一种mems气体传感器及其加工方法
【专利摘要】本发明涉及气体检测【技术领域】，公开了一种MEMS气体传感器及其加工方法，包括单晶硅衬底；多孔硅层，形成于单晶硅衬底的上表面且具有一定深度，多孔硅层的上表面及孔壁表面形成有二氧化硅薄膜，且多孔硅层与所述单晶硅衬底的上表面平齐；下绝缘层，覆盖多孔硅层及所述单晶硅衬底的上表面；以及设置于下绝缘层上方的加热层、上绝缘层及气体敏感层。本发明的多孔硅层可以稳定地支撑下绝缘层薄膜及其上的其他气体传感器元件，避免传感器受力不均匀导致的变形破裂及在高温工作时下绝缘层变形翘曲导致的加热层脱落。同时，所述多孔硅层的孔壁表面覆有二氧化硅薄膜，可以起到更好的保温隔热效果，降低功耗，提高气体传感器的探测灵敏度和使用寿命。
【专利说明】一种MEMS气体传感器及其加工方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及气体检测【技术领域】，具体涉及一种MEMS气体传感器及其加工方法。
【背景技术】
[0002] 大气污染，空气质量与人们的生活息息相关，易燃易爆性气体更是关系到工业生 产、国防安全等，因此对气体的检测有着极其重要的作用。目前对气体的检测除了传统的大 型检测设备例如基于质谱、能谱和色谱的气体检测仪器，但是这些仪器由于体积庞大、价格 较高，限制了它们的普及和发展。近些年也发展出了一些小型的气体传感器。在各种气体 传感器中，半导体气体传感器的应用最为广泛。它具有功耗低、体积小、重复性好、灵敏度 高、成本低、易于批量生产、加工工艺稳定等优点。半导体气体传感器的原理是利用金属氧 化物薄膜制成的阻抗器件，在一定的温度下，气体分子在表面与金属氧化物反应引起电阻 率的变化，从而实现对气体的探测。由于气体分子与金属氧化物反应需要较高的温度，为了 实现在较低的温度下工作，需要在气体敏感薄膜下制作微加热板以为气体薄膜提供足够的 温度。
[0003] 微机电系统（MEMS, Micro-Electro-Mechanical System)是一种先进的制造技术 平台。MEMS的技术包括微电子技术和微加工技术两大部分。微电子技术的主要内容有：氧 化层生长、光刻掩膜制作、光刻选择掺杂（屏蔽扩散、离子注入）、薄膜（层）生长、连线制作 等。微加工技术的主要内容有：娃表面微加工和娃体微加工（各向异性腐蚀、牺牲层）技 术、晶片键合技术、制作高深宽比结构的深结构曝光和电铸技术（LIGA)等。利用微电子技 术可制造集成电路和许多传感器。硅基加工技术是在微电子加工技术基础上发展起来的一 种微加工技术，主要依靠光刻、扩散、氧化、薄膜生长、干法刻蚀、湿法刻蚀和蒸发溅射等工 艺技术。
[0004] 随着MEMS技术与微电子的发展，体积小，功耗低且易与其他材料或器件组合的微 加热式气体传感器越来越受到重视。但使用微加热板会带来一定的功率损耗。申请号为 201110241625. 3的中国专利公开了一种在娃基底上、加热电极和信号电极共居于同一介质 平面上的硅基共平面低功耗微型气体传感器芯片，其可实现较低温度工作，但其未设置隔 热层或绝热层，由于半导体气体传感器工作温度较高，热量损耗较大，因而无法降低功耗。
[0005] 现有技术中，为降低功耗，实现结构保温普遍采用绝热槽。目前基于MEMS加工技 术制作的硅基气体传感器普遍采用的结构是：在单晶硅基底的上表面沉积一层氮化硅膜层 作为下绝缘层，在单晶硅基底的下表面制备绝热槽。制备绝热槽时可使用背面湿法刻蚀工 艺，也可先对下绝缘层蚀刻出悬臂梁，再往下湿法刻蚀出倒金字塔式绝热槽。两种绝热槽可 以更好的防止热量的散失以降低功耗。下绝缘层上方通过剥离工艺（lift-off)加工出钼 加热丝层，通过给加热丝通电即可产生热量，形成气体传感器工作所需要的温度。在钼加热 丝表面上又沉积一层氮化硅层作为上绝缘层，最后沉积温度敏感层和气体敏感层。例如申 请号为201110366861.8的中国专利公开了的气体传感器及其制造工艺便采用了绝热槽的 工艺。但是这种方法蚀刻出绝热槽后加热层与气体敏感层仅靠一层薄膜结构的氮化硅层支 撑，而该薄膜仅在两端被悬臂结构的支撑衬底支撑，这种薄膜结构的绝缘层力学性能较差， 在器件受到震动或者碰撞时易发生破裂导致器件失效。除此之外，由于隔热层与加热丝的 热膨胀系数的差异，在高温下隔热层易翘曲使加热丝易从隔热层脱落，同样导致器件失效。 其次，悬臂结构的绝热槽利用悬臂之间的空气隔热，由于空间较大，空气流动较快，也会造 成热量散失较快，影响隔热效果。再次，该种绝热槽的制备工艺复杂，对控制条件要求较高， 从而增加加工难度。
[0006] 综上，现有技术中的气体传感器的隔热结构主要存在以下问题：
[0007] (1)稳定性差，由于受力不均匀引起器件发生变形破裂，导致器件失效。
[0008] (2)隔热效果差，绝热槽间的空气间隔较大导致热量散失较快，影响隔热效果。
[0009] (3)加工工艺复杂，绝热槽的制备工艺复杂，制备时间较长。
【发明内容】
