專利名稱：一種基于微井的氣體傳感器陣列及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微電子機(jī)械系統(tǒng)氣體傳感器和電子聚合物敏感材料領(lǐng)域，具體涉及一種基于“微井”的氣體傳感器陣列及其制作方法。
背景技術(shù)：
對(duì)混合氣體的分析是科學(xué)研究、生產(chǎn)過程和環(huán)境檢測(cè)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。由于氣體傳感器存在著交叉敏感、選擇性差等缺點(diǎn)，因此在混合氣體中很難有選擇地測(cè)量出某種氣體的成分和含量?；跉怏w傳感器陣列和模式識(shí)別的電子鼻系統(tǒng)是解決氣體傳感器交叉敏感性的重要途徑，其中氣體傳感器陣列是電子鼻技術(shù)中最為核心的器件。利用MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)技術(shù),該技術(shù)制作的微結(jié)構(gòu)氣體傳感器具有體積小、功耗低、靈敏度高、重復(fù)性好、易批量生產(chǎn)、成本低、加工工藝穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，并且對(duì)于電子鼻的集成化、智能化、多功能化，以及提高其選擇性、可靠性和穩(wěn)定性都有重要的意義。目前，微結(jié)構(gòu)氣體傳感器已逐漸成為氣體傳感器領(lǐng)域的一種主要結(jié)構(gòu)形式。氣體傳感器陣列主要是利用不同傳感器對(duì)不同氣體的交叉敏感性來檢測(cè)提高選擇性，氣敏單元的敏感特性受到多方面因素的影響，其中敏感單元的材料特征和工作溫度是兩個(gè)主要的因素。為了提高傳感器陣列的選擇性和靈敏度，在采用不同敏感材料的基礎(chǔ)上，還要精確控制其工作溫度。由于聚合物材料的氣體傳感器可以在室溫下工作，因此國(guó)內(nèi)外廣泛開展了聚合物氣體傳感器陣列方面的研究。在MEMS電子聚合物氣體傳感器陣列領(lǐng)域，目前國(guó)內(nèi)外已廣泛開展了 OTFT傳感器陣列、SAW傳感器陣列等方面的研究；但對(duì)基于微井的加熱型氣體傳感器陣列的研究，目前在國(guó)內(nèi)尚未見報(bào)道，也沒有相關(guān)發(fā)明專利的申請(qǐng)，即使是國(guó)外也鮮有報(bào)道。2001年美國(guó)Zee Frank等人采用微加工工藝制備了基于聚合物的化學(xué)氣體傳感器陣 列，該陣列采用了體微加工結(jié)構(gòu)和表面微加工結(jié)構(gòu)兩種微井結(jié)構(gòu)；采用滴涂法制備了六種聚合物-炭黑復(fù)合敏感膜，在常溫下對(duì)多種有機(jī)小分子進(jìn)行了檢測(cè)；但該陣列是將單個(gè)微井單元簡(jiǎn)單排列在一起，而非片上集成陣列；且沒有加熱電極，影響傳感器的靈敏度和響應(yīng)恢復(fù)時(shí)間。2005年，韓國(guó)Seung-Chul Ha等人制作出了具有16個(gè)獨(dú)立加熱單元的片上集成微井結(jié)構(gòu)傳感器陣列，他們把八種不同的敏感材料滴涂到不同的微井中，對(duì)八種有機(jī)氣體進(jìn)行了檢測(cè)，并比較了溫度對(duì)傳感器陣列靈敏度的影響；但該傳感器陣列每個(gè)微井單元為2X2 mm2，尺寸較大，不利于系統(tǒng)的微型化和集成化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是如何提供一種基于“微井”的氣體傳感器陣列及其制作方法，該氣體傳感器陣列加工工藝步驟簡(jiǎn)單，加工成本較低，加工周期短，可批量生產(chǎn)。本發(fā)明所提出的技術(shù)問題是這樣解決的
