全硅MEMS甲烷传感器及瓦斯检测应用和制备方法技术

一种全硅MEMS甲烷传感器及瓦斯检测应用和制备方法，适用于工矿环境下使用，属于甲烷传感器及其制备方法与检测方法，特别属于采用微电子机械系统加工技术的甲烷传感器及其甲烷检测方法。该全硅MEMS传感器采用单晶硅作为加热元件的加热材料，加热元件同时作为甲烷敏感元件，且不需催化剂载体及催化剂材料即可实现低浓度甲烷的检测。该全硅MEMS甲烷传感器以SOI硅片为基片采用MEMS工艺加工，加工工艺与CMOS工艺兼容。该全硅MEMS传感器具有功耗低、灵敏度高、不受缺氧的影响、不受积碳、中毒等因催化剂所带来影响的特点。

【技术实现步骤摘要】
全硅MEMS甲烷传感器及瓦斯检测应用和制备方法
本专利技术涉及甲烷传感器及瓦斯检测应用和制备方法，尤其适用于一种工矿生产中对瓦斯预防中使用的全硅MEMS甲烷传感器及瓦斯检测应用和制备方法。
技术介绍
目前基于传统铂丝加热的催化燃烧式甲烷传感器仍在煤矿井下广泛应用。其原理是基于甲烷气体的催化燃烧反应释热效应，由于使用催化剂存在其诸多缺点。如调校周期短、积碳、中毒、激活等从根本上是源于使用催化剂及催化剂载体。现有催化燃烧式甲烷传感器采用铂丝等贵金属绕制的线圈作为加热元件，难以批量化生产、且一致性较差，且功耗较大。因此，不能很好的满足物联网对甲烷传感器的应用需求。现有热导式瓦斯传感器在煤矿井下用于检测高浓度的以甲烷为主的瓦斯气体，对于低浓度低于4%的以甲烷为主的瓦斯气体由于灵敏度低则无法用于检测报警。
技术实现思路
技术问题：本专利技术的目的是提供一种结构简单，不使用催化剂，可以检测出浓度低于4%以甲烷为主的瓦斯气体，且采用CMOS兼容的MEMS工艺，生产便利的全硅MEMS甲烷传感器及瓦斯检测应用和制备方法。技术方案：本专利技术的全硅MEMS甲烷传感器包括硅元件、固定端与硅框架支座；所述硅框架支座为SOI基片，包括硅衬底、设在硅衬底上的埋层氧化硅及埋层氧化硅之上的顶层硅，顶层硅为单晶硅；所述固定端在硅框架支座上的埋层氧化硅上；所述固定端包括硅层、硅层外的氧化硅层及用作电引出焊盘的金属；固定端的硅层设在埋层氧化硅之上；所述固定端的支撑硅层内设有掺杂硅层；所述电引出焊盘的金属设在硅层之上的氧化硅层上；电引出焊盘的金属与固定端的掺杂硅层直接接触并构成欧姆接触，二者接触部分没有氧化硅层；所述硅元件包括硅层、硅层外的氧化硅层及钝化保护层，所述硅元件设有硅加热器、两个对称设置的用于支撑硅加热器并为硅加热器提供电连接的硅悬臂，所述硅悬臂的长度至少300μm；所述硅悬臂的一端与硅加热器相连，另一端与硅框架支座上的固定端相连，两个硅悬臂将硅加热器悬于空气中；两个硅悬臂平行并排、与硅加热器整体构成U形悬臂结构；硅加热器可以是多个硅加热条的并联，以具有较大的表面积；所述钝化保护层为氧化硅，或氧化铪，或氧化硅/氧化铝复合层，或氧化铪/氧化铝复合层，或氧化铪/氮化硅复合层，或氧化铝/氮化硅复合层，或氧化硅/氮化硅复合层，或氧化硅、氧化铪、氧化铝、氮化硅几种材料组合形成的复合层；其中氧化硅的厚度至少10nm，氧化铪的厚度至少为5μm，氧化铝厚度至少6nm，氮化硅厚度至少10nm，整个钝化保护层的厚度不超过1mm；所述硅元件的硅层与固定端的硅层同是SOI基片的顶层硅的一部分，即同是硅框架支座的顶层硅的一部分，是由顶层硅加工成形的，厚度相同；但不与硅框架支座的其它顶层硅相连通；两个固定端的硅层之间只与硅元件的硅层相连通。