[0010] 为了解决现有技术中气体传感器存在的诸多问题，本发明提供一种MEMS气体传 感器及其加工方法，采用孔壁表面形成有二氧化硅薄膜的多孔硅层作为绝热层，同时作为 支撑层，可以延长气体传感器的寿命，增加灵敏度。
[0011] 本发明的发明人发现：与单晶硅相比，多孔硅的多孔结构使其具有良好的隔热性 能，可以作为传感器的隔热层。与传统绝热槽相比，多孔硅的孔隙细密，可以有效减少空气 流动速度，增强隔热效果。且多孔硅制备工艺简单，成本低廉，可以通过简单的电化学方法 在硅衬底刻蚀，短时间内形成较厚的多孔硅层。采用孔硅作为隔热层，由于所述多孔硅层设 置于所述加热层下方，而多孔硅具有良好的隔热性能，可以有效减少所述加热层热量流失， 减少功耗。且多孔硅层均匀分布在单晶硅衬底的上表面，可以稳定地支撑其上的绝缘层及 其他气体传感器组件，从而提高气体传感器的稳定性，增加其使用寿命。
[0012] 另外，二氧化硅也是一种隔热材料，导热系数低于单晶硅。在多孔硅层的上表面及 孔壁表面覆盖一层二氧化硅薄膜，可以有效解决暴露在空气中的多孔硅表面导致的热量损 耗，进一步地降低功耗，提高气体传感器的探测灵敏度。
[0013] 基于以上思路，本发明提出了的技术方案是：一种MEMS气体传感器，包括：单晶 娃衬底；多孔娃层，形成于所述单晶娃衬底的上表面且具有一定深度，所述多孔娃层的上表 面及孔壁表面形成有二氧化硅薄膜，且所述多孔硅层与所述单晶硅衬底的上表面平齐；下 绝缘层，覆盖所述多孔硅层及所述单晶硅衬底的上表面；加热层，设置于所述下绝缘层的上 表面，且所述加热层位于所述多孔硅层的正上方区域内；上绝缘层，覆盖所述加热层的上表 面；气体敏感层，设置于所述上绝缘层的上表面，且所述气体敏感层位于所述加热层的正上 方区域内。
[0014] 所述气体传感器还包括：温度敏感层，设置于所述上绝缘层的上表面；气体敏感 层电极，设置于所述上绝缘层的上表面，且所述气体敏感层电极和所述温度敏感层位于所 述加热层正上方区域内的不同位置，且所述气体敏感层覆盖所述气体敏感层电极及两电极 之间的所述上绝缘层的上表面，从而连通所述气体敏感层电极。
[0015] 本发明的所述加热层位于所述多孔硅层的正上方区域内，使得所述多孔硅层能够 更稳定地支撑加热层，有效防止器件受到震动碰撞时因为没有有效支撑而发生的破裂，还 可以有效避免气体传感器在高温工作时下绝缘层变形翘曲导致的加热层脱落。同时，所述 加热层位于所述多孔硅层的正上方区域内，还能保证充分的隔热效果。
[0016] 为了保证较好的隔热效果，所述多孔娃层的厚度为20-100 μ m，优选为50 μ m。多 孔硅的隔热效果与孔隙率成正比，当孔隙率为90%时，其热导率可低至lW(m · K)，本发明 的多孔硅层的孔隙率为50% -90%，优选为90%，且所述覆盖在多孔硅上表面及孔壁表面 的二氧化硅薄膜的厚度为100_500nm，优选为200nm。
[0017] 本发明的所述温度敏感层和气体敏感层以及气体敏感层电极均位于所述加热层 的正上方区域内，从而保证充分的加热和隔热效果。
[0018] 为了便于加热层引线，本发明的所述上绝缘层边缘具有若干缺口形成加热层引线 窗。
[0019] 本发明还提供了一种MEMS气体传感器的加工方法，包括以下步骤：
[0020] S1、在单晶硅衬底的上表面制备多孔硅层；
[0021] S2、在制备好的多孔硅层的上表面及孔壁表面制备二氧化硅薄膜；
[0022] S3、在具有所述多孔硅层的单晶硅衬底的上表面制备下绝缘层；
[0023] S4、在制备好的下绝缘层的上表面制备加热层，所述加热层位于所述多孔硅层的 正上方区域内；
[0024] S5、在制备好的加热层的上表面，按照步骤S3的方法制备上绝缘层；
[0025] S6、在制备好的上绝缘层的上表面制备气体敏感层，所述气体敏感层位于所述加 热层的正上方区域内。
[0026] 本发明所述方法在步骤S5后还包括以下步骤：
[0027] 在制备好的上绝缘层的上表面制备温度敏感层和气体敏感层电极，所述气体敏感 层电极和所述温度敏感层位于所述加热层正上方区域内的不同位置，且所述气体敏感层覆 盖所述气体敏感层电极及两电极之间的所述上绝缘层的上表面，从而连通所述气体敏感层 电极。
[0028] 所述步骤S1中的制备所述多孔硅层的方法为电化学方法。
[0029] 本发明的所述加热层位于所述多孔硅层的正上方区域内，使得所述多孔硅层能够 更稳定地支撑加热层，有效防止器件受到震动碰撞时因为没有有效支撑而发生的破裂，还 可以有效避免气体传感器在高温工作时下绝缘层变形翘曲导致的加热层脱落。同时，所述 加热层位于所述多孔硅层的正上方区域内，还能保证充分的隔热效果。
[0030] 为了保证较好的隔热效果，所述步骤S1中制备得到的所述多孔硅层的厚度为 20-100 μ m，优选为50 μ m。多孔硅的隔热效果与孔隙率成正比，当孔隙率为90%时，其热导 率可低至lwAm · K)。本发明的多孔硅层孔隙率为50% -90%，优选为90%。
[0031] 所述步骤S2中的制备二氧化硅薄膜的方法为热氧化方法，且所述二氧化硅薄膜 的厚度为l〇〇_5〇〇nm。