一種基于“微井”的氣體傳感器陣列，其特征在于包括至少4個(gè)獨(dú)立的微井單元，每個(gè)微井單元包括SOI晶片，所述SOI晶片頂部硅層面上從下到上依次設(shè)置有氧化硅層、加熱電極層、氧化硅層、叉指電極，叉指電極上設(shè)置有矩形的微井隔離層，所述微井內(nèi)設(shè)置有敏感膜，所述SOI晶片的硅基底成“凹面型”，且凹面的兩腳上均設(shè)置有氧化硅層。進(jìn)一步的說所述，微井的長(zhǎng)度、寬度和高度分別為600iim ^3000 u m,600 u m 3000 u m 和 900 u m l 100 u m。進(jìn)一步的說，叉指電極的寬度、間距、長(zhǎng)度和厚度分別為25 ynTSO Pm、25um"50um,600um 3000 y m和IOOnm 200nm，每對(duì)叉指電極有一個(gè)獨(dú)立的輸出端，叉指電極陣列有一個(gè)共用輸出端，所有的輸出端排成一排。 進(jìn)一步的說，采用鋁(Al)或金(Au)制備叉指電極。進(jìn)一步的說，所述微井隔離層的寬為60(T800 ii m，厚度為900 y nTllOO y m。進(jìn)一步的說，加熱電機(jī)采用鉬(Pt)、鎢(W)或鋁(Al)制備，加熱電極為蛇形結(jié)構(gòu)，電極的寬度、間距和厚度分別為50111^10011111、50111^10011111和IOOnm 200nm。一種基于“微井”的氣體傳感器陣列的制備方法，其特征在于，包括以下步驟
采用SOI晶片作為襯底，并對(duì)晶片進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)清洗；
采用熱氧化工藝在SOI晶片兩面制備氧化硅層；
依次采用光刻、濺射和剝離工藝，在上面的氧化硅上得到蛇形的鉬、鎢或鋁加熱電極； 用蒸發(fā)工藝在加熱電極上蒸鍍氧化硅層；
在步驟 所述的氧化硅層上依次采用光刻、濺射和剝離工藝，在氧化硅層上制作出
叉指電極，所述叉指電極材料采用金(Au)或鋁(Al)；
@先后采用光刻與RIE刻蝕法，露出加熱電極與外電源的接觸部分；
依次光刻和RIE刻蝕SOI晶片下面的氧化硅，隨后采用TMAH濕法腐蝕液釋放出SOI晶片下層的娃基底；
在叉指電極上旋涂SU-8光刻膠，并對(duì)其進(jìn)行光刻，制作出微井隔離層；
(I)劃片封裝；
⑩采用成膜工藝對(duì)各個(gè)單元實(shí)現(xiàn)定位選區(qū)薄膜沉積，所述薄膜為有機(jī)薄膜、有機(jī)/無機(jī)復(fù)合薄膜或有機(jī)-無機(jī)多層膜。進(jìn)一步的說，其中步驟①所述SOI晶片為硅-氧化硅-硅夾層結(jié)構(gòu)，氧化硅厚度為60(T800nm，氧化硅的上下面均是(100)硅，厚度依次為3 7 y m和200 250 y m。進(jìn)一步的說，其中步驟@和@所述氧化娃層厚度為70(T800nm。進(jìn)一步的說，其中步驟⑩所述有機(jī)薄膜、有機(jī)/無機(jī)復(fù)合薄膜或有機(jī)-無機(jī)多層膜中，有機(jī)相為聚苯胺、聚環(huán)氧乙烷、聚-4-乙烯基苯酚、酞菁絡(luò)合物或聚噻吩類，無機(jī)相為納米Ti02、ln203、ZnO> Sn02、碳黑或碳納米管。進(jìn)一步的說，其中步驟⑩所述薄膜采用滴涂、氣噴或電噴工藝進(jìn)行制備。本發(fā)明具有以下有益效果一、本發(fā)明在各對(duì)叉指電極間用SU-8光刻膠做了隔離層，有效防止不同叉指電極間敏感材料的交叉污染，可大大提高傳感器的選擇性和穩(wěn)定性。二、本發(fā)明在每個(gè)叉指電極下制作了加熱電極，各敏感單元的溫度可以獨(dú)立控制，大大提聞了傳感器的靈敏度和響應(yīng)恢復(fù)時(shí)間。三、該氣體傳感器陣列加工工藝簡(jiǎn)單，加工成本較低，滴涂成膜操作方便，為MEMS氣體傳感器的研究與應(yīng)用開創(chuàng)了新的途徑。


圖I是本發(fā)明所提供的工藝流程示意 圖2是本發(fā)明所提供的微氣體傳感器陣列的加熱電極結(jié)構(gòu)俯視圖； 圖3是本發(fā)明所提供的微氣體傳感器陣列的叉指電極結(jié)構(gòu)俯視 圖4是本發(fā)明所提供的微氣體傳感器陣列的結(jié)構(gòu)俯視圖。其中，I-硅，2-氧化硅，3-鉬(Pt)，4-金(Au)，5_ SU_8光刻膠，6_復(fù)合敏感膜層。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細(xì)敘述本發(fā)明的具體實(shí)施方式
