一种具有卷曲结构的单悬梁式气体传感器及传感器阵列的制作方法

本实用新型属于本实用新型属于微电子机械系统和气体检测技术领域，具体涉及一种具有卷曲结构的单悬梁式气体传感器及传感器阵列。

背景技术：

基于微电子机械系统(MEMS)技术的气体传感器，由于其小尺寸、低功耗、高灵敏度和快速响应等特点，逐步显现出巨大的应用潜力，将有望取代基于传统技术的气体传感器，在物联网、移动端和人工智能等领域广泛应用。而在MEMS 气体传感器中，又因采用金属氧化物半导体(MOS)材料的传感器具有广泛的检测范围，在未来的大规模应用中具有更为广阔的市场空间。

目前MEMS MOS气体传感器中，主要以基于悬膜式微型加热器的研究居多，该结构的传感器具有较低的功耗，一般可低至20毫瓦，如专利号为 201520759054.6的实用新型专利提供了一种具有四支撑悬梁四层结构的电阻式气体传感器，其具有自下而上依次设置的硅衬底框架、加热膜层、加热电极层和敏感膜层，其中加热膜层包括加热膜区，该加热膜区通过四根悬梁与硅衬底框架连接。又如专利号为CN201520759055.0的实用新型专利提供了一种具有两支撑悬梁四层结构的电阻式气体传感器，该传感器也包括自下而上依次设置的硅衬底框架、加热膜层、加热电极层和敏感膜层，其中加热膜层包括加热膜区，该加热膜区通过两根悬梁与硅衬底框架连接。这些多悬梁式气体传感器功耗虽然较低，但随着移动端和物联网应用的高速发展，其已不能满足需要。同时多悬梁式气体传感器在制备时，存在工艺复杂、定位困难、效率低下的问题。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题在于：如何进一步降低悬梁式气体传感器的功耗。

本实用新型采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种具有卷曲结构的单悬梁式气体传感器，具有基体结构和悬梁结构，其包括自下而上依次层叠设置的如下部分：

硅衬底；

支撑膜，为氮化硅膜，包括第一基部，所述第一基部的一侧边设有向上翘曲的第一悬臂，所述第一悬臂远离第一基部的端部设有第一卷曲部；支撑膜上设有第一孔，所述第一孔自第一悬臂靠近第一基部的一端延伸至第一卷曲部；

加热电阻，包括第二基部，所述第二基部的一侧边设有向上翘曲的第二悬臂，所述第二悬臂远离第二基部的端部设有第二卷曲部；第二基部相对于第二悬臂的一侧开设有第一窗口，所述第二悬臂上设有沿第二悬臂长度方向延伸至第二卷曲部的第二窗口，所述第二窗口与第一窗口连通；第二基部位于第二窗口两侧的位置上分别设有第一引线；

隔离膜，为氮化硅膜，包括第三基部，所述第三基部的一侧边设有向上翘曲的第三悬臂，所述第三悬臂远离第三基部的端部设有第三卷曲部；所述第三基部上对应于第一引线的位置设有透过孔，所述第一引线穿过相应透过孔暴露在外；所述隔离膜的厚度大于加热电阻的厚度；所述隔离膜上设有第二孔，所述第二孔自第三悬臂靠近第三基部的一端延伸至第三卷曲部，并于第一孔对应设置；

检测电极，包括第四基部，所述第四基部的一侧边设有向上翘曲的第四悬臂，所述第四悬臂远离第四基部的端部设有第四卷曲部；第四基部背离第四悬臂的一侧设有第三窗口，第四悬臂上设有沿第四悬臂长度方向延伸至第四卷曲部、并将第四卷曲部分割的第四窗口，所述第四窗口与第三窗口连通，并将检测电极分割为两部分；所述第四基部不覆盖所述透过孔，且其位于第三窗口两侧的位置上均设有第二引线；

所述硅衬底、第一基部、第二基部、第三基部和第四基部对应设置形成所述基体结构；所述第一悬臂、第二悬臂、第三悬臂和第四悬臂对应设置，且所述第四卷曲部、第三卷曲部、第二卷曲部及第一卷曲部由内向外依次设置形成所述悬梁结构；