[0032] 本发明的所述温度敏感层和气体敏感层以及气体敏感层电极均位于所述加热层 的正上方区域内，从而保证充分的加热和隔热效果。
[0033] 为了便于加热层引线，本发明在步骤S5中制备所述上绝缘层时边缘保留若干缺 口形成加热层引线窗。
[0034] 实施本发明，可达到以下有益效果：
[0035] (1)在单晶硅衬底上设置多孔硅层，由于多孔硅层均匀分布于单晶硅衬底上，受力 均匀，因此可以稳定地支撑其上的下绝缘层薄膜，从而有效避免器件受到震动或者碰撞时 薄膜状绝缘层发生破裂造成气体传感器失效，提高气体传感器的抗震能力和稳定性，降低 对其工作环境的要求。另外，还可以有效避免气体传感器在高温工作时下绝缘层变形翘曲 导致的加热层脱落，从而提高气体传感器的使用寿命。
[0036] (2)由于多孔硅的孔隙细密，其间的空气流动较慢，使其具有良好的隔热性能。采 用多孔硅层作为隔热层，将加热层设置于多孔硅层的正上方区域内，可以起到更好的保温 隔热的效果，从而增加气体传感器的探测灵敏度。
[0037] (3)在多孔硅层的上表面及孔壁表面覆盖一层二氧化硅薄膜，可以有效解决暴露 在空气中的孔壁热导率较高导致的热量损耗，进一步地降低功耗，增强隔热效果。
[0038] (4)与传统的绝热槽相比，多孔硅层的制备工艺简单，成本低廉，更容易控制，从而 可以有效地提升生产效率，降低成本。
[0039] (5)在单晶硅衬底上刻蚀多孔硅层作为隔热层，同时作为支撑层，可以节省气体传 感器空间，简化气体传感器整体结构。
[0040] (6)采用硅基材料作为气体传感器材料，易于通过MEMS加工技术制作，加工工艺 成熟，加工效率高。
【专利附图】
【附图说明】
[0041] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现 有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本 发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以 根据这些附图获得其它附图。
[0042] 图1是本发明的MEMS气体传感器的结构示意图；
[0043] 图2是本发明的MEMS气体传感器中多孔硅层的局部放大结构示意图；
[0044] 图3是本发明的MEMS气体传感器加工方法中步骤S1完成后的结构示意图；
[0045] 图4是本发明的MEMS气体传感器加工方法中步骤S1完成后的多孔硅层的局部放 大结构示意图；
[0046] 图5是本发明的MEMS气体传感器加工方法中步骤S2完成后的结构示意图；
[0047] 图6是本发明的MEMS气体传感器加工方法中步骤S2完成后的多孔硅层的局部放 大结构示意图；
[0048] 图7是本发明的MEMS气体传感器加工方法中步骤S3完成后的结构示意图；
[0049] 图8是本发明的MEMS气体传感器加工方法中步骤S4完成后的结构示意图；
[0050] 图9是本发明的MEMS气体传感器加工方法中步骤S5中制备好上绝缘层后的结构 示意图；
[0051] 图10是本发明的MEMS气体传感器加工方法中步骤S5后制备好温度敏感层和气 体敏感层的结构示意图；
[0052] 图11是本发明的MEMS气体传感器加工方法中步骤S6完成后的结构示意图；
[0053] 图12是本发明的MEMS气体传感器带有第二粘接层的气体传感器的结构示意图；
[0054] 图13是本发明的MEMS气体传感器带有第一粘接层和第二粘接层的气体传感器的 结构示意图。
[0055] 图中的附图标记对应为：1-单晶硅衬底，2-多孔硅层，21-二氧化硅薄膜，3-下绝 缘层，31-第一粘接层，4-加热层，5-上绝缘层，51-第二粘接层，6-加热层引线窗，7-温度 敏感层，8-气体敏感层电极，9气体敏感层。
【具体实施方式】
[0056] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完 整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于 本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其 他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0057] 实施例1
[0058] 如图1、2所不，本发明实施例1公开了一种MEMS气体传感器，包括：