。如圖2、圖3和圖4所示，圖2是本發(fā)明所提供的微井氣體傳感器陣列的加熱電極結(jié)構(gòu)俯視圖，各個(gè)敏感單元獨(dú)立加熱；圖3是本發(fā)明所提供的微氣體傳感器陣列的叉指電 極結(jié)構(gòu)俯視圖，每對(duì)叉指電極有一個(gè)獨(dú)立的輸出端，叉指電極陣列有一個(gè)共用輸出端；圖4是本發(fā)明所提供的微氣體傳感器陣列的結(jié)構(gòu)俯視圖，它包括4個(gè)獨(dú)立的帶加熱電極的微井傳感器單元。如圖I所示，工藝流程步驟如下
(a)用4寸SOI晶片作為基底，夾層的氧化硅層厚度約為800nm，夾層上面和下面的硅I厚度約7 ii m和200 ii m,并對(duì)其進(jìn)行清洗。(b)用熱氧化法在硅片的兩面分別鍍上一層厚度約為750nm的氧化硅層。(c)在上面的750nm的氧化硅層上涂膠光刻并圖形化，隨后濺射厚度約為200nm的Pt層，并剝離，得到寬度與間距均為80 iim的蛇形加熱電極，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。(d)用蒸發(fā)工藝在Pt層3上蒸鍍約700nm的氧化硅層。(e)在700nm的氧化硅層上涂膠光刻并圖形化，隨后濺射厚度約為IOOnm的金層，并剝離，制作出叉指電極，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。(f)先后采用光刻與RIE刻蝕法，露出加熱電極Pt層與外電源的接觸部分。(g)依次光刻和RIE刻蝕SOI晶片下面的750nm的氧化硅層上，隨后采用TMAH濕法腐蝕工藝，釋放出200iim厚的硅層。(h)在叉指電極上旋涂SU-8光刻膠，控制勻膠機(jī)的轉(zhuǎn)速和時(shí)間，得到厚度約為Imm的SU-8微井隔離層；采用紫外線曝光工藝，實(shí)現(xiàn)掩膜版上圖形向SU-8微井隔離層的轉(zhuǎn)移；使用顯影液對(duì)SU-8微井隔離層進(jìn)行顯影，得到長(zhǎng)寬高約為3mmX2. 5mmX Imm的矩形窗口，最后堅(jiān)膜，得到微井。然后對(duì)硅片進(jìn)行劃片與封裝。(i)采用滴涂工藝進(jìn)行有機(jī)/無機(jī)混合膜的制備，得到復(fù)合敏感膜層。通過上述工藝制作的基于微井結(jié)構(gòu)的氣體傳感器陣列俯視結(jié)構(gòu)如圖4所示，整個(gè)傳感器陣列的面積為10 X 8 mm2。
權(quán)利要求
1.一種基于“微井”的氣體傳感器陣列，其特征在于包括至少4個(gè)獨(dú)立的微井單元，每個(gè)微井單元包括SOI晶片，所述SOI晶片頂部硅層面上從下到上依次設(shè)置有氧化硅掩膜層、加熱電極層、氧化硅層、叉指電極，所述叉指電極上設(shè)置有矩形的微井隔離層，所述微井內(nèi)設(shè)置有復(fù)合敏感膜層， 所述SOI晶片的硅基底成“凹面型”，且凹面的兩腳上均設(shè)置有氧化娃層。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的氣體傳感器陣列，其特征在于，微井的長(zhǎng)度、寬度和高度分別為 600 u m 3000 u m、600 u m 3000 u m 和 900 u m 1100 u m。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的氣體傳感器陣列，其特征在于，叉指電極的寬度、間距、長(zhǎng)度和厚度分別為25 u m 50 um,25u m 50 u m、600 u m 3000 y m和IOOnm 200nm，每對(duì)叉指電極有一個(gè)獨(dú)立的輸出端，叉指電極陣列有一個(gè)共用輸出端，所有的輸出端排成一排。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-4任一所述的氣體傳感器陣列，其特征在于，叉指電極采用鋁(Al)或金(Au)制備。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的氣體傳感器陣列，其特征在于，所述微井隔離層的厚度為900u m 1100 u mD
