一种MEMS气体传感器及其制作方法技术

本发明专利技术涉及气体检测技术领域，具体涉及一种MEMS气体传感器，包括单晶硅衬底；多孔硅层，形成于单晶硅衬底的上表面且向下具有厚度；绝热槽，倒扣形成于单晶硅衬底的下表面，绝热槽底面位于多孔硅层的正下方，绝热槽包括一个或多个沟槽组；下绝缘层，覆盖多孔硅层及单晶硅衬底的上表面，下绝缘层由下到上依次包括第一二氧化硅层、第二二氧化硅层和氮化硅层；以及设置于下绝缘层上方的加热层、上绝缘层和气体敏感层，还相应公开了所述MEMS气体传感器的制作方法。本发明专利技术中多孔硅和隔热槽的结构增强了隔热效果，下绝缘层有效防止在高温下隔热层发生翘曲脱离加热层，同时多孔硅层的支撑防止下绝缘层受力不均引起变形破裂，提高器件的使用寿命。

【技术实现步骤摘要】
一种MEMS气体传感器及其制作方法
本专利技术涉及气体检测
，具体涉及一种MEMS气体传感器及其制作方法。
技术介绍
人类生产、居住、生活的各种环境充斥着各种气体，对于气体的检测，特别是对有毒、有害、易燃易爆气体的探测是保证人们安全生产、健康居住、舒适生活的重要手段。目前对气体的检测有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。于是近些年也发展出了一些小型的气体传感器，气体传感器广泛应用于石油、石化、燃气、冶金、电力、汽车工业、环境卫生、气象检测、医疗健康、智能家居、信息技术等领域。已有的气体传感器中，以半导体气体传感器应用最为广泛。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。MEMS的技术包括微电子技术和微加工技术两大部分，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。采用MEMS技术制作的微结构气体传感器，将加热元件和敏感元件集成为一体，优化了气体传感器的性能，能极大提高气体传感器的灵敏度、可靠性和一致性。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悬臂梁结构：在单晶硅基底的上表面沉积一层二氧化硅膜层或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，这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)加工出铂加热丝层，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。在铂加热丝表面上又沉积一层二氧化硅层或氮化硅层作为上绝缘层，最后沉积气体敏感层。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二氧化硅层或氮化硅层支撑，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，在高温下隔热层易发生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。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：(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；(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。
技术实现思路
为克服现有技术中气体传感器的不足，本专利技术目的是：提供一种MEMS气体传感器，采用孔壁表面形成有二氧化硅薄膜的多孔硅层以及在其下方加工绝热槽作为绝热层以提高绝热效果并起一个支撑，采用两层二氧化硅和一层氮化硅作为下绝缘层以防止金属层在高温下发生翘曲。为了解决上述技术问题，本专利技术提供了一种MEMS气体传感器，包括：单晶硅衬底；多孔硅层，其形成于所述单晶硅衬底的上表面且向下具有厚度，所述多孔硅层的上表面及孔壁表面形成有二氧化硅薄膜；绝热槽，其形成于所述单晶硅衬底的下表面，所述绝热槽为倒扣槽，所述绝热槽底面位于所述多孔硅层的正下方，所述绝热槽槽壁及底面设有一个或多个沟槽组，其中每个沟槽组包括多个平行排列的沟槽；下绝缘层，包括第一二氧化硅层、第二二氧化硅层和氮化硅层，所述第一二氧化硅层覆盖所述多孔硅层及所述单晶硅衬底的上表面，所述第二二氧化硅层设置在所述第一二氧化硅层和氮化硅层之间；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，所述上绝缘层设置于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。所述多孔硅层上表面形成厚度范围为40-100μm的多孔硅，多孔硅的孔隙率为50％-90％；所述第一二氧化硅层厚度范围为0.2-0.6μm，所述第二二氧化硅层厚度范围为0.2-0.6μm，所述氮化硅层厚度范围为0.1-0.5μm；所述气体敏感层为50-300nm厚的SnO2、WO3、In2O3或ZnO层。所述加热层为厚度范围为200-500nm的Pt加热电阻层，且所述Pt加热电阻层与所述下绝缘层之间设置有一层厚度范围为20-50nm的Ti粘接层，或者，所述加热层为厚度范围为500-1000nm的多晶硅加热电阻层。所述加热层的上表面边缘具有若干缺口，自所述缺口引出加热层电极；所述气体敏感层的下表面边缘具有气体敏感层电极。相应地，本专利技术还提供了一种MEMS气体传感器的制作方法，包括以下步骤：S1、清洗单晶硅衬底；S2、在单晶硅衬底的上表面制备多孔硅层；S3、在多孔硅层的上表面及孔壁表面制备二氧化硅薄膜；S4、在单晶硅衬底的下表面加工倒扣的绝热槽；S5、在经步骤S4处理的单晶硅衬底的上表面依次沉积两层二氧化硅层和氮化硅层作为下绝缘层；S6、在下绝缘层的上表面制备加热层，使所述加热层位于所述多孔硅层的正上方区域内；S7、在加热层的上表面，沉积二氧化硅层或者氮化硅层作为上绝缘层，在上绝缘层上相对于加热层上表面缘边位置设置若干缺口以引出加热层电极；S8、在上绝缘层的上表面制备气体敏感层电极和气体敏感层，所述气体敏感层位于所述加热层的正上方区域内。所述步骤S2具体包括：在单晶硅衬底上表面匀胶光刻定义出多孔硅层的形状及位置，通过电化学腐蚀的方法制作多孔硅作为绝热层；所述步骤S4具体包括：利用深槽加工工艺在单晶硅衬底下表面形成绝热槽，使绝热槽的底部位于多孔硅层的正下方。所述步骤S5中，在单晶硅衬底上表面的第一层二氧化硅层是由高密度电浆化学气相沉积制程或等离子增强化学气象沉积制程生成；第二层二氧化硅层是由亚大气压化学气相沉积制程生成。在所述步骤S6中可以通过以下任意一种方案来制备加热层：M1、在下绝缘层上匀胶光刻定义出加热电阻的形状及位置，磁控溅射沉积一层20-50nm厚的金属Ti和200-500nm厚的金属Pt，采用剥离工艺去除光刻胶，得到金属铂加热电阻；M2、在下绝缘层上沉积一层500-1000nm厚的多晶硅，在下绝缘层上匀胶光刻定义出加热电阻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加热电阻。所述步骤S8具体包括：在绝缘层上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20-50nm厚的金属Ti和一层150-500nm厚的金属Au，再采用剥离工艺去除光刻胶得到气体敏感层电极；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，所述金属氧化物具体为50-300nm厚的SnO2、WO3、In2O3或本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种MEMS气体传感器，其特征在于，包括：单晶硅衬底(1)；多孔硅层(2)，其形成于所述单晶硅衬底(1)的上表面且向下具有厚度，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；绝热槽(3)，其形成于所述单晶硅衬底(1)的下表面，所述绝热槽(3)为倒扣槽，所述绝热槽(3)底面位于所述多孔硅层(2)的正下方，所述绝热槽(3)槽壁及底面设有一个或多个沟槽组，其中每个沟槽组包括多个平行排列的沟槽(31)；下绝缘层(4)，包括第一二氧化硅层(41)、第二二氧化硅层(42)和氮化硅层(43)，所述第一二氧化硅层(41)覆盖所述多孔硅层(2)及所述单晶硅衬底(1)的上表面，所述第二二氧化硅层(42)设置在所述第一二氧化硅层(41)和氮化硅层(43)之间；加热层(5)，设置于所述下绝缘层(4)的上表面，且所述加热层(5)位于所述多孔硅层(2)的正上方区域内；上绝缘层(7)，设置于所述加热层(5)的上表面；气体敏感层(9)，设置于所述上绝缘层(7)的上表面，且所述气体敏感层(9)位于所述加热层(5)的正上方区域内。

