热分析型化学及气体探测传感器制造技术

本发明专利技术公开了半导体制造技术以及纳米材料应用技术领域中的一种热分析型化学及气体探测传感器，用于解决碳纳米管单独作为传感器应用存在的缺陷。包括半导体衬底、悬空结构、加热元件、测温元件、绝缘层和用于生长碳纳米管薄膜的催化剂层；悬空结构的两端固定在半导体衬底上，并且悬空结构的下表面与半导体衬底不接触；悬空结构的上表面布设加热元件和测温元件；加热元件和测温元件上表面布设绝缘层；催化剂层覆盖整个悬空结构和绝缘层。本发明专利技术采用直接生长的方式，将较高热导率和热稳定性的碳纳米管薄膜集成在悬空结构上，可以满足热分析传感器对于高吸附能力材料的要求，提高热分析型传感器的性能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于半导体制造技术以及纳米材料应用
，尤其涉及一种热分析型化学及气体探测传感器。
技术介绍
微悬空结构如微悬臂梁、微桥或者薄膜等的热容非常小，因此常用于微热分析型传感器。这些热传感器在生物检测、红外及X射线成像、微量热仪等方面有着重要的应用。 在这些应用中，物质颗粒或分子吸附在微热传感器上，通过与结构表面相互作用吸收或者放出热量，导致微悬空结构温度发生改变。事实上，对这些微结构进行热扫描，传感器可以工作在不同的温度，吸附在传感器表面的物质发生与该温度有关的能量变化，这些传感器通过检测不同温度对应的能量变化可以实现对多种物质的特异性和选择性检测。虽然微加工结构的表面积体积比已经很大，但是为了提高传感器的性能还需要不断的提高传感器吸附物质微粒和分子的能力。这通常要求在微热传感器上制作一层吸附增强的薄膜，但是热分析型传感器特殊应用的环境对这层增强吸附的薄膜有特殊的要求，如该薄膜应有高的热导率、高的热稳定性、低的热容、与传感器结构间有较高的导热能力。近年，对于纳米材料的广泛研究表明碳纳米管有着极高的热导率和极好的热稳定性，另外它有极高的理论表面积体积比，对于很多气体有着很强的吸附能力，而且在发生吸附后其很多性质会发生较大改变，因此在传感器方面有很好的应用前景。目前，利用碳纳米管进行检测主要是利用它的电学特性变化，即碳纳米管在吸附物质后其能带发生改变，并可通过宏观电学特性反应出来，由碳纳米管实现的传感器主要有MOS管型和电阻型。其中 MOS管型传感器是利用一根或多根碳纳米管作为导电沟道，当发生气体吸附时MOS管的开启电压发生改变；电阻型传感器是利用少量碳纳米管连接两个电极，当发生物质吸附时，电极间的电阻会发生改变。但是，目前碳纳米管的生长技术仍然不够成熟，碳纳米管的选择性生长仍然是不可控的，而且其一致性非常差，因此不论是MOS管型还是电阻型传感器的实际使用都面临着很多问题。此外，碳纳米管对很多气体物质的吸附都是物理吸附，所以由碳纳米管构成的传感器通常并不具有特异性。前述的微热分析型传感器以及碳纳米管传感器在分别应用时存在着问题，而将碳纳米管和微热分析型传感器相结合可以充分利用碳纳米管的对物质颗粒的高吸附能力以及微热传感器的高特异性，只将碳纳米管作为物质吸附的材料，并可避免少量或单根碳纳米管应用时带来的一致性问题，从而可以进一步提高传感器的总体性能。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，将碳纳米管和微热分析型传感器相结合，利用碳纳米管对物质颗粒的高吸附能力以及微热传感器的高特异性，提高热分析型传感器性能。为实现上述目的，本专利技术的技术方案是，一种热分析型化学及气体探测传感器，通过对被测化学物质或气体的局部加热后测量加热引起的燃烧释放的热量，实现对被测化学物质或气体的测量，其特征是所述探测传感器包括半导体衬底、悬空结构、加热元件、测温元件、绝缘层和用于生长碳纳米管薄膜的催化剂层；所述悬空结构的两端固定在半导体衬底上，并且悬空结构的下表面与半导体衬底不接触；所述悬空结构的上表面布设加热元件和测温元件；所述加热元件和测温元件上表面布设绝缘层；所述催化剂层覆盖整个悬空结构和绝缘层。所述悬空结构具有一个或者多个对称轴，并且所述悬空结构关于对称轴正对称或者反对称。所述加热元件相对于悬空结构的一个或者多个对称轴正对称布设或者反对称布设。所述测温元件位于加热元件的中间、两侧或周围。所述测温元件相对于悬空结构的一个或者多个对称轴正对称布设或者反对称布设。所述加热元件位于测温元件的中间、两侧或周围。所述悬空结构采用二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、聚甲基丙烯酸甲酯或聚酰亚胺制成。所述加热元件由电阻、电感或电阻与电感的组合构成。所述测温元件为具有温度测量功能的微型结构，包括热敏电阻、二极管或者热电偶。所述用于生长碳纳米管薄膜的催化剂层直接利用加热元件作为生长碳纳米管薄膜所需的热源。本专利技术提供的探测传感器，采用直接生长的方式，将较高热导率和热稳定性的碳纳米管薄膜集成在悬空结构上，可以满足热分析传感器对于高吸附能力材料的要求，同时避免了碳纳米管单独作为传感器应用的缺点，可以进一步提高热分析型传感器的性能。