專利名稱：微懸臂梁諧振式酞菁鋅薄膜氣體傳感器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微電子機(jī)械系統(tǒng)氣體傳感器及其制備方法。
背景技術(shù)：
隨著MEMS(微電子機(jī)械系統(tǒng))技術(shù)的迅速發(fā)展，傳感器的小型化、集成化已經(jīng)成為傳感器發(fā)展的方向。氣體傳感器作為對各種氣體的敏感器件，能檢測各種氣體的成分和濃度，被廣泛應(yīng)用于探測各種有毒有害氣體，各種可燃性氣體，溫室效應(yīng)氣體和污染環(huán)境氣體。目前，MEMS氣體傳感器包括MOSFET型、固體電解質(zhì)型、金屬氧化物型和諧振式等。其中諧振式微梁傳感器由于靈敏度高，穩(wěn)定性好等優(yōu)點，成為氣體傳感器發(fā)展和研究的重要方向之一。
近年來，對于諧振式傳感器的研究越來越多。2004年法國Johann Mertens等人研究了HF(氟化氫)懸臂梁式氣體檢測器，采用壓電激勵/光學(xué)拾振方法檢測HF氣體的濃度；同年美國Northern Arizona大學(xué)的A.Kooser，R.L.Gunter，W.D.Delinger等人，采用EPM(embedded piezoresistivemicrocantilever)技術(shù)研發(fā)了一種新型氣體傳感器。采用壓阻型懸臂梁結(jié)構(gòu)，含Ni的聚合體敏感材料，來檢測CO氣體。在國內(nèi)，西安理工大學(xué)劉月明等人，采用電熱激勵/壓電拾取方法對硅微機(jī)械懸臂梁的諧振性能進(jìn)行了實驗研究，成功實現(xiàn)了對硅微懸臂梁諧振器前三階振型的實驗測試。復(fù)旦大學(xué)周嘉等人研制了壓電諧振式微懸臂梁氣體傳感器，是一種利用PZT壓電薄膜的壓電效應(yīng)，在交流電壓的作用下實現(xiàn)諧振激勵的諧振式微懸臂梁器件。在微懸臂梁表面形成均勻的分子篩膜，由分子篩吸附氟利昂分子而引起的質(zhì)量變化轉(zhuǎn)換成機(jī)械諧振頻率的改變，并繼而以電信號輸出，檢測氟利昂的含量。(參見1、JohannMertens，Eric Finot et al，Detection of gas trace of hydrofluoric acidusing microcantilever，Sensors and Actuators B 99(2004)58-65；2、A.Kooser，R.L.Gunter，W.D.Delinger，et al，Gas sensing usingembedded piezoresistive microcantilever sensors，Sensors and ActuatorsB 99(2004)474-479；3、劉月明、田維堅、劉君華，硅微懸臂梁諧振器的電激電拾方法研究，半導(dǎo)體光電，2003，24(6)289-391；4、周嘉、黎坡、黃宜平等，壓電諧振式微懸臂梁氣體傳感器，壓電與聲光，2003.10，25(5)359～361.)目前，在諧振式氣體傳感器中，多采用諧振元件結(jié)合特定的氣體敏感膜結(jié)構(gòu)。不同之處在于，諧振元件、敏感膜以及激勵/拾振方式的不同。諧振元件一般包括方膜、兩端固支微梁和微橋以及微懸臂梁等?，F(xiàn)今，靜電激勵需要兩個電極，對電極間距控制要求較高，電容檢測難度大。電磁激勵必須利用磁場，難于實現(xiàn)微型化。壓電激勵加工工藝與集成電路工藝不兼容，不利于集成化和智能化等問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有微電子機(jī)械系統(tǒng)氣體傳感器難于實現(xiàn)微型化、集成化和智能化及制作工藝與集成電路工藝不兼容的問題，提供了一種微懸臂梁諧振式酞菁鋅薄膜氣體傳感器及其制備方法，解決上述問題的具體技術(shù)方案如下本發(fā)明的微懸臂梁諧振式酞菁鋅薄膜氣體傳感器，它由微懸臂梁1、壓阻拾振電橋2、熱激勵電阻3組成，在微懸臂梁1的根部和自由端分別滲有壓阻拾振電橋2和熱激勵電阻3，在滲有熱激勵電阻3處的微懸臂梁1的上表面上蒸鍍有酞菁鋅氣體敏感膜4，并使酞菁鋅氣體敏感膜4完全覆蓋在熱激勵電阻3上面。