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的氣體傳感器陣列，其特征在于，加熱電機(jī)采用鉬(Pt)、鎢(W)或招(Al)制備,加熱電極為蛇形結(jié)構(gòu)，電極的寬度、間距和厚度分別為50iinTl00iim、50 u m 100 u m 和 IOOnm 200nm。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于“微井”的氣體傳感器陣列的制備方法，其特征在于，包括以下步驟 ①采用SOI晶片作為襯底，并對(duì)晶片進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)清洗； ②采用熱氧化工藝在SOI晶片兩面制備氧化硅層； 依次采用光刻、濺射和剝離工藝，在上面的氧化硅上得到蛇形的鉬、鎢或鋁加熱電極； 用蒸發(fā)工藝在加熱電極上蒸鍍氧化硅層； ⑤在步驟所述的氧化硅層上依次采用光刻、濺射和剝離工藝，在氧化硅層上制作出叉指電極,所述叉指電極材料采用金(Au)或鋁(Al)； ⑧先后采用光刻與RIE刻蝕法，露出加熱電極與外電源的接觸部分； 依次光刻和RIE刻蝕SOI晶片下面的氧化硅，隨后采用TMAH濕法腐蝕液釋放出SOI晶片下層的娃基底； ⑧在叉指電極上旋涂SU-8光刻膠，并對(duì)其進(jìn)行光刻，制作出微井隔離層； ③劃片封裝； ⑩采用成膜工藝對(duì)各個(gè)單元實(shí)現(xiàn)定位選區(qū)薄膜沉積，所述薄膜為有機(jī)薄膜、有機(jī)/無機(jī)復(fù)合薄膜或有機(jī)-無機(jī)多層膜。
8.根據(jù)權(quán)利要求8所述的氣體傳感器陣列的制備方法，其特征在于，其中步驟①所述SOI晶片為硅-氧化硅-硅夾層結(jié)構(gòu)，氧化硅厚度為60(T800nm，氧化硅的上下面均是(100)硅，厚度依次為3 7 ii m和200 250 u m。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的氣體傳感器陣列的制備方法，其特征在于，其中步驟②和④所述氧化硅層厚度為70(T800nm。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的氣體傳感器陣列的制備方法，其特征在于，其中步驟⑩所述有機(jī)薄膜、有機(jī)/無機(jī)復(fù)合薄膜或有機(jī)-無機(jī)多層膜中，有機(jī)相為聚苯胺、聚環(huán)氧こ烷、聚-4-こ烯基苯酚、酞菁絡(luò)合物或聚噻吩類，無機(jī)相為納米Ti02、In203、Zn0、SnO2、碳黑或碳納米管。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于“微井”的氣體傳感器陣列及其制作方法，①所述氣體傳感器陣列采用MEMS技術(shù)，在SOI晶片表面制備叉指電極，在叉指電極上用SU-8光刻膠制作了出微井隔離層，可防止制備敏感膜時(shí)不同叉指電極間敏感材料的交叉污染，每個(gè)傳感器陣列至少包括4個(gè)叉指電極單元；②每個(gè)叉指電極下面有獨(dú)立的加熱單元，大大提高了傳感器的靈敏度和響應(yīng)恢復(fù)時(shí)間；③以有機(jī)薄膜、有機(jī)/無機(jī)復(fù)合薄膜或有機(jī)-無機(jī)多層膜為敏感膜，通過測(cè)定敏感膜吸附氣體時(shí)電阻的變化實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體的定性定量檢測(cè)；④采用滴涂、氣噴或電噴工藝制備敏感薄膜。該氣體傳感器陣列加在大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)、航天密閉艙空氣質(zhì)量檢測(cè)及食品安全等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)B81C1/00GK102735712SQ201210197280
公開日2012年10月17日 申請(qǐng)日期2012年6月15日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月15日
發(fā)明者周泳, 太惠玲, 廖劍, 朱濤, 杜曉松, 蔣亞東, 謝光忠, 黎威志 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)