一种基于[111]单晶硅的气体敏感芯片阵列及其制作方法技术

一种基于[111]单晶硅的气体敏感芯片阵列及其制作方法，涉及气体传感器技术领域。本发明专利技术是为了解决现有的气体传感器微加热板的加工工艺复杂的问题。本发明专利技术加热电极为方波形结构，敏感膜电极为梳状结构，一对敏感膜电极分别位于加热电极的两侧、且加热电极相邻的两个方波之间均有一个敏感膜电极的齿，加热电极和两个敏感膜电极的上表面覆盖有气体敏感膜，[111]单晶硅基底上表面开有隔热腔，支撑层覆盖在[111]单晶硅基底上表面，支撑层上开有多个呈矩形阵列排布的腐蚀孔，每一行相邻的两个腐蚀孔之间均固定有一个气体敏感芯片，气体敏感芯片的引出电极的长度方向均与[111]单晶硅基底的[211]晶向同向。

【技术实现步骤摘要】
一种基于[111]单晶硅的气体敏感芯片阵列及其制作方法
本专利技术属于气体传感器

技术介绍
半导体氧化物气体传感器由于具有制作简单、成本低、灵敏度高等优点得到了广泛的应用，但是其较差的选择性也限制了其进一步发展。为了提高半导体氧化物气体传感器的选择性，众多研究者除了在气体敏感材料方面开展研究，也致力于开发气体传感器阵列，通过基于传感器阵列的模式识别方法来提高选择性。如：公开号为CN104931540A，名称为一种气体传感器阵列及其制备方法》的中国专利技术专利，公开了采用单种半导体金属氧化物纳米材料构建的气体传感器阵列，以提高气体传感器的选择性。但是，上述专利采用的仍然是传统的陶瓷管为主体的旁热式气敏元件，会存在体积较大，功耗较大的问题。随着微电子机械系统(MEMS)工艺技术的迅猛发展，制作体积小、低功耗、易集成、批量化的MEMS微热板气体传感器成为众多研究者关注的焦点。有研究者通过硅单面加工工艺，从正面对(100)硅片进行腐蚀从而得到悬空微加热板结构。但是，由于(100)晶面的特点，需要对硅腐蚀较深的深度才能够将微热板下方的硅完全释放。如：公开号为CN105928567B，名称为《一种集成温湿度传感器的硅基气体敏感芯片及其制作方法》的中国专利技术专利，公开了通过硅双面加工工艺将多个气敏单元、温敏单元和湿敏单元集成在(100)单晶硅片上，并采用两级隔热通孔，具有多功能测量、选择性好、功耗低等优点。但是，其涉及硅双面加工工艺，制作工艺较为复杂。此外，还有一些国内外学者采用表面微机械加工工艺，通过制作牺牲层，对气体传感器微加热板进行释放，该种方法同样存在制作工艺复杂的问题，并且需要特殊的设备(如二氧化碳超临界干燥仪)来保证工艺的可靠性。综上所述，半导体氧化物气体传感器研究中，对气体传感器微加热板进行加工时，工艺均较为复杂。
技术实现思路
本专利技术是为了解决现有的气体传感器微加热板的加工工艺复杂的问题，现提供一种基于[111]单晶硅的气体敏感芯片阵列及其制作方法。一种基于[111]单晶硅的气体敏感芯片阵列，包括：多个气体敏感芯片、[111]单晶硅基底1和支撑层2，所述气体敏感芯片包括：加热电极3、一对敏感膜电极4和气体敏感膜7；加热电极3为方波形结构，敏感膜电极4为梳状结构，一对敏感膜电极4分别位于加热电极3的两侧、且加热电极3相邻的两个方波之间均有一个敏感膜电极4的齿，加热电极3和一对敏感膜电极4的上表面覆盖有气体敏感膜7，每个加热电极3的两端均连接有引出电极5，一对敏感膜电极4的首末端反向设置，一对敏感膜电极4的末端均连接有引出电极5，每个引出电极5的末端均连接有一个电极焊盘6，[111]单晶硅基底1上表面开有隔热腔9，支撑层2覆盖在[111]单晶硅基底1上表面，支撑层2上开有多个呈矩形阵列排布的腐蚀孔8，每个腐蚀孔8均与隔热腔9连通，所述矩形阵列的行沿[111]单晶硅基底1的[110]晶向设置、列沿[111]单晶硅基底1的[211]晶向设置，每一行相邻的两个腐蚀孔之间均固定有一个气体敏感芯片，气体敏感芯片的引出电极5的长度方向均与[111]单晶硅基底1的[211]晶向同向。上述矩形阵列为M×N的矩形阵列，其中M和N的取值范围均为1～20。具体的，支撑层2的材料为氮化硅，支撑层2的厚度为1μm～10μm。具体的，加热电极3和一对敏感膜电极4的材料为Pt、Au、W或Ag。具体的，气体敏感膜7的材料至少包括SnO2、WO3、In2O3或ZnO中的一种。具体的，隔热腔9的深度为10μm～300μm。