本發(fā)明的微懸臂梁諧振式酞菁鋅薄膜氣體傳感器的制備方法的步驟如下A、將壓阻拾振電橋2和熱激勵電阻3，采用擴(kuò)散工藝分別制作在微懸臂梁硅片的根部和自由端；B、將經(jīng)步驟A形成的有壓阻拾振電橋2和熱激勵電阻3的擴(kuò)散區(qū)的制作微懸臂梁的硅片采用各向異性腐蝕技術(shù)，經(jīng)過二次腐蝕，形成微懸臂梁1的結(jié)構(gòu)；C、制備酞菁鋅氣體敏感膜4；D、將經(jīng)步驟C制成的酞菁鋅氣體敏感膜4，采用真空蒸鍍方法將酞菁鋅氣體敏感膜4蒸鍍在熱激勵電阻3處的微懸臂梁1的上表面上，并使酞菁鋅氣體敏感膜4完全覆蓋在滲入微懸臂梁1的熱激勵電阻3上面。
本發(fā)明具有如下特點輸出量為頻率信號、易與計算機(jī)系統(tǒng)接口、對吸附質(zhì)量分辨率高、對NO2氣體具有良好的選擇性、制作工藝可與集成電路工藝兼容，還具有成本低、集成化、微型化。


圖1是微懸臂梁諧振式酞菁鋅薄膜氣體傳感器的側(cè)剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式具體實施方式
一本實施方式由微懸臂梁1、壓阻拾振電橋2、熱激勵電阻3組成，在微懸臂梁1的根部和自由端分別滲有壓阻拾振電橋2和熱激勵電阻3，在熱激勵電阻3處的微懸臂梁1的上表面上蒸鍍有酞菁鋅氣體敏感膜4，并使酞菁鋅氣體敏感膜4完全覆蓋在熱激勵電阻3上面。
本傳感器的熱激勵電阻3和壓阻拾振電橋2完成電熱激勵/壓阻拾振，使傳感器形成自激振蕩回路和輸出量檢測，當(dāng)被測氣體分子被吸附在酞菁鋅氣體敏感膜4上時，硅梁質(zhì)量增加(有機(jī)化合物酞菁鋅是制作二氧化氮?dú)饷魝鞲衅鞯睦硐氩牧?。?dāng)有機(jī)化合物酞菁鋅(ZnPc)膜4暴露在被測氣體NO2中時，氣體會被敏感膜吸附，引起微懸臂梁諧振器5質(zhì)量的變化，影響梁的諧振頻率)，使微懸臂梁諧振器5的諧振頻率改變，由于諧振頻率變化量與被吸附氣體的濃度成正比，故通過檢測諧振頻率可計算出氣體濃度的大小。
電熱激勵是一種結(jié)構(gòu)簡單且容易控制的方法。它是基于微懸臂梁的熱膨脹現(xiàn)象。熱激勵電阻3產(chǎn)生的熱量，在梁的長度方向及法向形成溫度梯度，法向溫度梯度造成梁在法向上熱膨脹梯度，使梁產(chǎn)生彎曲變形，增大其振幅，使激勵效果更佳。因此，在熱激勵電阻3上施加交變電壓，梁上產(chǎn)生交變的溫度應(yīng)力，驅(qū)動懸臂梁發(fā)生振動，當(dāng)振動頻率與其固有頻率一致時，即產(chǎn)生諧振。微懸臂梁的諧振頻率為fi=λi22πL2EIρA---(1)]]>式中λi是一個與幾何尺寸無關(guān)的參數(shù)，E是微懸臂梁的楊氏模量，I是梁的截面慣量矩，ρ是梁的密度，A是梁的橫截面積，L是梁的長度。
當(dāng)微懸臂梁諧振器5置于被測氣體中時，硅梁的諧振頻率f與其上的吸附氣體的質(zhì)量m之間的關(guān)系式為f=f0[1+m(ρ1h1+ρ2h2)bl]-12---(2)]]>式中ρ1為硅的密度，ρ2為氣體敏感膜的密度，h1為硅梁厚度，h2為氣體敏感膜厚度，b為梁寬，l為梁長，f0為氣體吸附量為零時梁的固有諧振頻率。通過測量硅梁諧振頻率f的變化量，就可得到氣體分子的吸附量，從而得到被測氣體的濃度值。
