芯片上，在硅的同一表面设计制备微色谱柱和微热导检测器(Bradley C Kaanta,Hua Chen and Xin Zhang,A monolithically fabricated gas chromatography separation column with an integrated high sensitivity thermal conductivity detector,J.Micromech.Microeng.20(2010)055016(6pp))。然而在硅衬底的同一表面制备微色谱柱和微热导检测器的集成芯片时，由于要兼顾微热导检测器热敏电阻的释放，即在深刻蚀完成后还要采用各向同性腐蚀方法去除热敏电阻下方的硅，这时热敏电阻所在微沟道、色谱柱的微沟道及微沟道内的微柱阵列也将被同时腐蚀，也就是说无法精确控制器件的几何尺寸，其工艺的可控性较差，且制作的集成芯片死体积大，降低了器件性能。
基于以上所述，提供一种可以有效集成气相色谱柱及微热导检测器的集成芯片及制备方法实属必要。
技术实现要素：
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微色谱柱及微热导检测器的集成芯片及制备方法，用于解决现有技术中微色谱柱和微热导检测器集成较为困难或器件性能不足的问题。
为实现上述目的及他相关目的，本实用新型提供一种微色谱柱及微热导检测器的集成芯片，包括：双抛硅片，包含第一面以及相对的第二面；包含硅支撑层-第一介质薄膜-热敏电阻-第二介质薄膜的图形化堆叠结构，所述图形化堆叠结构包含交叉网状结构，所述图形化堆叠结构的硅支撑层下方的所述双抛硅片被去除形成的释放槽，所述图形化堆叠结构悬挂于所述释放槽中；盖基片，键合于所述双抛硅片的第一面，所述盖基片具有微沟槽，所述图形化堆叠结构位于所述微沟槽内；微色谱柱的微沟道，形成于所述第二面中，所述微沟道内具有微柱阵列，所述微沟道与所述释放槽连通；以及底基片，键合于所述双抛硅片的第二面，以形成包含所述微沟槽、所述释放槽及所述微沟道的微通道。
优选地，所述双抛硅片的第一面还形成有焊盘凹槽，所述焊盘凹槽中形成有焊盘结构，所述焊盘结构与所述热敏电阻电性相连。
优选地，所述交叉网状结构具有多个延伸部，各延伸部与所述双抛硅片连接，以支撑所述交叉网状结构。
优选地，所述热敏电阻呈锯齿状沿所述交叉网状结构延伸，并与所述焊盘结构相连接。
优选地，所述热敏电阻所采用的金属包括Pt/Ti叠层、Ni/Cr叠层、W/Ti叠层及W/Re叠层中的一种。
优选地，所述第一介质薄膜及第二介质薄膜包括氧化硅薄膜及氮化硅薄膜的一种或两种组成的叠层结构。
优选地，所述第一介质薄膜及第二介质薄膜为氧化硅薄膜及氮化硅薄膜组成的叠层结构，所述第一介质薄膜自下而上为氧化硅薄膜与氮化硅薄膜叠层结构，所述第二介质薄膜自下而上为氮化硅薄膜与氧化硅薄膜叠层结构。
优选地，所述第一介质薄膜及第二介质薄膜为包裹所述热敏电阻或夹持所述热敏电阻。
优选地，所述图形化堆叠结构悬挂于所述释放槽的中央区域。
优选地，所述盖基片包含玻璃盖片，所述底基片包含玻璃底片，所述玻璃盖片与所述双抛硅片的第一面的键合包含静电键合，所述玻璃底片与所述双抛硅片的第二面的键合包含静电键合。
优选地，所述微沟道呈往返弯折延伸状形成于所述第二面中，所述释放槽连接于所述微沟道的两端，作为所述微通道的入口端及出口端。
优选地，所述微通道的入口端及出口端同时形成有所述硅支撑层-第一介质薄膜-热敏电阻-第二介质薄膜的图形化堆叠结构。
