集成纳米结构的薄膜型mos气体传感器及其制作方法
【技术领域】
[0001 ]本发明涉及MEMS传感器技术领域，尤其涉及一种集成纳米结构的薄膜型MOS气体传感器及其制作方法。
【背景技术】
[0002]随着社会的飞速发展和科技的突飞猛进，人们的生活呈现出与以往截然不同的变化，这种变化一方面极大地提高了人们的生活水平和质量;但另一方面也给自己的生活空间和环境造成了不可估量的影响，以VOC(voIatiIe organic compounds，挥发性有机化合物)、氮氧化物、硫化物等有毒有害气体为代表的环境污染日趋严重，极大影响人们的生活质量甚至寿命。工业生产规模逐渐扩大，产品种类不断增多，尤其是石油、化工、煤矿、汽车等工业的飞速发展导致火灾事故的不断发生，大气环境遭到严重破坏。另外，随着现代工业、国防工业的快速发展，运输过程中可能产生的液化石油气、H2以及液态燃料等危险品泄露，危险品的燃烧，运输车的倾倒等危险情况，也需要相应传感器实时的检测。此外，天然气管道泄露、家用煤气泄露导致的爆炸等重大事故频发，造成惨重的经济损失和人员伤亡。
[0003]人类对以上这些气体的感知和承受能力是有限的，为了确保安全，防患于未然，人们研制了各种测试仪器和检测方法，以便准确地检测并控制环境中的各种有毒有害气体。同时，随着近年以短距离通讯为技术核心的物联网技术快速发展以及以智能家居为代表的对气体泄漏和室内气体浓度的实时检测需求的日益迫切，基于各种类型气体传感器的实时监测系统逐渐进入市场。而其中最为核心和关键的就是气体传感器。气体传感器经过多年的发展，已广泛应用于各行业的生产、国防、医疗、生活和监测机构等领域，而研究和开发这些用于环境监测的气体传感器，更成为人们日益关心的问题。
[0004]目前市面上的商用气体传感器以敏感机理来分类主要有:电化学气体传感器、半导体气体传感器、催化反应气体传感器、热传导式气体传感器、光学原理气体传感器等。在众多气体传感器之中，应用最为广泛、传感器结构和制作工艺简单、灵敏度等综合性能优良、成本低廉的应数半导体气体传感器。尤其是近年来随着微机械加工技术的发展，借助于微电子工艺，半导体气体传感器更是向着集成化、智能化方向发展。半导体气体传感器是利用在一定的工作温度下，某些金属氧化物半导体材料(例如Zn0、Sn02、Ti02等)因为环境气体的成分、浓度等发生变化导致电导率随之发生变化的特性来检测气体。利用表面电导的变化检测气体的种类和浓度。因而，其具有制作工艺简单、生产成本低、灵敏度高、响应恢复特性好。作为气体敏感材料的金属氧化物半导体需要加热到较高温度时才显现出较好的敏感特性。专利CN103675028A介绍了一种半导体气体传感器，在制备半导体气敏传感器时必须先制备气敏材料的加热电极，然后再制备信号感测电极，工艺复杂，也没有集成提高灵敏度的纳米结构。目前，在市场上的产品主要为厚膜型气体传感器，其气敏薄膜的制作主要通过手工点胶、滴涂、喷涂等方法制备，其厚度及面积难于控制，可靠性重复性不佳，无法通过MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统)工艺批量制造，同时，由于气体接触面积有限，信号强度和检测浓度极限受限。
[0005]此外，半导体气体传感器中通常利用金属氧化物作为敏感材料，通过在其表面吸附气体及表面反应而引起自身电阻的变化，进而监测到待检测气体。金属氧化物的吸附能力越强，则气敏元件的选择性和灵敏度越高，为了达到上述效果，通常需要气敏材料之间有能让待测气体通过的空隙;或为了提高信号强度，提高检测浓度极限，需要在一定的器件尺寸限制下增大敏感材料与气体的接触面积或敏感材料的比表面积。当今纳米技术的发展，不仅为传感器提供了良好的敏感材料，例如纳米粒子、纳米管、纳米线、纳米薄膜等，而且一个显著的事实是在纳米尺度下，材料的比表面积显著增加。
