集成有加热器的声表面波气体传感器阵列及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种集成有加热器的声表面波气体传感器阵列及其制备方法，由设置在硅基板上的多个相同的传感器单元构成阵列结构，所述传感器单元包括硅基板，硅基板正面沉积有压电薄膜，压电薄膜上设置有叉指电极形成两组声通道，其中一组声通道上涂敷有敏感薄膜，硅基板的背面对应叉指电极的位置具有梯形槽，梯形槽四周具有隔热气隙，梯形槽底具有薄膜加热器。本发明专利技术的传感器阵列大大加快了温度控制速度，提高了热效率，减小了功耗，每个传感器单元工作于各自的最佳的温度点，且互不影响；该气体传感器阵列采用硅基板作为衬底便于集成化，且制备方法简单，采用传统的微加工技术便可实现。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及气体传感器
，具体涉及一种。
技术介绍
声表面波(SAW)传感器就是利用声表面波器件作为传感元件，在传播途径上涂覆敏感材料，敏感材料吸附待测气体后，导致质量、电导、粘弹性等的改变，进而改变声波的传播速度，引起传感器频率改变，通过测量传感器频率变化来测量气体浓度，以实现对待测对象的检测的一种传感器。与其他类型的传感器相比，声表面波气体传感器具有灵敏度高、响 应快、体积小、重量轻、功耗低、抗干扰、数字输出、耐噪声等优点，特别适合于有毒、有害等低浓度气体的检测。声表面波器件本身对气体不敏感，需要涂覆敏感材料。敏感材料有多种，需根据检测对象的不同而加以优选。常规的金属氧化物半导体气敏材料需要加热到一定的温度以提高灵敏度；而即使采用聚合物作为敏感材料，也因聚合物的玻璃化温度不同，使得不同的敏感材料的最佳工作温度不同。例如，以探测化学战剂的声表面波传感器为例，当采用SXFA敏感膜检测有机磷DMMP时，从5°C升温到45°C，传感器的响应下降了 55%，但响应时间从大于300s缩短到约IOs (参见文献潘勇，何世堂，刘岩，王文，王艳武，刘明华，SAff-SXFA传感器检测有机膦化合物的研究，化学传感器，2010，30 (2) 42-46)。此外，常温工作的声表面波气体传感器还存在着解吸慢的缺点，文献①Seto Y，Kanamori-Kataoka M, Tsuge K，et al. Sensing technology for chemical-warfare agents and its evaluation usingauthentic agents, Sensors & Actuators B, 108 (2005) :193 - 197 ;②张天，陈传治，左伯莉，马晋毅，李伟，氢键酸性接枝聚硅氧烷的合成及应用，化学试剂，2009,31 (I) 43-45等报道的化学战剂传感器的解吸时间长达4-8分钟，难以满足实际需求。为了调节声表面波气体传感器的工作温度，中国专利CN201010161745. 8公开了一种快速响应的声表面波气体传感器及其制备方法，其特征是在基板的同一面制作有多个传感单元，每个传感单元包括两对叉指电极和一个Pt膜加热器，用外电路控制使得一半的传感单元工作于最佳吸附温度，而另一半的传感单元工作于最佳解吸温度，一段时间后两部分交换工作状态，从而缩短整个传感器的分析时间。但是，该传感器的Pt膜加热器穿插于叉指电极中，会严重影响声表面波的传播，劣化声表器件的性能。W02006020881公开了一种声表面波湿度/结露传感器，其特征是将加热器制作在压电基板的背面，而在基板正面正对的位置制作叉指电极，克服了 CN201010161745. 8的上述缺点。但是，加热器需对整个压电基板加热，甚至会加热部分电路板(通常压电基板是粘贴在电路板上的)，存在着热效率低、功耗大、加热速度较慢的缺点。另一方面，声表面波传感器是制作在石英、LiNbO3^ LiTaO3等压电单晶片上，难以与传感器的电路集成，与CMOS工艺的兼容性差。