本实用新型还提供一种微色谱柱及微热导检测器的集成芯片的制备方法，所述制备方法包括步骤：步骤1)，提供一双抛硅片，包含第一面以及相对的第二面，于所述双抛硅片的第一面上形成焊盘凹槽，于所述双抛硅片的第一面及所述焊盘凹槽底部沉积第一介质薄膜；步骤2)，于所述第一介质薄膜上沉积金属并图形化形成热敏电阻，同时于所述焊盘凹槽中形成焊盘结构，所述焊盘结构与所述热敏电阻电性相连；步骤3)，于所述第一介质层薄膜及所述热敏电阻上沉积第二介质薄膜，对所述第一介质薄膜及第二介质薄膜图形化，并刻蚀所述双抛硅片至一深度，形成包含硅支撑层-第一介质薄膜-热敏电阻-第二介质薄膜的图形化堆叠结构，所述图形化堆叠结构包含交叉网状结构，同时露出所述焊盘结构以及所述双抛硅片的第一面的键合区域；步骤4)，提供一具有微沟槽的盖基片，键合所述盖基片及所述双抛硅片的第一面，所述图形化堆叠结构位于所述微沟槽内；步骤5)，刻蚀所述双抛硅片的第二面以于所述双抛硅片中形成微色谱柱的微沟道及位于所述微沟道内的微柱阵列，同时通过刻蚀所述双抛硅片的第二面以形成所述图形化堆叠结构的释放槽，所述释放槽与所述微沟道连通；以及步骤6)，提供一底基片，并将所述底基片键合于所述双抛硅片的第二面，以形成包含所述微沟槽、所述释放槽及所述微沟道的微通道。
优选地，步骤2)中，所述金属包括Pt/Ti叠层、Ni/Cr叠层、W/Ti叠层及W/Re叠层中的一种。
优选地，所述交叉网状结构中具有多个延伸部，各延伸部在所述硅支撑层-第一介质薄膜-热敏电阻-第二介质薄膜的图形化堆叠结构释放后，与所述双抛硅片连接，以支撑所述交叉网状结构。
优选地，所述热敏电阻呈锯齿状沿所述交叉网状结构延伸，并与所述焊盘结构相连接。
优选地，所述第一介质薄膜及第二介质薄膜包括氧化硅薄膜及氮化硅薄膜的一种或两种组成的叠层结构。
优选地，所述第一介质薄膜及第二介质薄膜包裹所述热敏电阻或夹持所述热敏电阻。
优选地，步骤4)中，所述盖基片对应于所述焊盘结构的区域具有一保护槽，所述保护槽用以避免所述焊盘结构与所述盖基片之间的键合。
优选地，所述图形化堆叠结构悬挂于所述释放槽的中央区域。
优选地，步骤5)中，采用深反应离子刻蚀工艺从背面刻蚀所述双抛硅片的第二面，以于所述双抛硅片中形成微色谱柱的微沟道、位于所述微沟道内的微柱阵列及所述释放槽，其中，所述微色谱柱的微沟道底部保留有所述双抛硅片，所述释放槽中保留有所述硅支撑层。
优选地，所述盖基片包含玻璃盖片，所述底基片包含玻璃底片，步骤4)中的所述玻璃盖片与所述双抛硅片的第一面的键合工艺包含静电键合工艺，步骤6)中的所述玻璃底片与所述双抛硅片的第二面的键合工艺包含静电键合工艺。
优选地，所述微沟道呈往返弯折延伸状形成于所述第二面中，所述释放槽连接于所述微沟道的两端，作为所述微通道的入口端及出口端。
优选地，所述微通道的入口端及出口端同时形成有所述硅支撑层-第一介质薄膜-热敏电阻-第二介质薄膜的图形化堆叠结构。
如上所述，本实用新型的微色谱柱及微热导检测器的集成芯片及制备方法，具有以下有益效果：
本实用新型的微热导检测器和微色谱柱分别位于双抛硅片的第一面和第二面上，增加了设计的灵活性和工艺制作的可控性。
本实用新型的微色谱柱及微热导检测器的集成芯片中，微热导检测器的微沟道通过深反应离子刻蚀得到，尺寸准确可控，可获得更低的死体积；微色谱柱也是通过深反应离子刻蚀得到，尺寸准确可控。
本实用新型将微色谱柱和微热导检测器集成在同一芯片上，无需额外的连接部件，这种集成芯片具有死体积低、灵敏度高等优点。
附图说明
图1显示为本实用新型的微热导检测器中的图形化堆叠结构的示意图。
图2显示为本实用新型的具有四个热敏电阻的微热导检测器。
图3显示为本实用新型的四个热敏电阻所构成的惠斯通电桥。
图4～图13显示为本实用新型的微色谱柱及微热导检测器的集成芯片的制备方法各步骤所呈现的结构示意图。
元件标号说明
11 双抛硅片
12 第二面
13 第一面
131 硅支撑层
14 释放槽
15 图形化堆叠结构
16a 微沟道
16 微通道
161 微柱阵列
162 入口端
163 出口端
2 掩膜层
3 焊盘凹槽
41 第一介质薄膜
42 第二介质薄膜
51 热敏电阻
52 焊盘结构
6 盖基片
61 微沟槽