所述第一卷曲部外包裹有气敏材料，所述气敏材料与第四悬臂接触。

优选地，本实用新型所述的一种具有卷曲结构的单悬梁式气体传感器，所述第一悬臂、第二悬臂、第三悬臂和第四悬臂的水平投影均呈矩形。

优选地，本实用新型所述的一种具有卷曲结构的单悬梁式气体传感器，所述第一悬臂、第二悬臂、第三悬臂和第四悬臂的水平投影均呈等腰梯形，且沿远离基体结构的方向，第一悬臂、第二悬臂、第三悬臂和第四悬臂的宽度逐渐增大。

优选地，本实用新型所述的一种具有卷曲结构的单悬梁式气体传感器，所述第四基部位于透过孔背离第三悬臂的一侧，且第四悬臂位于两个透过孔之间。

优选地，本实用新型所述的一种具有卷曲结构的单悬梁式气体传感器，所述第四基部位于透过孔靠近第三悬臂的一侧。

优选地，本实用新型所述的一种具有卷曲结构的单悬梁式气体传感器，所述支撑膜、加热电阻、隔离膜及检测电极的厚度均为

本实用新型还提供了一种传感器阵列，由多个上述的一种具有卷曲结构的单悬梁式气体传感器构成。

本实用新型技术有益效果：

本发明技术方案采用的单悬梁式结构，将有效区设置在悬梁的端部，通过减小有效区面积和降低悬梁数量使得传感器的功耗降至1毫瓦；该气体传感器的卷曲结构可以比同等面积的平面型结构加载更多的敏感材料，有利于提供传感器的灵敏度和稳定性；其尺寸更小、集成度更高，集成度较现有多悬梁式结构提高一个数量级；

本实用新型提出的卷曲的单悬梁式气体传感器的制备方法工艺简单、易于定位，有效提高了生产效率，同时也更易于制备具有气质材料的复合结构的气敏材料。

附图说明

图1为本实用新型实施例一所述的具有卷曲结构的单悬梁式气体传感器的结构示意图；

图2为图1的爆炸示意图；

图3为图2中A处放大示意图；

图4为图2中B处放大示意图；

图5为本实用新型实施例二所述的具有卷曲结构的单悬梁式气体传感器的爆炸示意图；

图6为本实用新型实施例三所述的传感器阵列的结构示意图。

具体实施方式

为便于本领域技术人员理解本实用新型技术方案，现结合说明书附图对本实用新型技术方案做进一步的说明。

实施例一

参阅图1至图4，本实施例提供了一种翘曲的单悬梁式气体传感器，包括硅衬底1、支撑膜2、加热电阻3、隔离膜4、检测电极5和气敏材料6。

该传感器具有基体结构和悬梁结构，一般情况下，基体结构呈矩形，悬梁结构设置在基体结构一长边的中部，因而，该传感器的水平投影呈“T”型。所述硅衬底1、支撑膜2、加热电阻3、隔离膜4及检测电极5自下而上依次层叠设置，其具体结构如下：

所述硅衬底1的上、下端面呈矩形；

所述支撑膜2用以对整个悬梁结构起支撑作用，其为一氮化硅层。包括第一基部21、第一悬臂22和第一卷曲部23。所述第一基部21呈矩形，所述第一悬臂22与第一基部21的一长边的中部连接，且第一悬臂22向上翘曲；所述第一卷曲部23设置在第一悬臂22远离第一基部21的端部。

所述加热电阻3由金属材料构成，一般为金属铂，其用以为传感器工作提供所需的工作温度。该加热电阻3包括第二基部31、第二悬臂32和第二卷曲部33，所述第二基部31呈矩形，所述第二悬臂32位于第二基部31一长边的中部，且第二悬臂32向上翘曲；所述第二卷曲部33位于第二悬臂32远离第二基部31 的端部；第二基部31相对于第二悬臂32的一侧开设有第一窗口34，所述第二悬臂32上设有沿第二悬臂32长度方向延伸至第二卷曲部33的第二窗口35，所述第二窗口35与第一窗口34连通；第二基部位31于第二窗口35两侧的位置上分别设有第一引线(图中未示出)。