一种全硅MEMS甲烷传感器甲烷检测应用方法：通过在所述全硅MEMS甲烷传感器的硅元件的两个固定端上施加电压或通以电流使硅元件工作于电流-电阻特性曲线中转折点左侧的工作点区域，使硅元件的硅加热器发热，加热温度在500摄氏度以上，单个硅元件工作时的功耗约80～90mW；所述转折点为电阻随电流或电压增大而出现的电阻最大点，当电流或电压继续增大时，电阻不再继续增大反而减小；当有甲烷气体出现时，全硅MEMS甲烷传感器的硅加热器的温度降低，使硅元件的电阻发生变化；使用两个所述的全硅MEMS甲烷传感器的硅元件构成惠斯通电桥检测桥臂检测甲烷浓度，其中一个全硅MEMS甲烷传感器的硅元件与环境空气接触，另一个全硅MEMS甲烷传感器的硅元件为气密性封装、封装内的气体与环境空气隔绝密封，当出现甲烷气体时惠斯通检测电桥的输出电压由于与环境空气接触的硅元件电阻降低而发生变化，惠斯通检测电桥的输出电压随甲烷浓度增大而降低，实现对甲烷气体的检测，对低浓度甲烷气体（0~4%）的检测灵敏度可达10mV/CH4%，响应时间可达40ms左右。如权利要求1所述的全硅MEMS甲烷传感器的制备方法,包括三种制备方法，具体为：制备方法（一）的步骤为：第一步，在SOI基片正面上的顶层硅上制备氧化硅层；第二步，图形化顶层硅之上的氧化硅层，形成掺杂或离子注入所需的窗口；第三步，掺杂或离子注入形成掺杂硅层；第四步，通过淀积、溅射或蒸发在SOI基片正面上形成电引出焊盘的金属；第五步，图形化第四步形成的电引出焊盘的金属，形成电引出焊盘的金属Pad，退火后形成欧姆接触；第六步，光刻形成正面刻蚀窗口图形，刻蚀去除掉正面刻蚀窗口图形内的氧化硅层，随后采用RIE（ReactiveIonEtching，反应离子刻蚀）方法干法刻蚀继续去除掉顶层硅，刻蚀停止于埋层氧化硅，刻蚀后在埋层氧化硅上形成硅元件、固定端的结构图形、并刻蚀去除掉与背面刻蚀窗口对应的窗口内的其余氧化硅层及顶层硅，所形成的硅元件及与其连接的两个固定端与埋层氧化硅上的其余顶层硅不相连，同一个硅元件的两个固定端不与硅框架支座上的其余顶层硅相连，也不通过硅框架支座上的其余顶层硅相连；第七步，在SOI基片的正面上制备刻蚀保护层，采用光刻胶或PSG（磷硅玻璃）作为刻蚀保护层，所述刻蚀保护层覆盖整个SOI硅片的正面；第八步，在SOI基片背面光刻形成背面刻蚀窗口图形后，采用湿法刻蚀或ICP(InductivelyCoupledPlasma，感应耦合等离子体刻蚀)或DRIE（DeepReactiveIonEtching，深反应离子刻蚀）等干法刻蚀方法刻蚀去除掉背面刻蚀窗口所露出的SOI基片的硅衬底，刻蚀停止于埋层氧化硅；所述背面刻蚀窗口与正面刻蚀窗口在SOI硅基片背面投影的图形中心相重合，背面刻蚀窗口大于正面刻蚀窗口；第九步，采用氢氟酸溶液或氢氟酸气雾湿法刻蚀从SOI基片背面露出的埋层氧化硅，释放出硅元件；第十步，去除第七步所制备的刻蚀保护层，干燥；第十一步，对暴露出的硅进行氧化，形成薄层氧化硅层；第十二步，采用保护层覆盖SOI基片的正面，所述保护层覆盖除硅元件以外的SOI基片正面其余部分；可以光刻胶作为保护层；可采用微喷印设备在精确定位后制备用作保护层的光刻胶；也可使用覆盖在SOI基片正面的掩蔽版采用喷涂的方法制备所述用作保护层的光刻胶，所述掩蔽版仅露出硅元件，而其余的SOI基片正面部分被掩蔽版遮挡住；第十三步，采用ALD方法制备氧化铪薄膜，