[0059] 单晶硅衬底1 ;多孔硅层2,形成于所述单晶硅衬底1的上表面且具有一定深度，所 述多孔硅层2的上表面及孔壁表面形成有二氧化硅薄膜21，且所述多孔硅层2的上表面与 所述单晶硅衬底1的上表面平齐；下绝缘层3,覆盖所述多孔硅层2及所述单晶硅衬底1的 上表面；加热层4,设置于所述下绝缘层3的上表面，且所述加热层4位于所述多孔硅层2的 正上方区域内；上绝缘层5,覆盖所述加热层4的上表面；气体敏感层9,设置于所述上绝缘 层5的上表面，且所述气体敏感层9位于所述加热层4的正上方区域内。所述气体传感器 还包括：温度敏感层7,设置于所述上绝缘层5的上表面；气体敏感层电极8,设置于所述上 绝缘层5的上表面，且所述气体敏感层电极8和所述温度敏感层7位于所述加热层4正上 方区域内的不同位置，且所述气体敏感层9覆盖所述气体敏感层电极8及两电极之间的所 述上绝缘层5的上表面，从而连通所述气体敏感层电极8。
[0060] 本发明的所述加热层4位于所述多孔硅层2的正上方区域内，使得所述多孔硅层 2能够更稳定地支撑加热层，有效防止器件受到震动碰撞时因为没有有效支撑而发生的破 裂，还可以有效避免气体传感器在高温工作时下绝缘层变形翘曲导致的加热层脱落。同时， 所述加热层4位于所述多孔硅层2的正上方区域内，还能保证充分的隔热效果。
[0061] 所述多孔硅层2的厚度为20 μ m。多孔硅的隔热效果与孔隙率成正比，当孔隙率为 90%时，其热导率可低至lwAm ·Κ)。本发明实施例1的所述多孔硅层2的孔隙率为50%， 且所述二氧化硅薄膜21的厚度为100nm。
[0062] 由于加热层一般电导率较高，为了保证安全，在所述单晶硅衬底1及所述多孔硅 层2上设置下绝缘层3。由于二氧化硅具有较好的绝缘性能，所述的下绝缘层3是厚度为 100_500nm的二氧化娃，本实施例中优选为lOOnm。
[0063] 可选的，所述下绝缘层3也可以是厚度为100-800nm的氮化硅膜层。
[0064] 加热层用来对气体传感器加热，保证气体传感器能在较低温度下工作。所述加热 层4为100-500nm的多晶硅加热丝层，本实施例中选为200nm。
[0065] 由于加热层一般电导率较高，为了保证安全，在所述加热层4上设置上绝缘层5。 由于二氧化硅具有较好的绝缘性能，所述的上绝缘层5是厚度为100-500nm的二氧化硅，本 实施例中优选为l〇〇nm。
[0066] 可选的，所述上绝缘层5也可以是厚度为100-800nm的氮化硅膜层。
[0067] 为了便于加热层引线，本发明的所述上绝缘层边缘具有若干缺口形成加热层引线 窗6。
[0068] 所述温度敏感层7为测温电阻，通过测量其阻值可以得到加热层4的温度。优选 的，所述温度敏感层7和所述气体敏感层电极8为厚度150-500nm的金属钼，本实施例中优 选为150nm。
[0069] 可选的，所述温度敏感层7和所述气体敏感层电极8也可以是能实现上述功能的 其他金属膜层。
[0070] 可选的，为了使所述温度敏感层7和所述气体敏感层电极8更加稳固地连接到所 述上绝缘层5上，在所述温度敏感层7和所述气体敏感层电极8与所述上绝缘层5之间设 置第二粘接层51，优选为钛粘接层，厚度优选为50nm，如图12所示。
[0071] 通过测量待测气体分子在所述气体敏感层9的表面与其发生反应引起的电阻率 的变化，实现对气体的探测。优选的，所述气体敏感层9为20-300nm的Sn0 2，本实施例中选 为20nm。所述气体敏感层9覆盖所述气体敏感层电极8及两电极之间的所述上绝缘层5的 表面，从而连通所述气体敏感层电极8。
[0072] 可选的，或者所述气体敏感层9可以为其他气敏材料。
[0073] 本发明还提供了一种MEMS气体传感器的加工方法，包括以下步骤：
[0074] S1、在单晶硅衬底的上表面制备多孔硅层，如图3、4所示；
[0075] S2、在制备好的多孔硅层的上表面及孔壁表面制备二氧化硅薄膜21，如图5、6所 示；
[0076] S3、在具有所述多孔硅层2的单晶硅衬底1的上表面制备下绝缘层3,如图7所示；
[0077] S4、在制备好的下绝缘层3的上表面制备加热层4,所述加热层4位于所述多孔硅 层2的正上方区域内，如图8所示；
[0078] S5、在制备好的加热层4的上表面，按照步骤S3的方法制备上绝缘层5 ;
[0079] 优选的，为了便于加热层引线，本发明在步骤S5中制备所述上绝缘层时边缘保留 若干缺口形成加热层引线窗6,如图9所示。
[0080] 优选的，本发明在制备好的上绝缘层5的上表面制备温度敏感层7和气体敏感层 电极8,所述气体敏感层电极8和所述温度敏感层7位于所述加热层4正上方区域内的不同 位置，如图10所示。
[0081] S6、在制备好的上绝缘层5的上表面制备气体敏感层9,所述气体敏感层9位于所 述加热层4的正上方区域内，且所述气体敏感层9覆盖所述气体敏感层电极8两电极之间 的所述上绝缘层的上表面，从而连通所述气体敏感层电极8，如图11所示。
[0082] 可选的，所述单晶硅衬底1的尺寸可以为2寸、4寸或6寸。
[0083] 所述的方法还包括：在所述S1步骤前，利用酸溶液、有机溶剂和去离子水等溶液 对所述单晶硅衬底进行清洗，然后用氮气吹干。
[0084] 所述步骤S1中的制备所述多孔硅层2的方法为电化学方法，具体为：采用齐纳击 穿产生空穴工艺来制备，腐蚀液为1 % HF溶液，电压为2V。
[0085] 可选的，所述多孔硅层2也可以采用光化学腐蚀法、刻蚀法或水热腐蚀法制备。
