全硅MEMS甲烷传感器制造技术

一种全硅MEMS甲烷传感器，适用于工矿环境下使用。特别属于采用微电子机械系统加工技术的甲烷传感器。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；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】
【专利摘要】一种全硅MEMS甲烷传感器，适用于工矿环境下使用。特别属于采用微电子机械系统加工技术的甲烷传感器。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；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。【专利说明】全硅MEMS甲烷传感器
本技术涉及甲烷传感器，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。
技术介绍
目前基于传统钼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钼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，生产便利的全硅MEMS甲烷传感器。 技术方案:本技术的全硅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Pad的金属层；固定端的硅层设在埋层氧化硅之上；所述固定端的支撑娃层内设有掺杂娃层；所述电引出焊盘Pad的金属层设在娃层之上的氧化娃层上；金属层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300um ;所述单个的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；两个硅悬臂较佳为平行并排、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5um,氧化招厚度至少6nm,氮化娃厚度至少1nm,整个钝化保护层的厚度不超过Ium ； 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。 有益效果:本技术的全硅MEMS甲烷传感器的硅元件及硅加热器以硅为加热材料，不是使用金属作为加热材料，其硅加热器通过硅悬臂的支撑远离硅衬底悬在空气中可通电加热到500°C以上的高温，不使用催化剂、采用的MEMS加工工艺与CMOS兼容。由于采用了上述方案，具有以下有效效果: 从SOI硅片中释放出来的硅加热器悬在空气中，很好的降低了通过SOI硅片的热量损失，以较低的功率可将硅加热器加热到500°C以上的高温；本技术的甲烷传感器不含有催化剂与催化载体，因此，传感器的性能不受催化剂的影响，不存在催化剂活性降低导致的灵敏度降低、中毒、激活等问题；尤为重要的是对于低浓度甲烷气体；本技术的甲烷传感器具有较高的灵敏度，可达10mV/CH4%，这样的灵敏度已经可以直接推动仪表，达到了国家标准的要求。 1、本技术的全硅MEMS甲烷传感器以硅元件为加热元件和甲烷检测元件，不使用催化剂可实现低浓度甲烷气体(O?5% )的检测；本技术的硅加热器的结构为多个硅加热条的并联形式，具有较大的与空气接触的高温表面积，能以高的灵敏度检测低浓度甲烷；本技术的全硅MEMS甲烷传感器的灵敏度可达10mV/CH4%，可以直接推动仪表，满足国家标准要求。 3、本技术的甲烷传感器不含有催化剂与催化载体，因此，传感器的性能不受催化剂的影响，不存在催化剂活性降低导致的灵敏度降低、中毒、激活等问题； 4、本技术的全硅MEMS甲烷传感器的硅加热器通过硅悬臂的支撑悬在空气中且远离硅衬底，距离大于300um以上，以较低的功率即可将硅加热器加热到500°C以上的高温，因此具有功耗低的优势，单个硅元件工作时的功耗约80?90mW。 5、本技术的全硅MEMS甲烷传感器的硅元件的采用性能稳定的单晶硅经MEMS工艺加工得到，这使本技术的甲烷传感器在高温工作状态下具有良好的稳定性与长的寿命。这是因为单晶硅不存在钼、钨等金属加热材料在500摄氏度以上的高温容易挥发、升华、迁移等缺点、也不存在多晶硅电阻在高温下晶界电阻易于变化、无法掌控的缺点。同时，在本技术的硅元件的外表面设置的钝化层也降低了外界环境对上述元器件的影响，从而进一步提高了本技术的甲烷传感器性能的稳定性。 6、本技术的全硅MEMS甲烷传感器尺寸小、功耗低，响应速度快,可达40ms左右、输出信号线性度好。 优点:本技术提供的全硅MEMS甲烷传感器对低浓度甲烷具有高灵敏度的响应信号，其制备方法可与CMOS工艺兼容，成本低、容易批量生产与校准，具有良好的一致性、互换性，本技术的甲烷传感器尺寸小、响应速度快、传感器功耗低、灵敏度高、输出信号线性度好、寿命长；传感器性能不受催化剂影响，对传感器的性能进行综合优化及补偿时不必考虑催化剂的复杂影响、简单易行。 【专利附图】【附图说明】 图1为本技术的全硅MEMS瓦斯传感器在SOI基片上的俯视示意图。 图2为划片后的本技术的全硅MEMS瓦斯传感器的俯视示意图。 图3为本技术图1、图2中的A-A截面剖视图。 图4为本技术的硅加热器的一种结构示意图。 图5为本技术的全硅MEMS甲烷传感器的硅元件的电流-电阻特性曲线。 图6为本技术的全硅MEMS甲烷传感器的甲烷响应特性曲线。 图中:101-硅元件，102-固定端，103-硅框架支座，104-正面刻蚀窗口，105-背面刻蚀窗口，106-沿划线槽，1011-硅加热器，1012-硅悬臂，1013-硅加热条，21-硅层，22-电引出焊盘的金属，23-氧化娃层,24-掺杂娃层,25-钝化保护层,31-娃衬底,32-埋层氧化娃,33-顶层娃。 【具体实施方式】 下面结合附图对本技术的实施例作进一步的描述: 实施例本文档来自技高网...

【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】

【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：新型
国别省市：江苏;32