上述气体敏感芯片阵列的制作方法，包括以下步骤：步骤一：利用PECVD法在[111]单晶硅基底1上表面沉积支撑层2，步骤二：在支撑层2上表面制作400埃的Cr和4000埃的Pt复合薄膜，利用干法刻蚀刻除多余的金属，保留获得加热电极3、一对敏感膜电极4、引出电极5和电极焊盘6，步骤三：首先，利用光刻在支撑层2上刻蚀出腐蚀孔8的轮廓，然后，利用干法刻蚀刻除轮廓内多余的氮化硅，最后，利用电感耦合等离子体刻蚀法在[111]单晶硅基底1上刻蚀出隔热区域，该隔热区域与腐蚀孔8重合，步骤四：利用浓度为15％的四甲基氢氧化铵溶液、在85℃的环境条件下、对[111]单晶硅基底1相邻的隔热区域部分进行腐蚀，使得所有隔热区域连通形成隔热腔9，步骤五：在加热电极3和敏感膜电极4表面涂覆气体敏感膜7，并在马弗炉中加热至400℃并保温2小时后自然降温，获得气体敏感芯片阵列。本专利技术提出了一种基于[111]单晶硅的气体敏感芯片阵列及其制作方法，与传统阵列及制作方法相比具有如下优点：1、采用硅单面工艺制作气体传感器阵列，制作工艺简单；2、对[111]单晶硅表面进行腐蚀制作微加热板，隔热腔的深度可以通过对腐蚀孔的刻蚀深度进行灵活控制；3、悬桥结构的气体敏感芯片阵列能够有效降低传感器功耗，功耗为传统旁热式结构的10％以下。附图说明图1为含有3个气体敏感芯片的阵列示意图；图2为图1的A-A向剖视图；图3为未覆盖气体敏感膜时微热板的结构示意图；图4为未覆盖气体敏感膜时气体敏感芯片的结构示意图；图5为多个气体敏感芯片排布在[111]单晶硅基底上的结构示意图，图中横向箭头表示[110]晶向，纵向箭头表示[211]晶向。具体实施方式具体实施方式一：本实施方式所述的一种基于[111]单晶硅的气体敏感芯片阵列，包括：3个气体敏感芯片、[111]单晶硅基底1和支撑层2，每个气体敏感芯片均包括：加热电极3、一对敏感膜电极4和气体敏感膜7；参照图3所示，加热电极3为方波形结构，敏感膜电极4为梳状结构，一对敏感膜电极4分别位于加热电极3的两侧、且敏感膜电极4的每个齿均位于加热电极3相邻的两个方波之间，加热电极3和一对敏感膜电极4共同构成微热板。微热板的上表面覆盖有气体敏感膜7。如图4所示，加热电极3的两端均连接有引出电极5，一对敏感膜电极4的首末端反向设置，一对敏感膜电极4的末端也均连接有引出电极5，即：共有四个引出电极5，每个引出电极5的末端均连接有一个电极焊盘6。[111]单晶硅基底1上表面开有隔热腔9，支撑层2覆盖在[111]单晶硅基底1上表面，支撑层2上开有多个腐蚀孔8，每个腐蚀孔8均与隔热腔9连通，多个腐蚀孔8呈M×N的矩形阵列形式排布，其中M和N的取值范围均为1～20(如图5所示)，所述矩形阵列的行沿[111]单晶硅基底1的[110]晶向设置、列沿[111]单晶硅基底1的[211]晶向设置。具体的，本实施方式中，如图1和图2所示，腐蚀孔的个数为4个，呈一行八列的形式排布。每一行相邻的两个腐蚀孔之间均固定有一个气体敏感芯片，气体敏感芯片的引出电极5的长度方向均与[111]单晶硅基底1的[211]晶向同向。具体的，上述支撑层2的材料为氮化硅，支撑层2的厚度为1μm～10μm。具体的，上述加热电极3和一对敏感膜电极4的材料为Pt、Au、W或Ag。具体的，上述气体敏感膜7的材料至少包括SnO2、WO3、In2O3或ZnO中的一种。具体的，上述隔热腔9的深度为10μm～300μm。具体实施方式二：具体实施方式一所述的气体敏感芯片阵列的制作方法，首先采用标准清洗液清洗[111]单晶硅基底1，然后开始以下制作步骤：步骤一：利用PECVD(PlasmaEnhancedChem本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于[111]单晶硅的气体敏感芯片阵列，其特征在于，包括：多个气体敏感芯片、[111]单晶硅基底(1)和支撑层(2)，所述气体敏感芯片包括：加热电极(3)、一对敏感膜电极(4)和气体敏感膜(7)；加热电极(3)为方波形结构，敏感膜电极(4)为梳状结构，一对敏感膜电极(4)分别位于加热电极(3)的两侧、且加热电极(3)相邻的两个方波之间均有一个敏感膜电极(4)的齿，加热电极(3)和一对敏感膜电极(4)的上表面覆盖有气体敏感膜(7)，每个加热电极(3)的两端均连接有引出电极(5)，一对敏感膜电极(4)的首末端反向设置，一对敏感膜电极(4)的末端均连接有引出电极(5)，每个引出电极(5)的末端均连接有一个电极焊盘(6)，[111]单晶硅基底(1)上表面开有隔热腔(9)，支撑层(2)覆盖在[111]单晶硅基底(1)上表面，支撑层(2)上开有多个呈矩形阵列排布的腐蚀孔(8)，每个腐蚀孔(8)均与隔热腔(9)连通，所述矩形阵列的行沿[111]单晶硅基底(1)的[110]晶向设置、列沿[111]单晶硅基底(1)的[211]晶向设置，每一行相邻的两个腐蚀孔之间均固定有一个气体敏感芯片，气体敏感芯片的引出电极(5)的长度方向均与[111]单晶硅基底(1)的[211]晶向同向。...