或制备氧化铝薄膜，或制备氧化铪/氧化铝复合薄膜，或制备氧化硅/氧化铪/氧化铝复合薄膜，通过第十一步与本步骤或通过第十一步与本步骤中的其中一个步骤形成钝化保护层；制备的钝化保护层覆盖硅元件外表面；第十四步，去除第十二步使用的保护层，干燥；第十五步，沿划线槽对SOI基片进行划片，裂片后得到甲烷传感器；或制备方法（二）的步骤为：第一步，在SOI基片正面上的顶层硅上制备氧化硅层；第二步，图形化顶层硅之上的氧化硅层，形成掺杂或离子注入所需的窗口；第三步，掺杂或离子注入形成掺杂硅层；第四步，光刻形成正面刻蚀窗口图形，刻蚀去除掉正面刻蚀窗口图形内的氧化硅层，随后采用RIE刻蚀继续去除掉顶层硅，刻蚀停止于埋层氧化硅，刻蚀后在埋层氧化硅上形成硅元件、固定端的结构图形、并刻蚀去除掉与背面刻蚀窗口对应的窗口内的其余氧化硅层及顶层硅，所形成的硅元件及与其连接的两个固定端与埋层氧化硅上的其余顶层硅不相连，同一个硅元件的两个固定端不与本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种全硅MEMS甲烷传感器，其特征在于：其包括硅元件（101）、固定端（102）与硅框架支座（103）；所述硅框架支座（103）为SOI基片，包括硅衬底（31）、设在硅衬底（31）上的埋层氧化硅（32）及埋层氧化硅（32）之上的顶层硅（33），顶层硅（33）为单晶硅；所述固定端（102）设在硅框架支座（103）上的埋层氧化硅（32）上；所述固定端（102）包括硅层（21）、硅层（21）外的氧化硅层（23）及用作电引出焊盘的金属Pad（22）；固定端（102）的硅层（21）设在埋层氧化硅（12）之上；所述固定端（102）的硅层（21）内设有掺杂硅层（24）；所述电引出焊盘的金属Pad（22）设在硅层（21）之上的氧化硅层（23）上；金属层（22）与固定端（102）的掺杂硅层（24）直接接触并构成欧姆接触，二者接触部分没有氧化硅层（23）； 所述硅元件（101）包括硅层（21）、硅层（21）外的氧化硅层（23）及钝化保护层（25），所述硅元件（101）设有硅加热器（1011）、两个对称设置的用于支撑硅加热器（1011）并为硅加热器（1011）提供电连接的硅悬臂（1012），所述硅悬臂（1012）的长度至少300um；所述单个的硅悬臂（1012）的一端与硅加热器（1011）相连，另一端与硅框架支座（103）上的固定端（102）相连，两个硅悬臂（1012）将硅加热器（1011）悬于空气中；两个硅悬臂（1012）较佳为平行并排、与硅加热器（1011）整体构成U形悬臂结构；所述钝化保护层（25）为氧化硅，或氧化铪，或氧化硅/氧化铝复合层，或氧化铪/氧化铝复合层，或氧化铪/氮化硅复合层，或氧化铝/氮化硅复合层，或氧化硅/氮化硅复合层，或氧化硅、氧化铪、氧化铝、氮化硅几种材料组合形成的复合层；其中氧化硅的厚度至少10nm，氧化铪的厚度至少为5um，氧化铝厚度至少6nm，氮化硅厚度至少10nm，整个钝化保护层的厚度不超过1um；所述硅元件（101）的硅层（21）与固定端（102）的硅层（21）同是SOI基片的顶层硅（33）的一部分，即同是硅框架支座（103）的顶层硅（33）的一部分，是由顶层硅（33）加工成形的，厚度相同；但不与硅框架支座（103）的其它顶层硅（33）相连通；两个固定端（102）的硅层（21）之间只与硅元件的硅层（21）相连通。...