62 保护槽
7 底基片
具体实施方式
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。
请参阅图1～图13。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，遂图示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。
如图13所示，本实用新型的硅支撑层131-第一介质薄膜41-热敏电阻51-第二介质薄膜42的图形化堆叠结构15制作于双抛硅片11第一面13上并悬浮于释放槽14的中央区域(图形化堆叠结构15到释放槽14两个侧壁的距离相等)。如图1所示，图形化堆叠结构15中，热敏电阻51由两层氧化硅/氮化硅薄膜所保护，自上而下分别为：氧化硅/氮化硅、热敏电阻51、氮化硅/氧化硅、硅支撑层131，值得注意的是，为了更清晰地画出热敏电阻51结构，图1中并没有画出上层的氧化硅/氮化硅。另外，需要说明的是：可采用其它结构的图形化堆叠结构15和热敏电阻51结构，并不局限于图1所示的结构。这种新的结构设计很好地解决了现有技术中的三个问题：第一，热敏电阻51的上下两层氧化硅/氮化硅薄膜不仅对其起到保护作用，另一方面由于结构的对称分布还能起到应力平衡的作用，减小了交叉网状结构的形变；第二，采用一步深反应离子刻蚀(DRIE)工艺释放交叉网状结构，释放槽14的侧壁陡直，器件死体积小；第三，以双抛硅片11的第一面13刻蚀形成的硅支撑层131为热敏电阻51的主要支撑层，与高掺杂硅相比较，硅支撑层131中晶格完整，缺陷少，作为支撑层具有更好的机械强度，且其厚度可根据性能要求灵活选择。另外，与长时间的掺杂相比较，DRIE工艺时间更短。
一般而言，一个微热导检测器包括四个热敏电阻51R1、R2、R3、R4，如图2所示，R1、R2、R3、R4按照如图3所示的顺序连接构成一个惠斯通电桥。本实用新型在双抛硅片11的第一面13上设计制作微热导检测器的含有热敏电阻51的图形化堆叠结构15，在双抛硅片11第二面12上设计制作微色谱柱，微色谱的微沟道16a中一般含有微柱阵列161，也可不含微柱阵列161。微热导检测器包含四个含有热敏电阻51的图形化堆叠结构15(其电阻值相等或相近)，其中两个含有热敏电阻51的交叉网状结构位于微色谱柱的微通道16的入口端162，而另外两个含有热敏电阻51的交叉网状结构位于微色谱柱的微通道16的出口端163，如图13所示。
如图4～图13所示，本实用新型提供一种微色谱柱及微热导检测器的集成芯片的制备方法，所述制备方法包括步骤：
如图4～图6所示，首先进行步骤1)，提供一双抛硅片11，所述双抛硅片11具有第一面13以及相对的第二面12，于所述双抛硅片11的第一面13上形成掩膜层2，基于所述掩膜层2刻蚀所述第一面13，形成焊盘凹槽3，然后于所述双抛硅片11的第一面13表面及所述焊盘凹槽3底部沉积第一介质薄膜41。
所述第一介质薄膜41自下而上为氧化硅薄膜与氮化硅薄膜叠层结构。
如图6所示，然后进行步骤2)，于所述第一介质薄膜41上沉积金属并图形化形成热敏电阻51，同时于所述焊盘凹槽3中形成焊盘结构52，所述焊盘结构52与所述热敏电阻51电性相连。
所述金属包括Pt/Ti叠层、Ni/Cr叠层、W/Ti叠层及W/Re叠层中的一种。
如图7～图9所示，接着进行步骤3)，于所述第一介质层薄膜及所述热敏电阻51上沉积第二介质薄膜42，对所述第一介质薄膜41及第二介质薄膜42图形化，并刻蚀所述双抛硅片11的第一面13至一深度，形成包含硅支撑层131-第一介质薄膜41-热敏电阻51-第二介质薄膜42的图形化堆叠结构15，所述图形化堆叠结构15包含交叉网状结构，同时露出所述焊盘结构52以及所述双抛硅片11的第一面13的键合区域。
所述硅支撑层131的厚度范围为0.5～200微米.