所述隔离膜4为氮化硅膜，其设置目的是对加热电阻3和检测电极5进行电隔离。隔离膜4包括第三基部41、第三悬臂42和第三卷曲部43，所述第三悬臂41设置在第三基部41一长边的中部，且第三悬臂42向上翘曲；所述第三基部 41上对应于第一引线的位置设有透过孔44，所述第一引线穿过相应透过孔44 后暴露在外；所述第三卷曲部43设置在第三悬臂42远离第三基部41的端部；所述隔离膜4的厚度大于加热电阻3的厚度。

所述检测电极5一般为贵金属材料电极，如金属铂或金。该检测电极5包括第四基部51、第四悬臂52和第四卷曲部53，所述第四悬臂52设置在第四基部 51一长边的中部，且第四悬臂52向上翘曲；所述第四卷曲部53设置在第四悬臂52远离第四基部的端部；第四基部51相对于第四悬臂52的一侧设有第三窗口54，第四悬臂52上设有沿第四悬臂52长度方向延伸至第四卷曲部53，并将第四卷曲部53分割的第四窗口55，所述第四窗口55与第三窗口54连通，并将检测电极5分割为两部分；第四基部41不覆盖所述透过孔44，且其位于第三窗口54两侧的位置上设有第二引线(图中未示出)。

所述硅衬底1、第一基部21、第二基部31、第三基部41和第四基部51对应设置形成所述基体结构；所述第一悬臂22、第二悬臂32、第三悬臂42和第四悬臂52对应设置，且所述第三卷曲部43包裹第四卷曲部53，所述第二卷曲部 33包裹第三卷曲部43，所述第一卷曲部23包括第二卷曲部33形成所述悬梁结构。

所述气敏材料6由纳米尺度下的金属氧化物半导体材料构成，如二氧化锡、氧化锌或其他氧化物等。所述气敏材料6包裹在第一卷曲部23外，并与第四悬臂52接触，实现气敏材料6与检测电极5的电性连接。当气敏材料6吸附特定气体分子后，其电阻会发生变化，从而达到检测气体的目的。

该气体传感器的核心部分为具有卷曲结构的悬梁结构，用于加载气敏材料的有效区域也仅在悬梁结构远离基部机构的端部。一方面，通过减小有效区的面积降低因热对流和热辐射引起的热量散失，另一方面悬梁结构细而长，并向上翘曲，避免了与硅衬底1的接触，可以大幅降低热传导过程中的热量损失，因而该传感器具有极低的功耗；再一方面，气敏材料6包裹在第一卷曲部23外部，与待检测气体的接触面积大，响应速度更快。

需要说明的是，本实施例中以基体结构呈矩形、悬梁结构设置在矩形基体结构长边中部处为例进行介绍，但这并不是严格的规定，在实际生产过程中，其基体结构具体形状及悬梁结构的设置位置根据需要进行设置。

在本实施例中，所述第一悬臂22、第二悬臂32、第三悬臂42和第四悬臂 52的水平投影均呈矩形。

该传感器还可以包括第一孔24及第二孔45，所述第一孔23设置在第一悬臂22上，并从第一悬臂22靠近第一基部21的一端延伸至第一卷曲部23。所述第二孔45设置在第三悬臂42上，并从第三悬臂42靠近第二基部41的一端延伸至第三卷曲部43。传感器上可以只设置第一孔24，或只设置第二孔45；也可以同时设置两者，此时，第一孔24与第二孔45位置对应。通过设置狭长的第一孔 23和/或第二孔44来进一步降低热传导过程中的热量损失。

更具体地，所述第四基部位51于透过孔44背离第三悬臂42的一侧，且第四悬臂52位于两个透过孔44之间。或者，所述第四基部51位于透过孔44靠近第三悬臂42的一侧。