[0086] 所述步骤S2中的制备二氧化硅薄膜的方法为热氧化方法，制备得到的所述二氧 化硅薄膜的厚度为l〇〇nm。具体过程为：将具有所述多孔硅层2的单晶硅衬底1使用热氧 化工艺退火，温度为900摄氏度，时间为5小时。
[0087] 所述步骤S1中，制备所述多孔硅层2时，所述加热层4落在所述多孔硅层2的正 上方区域内，使得所述多孔硅层2能够更稳定地支撑加热层4,有效防止器件受到震动碰撞 时因为没有有效支撑而发生的破裂。同时，所述加热层4位于所述多孔硅层2的正上方区 域内，还能保证充分的隔热效果。
[0088] 所述步骤S1中制备得到的所述多孔硅层2的厚度为20 μ m。多孔硅的隔热效果与 孔隙率成正比，当孔隙率为90%时，其热导率可低至lW(m · K)。本发明的所述多孔硅层2 的孔隙率为50%，且所述二氧化硅薄膜21的厚度为100nm。
[0089] 为了保证安全，在所述单晶硅衬底1及所述多孔硅层2上设置下绝缘层3。由于二 氧化硅具有较好的绝缘性能，可以用做绝缘层。步骤S3中制备下绝缘层3的方法为：在所 述单晶娃衬底1及所述多孔娃层2上磁控溉射沉积一层二氧化娃，其厚度为100-500nm，本 实施例中优选为l〇〇nm。
[0090] 可选的，所述下绝缘层3也可以是厚度为100-800nm的氮化硅膜层。
[0091] 所述步骤S4中制备所述加热层的方法为：在所述下绝缘层上沉积一层多晶硅，在 多晶硅上匀胶光刻定义出加热层的形状及位置作为阻挡层，利用离子反应刻蚀去掉多余的 多晶硅得到多晶硅加热丝层，所述多晶硅加热丝层的厚度为100_500nm，本实施例中优选为 200nm〇
[0092] 为了保证安全，在所述加热层4上设置上绝缘层5。由于二氧化硅具有较好的绝缘 性能，可以用做绝缘层。步骤S5中制备上绝缘层5的方法为：在所述加热层4上磁控溅射 沉积一层二氧化硅，其厚度为100-500nm，本实施例中优选为lOOnm。
[0093] 可选的，所述上绝缘层5也可以是厚度为100-800nm的氮化硅膜层。
[0094] 可选的，为了使所述温度敏感层7和所述气体敏感层电极8更加稳固地连接到所 述上绝缘层5上，在所述步骤S5之后，还包括：在所述上绝缘层5上制备第二粘接层51，制 备方法为：在所述上绝缘层5上磁控溅射沉积一层金属钛形成第二粘接层51，厚度优选为 50nm，如图12所示。
[0095] 所述温度敏感层7为测温电阻，通过测量其阻值可以得到加热层4的温度。所述 步骤S5后制备温度敏感层7和所述气体敏感层电极8的方法为：在上述步骤制得的第二粘 接层51的上表面匀胶光刻定义出温度敏感层和气体敏感层电极的形状及位置，磁控溅射 沉积一层金属钼，采用剥离工艺去除光刻胶，得到金属钼测温电阻以及气体敏感层电极。所 述温度敏感层7和所述气体敏感层电极8的厚度150-500nm，本实施例中优选为150nm。
[0096] 可选的，所述温度敏感层7和所述气体敏感层电极8也可以为能实现上述功能的 其他金属膜层。
[0097] 通过测量待测气体分子在所述气体敏感层9表面与其发生反应引起的电阻率的 变化，实现对气体的探测。所述气体敏感层9覆盖所述气体敏感层电极8及两电极之间的所 述上绝缘层5的表面，从而连通所述气体敏感层电极8。所述步骤S6中制备气体敏感层9 的方法为：匀胶光刻定义出气体敏感层的位置，采用磁控溅射的方式溅射一层金属氧化物， 采用剥离工艺去除光刻胶得到气体敏感层9。优选的，所述金属氧化物为20-300nm的Sn0 2， 优选为20nm。
[0098] 可选的，所述金属氧化物可以为其他气敏材料。
[0099] 实施本发明，可达到以下有益效果：
[0100] (1)在单晶硅衬底上设置多孔硅层，由于多孔硅层均匀分布于单晶硅衬底上，受力 均匀，因此可以稳定地支撑其上的下绝缘层薄膜，从而有效避免器件受到震动或者碰撞时 薄膜状绝缘层发生破裂造成气体传感器失效，提高气体传感器的抗震能力和稳定性，降低 对其工作环境的要求。另外，还可以有效避免气体传感器在高温工作时下绝缘层变形翘曲 导致的加热层脱落，从而提高气体传感器的使用寿命。
[0101] (2)由于多孔硅的孔隙细密，其间的空气流动较慢，使其具有良好的隔热性能。采 用多孔硅层作为隔热层，将加热层设置于多孔硅层的正上方区域内，可以起到更好的保温 隔热的效果，从而增加气体传感器的探测灵敏度。
[0102] (3)在多孔硅层的上表面及孔壁表面覆盖一层二氧化硅薄膜，可以有效解决暴露 在空气中的孔壁热导率较高导致的热量损耗，进一步地降低功耗，增强隔热效果。
[0103] (4)与传统的绝热槽相比，多孔硅层的制备工艺简单，成本低廉，更容易控制，从而 可以有效地提升生产效率，降低成本。
[0104] (5)在单晶硅衬底上刻蚀多孔硅层作为隔热层，同时作为支撑层，可以节省气体传 感器空间，简化气体传感器整体结构。
[0105] (6)采用硅基材料作为气体传感器材料，易于通过MEMS加工技术制作，加工工艺 成熟，加工效率高。
[0106] 实施例2