[0006]与传统的传感器相比，纳米传感器尺寸减小、精度提高等性能大大改善，更重要的是利用纳米技术制作传感器，是站在原子尺度上，从而极大地丰富了传感器的理论，推动了传感器的制作水平，拓宽了传感器的应用领域。纳米传感器的主要应用领域包括医疗保健、军事、工业控制和机器人、网络和通信以及环境监测等。随着相关技术的成熟，纳米传感器在国防安检方面的强大优势逐渐显现。相信在不久的将来，纳米传感器将用于新一代的军服和设备，并将用来检测炭疽、有毒有害危险气体等。此外，众多研究和应用表明，将纳米技术和纳米结构与已有传统传感器相结合可以显著提升传感器的性能指标，从而拓宽其应用领域。
[0007]综上背景可知，无论是已有的厚膜式气敏传感器还是薄膜式半导体气敏传感器，虽然市场占有率和性能满足了部分需求，但性能仍有提升空间。
【发明内容】
[0008]有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种集成纳米结构的薄膜型MOS气体传感器及其制作方法，能够提高工艺兼容性和可重复性。
[0009]为达到上述目的，本发明提供一种集成纳米结构的薄膜型MOS气体传感器，从底部向顶部依次包括:承载硅基底，传感器释放后空腔、MEMS氧化硅、氮化硅复合膜支撑结构，图形化多晶硅薄膜层，纳米尺度硅结构，梳齿敏感电极、加热电极以及引线键合pad层结构，金属氧化物敏感膜层。
[0010]可选的，所述MEMS氧化硅、氮化硅复合膜支撑结构自下而上包括厚度为0.1?2微米的绝热氧化硅薄膜层、厚度为0.1?I微米的匀热氮化硅薄膜层。
[0011]可选的，所述多晶硅薄膜层的厚度为0.1?2微米。
[0012]可选的，电极的厚度为0.05?I微米，电极的长、宽为10?200微米，梳齿敏感电极间距为I?50微米;所述电极材料包括金属和合金薄膜或重掺杂的多晶硅，所述金属选自Pt、Au、Ag、Cu、N1、W中的一种，所述合金薄膜选自附/0、]\10/]\111、(]11/211、厶8/?(1、？1:/^11、卩6/(]0中的一种，所述重掺杂的多晶硅包括N型或P型重掺杂多晶硅，用于传感器电信号的引出。
[0013]可选的，所述金属氧化物敏感膜层为Zn0、Sn02、Ti02、Fe203中的一种，晶粒直径为10?500]1111，膜层的厚度为30?500111]1。
[0014]本发明还提供一种集成纳米结构的薄膜型MOS气体传感器的制造方法，包括:
[0015]在承载硅基底上，采用低压力化学气相沉积法制备厚度为0.1?2微米的绝热氧化娃薄膜层；
[0016]在绝热氧化硅薄膜层上，采用低压力化学气相沉积法制备厚度为0.1?2微米的匀热氮化硅薄膜层；
[0017]在匀热氮化硅薄膜层上，采用压力化学气相沉积法制备厚度为0.1?2微米的多晶娃薄膜层；
[0018]对多晶硅薄膜层进行图形化处理，形成图形化多晶硅薄膜层；
[0019]在非敏感区域光刻干法释放口；
[0020]在多晶硅表面制备梳齿敏感电极、加热电极以及引线键合pad;
[0021]刻蚀多晶硅表面，形成纳米尺度硅结构粗糙起伏；
[0022]在纳米尺度硅结构、梳齿敏感电极、加热电极以及引线键合pad区域沉积金属氧化物敏感膜层；
[0023]对承载硅基底进行同性干法刻蚀，形成纵向深度在I?100微米左右、横向刻蚀穿透的热隔离的悬浮器件结构，悬浮膜层下方为传感器释放后空腔，传感器敏感薄膜悬空区域与硅基底之间通过支撑臂相连接。
[0024]可选的，所述在纳米尺度硅结构、梳齿敏感电极、加热电极以及引线键合pad区域沉积金属氧化物敏感膜层包括:使用磁控溅射的方法在纳米尺度硅结构、梳齿敏感电极、加热电极以及引线键合pad区域沉积金属氧化物敏感膜层，之后进行400°C?600°C的退火处理。
[0025]可选的，所述在纳米尺度硅