此外，所述支撑膜2、加热电阻3、隔离膜4及检测电极5的厚度均为

本实施例中第一窗口34可以为对称结构，通过设置第一窗口34和第二窗口 35使得加热电阻3形成为一对称结构；第三窗口54为对称结构，通过第三窗口 54和第四窗口55将检测电极5分割成为对称的两部分。需要说明的是，实际生产时，根据需要，第一窗口34和第三窗口54也可以是不对称的结构，此时加热电阻3及检测电极5也为非对称结构。

本实施例所述的传感器采用下述方法制备：

(1)选择硅衬底及牺牲层：若采用普通单抛或双抛硅片作为衬底，则采用通过热氧化的方法，制作一层厚度为的氧化硅层作为牺牲层；若采用SOI 硅片作为衬底，则其顶层硅即作为牺牲层，此时牺牲层的厚度为2um；

(2)采用低压化学气相沉积法在牺牲层上生长一氮化硅层作为支撑膜2；

(3)制作加热电阻3：采用玻璃工艺制作铂电阻的加热电阻丝；

(4)制作隔离膜4：采用等离子增强化学气相沉积法制备氮化硅层，然后利用反应离子刻蚀或离子束刻蚀刻蚀隔离膜，形成透过孔44露出加热电阻3；

(5)制作检测电极5：采用剥离工艺制备金或铂电极；

(6)释放薄膜：先利用反应离子刻蚀或离子束刻蚀彻底刻蚀暴露支撑膜，露出硅衬底形成薄膜释放窗口，然后利用湿法腐蚀工艺刻蚀牺牲层，释放后，由于氮化硅层张应力的作用，悬梁结构向上翘曲，且其自由端形成卷曲结构；

(7)气敏材料6的加载：所述悬梁结构的端部沾取二氧化锡胶体，在600℃下烧结2小时完成气敏材料6的加载，即获得具有卷曲结构的单悬梁式气体传感器，再在对应位置设置第一引线、第二引线即可。

需要说明的是，本实施例中的硅衬底在选择单抛硅片或双抛硅片时，其晶向也无严格要求；所述支撑膜2、加热电阻3、隔离膜4及检测电极5的厚度根据需要在在的范围内调整。

实施例二

如图5所示，本实施例与实施例一的区别在于，所述第一悬臂22、第二悬臂32、第三悬臂42和第四悬臂52的水平投影均呈等腰梯形，且沿远离基体结构的方向，第一悬臂22、第二悬臂32、第三悬臂42和第四悬臂52的宽度逐渐增大。通过加宽悬梁结构与基体结构的连接宽度，在保留单悬梁式结构所具有的低功耗特点的同时，还提高了整个传感器的机械强度。

本实施例所述传感器的制备方法与实施例一相比，也仅仅是制备参数上的不同。

实施例三

在气味识别应用中，往往需要将众多的传感器集成在一起工作，由于上述实施例一及实施例二中所述的具有卷曲结构的单悬梁式传感器因其结构的独特性，极易实现多个传感器的集成而构成传感器阵列。如图6所示，本实施例提供了一种传感器阵列，其由上述的具有卷曲结构的单悬梁式传感器平铺而成，其中各个传感器的悬梁结构均位于基体结构的同一侧。当然，也可以根据需要，将各个传感器的悬梁结构分布于基体结构的两侧或采用其他排布方式。

本实施例所述的传感器阵列的制备方法与实施例一中传感器的制备方法相当，其只需要在步骤(6)中，通过设置刻蚀条件，使得释放薄膜之后形成多个基体结构依次连接，每一基体结构上具有一翘曲的悬梁结构的传感器阵列；然后在每一悬梁结构的端部根据需要分别沾取相同或不同配方的二氧化锡气敏材料，形成具有卷曲结构的单悬梁气体传感器阵列。

本实用新型技术方案在上面结合附图对实用新型进行了示例性描述，显然本实用新型具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本实用新型的方法构思和技术方案进行的各种非实质性改进，或未经改进将实用新型的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本实用新型的保护范围之内。