[0107] 如图1、2所不，本发明实施例2公开了一种MEMS气体传感器，包括：
[0108] 单晶硅衬底1 ;多孔硅层2,形成于所述单晶硅衬底1的上表面且具有一定深度，所 述多孔硅层2的上表面及孔壁表面形成有二氧化硅薄膜21，且所述多孔硅层2的上表面与 所述单晶硅衬底1的上表面平齐；下绝缘层3,覆盖所述多孔硅层2及所述单晶硅衬底1的 上表面；加热层4,设置于所述下绝缘层3的上表面，且所述加热层4位于所述多孔硅层2的 正上方区域内；上绝缘层5,覆盖所述加热层4的上表面；气体敏感层9,设置于所述上绝缘 层5的上表面，且所述气体敏感层9位于所述加热层4的正上方区域内。所述气体传感器 还包括：温度敏感层7,设置于所述上绝缘层5的上表面；气体敏感层电极8,设置于所述上 绝缘层5的上表面，且所述气体敏感层电极8和所述温度敏感层7位于所述加热层4正上 方区域内的不同位置，且所述气体敏感层9覆盖所述气体敏感层电极8及两电极之间的所 述上绝缘层5的上表面，从而连通所述气体敏感层电极8。
[0109] 本发明的所述加热层4位于所述多孔硅层2的正上方区域内，使得所述多孔硅层 2能够更稳定地支撑加热层，有效防止器件受到震动碰撞时因为没有有效支撑而发生的破 裂，还可以有效避免气体传感器在高温工作时下绝缘层变形翘曲导致的加热层脱落。同时， 所述加热层4位于所述多孔硅层2的正上方区域内，还能保证充分的隔热效果。
[0110] 为了保证较好的隔热效果，所述多孔硅层2的厚度为ΙΟΟμπι。多孔硅的隔热效果 与孔隙率成正比，当孔隙率为90%时，其热导率可低至lW(m ·Κ)。本发明的所述多孔硅层 2的孔隙率为90 %，且所述二氧化硅薄膜21的厚度为500nm。
[0111] 由于加热层一般电导率较高，为了保证安全，在所述单晶硅衬底1及所述多孔硅 层2上设置下绝缘层3。由于二氧化硅具有较好的绝缘性能，所述的下绝缘层3是厚度为 100_500nm的二氧化娃，本实施例中选为500nm。
[0112] 可选的，所述下绝缘层3也可以是厚度为100-800nm的氮化硅膜层。
[0113] 加热层用来对气体传感器加热，保证气体传感器能在较低温度下工作。所述加热 层4为50-200nm厚的金属钼加热丝层，本实施例中选为200nm。
[0114] 可选的，为了使所述加热层4更加稳固地连接到所述下绝缘层3上，在所述下绝缘 层3的上表面上与所述加热层4相对应的位置设置第一粘接层31，优选为钛粘接层，厚度优 选为50nm，如图13所示。
[0115] 由于加热层一般电导率较高，为了保证安全，在所述加热层4上设置上绝缘层5。 由于二氧化硅具有较好的绝缘性能，所述的上绝缘层5是厚度为100-500nm的二氧化硅，本 实施例中优选为500nm。
[0116] 可选的，所述上绝缘层5也可以是厚度为100-800nm的氮化硅膜层。
[0117] 为了便于加热层引线，本发明的所述上绝缘层边缘具有若干缺口形成加热层引线 窗6。
[0118] 所述温度敏感层7为测温电阻，通过测量其阻值可以得到加热层4的温度。优选 的，所述温度敏感层7和所述气体敏感层电极8为厚度150-500nm的金属钼，本实施例中优 选为500nm。
[0119] 可选的，所述温度敏感层7和所述气体敏感层电极8也可以是能实现上述功能的 其他金属膜层。
[0120] 可选的，为了使所述温度敏感层7和所述气体敏感层电极8更加稳固地连接到所 述上绝缘层5上，在所述温度敏感层7和所述气体敏感层电极8与所述上绝缘层5之间设 置第二粘接层51，优选为钛粘接层，厚度优选为50nm，如图13所示。
[0121] 通过测量待测气体分子在所述气体敏感层9的表面与其发生反应引起的电阻率 的变化，实现对气体的探测。优选的，所述气体敏感层9为20-300nm的Sn0 2，优选为300nm。 所述气体敏感层9覆盖所述气体敏感层电极8及两电极之间的所述上绝缘层5的表面，从 而连通所述气体敏感层电极8。
[0122] 可选的，或者所述气体敏感层9可以为其他气敏材料。
[0123] 本发明还提供了一种MEMS气体传感器的加工方法，包括以下步骤：
[0124] S1、在单晶硅衬底的上表面制备多孔硅层，如图3、4所示；
[0125] S2、在制备好的多孔硅层的上表面及孔壁表面制备二氧化硅薄膜21，如图5、6所 示；
[0126] S3、在具有所述多孔硅层2的单晶硅衬底1的上表面制备下绝缘层3,如图7所示；
[0127] S4、在制备好的下绝缘层3的上表面制备加热层4,所述加热层4位于所述多孔硅 层2的正上方区域内，如图8所示；
[0128] S5、在制备好的加热层4的上表面，按照步骤S3的方法制备上绝缘层5 ;
[0129] 优选的，为了便于加热层引线，本发明在步骤S5中制备所述上绝缘层时边缘保留 若干缺口形成加热层引线窗6,如图9所示。
[0130] 优选的，本发明在制备好的上绝缘层5的上表面制备温度敏感层7和气体敏感层 电极8,所述气体敏感层电极8和所述温度敏感层7位于所述加热层4正上方区域内的不同 位置，如图10所示。