【技术特征摘要】
1.一种基于[111]单晶硅的气体敏感芯片阵列，其特征在于，包括：多个气体敏感芯片、[111]单晶硅基底(1)和支撑层(2)，所述气体敏感芯片包括：加热电极(3)、一对敏感膜电极(4)和气体敏感膜(7)；加热电极(3)为方波形结构，敏感膜电极(4)为梳状结构，一对敏感膜电极(4)分别位于加热电极(3)的两侧、且加热电极(3)相邻的两个方波之间均有一个敏感膜电极(4)的齿，加热电极(3)和一对敏感膜电极(4)的上表面覆盖有气体敏感膜(7)，每个加热电极(3)的两端均连接有引出电极(5)，一对敏感膜电极(4)的首末端反向设置，一对敏感膜电极(4)的末端均连接有引出电极(5)，每个引出电极(5)的末端均连接有一个电极焊盘(6)，[111]单晶硅基底(1)上表面开有隔热腔(9)，支撑层(2)覆盖在[111]单晶硅基底(1)上表面，支撑层(2)上开有多个呈矩形阵列排布的腐蚀孔(8)，每个腐蚀孔(8)均与隔热腔(9)连通，所述矩形阵列的行沿[111]单晶硅基底(1)的[110]晶向设置、列沿[111]单晶硅基底(1)的[211]晶向设置，每一行相邻的两个腐蚀孔之间均固定有一个气体敏感芯片，气体敏感芯片的引出电极(5)的长度方向均与[111]单晶硅基底(1)的[211]晶向同向。2.根据权利要求1所述的一种基于[111]单晶硅的气体敏感芯片阵列，其特征在于，矩形阵列为M×N的矩形阵列，其中M和N的取值范围均为1～20。3.根据权利要求1或2所述的一种基于[111]单晶硅的气体敏感芯片阵列，其特征在于，支撑层(2)的材料为氮化硅，支撑层(2)的厚度为1μm～10μm。4.根据权利要求1或2所述的一种基于[111]单晶硅的气体敏...

【专利技术属性】
技术研发人员：王成杨，金建东，李玉玲，尚瑛琪，吴佐飞，李鑫，王明伟，王洋洋，杨永超，刘玺，秦浩，周明军，夏露，刘继江，金鹏飞，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第四十九研究所，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23