所述第二介质薄膜42自下而上为氮化硅薄膜与氧化硅薄膜叠层结构。
所述交叉网状结构中具有多个延伸部，各延伸部在所述硅支撑层131-第一介质薄膜41-热敏电阻51-第二介质薄膜42的图形化堆叠结构15释放后，通过所述硅支撑层131与所述双抛硅片11连接，以支撑所述交叉网状结构。
所述热敏电阻51呈锯齿状沿所述交叉网状结构延伸，并与所述焊盘结构52相连接，如图1及图13所示。
所述第一介质薄膜41及第二介质薄膜42为包裹所述热敏电阻51或夹持所述热敏电阻51。所述第一介质薄膜41及第二介质薄膜42可以包括氧化硅薄膜及氮化硅薄膜的一种或两种组成的叠层结构。在本实施例中，自下而上所述第一介质薄膜41为氧化硅薄膜及氮化硅薄膜叠层结构，所述第二介质薄膜42自上而下为氧化硅薄膜及氮化硅薄膜叠层结构，即与所述热敏电阻51接触的均为氮化硅薄膜，而氧化硅薄膜则位于所述氮化硅薄膜之外，将所述氧化硅薄膜设置于氮化硅薄膜之外，可以更有效的保护所述热敏电阻51，增加热敏电阻51的抗氧化性能。
本实用新型的热敏电阻51的上下两层氧化硅/氮化硅薄膜不仅对其起到保护作用，另一方面由于结构的对称分布还能起到应力平衡的作用，减小了交叉网状结构的形变，从而大大提高了热敏电阻51支撑结构的强度及稳定性。
如图10所示，接着进行步骤4)，提供一具有微沟槽61的盖基片6，键合所述盖基片6及所述双抛硅片11的第一面13，所述图形化堆叠结构15位于所述微沟槽61内。
优选地，所述盖基片6对应于所述焊盘结构52的区域具有一保护槽62，所述保护槽62用以避免所述焊盘结构52与所述盖基片6之间的键合。
所述盖基片6包含玻璃盖片，所述玻璃盖片与所述双抛硅片11的第一面13的键合工艺包含静电键合工艺。
如图11所示，接着进行步骤5)，刻蚀所述双抛硅片11的第二面12以于所述双抛硅片11中形成微色谱柱的微沟道16a及位于所述微沟道16a内的微柱阵列161，同时通过刻蚀所述第二面12及所述双抛硅片11的第二面12以形成所述图形化堆叠结构15的释放槽14，所述释放槽14与所述微沟道16a连通。
优选地，所述图形化堆叠结构15悬挂于所述释放槽14的中央区域。
优选地，采用深反应离子刻蚀工艺从背面刻蚀所述双抛硅片11的第二面12，以于所述第二面12中形成微色谱柱的微沟道16a、位于所述微沟道16a内的微柱阵列161及所述释放槽14，以释放出所述图形化堆叠结构15，其中，所述微色谱柱的微沟道16a底部保留有所述双抛硅片11，所述释放槽14中保留有所述硅支撑层131。
本实用新型采用深反应离子刻蚀DRIE工艺形成所述微沟道16a、所述微柱阵列161，同时释放所述图形化堆叠结构15，可以使得微沟道16a、释放槽14及微柱阵列161的侧壁陡直，减小器件死体积。
如图12及图13所示，最后进行步骤6)，提供一底基片7，并将所述底基片7键合于所述双抛硅片11的第二面12，以形成包含所述微沟槽61、所述释放槽14及所述微沟道16a的微通道16。
作为示例，所述底基片7包含玻璃底片，所述玻璃底片与所述双抛硅片11的第二面12的键合工艺包含静电键合工艺。
作为示例，如图13所示，所述微沟道16a呈往返弯折延伸状形成于所述双抛硅片11的第二面12中，所述释放槽14连接于所述微沟道16a的两端，作为所述微通道16的入口端162及出口端163。所述微通道16的入口端162及出口端163同时形成有所述硅支撑层131-第一介质薄膜41-热敏电阻51-第二介质薄膜42的图形化堆叠结构15。需要说明的是，图13显示的往返弯折的次数为2次，实际应用中，所述往返弯折的次数可以更多，例如，所述往返弯折的次数可以介于1～500次之间，且并不限于此处所列举的示例。