US2008230859、US2009114798 以及文献③ Anis Nurashikin Nordin, IoanaVoiculescu, Mona Zaghloul, Micro-hotplate based temperature stabilizationsystem for CMOS SAW resonators, Microsyst Technol, 2009, 15:1187-1193;④ OnurTigli, Mona E. Zaghloul, Design and Fabrication of a novel SAW Bio/ChemicalSensor in CMOS, Proceedings of IEEE Sensors, 2005, 2005:137-140;⑤Onur Tigli,Mona E. Zaghloul, Surface Acoustic Wave (SAW) Biosensors, Midwest Symposiumon Circuits and Systems, 2010:77-80; ⑥ Onur Tigli, Louis Bivona, Cynthia.Chaterjee, Mona E. ZaghloulI, Patricia Berg, Surface Acoustic Wave BasedBiosensor in CMOS for Cancer Biomarker Detection, Proceedings of IEEE Sensors,2008: 1452-1455公开了一种硅基的SAW化学/生物传感器，系在硅片上溅射ZnO压电薄膜构成SAW传感器，并将传感器的控制电路集成在同一个硅片上 。该传感器还包括一个埋层加热器，采用CMOS N阱工艺制作，以进行温度控制和补偿。该传感器虽然解决了 SAW传感器难以与CMOS电路集成的问题，但同样存在热效率低、功耗大、加热速度较慢的缺点。并且，由于硅片上无隔热措施，即使采样多个加热器，整个硅片也会很快达到热平衡，无法在不同的位置维持不同的温度，这样无法使得传感器阵列中的每个敏感膜都处于最佳的工作温度。简言之，现有的声表面波气体传感器存在着温控元件功耗大，且无法实现不同的传感器单元都工作于最佳吸附温度的缺点。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是如何提供一种，解决现有的声表面波气体传感器存在着温控元件功耗大，且无法实现不同的传感器单元都工作于最佳吸附温度的缺点的问题。本专利技术所提出的技术问题是这样解决的一种集成有加热器的声表面波气体传感器阵列，由设置在硅基板上的多个相同的传感器单元构成阵列结构，所述传感器单元包括硅基板，硅基板正面沉积有压电薄膜，压电薄膜上设置有叉指电极形成两组声通道，一组声通道上涂敷有敏感薄膜，硅基板的背面对应叉指电极的位置具有梯形槽，梯形槽底四周具有隔热气隙，梯形槽底具有薄膜加热器。进一步地，所述梯形槽处的娃基板厚度为30 100 u nio进一步地，所述压电薄膜为ZnO或AlN薄膜。进一步地，所述叉指电极为延迟线结构或者谐振器结构。进一步地，所述薄膜加热器材料为Pt或Au或Al或掺杂多晶硅。进一步地，所述每个传感器单元上的两组声通道之间的压电薄膜上涂敷有吸声胶。本专利技术还提供了一种集成有加热器的声表面波气体传感器阵列的制备方法，包括以下步骤 a、在硅基板双面沉积掩蔽层； b、在硅基板背面蚀刻梯形槽； C、在硅基板正面蚀刻隔热气隙； d、在梯形槽底制备薄膜加热器；e、在硅基板的正面沉积压电薄膜； f、在硅基板正面对应梯形槽位置的压电薄膜上制备叉指电极形成两组声通道； g、在其中一组声通道上涂敷敏感薄膜。进一步地,步骤a中所述掩蔽层为氮化娃或氧化娃薄膜。进一步地，步骤b中采用各向异性湿法腐蚀法在硅基板背面刻蚀梯形槽。进一步地，步骤c中采用采用干法刻蚀在硅基板正面刻蚀隔热气隙。 进一步地，步骤d中采用光刻腐蚀或剥离工艺在梯形槽底制备薄膜加热器。进一步地，步骤e中采用用溅射法在硅基板的正面沉积压电薄膜。进一步地，步骤f中采用光刻腐蚀或剥本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：杜晓松，熊丽霞，刘子骥，蒋亚东，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：