【技术特征摘要】
1.一种全硅MEMS甲烷传感器，其特征在于：其包括硅元件（101）、固定端（102）与硅框架支座（103）；所述硅框架支座（103）为SOI基片，包括硅衬底（31）、设在硅衬底（31）上的埋层氧化硅（32）及埋层氧化硅（32）之上的顶层硅（33），顶层硅（33）为单晶硅；所述固定端（102）设在硅框架支座（103）上的埋层氧化硅（32）上；所述固定端（102）包括硅层（21）、硅层（21）外的氧化硅层（23）及用作电引出焊盘的金属Pad（22）；固定端（102）的硅层（21）设在埋层氧化硅（32）之上；所述固定端（102）的硅层（21）内设有掺杂硅层（24）；所述电引出焊盘的金属Pad（22）设在硅层（21）之上的氧化硅层（23）上；电引出焊盘的金属（22）与固定端（102）的掺杂硅层（24）直接接触并构成欧姆接触，二者接触部分没有氧化硅层（23）；所述硅元件（101）包括硅层（21）、硅层（21）外的氧化硅层（23）及钝化保护层（25），所述硅元件（101）设有硅加热器（1011）、两个对称设置的用于支撑硅加热器（1011）并为硅加热器（1011）提供电连接的硅悬臂（1012），所述硅悬臂（1012）的长度至少300μm；所述硅悬臂（1012）的一端与硅加热器（1011）相连，另一端与硅框架支座（103）上的固定端（102）相连，两个硅悬臂（1012）将硅加热器（1011）悬于空气中；两个硅悬臂（1012）平行并排、与硅加热器（1011）整体构成U形悬臂结构；所述钝化保护层（25）为氧化硅，或氧化铪，或氧化硅/氧化铝复合层，或氧化铪/氧化铝复合层，或氧化铪/氮化硅复合层，或氧化铝/氮化硅复合层，或氧化硅/氮化硅复合层，或氧化硅、氧化铪、氧化铝、氮化硅几种材料组合形成的复合层；其中氧化硅的厚度至少10nm，氧化铪的厚度至少为5nm，氧化铝厚度至少6nm，氮化硅厚度至少10nm，整个钝化保护层的厚度不超过1μm；所述硅元件（101）的硅层（21）与固定端（102）的硅层（21）同是SOI基片的顶层硅（33）的一部分，即同是硅框架支座（103）的顶层硅（33）的一部分，是由顶层硅（33）加工成形的，厚度相同；但不与硅框架支座（103）的其它顶层硅（33）相连通；两个固定端（102）的硅层（21）之间只与硅元件的硅层（21）相连通。2.一种利用权利要求1所述全硅MEMS甲烷传感器的应用方法，其特征在于：通过在所述全硅MEMS甲烷传感器的两个固定端（102）上施加电压或电流使硅元件（101）工作于电流-电阻特性曲线中转折点左侧的工作点区域，使硅元件（101）的硅加热器（1011）发热，加热温度在500摄氏度以上；所述转折点为电阻随电流或电压增大而出现的电阻最大点，当电流或电压继续增大时，电阻不再继续增大反而减小；当有甲烷气体出现时，全硅MEMS甲烷传感器的硅加热器（1011）的温度降低，使硅元件的电阻发生变化；使用两个所述的全硅MEMS甲烷传感器的硅元件（101）构成惠斯通电桥检测桥臂检测甲烷浓度，其中一个全硅MEMS甲烷传感器的硅元件（101）与环境空气接触，另一个全硅MEMS甲烷传感器的硅元件（101）为气密性封装、封装内的气体与环境空气隔绝密封，当出现甲烷气体时惠斯通检测电桥的输出电压由于与环境空气接触的硅元件（101）电阻降低而发生变化，惠斯通检测电桥的输出电压随甲烷浓度增大而降低，实现对甲烷气体的检测。3.如权利要求1所述的全硅MEMS甲烷传感器的制备方法，其特征在于包括三种制备方法；制备方法（一）的步骤为：第一步，在SOI基片正面上的顶层硅（33）上制备氧化硅层（23）；第二步，图形化顶层硅（33）之上的氧化硅层（23），形成掺杂或离子注入所需的窗口；第三步，掺杂或离子注入形成掺杂硅层（24）；第四步，通过淀积、溅射或蒸发在SOI基片正面上形成电引出焊盘的金属；第五步，图形化第四步的电引出焊盘的金属形成电引出焊盘的金属Pad（22），退火后形成欧姆接触；第六步，光刻形成正面刻蚀窗口（104）图形，刻蚀去除掉正面刻蚀窗口（104）图形内的氧化硅层（23），随后采用RIE（ReactiveIonEtching，反应离子刻蚀）方法干法刻蚀继续去除掉顶层硅（33），刻蚀停止于埋层氧化硅（32），刻蚀后在埋层氧化硅（32）上形成硅元件（101）、固定端（102）的结构图形、并刻蚀去除掉与背面刻蚀窗口对应的窗口内的其余氧化硅层（23）及顶层硅（33），所形成的硅元件（101）及与其连接的两个固定端（102）与埋层氧化硅（32）上的其余顶层硅不相连，同一个硅元件（101）的两个固定端（102）不与硅框架支座（103）上的其余顶层硅相连，也不通过硅框架支座（103）上的其余顶层硅相连；第七步，在SOI基片的正面上制备刻蚀保护层，所述刻蚀保护层覆盖整个SOI硅片的正面；第八步，在...

【专利技术属性】
技术研发人员：马洪宇，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32