[0131] S6、在制备好的上绝缘层5的上表面制备气体敏感层9,所述气体敏感层9位于所 述加热层4的正上方区域内，且所述气体敏感层9覆盖所述气体敏感层电极8两电极之间 的所述上绝缘层的上表面，从而连通所述气体敏感层电极8，如图11所示。
[0132] 可选的，所述单晶硅衬底1的尺寸可以为2寸、4寸或6寸。
[0133] 所述的方法还包括：在所述S1步骤前，利用酸溶液、有机溶剂和去离子水等溶液 对所述单晶硅衬底进行清洗，然后用氮气吹干。
[0134] 所述步骤S1中的制备所述多孔硅层2的方法为电化学方法，具体为：采用齐纳击 穿产生空穴工艺来制备，腐蚀液为5% HF溶液，电压为5V。
[0135] 可选的，所述多孔硅层2也可以采用光化学腐蚀法、刻蚀法或水热腐蚀法制备。
[0136] 所述步骤S2中的制备二氧化硅薄膜的方法为热氧化方法，制备得到的所述二氧 化硅薄膜的厚度为500nm。具体为：将具有所述多孔硅层2的单晶硅衬底1使用热氧化工 艺退火，温度为1200摄氏度，时间为10小时。
[0137] 所述步骤S1中，制备所述多孔硅层2时，所述加热层4落在所述多孔硅层2的正 上方区域内，使得所述多孔硅层2能够更稳定地支撑加热层4,有效防止器件受到震动碰撞 时因为没有有效支撑而发生的破裂。同时，所述加热层4位于所述多孔硅层2的正上方区 域内，还能保证充分的隔热效果。
[0138] 为了保证较好的隔热效果，所述步骤S1中制备得到的所述多孔硅层2的厚度 为100 μ m。多孔硅的隔热效果与孔隙率成正比，当孔隙率为90 %时，其热导率可低至lw/ (m · K)，因此，本发明实施例2的所述多孔硅层2的孔隙率为90%。
[0139] 为了保证安全，在所述单晶硅衬底1及所述多孔硅层2上设置下绝缘层3。由于二 氧化硅具有较好的绝缘性能，可以用做绝缘层。步骤S3中制备下绝缘层3的方法为：在所 述单晶硅衬底1及所述多孔硅层2上磁控溅射沉积一层二氧化硅，其厚度为100-500nm，优 选为500nm。
[0140] 可选的，所述下绝缘层3也可以是厚度为100-800nm的氮化硅膜层。
[0141] 可选的，为了使所述加热层4更加稳固地连接到所述下绝缘层3上，在所述下绝缘 层3的上表面与所述加热层4对应的位置磁控溅射沉积第一粘接层31，优选为钛粘接层，厚 度优选为50nm，如图13所示。
[0142] 所述步骤S4中制备所述加热层的方法为：在所述下绝缘层上匀胶光刻定义出加 热层的形状及位置，磁控溅射沉积一层金属钼，采用剥离工艺去除光刻胶，得到金属钼加热 丝层。优选的，所述金属钼加热丝层厚度为50-200nm，优选为200nm。
[0143] 为了保证安全，在所述加热层4上设置上绝缘层5。由于二氧化硅具有较好的绝缘 性能，可以用做绝缘层。步骤S5中制备上绝缘层5的方法为：在所述加热层4上磁控溅射 沉积一层二氧化硅，其厚度为100-500nm，优选为500nm。
[0144] 可选的，所述上绝缘层5也可以是厚度为100-800nm的氮化硅膜层。
[0145] 可选的，为了使所述温度敏感层7和所述气体敏感层电极8更加稳固地连接到所 述上绝缘层5上，在所述步骤S5之后，还包括：在所述上绝缘层5上制备第二粘接层51，制 备方法为：在所述上绝缘层5上磁控溅射沉积一层金属钛形成第二粘接层51，厚度优选为 50nm，如图13所示。
[0146] 所述温度敏感层7为测温电阻，通过测量其阻值可以得到加热层4的温度。所述 步骤S5后中制备温度敏感层7和所述气体敏感层电极8的方法为：在上述步骤制得的第二 粘接层51的上表面匀胶光刻定义出温度敏感层和气体敏感层电极的形状及位置，磁控溅 射沉积一层金属钼，采用剥离工艺去除光刻胶，得到金属钼测温电阻以及气体敏感层电极。 优选的，所述温度敏感层7和所述气体敏感层电极8的厚度150-500nm，本实施例中优选为 500nm〇
[0147] 可选的，所述温度敏感层7和所述气体敏感层电极8也可以为能实现上述功能的 其他金属膜层。
[0148] 通过测量待测气体分子在所述气体敏感层9表面与其发生反应引起的电阻率的 变化，实现对气体的探测。所述气体敏感层9覆盖所述气体敏感层电极8及两电极之间的所 述上绝缘层5的表面，从而连通所述气体敏感层电极8。所述步骤S6中制备气体敏感层9 的方法为：匀胶光刻定义出气体敏感层的位置，采用磁控溅射的方式溅射一层金属氧化物， 采用剥离工艺去除光刻胶得到气体敏感层9。优选的，所述金属氧化物为20-300nm的Sn0 2， 优选为300nm。
[0149] 可选的，所述金属氧化物可以为其他气敏材料。
[0150] 实施本发明，可达到以下有益效果：
[0151] (1)在单晶硅衬底上设置多孔硅层，由于多孔硅层均匀分布于单晶硅衬底上，受力 均匀，因此可以稳定地支撑其上的下绝缘层薄膜，从而有效避免器件受到震动或者碰撞时 薄膜状绝缘层发生破裂造成气体传感器失效，提高气体传感器的抗震能力和稳定性，降低 对其工作环境的要求。另外，还可以有效避免气体传感器在高温工作时下绝缘层变形翘曲 导致的加热层脱落，从而提高气体传感器的使用寿命。