有機(jī)化合物酞菁鋅是制作二氧化氮?dú)饷魝鞲衅鞯睦硐氩牧?。?dāng)有機(jī)化合物酞菁鋅(ZnPc)膜4暴露在被測氣體NO2中時，氣體會被敏感膜吸附，引起微懸臂梁諧振器1質(zhì)量的變化，影響梁的諧振頻率。NO2分子吸附在敏感膜上后很難自動脫附，因此在氣體敏感膜下方設(shè)計的熱激勵電阻3在激勵諧振器振動的同時，亦令氣體敏感膜受熱，使NO2分子有足夠的能量脫附，保證了傳感器具有良好的重復(fù)性。當(dāng)氣體分子的吸附與脫附過程達(dá)到平衡時，諧振器的諧振頻率保持穩(wěn)定。被測氣體濃度發(fā)生改變時，氣體敏感膜的吸附質(zhì)量發(fā)生變化，諧振頻率亦隨之變化。因此，通過檢測微懸臂梁諧振器5的諧振頻率的變化即可實時檢測被測氣體的濃度。
具體實施方式
二本實施方式的微懸臂梁諧振式酞菁鋅薄膜氣體傳感器的制備方法采用如下步驟A、采用雙面拋光N型(100)晶向硅片，清洗該硅片后，采用熱生長方法進(jìn)行雙面氧化，在硅片的兩平面上生長出一定厚度的SiO2層，進(jìn)行一次光刻，刻出擴(kuò)散區(qū)圖形，在硅表面通過硼離子注入進(jìn)行擴(kuò)散，在微懸臂梁的根部和自由端形成壓阻拾振電橋2和熱激勵電阻3的擴(kuò)散區(qū)；B、將經(jīng)步驟A形成的有壓阻拾振電橋2和熱激勵電阻3的擴(kuò)散區(qū)的制作微懸臂梁的硅片，采用二次光刻，刻出引線孔圖形，蒸鋁，反刻鋁，形成鋁電極，采用PECVD方法，雙面生長Si3N4層；進(jìn)行三次光刻，刻蝕出背面硅杯窗口，用濃度為40％的KOH腐蝕溶液在85℃～120℃下進(jìn)行各向異性腐蝕，形成厚度為40~70um的硅杯，四次光刻，刻蝕出正面懸臂梁窗口，用40％的KOH溶液進(jìn)行再次腐蝕，最終形成20~35um厚的微懸臂梁1，去掉電極處的保護(hù)層，露出鋁電極；C、制備酞菁鋅氣體敏感膜4，將0.50g(3.35mmol)無水氯化鋅、1.90g(15.1mmol)鄰苯二甲腈、2.88ml(3.35mmol)DBU在80ml正戊醇溶劑中攪拌加熱回流6小時(上述組分的比例關(guān)系不變，可乘以一定的倍數(shù))，冷卻后過濾，將過濾后獲得的產(chǎn)物依次用正戊醇、3％鹽酸、水和100％的乙醇洗滌，用氯仿萃取后得深藍(lán)色粉末，將此深藍(lán)色粉末在真空度為2.5×10-3Pa，溫度為400～500℃條件下，采用真空升華法純化后得酞菁鋅粉末；采用加熱真空蒸發(fā)鍍膜機(jī)，將酞菁鋅蒸鍍在基片上，沉積前，對所用的基片進(jìn)行表面清潔處理，將酞菁鋅粉末放置在真空系統(tǒng)中的石英坩堝內(nèi)，坩堝的底部配置有電阻絲加熱器來控制加熱溫度；調(diào)節(jié)電阻絲電流對酞菁鋅粉體進(jìn)行蒸鍍，襯底溫度為室溫，蒸發(fā)時的系統(tǒng)壓強(qiáng)在2×10-4Pa至4×10-4Pa之間，蒸發(fā)時間控制在15～30分鐘，制得0.8～1.2μm厚的酞菁鋅(ZnPc)升華膜。
D、將經(jīng)步驟C制成的酞菁鋅氣體敏感膜4，采用真空蒸鍍方法，將酞菁鋅氣體敏感膜4蒸鍍在滲有微懸臂梁1的熱激勵電阻3的上表面上，并使酞菁鋅氣體敏感膜4完全覆蓋在滲入微懸臂梁1的熱激勵電阻3的上表面上。即制得本發(fā)明的微懸臂梁諧振式酞菁鋅薄膜氣體傳感器。
權(quán)利要求