【技术特征摘要】
1.一种MEMS气体传感器，其特征在于，包括：单晶硅衬底(1)；多孔硅层(2)，其形成于所述单晶硅衬底(1)的上表面且向下具有厚度，所述多孔硅层(2)均匀分布于所述单晶硅衬底(1)上，且所述多孔硅层(2)与单晶硅衬底(1)形成一体，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；绝热槽(3)，其形成于所述单晶硅衬底(1)的下表面，所述绝热槽(3)为倒扣槽，所述绝热槽(3)底面位于所述多孔硅层(2)的正下方，所述绝热槽(3)槽壁及底面设有一个或多个沟槽组，其中每个沟槽组包括多个平行排列的沟槽(31)；下绝缘层(4)，包括第一二氧化硅层(41)、第二二氧化硅层(42)和氮化硅层(43)，所述第一二氧化硅层(41)覆盖所述多孔硅层(2)及所述单晶硅衬底(1)的上表面，所述第二二氧化硅层(42)设置在所述第一二氧化硅层(41)和氮化硅层(43)之间；加热层(5)，设置于所述下绝缘层(4)的上表面，且所述加热层(5)位于所述多孔硅层(2)的正上方区域内；上绝缘层(7)，设置于所述加热层(5)的上表面；气体敏感层(9)，设置于所述上绝缘层(7)的上表面，且所述气体敏感层(9)位于所述加热层(5)的正上方区域内。2.根据权利要求1所述的MEMS气体传感器，其特征在于，所述多孔硅层(2)上表面形成厚度范围为40-100μm的多孔硅，多孔硅的孔隙率为50％-90％；所述第一二氧化硅层(41)厚度范围为0.2-0.6μm，所述第二二氧化硅层(42)厚度范围为0.2-0.6μm，所述氮化硅层(43)厚度范围为0.1-0.5μm；所述上绝缘层(7)为二氧化硅层或氮化硅层，所述上绝缘层(7)的厚度范围为100-800nm；所述气体敏感层(9)为50-300nm厚的SnO2、WO3、In2O3或ZnO层。3.根据权利要求1所述的MEMS气体传感器，其特征在于，所述加热层(5)为厚度范围为200-500nm的Pt加热电阻层，且所述Pt加热电阻层与所述下绝缘层之间设置有一层厚度范围为20-50nm的Ti粘接层，或者，所述加热层(5)为厚度范围为500-1000nm的多晶硅加热电阻层。4.根据权利要求1或3所述的MEMS气体传感器，其特征在于，所述加热层(5)的上表面边缘具有若干缺口，自所述缺口处引出加热层电极(6)；所述气体敏感层(9)的下表面边缘具有气体敏感层电极(8)。5.一种MEMS气体传感器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、清洗单晶硅衬底；S2、在单晶硅衬底的上表面制备多孔硅层，所述多孔硅层均匀分布于所述单晶硅衬底上，且所述多孔硅层与单晶硅衬底形成一体；S3、在多孔硅层的上表面...

【专利技术属性】
技术研发人员：祁明锋，张珽，沈方平，刘瑞，丁海燕，谷文，
申请(专利权)人：苏州能斯达电子科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32