[0152] (2)由于多孔硅的孔隙细密，其间的空气流动较慢，使其具有良好的隔热性能。采 用多孔硅层作为隔热层，将加热层设置于多孔硅层的正上方区域内，可以起到更好的保温 隔热的效果，从而增加气体传感器的探测灵敏度。
[0153] (3)在多孔硅层的上表面及孔壁表面覆盖一层二氧化硅薄膜，可以有效解决暴露 在空气中的孔壁热导率较高导致的热量损耗，进一步地降低功耗，增强隔热效果。
[0154] (4)与传统的绝热槽相比，多孔硅层的制备工艺简单，成本低廉，更容易控制，从而 可以有效地提升生产效率，降低成本。
[0155] (5)在单晶硅衬底上刻蚀多孔硅层作为隔热层，同时作为支撑层，可以节省气体传 感器空间，简化气体传感器整体结构。
[0156] (6)采用硅基材料作为气体传感器材料，易于通过MEMS加工技术制作，加工工艺 成熟，加工效率高。
[0157] 以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权 利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。
【权利要求】
1. 一种MEMS气体传感器，其特征在于，包括： 单晶娃衬底（1); 多孔硅层（2)，形成于所述单晶硅衬底（1)的上表面且具有一定深度，所述多孔硅层 (2)的上表面及孔壁表面形成有二氧化硅薄膜（21)，且所述多孔硅层（2)与所述单晶硅衬 底（1)的上表面平齐； 下绝缘层（3)，覆盖所述多孔硅层（2)及所述单晶硅衬底（1)的上表面； 加热层（4)，设置于所述下绝缘层（3)的上表面，且所述加热层（4)位于所述多孔硅层 (2)的正上方区域内； 上绝缘层（5)，覆盖所述加热层（4)的上表面； 气体敏感层（9)，设置于所述上绝缘层（5)的上表面，且所述气体敏感层（9)位于所述 加热层（4)的正上方区域内。
2. 如权利要求1所述的MEMS气体传感器，其特征在于，所述气体传感器还包括： 温度敏感层（7)，设置于所述上绝缘层（5)的上表面； 气体敏感层电极（8)，设置于所述上绝缘层（5)的上表面，且所述气体敏感层电极（8) 和所述温度敏感层（7)位于所述加热层（4)正上方区域内的不同位置，且所述气体敏感层 (9)覆盖所述气体敏感层电极（8)及两电极之间的所述上绝缘层（5)的上表面，从而连通所 述气体敏感层电极（8)。
3. 如权利要求1或2所述的MEMS气体传感器，其特征在于，所述多孔硅层（2)的厚度 为20-100 μ m，孔隙率为50% -90%，且所述二氧化硅薄膜（21)的厚度为100-500nm。
4. 如权利要求1或2所述的MEMS气体传感器，其特征在于，所述上绝缘层（5)边缘具 有若干缺口形成加热层引线窗（6)。
5. -种MEMS气体传感器的加工方法，其特征在于，包括以下步骤： 51、 在单晶硅衬底的上表面制备多孔硅层； 52、 在制备好的多孔硅层的上表面及孔壁表面制备二氧化硅薄膜； 53、 在具有所述多孔硅层的单晶硅衬底的上表面制备下绝缘层； 54、 在制备好的下绝缘层的上表面制备加热层，所述加热层位于所述多孔硅层的正上 方区域内； 55、 在制备好的加热层的上表面，按照步骤S3的方法制备上绝缘层； 56、 在制备好的上绝缘层的上表面制备气体敏感层，所述气体敏感层位于所述加热层 的正上方区域内。
6. 如权利要求5所述MEMS气体传感器的加工方法，其特征在于，所述方法在步骤S5后 还包括以下步骤： 在制备好的上绝缘层的上表面制备温度敏感层和气体敏感层电极，制备得到的所述气 体敏感层电极和所述温度敏感层位于所述加热层正上方区域内的不同位置，且所述气体敏 感层覆盖所述气体敏感层电极及两电极之间的所述上绝缘层的上表面，从而连通所述气体 敏感层电极。
7. 如权利要求5或6所述的MEMS气体传感器的加工方法，其特征在于，所述步骤S1中 的制备所述多孔硅层的方法为电化学方法。
8. 如权利要求5或6所述的MEMS气体传感器的加工方法，其特征在于，所述步骤S1中 制备得到的所述多孔硅层的厚度为20-100 μ m，孔隙率为50% -90%。
9. 如权利要求5或6所述的MEMS气体传感器的加工方法，其特征在于，所述步骤S2中 的制备二氧化硅薄膜的方法为热氧化方法，且所述二氧化硅薄膜的厚度为100_500nm。
10. 如权利要求5或6所述的MEMS气体传感器的加工方法，其特征在于，在步骤S5中 制备所述上绝缘层时边缘保留若干缺口形成加热层引线窗。
【文档编号】G01N27/14GK104142359SQ201410345483
【公开日】2014年11月12日 申请日期:2014年7月18日 优先权日:2014年7月18日
【发明者】沈方平, 张珽, 祁明锋, 刘瑞, 丁海燕, 谷文 申请人:苏州能斯达电子科技有限公司
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