1.微懸臂梁諧振式酞菁鋅薄膜氣體傳感器，它由微懸臂梁(1)、壓阻拾振電橋(2)、熱激勵電阻(3)組成，在微懸臂梁(1)的根部和自由端分別滲有壓阻拾振電橋(2)和熱激勵電阻(3)，其特征在于在滲有熱激勵電阻(3)處的微懸臂梁(1)的上表面上蒸鍍有酞菁鋅氣體敏感膜(4)，并使酞菁鋅氣體敏感膜(4)完全覆蓋在熱激勵電阻(3)的上面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微懸臂梁諧振式酞菁鋅薄膜氣體傳感器，其特征在于酞菁鋅氣體敏感膜(4)的厚度為0.8～1.2μm。
3.微懸臂梁諧振式酞菁鋅薄膜氣體傳感器的制備方法，其特征在于該制備方法的步驟如下A、將壓阻拾振電橋(2)和熱激勵電阻(3)，采用擴(kuò)散工藝分別制作在微懸臂梁硅片的根部和自由端；B、將經(jīng)步驟A形成的有壓阻拾振電橋(2)和熱激勵電阻(3)的擴(kuò)散區(qū)的制作微懸臂梁的硅片采用各向異性腐蝕技術(shù)，經(jīng)過二次腐蝕，形成微懸臂梁(1)的結(jié)構(gòu)；C、制備酞菁鋅氣體敏感膜(4)；D、將經(jīng)步驟C制成的酞菁鋅氣體敏感膜(4)，采用真空蒸鍍方法將酞菁鋅氣體敏感膜(4)蒸鍍在熱激勵電阻(3)處的微懸臂梁(1)的上表面上，并使酞菁鋅氣體敏感膜(4)完全覆蓋在滲入微懸臂梁(1)的熱激勵電阻(3)上面。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的微懸臂梁諧振式酞菁鋅薄膜氣體傳感器的制備方法，其特征在于酞菁鋅氣體敏感膜(4)的制作方法是由0.50g無水氯化鋅、1.90g鄰苯二甲腈、2.88mlDBU在80ml正戊醇溶劑中攪拌加熱回流6小時，冷卻后過濾，將過濾后獲得的產(chǎn)物依次用正戊醇、3％鹽酸、水和100％的乙醇洗滌，用氯仿萃取后得深藍(lán)色粉末，將此深藍(lán)色粉末在真空度為2.5×10-3Pa，溫度為400～500℃條件下，采用真空升華法純化后得酞菁鋅粉末；采用加熱真空蒸發(fā)鍍膜機(jī)，將酞菁鋅蒸鍍在基片上，沉積前，對所用的基片進(jìn)行表面清潔處理，將酞菁鋅粉末放置在真空系統(tǒng)中的石英坩堝內(nèi)，坩堝的底部配置有電阻絲加熱器來控制加熱溫度；調(diào)節(jié)電阻絲電流對酞菁鋅粉體進(jìn)行蒸鍍，襯底溫度為室溫，蒸發(fā)時的系統(tǒng)壓強(qiáng)在2×10-4Pa至4×10-4Pa之間，蒸發(fā)時間控制在15～30分鐘，制得0.8～1.2μm厚的酞菁鋅氣體敏感膜(4)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的微懸臂梁諧振式酞菁鋅薄膜氣體傳感器的制備方法，其特征在于微懸臂梁(1)的腐蝕溫度為85～120℃。
全文摘要
微懸臂梁諧振式酞菁鋅薄膜氣體傳感器及其制備方法，它涉及微電子機(jī)械系統(tǒng)氣體傳感器及其制備，為了解決現(xiàn)有微電子機(jī)械系統(tǒng)氣體傳感器難于實現(xiàn)微型化，不利于集成和智能化的問題。該傳感器由微懸臂梁1、壓阻拾振電橋2、熱激勵電阻3組成，在微懸臂梁1上滲有壓阻拾振電橋2和熱激勵電阻3，在熱激勵電阻3處的微懸臂梁1的上表面上蒸鍍有酞菁鋅氣體敏感膜4，并使酞菁鋅氣體敏感膜4完全覆蓋在熱激勵電阻3上面。制備方法A.將壓阻拾振電橋2和熱激勵電阻3集成在硅片上；B.制備微懸臂梁1結(jié)構(gòu)；C.制備酞菁鋅氣體敏感膜4，D.將酞菁鋅氣體敏感膜4真空蒸鍍在微懸臂梁1上。本發(fā)明具有如下特點輸出量為頻率信號，對吸附質(zhì)量分辨率高，還具有成本低、集成化、微型化。
文檔編號B81C1/00GK1719240SQ200510010248
公開日2006年1月11日 申請日期2005年8月5日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月5日
發(fā)明者邱成軍, 左霞, 卜丹, 穆長生, 安旭 申請人:黑龍江大學(xué)