附图说明图1是热分析型化学及气体探测传感器结构示意图；图2是悬空结构的剖面图，其中(a)是加热元件和测温元件埋设在悬空结构的上表面的结构示意图；(b)是加热元件和测温元件粘合在悬空结构的上表面的结构示意图；图3是悬空结构的俯视图，其中(a)是关于悬空结构的对称轴正对称的结构示意图；(b)是关于悬空结构的对称轴反对称的结构示意图；图4是布设了加热元件和测温元件的悬空结构的俯视图，其中(a)是加热元件相对于悬空结构的一个对称轴正对称布设且测温元件位于加热元件中间的示意图；(b)是加热元件相对于悬空结构的一个对称轴反对称布设且测温元件相对于悬空结构的一个对称轴反对称布设示意图；图5是在悬空结构上表面生长碳纳米管薄膜后的探测传感器结构示意图；图6是本专利技术提供的热分析型化学及气体探测传感器构成的电桥结构检测器件的示意图7是本专利技术提供的基于两个热分析型化学及气体探测传感器构成的差分电桥结构检测器件的示意图；图8是本专利技术提供的基于热分析型化学及气体探测传感器构成的传感器阵列的示意图。具体实施例方式下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本专利技术的范围及其应用。图1是热分析型化学及气体探测传感器结构示意图。图1中，本专利技术提供的热分析型化学及气体探测传感器包括半导体衬底1、悬空结构2、加热元件4、测温元件5、绝缘层和用于生长碳纳米管薄膜的催化剂层3。悬空结构2的两端固定在半导体衬底1上，并且悬空结构2的下表面与半导体衬底1不接触。由于悬空结构2不与半导体衬底1接触，且悬空结构2的尺寸通常在数十至数百微米，具有很小的热容，因而加热元件4可以使得悬空结构2很快的升温。集成在悬空结构2上的测温元件5 (由热敏电阻构成)的阻值发生改变， 通过引脚6向外界输出。半导体衬底1优先选择绝缘体上硅(SOI)，但也可选择普通硅片、玻璃或石英圆片、陶瓷材料圆片。半导体衬底1上还可包含测量和控制电路。悬空结构2的材料可以是二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、聚甲基丙烯酸甲酯或聚酰亚胺，其释放方式包括利用湿法刻蚀、正面干法深刻蚀或背面干法深刻蚀；其优选尺寸为数十至数百微米，厚度为数百纳米至数微米；其与衬底间距优选尺寸为数微米至数百微米。悬空结构还可以将带有薄膜结构的衬底与另一个衬底键合形成。悬空结构还可以与半导体衬底使用同一种材料，加工时将半导体衬底材料下方掏空后留下表层物质即成为悬空结构，因此悬空结构两端相当于固定在衬底上。悬空结构可以采用双端支撑梁结构、单端支撑梁结构、折线形梁支撑的热板或薄膜结构。悬空结构2的上表面布设加热元件4和测温元件5。可以将加热元件4和测温元件5埋设在悬空结构的上表面，也可以将加热元件4和测温元件5通过粘合的方式固定在悬空结构的上表面。图2是悬空结构的剖面图，图2中，(a)是加热元件4和测温元件5埋设在悬空结构的上表面的结构示意图，加热元件4和测温元件5分别埋设在悬空结构2的上表面，加热元件4和测温元件5上表面布设绝缘层7，用于生长碳纳米管薄膜的催化剂层 3覆盖整个悬空结构2的上表面和绝缘层7的上表本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种热分析型化学及气体探测传感器，通过对被测化学物质或气体的局部加热后测量加热引起的燃烧释放的热量，实现对被测化学物质或气体的测量，其特征是所述探测传感器包括半导体衬底、悬空结构、加热元件、测温元件、绝缘层和用于生长碳纳米管薄膜的催化剂层；所述悬空结构的两端固定在半导体衬底上，并且悬空结构的下表面与半导体衬底不接触；所述悬空结构的上表面布设加热元件和测温元件；所述加热元件和测温元件上表面布设绝缘层；所述催化剂层覆盖整个悬空结构和绝缘层。

【技术特征摘要】
1.一种热分析型化学及气体探测传感器，通过对被测化学物质或气体的局部加热后测量加热引起的燃烧释放的热量，实现对被测化学物质或气体的测量，其特征是所述探测传感器包括半导体衬底、悬空结构、加热元件、测温元件、绝缘层和用于生长碳纳米管薄膜的催化剂层；所述悬空结构的两端固定在半导体衬底上，并且悬空结构的下表面与半导体衬底不接触；所述悬空结构的上表面布设加热元件和测温元件；所述加热元件和测温元件上表面布设绝缘层；所述催化剂层覆盖整个悬空结构和绝缘层。2.根据权利要求1所述的一种热分析型化学及气体探测传感器，其特征是所述悬空结构具有一个或者多个对称轴，并且所述悬空结构关于对称轴正对称或者反对称。3.根据权利要求2所述的一种热分析型化学及气体探测传感器，其特征是所述加热元件相对于悬空结构的一个或者多个对称轴正对称布设或者反对称布设。4.根据权利要求3所述的一种热分析型化学及气体探测传感器，其特征是所述测温元件位于加热元件的中间、两侧或周围。5.根据权利要求2所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：王喆垚，阮文州，刘理天，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：11