如图12及图13所示，本实施例还提供一种微色谱柱及微热导检测器的集成芯片，包括：双抛硅片11，具有第一面13及相对的第二面12；包含硅支撑层131-第一介质薄膜41-热敏电阻51-第二介质薄膜42形成的图形化堆叠结构15，所述图形化堆叠结构15包含交叉网状结构，所述图形化堆叠结构15的硅支撑层131下方的所述双抛硅片被去除形成的释放槽14，所述图形化堆叠结构15悬挂于所述释放槽14中；盖基片6，键合于所述双抛硅片11的第一面13，所述盖基片6具有微沟槽61，所述图形化堆叠结构15位于所述微沟槽61内；微色谱柱的微沟道16a，形成于所述双抛硅片的第二面12中，所述微沟道16a内具有微柱阵列161，所述微沟道16a与所述释放槽14连通；以及底基片7，键合于所述双抛硅片11的第二面12，以形成包含所述微沟槽61、所述释放槽14及所述微沟道16a的微通道16。
如图6、12所示，所述双抛硅片11的第一面13中还形成有焊盘凹槽3，所述焊盘凹槽3中形成有焊盘结构52，所述焊盘结构52与所述热敏电阻51电性相连。
如图13所示，所述交叉网状结构具有多个延伸部，各延伸部与所述双抛硅片11连接，以支撑所述交叉网状结构。如图1所示，所述热敏电阻51呈锯齿状沿所述交叉网状结构延伸，并与所述焊盘结构52相连接。所述热敏电阻51所采用的金属包括Pt/Ti叠层、Ni/Cr叠层、W/Ti叠层及W/Re叠层中的一种。
如图12所示，所述第一介质薄膜41及第二介质薄膜42包括氧化硅薄膜及氮化硅薄膜的一种或两种组成的叠层结构。作为示例，所述第一介质薄膜41及第二介质薄膜42为氧化硅薄膜及氮化硅薄膜组成的叠层结构，所述第一介质薄膜41自下而上为氧化硅薄膜与氮化硅薄膜叠层结构，所述第二介质薄膜42自下而上为氮化硅薄膜与氧化硅薄膜叠层结构。如图13所示，所述图形化堆叠结构15悬挂于所述释放槽14的中央区域。所述第一介质薄膜41及第二介质薄膜42为包裹所述热敏电阻51或夹持所述热敏电阻51。本实用新型的热敏电阻51的上下两层氧化硅/氮化硅薄膜不仅对其起到保护作用，另一方面由于结构的对称分布还能起到应力平衡的作用，减小了交叉网状结构的形变，从而大大提高了热敏电阻51支撑结构的强度及稳定性。
所述盖基片6包含玻璃盖片，所述底基片7包含玻璃底片，所述玻璃盖片与所述双抛硅片11的第一面13的键合包含静电键合，所述玻璃底片与所述双抛硅片11的第二面12的键合包含静电键合。
如图13所示，所述微沟道16a呈往返弯折延伸状形成于所述第二面12中，所述释放槽14连接于所述微沟道16a的两端，作为所述微通道16的入口端162及出口端163。所述微通道16的入口端162及出口端163同时形成有所述硅支撑层131-第一介质薄膜41-热敏电阻51-第二介质薄膜42的图形化堆叠结构15。需要说明的是，图13显示的往返弯折的次数为2次，实际应用中，所述往返弯折的次数可以更多，例如，所述往返弯折的次数可以介于1～500次之间，且并不限于此处所列举的示例。
如上所述，本实用新型的微色谱柱及微热导检测器的集成芯片及制备方法，具有以下有益效果：
本实用新型的微热导检测器和微色谱柱分别位于双抛硅片11的第一面13和第二面12上，增加了设计的灵活性和工艺制作的可控性。
本实用新型的微色谱柱及微热导检测器的集成芯片中，微热导检测器的微沟道16a通过深反应离子刻蚀得到，尺寸准确可控，可获得更低的死体积；微色谱柱也是通过深反应离子刻蚀得到，尺寸准确可控。
本实用新型将微色谱柱和微热导检测器集成在同一芯片上，无需额外的连接部件，这种集成芯片具有死体积低、灵敏度高等优点。
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。
上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及功效，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。