基于硅加熱器的mems甲烷傳感器及其制備方法與應(yīng)用的制作方法
【專利摘要】一種基于硅加熱器的MEMS甲烷傳感器及其制備方法，屬于甲烷傳感器及其制備方法，特別屬于采用微電子機(jī)械系統(tǒng)加工技術(shù)的甲烷傳感器及其制備方法與甲烷檢測(cè)方法。該甲烷傳感器采用普通的單晶硅硅圓片加工硅加熱器，硅加熱器同時(shí)作為甲烷敏感元件、不需催化劑載體及催化劑材料。該甲烷傳感器的加工工藝與CMOS工藝兼容，若大批量生產(chǎn)具有價(jià)格低廉的優(yōu)勢(shì)，且可批量校準(zhǔn)。該甲烷傳感器具有功耗低、靈敏度高、響應(yīng)速度快、缺乏氧氣時(shí)不會(huì)對(duì)甲烷檢測(cè)產(chǎn)生影響、不受積碳、中毒等因催化劑所帶來(lái)影響的特點(diǎn)。
【專利說(shuō)明】基于硅加熱器的MEMS甲烷傳感器及其制備方法與應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及傳感器及其制備方法與應(yīng)用，特別是一種工礦企業(yè)中對(duì)瓦斯防治時(shí)使用的基于硅加熱器的MEMS甲烷傳感器及其制備方法與應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，當(dāng)前的甲烷傳感器無(wú)法滿足數(shù)量龐大的個(gè)人移動(dòng)監(jiān)測(cè)裝備等對(duì)低功耗、長(zhǎng)壽命、低成本的檢測(cè)低濃度甲烷的高性能甲烷傳感器的需求。目前基于傳統(tǒng)鉬絲加熱的催化燃燒式甲烷傳感器仍在煤礦井下廣泛應(yīng)用，其原理是基于甲烷氣體的催化燃燒反應(yīng)釋熱效應(yīng)，其功耗較大，且由于使用催化劑存在諸多無(wú)法克服的缺點(diǎn)。如調(diào)校周期短、積碳、中毒、激活、性能不穩(wěn)定、測(cè)量結(jié)果受氧氣濃度的影響等從根本上是源于使用催化劑及催化劑載體?，F(xiàn)有催化燃燒式甲烷傳感器采用鉬絲等貴金屬繞制的線圈作為加熱元件，難以批量化生產(chǎn)、且一致性較差，且功耗較大。因此，不能很好的滿足物聯(lián)網(wǎng)對(duì)甲烷傳感器的應(yīng)用需求。而紅外甲烷傳感器價(jià)格高、傳感元件受粉塵與水汽嚴(yán)重影響，也不能很好的滿足物聯(lián)網(wǎng)對(duì)低功耗高性能甲烷傳感器的應(yīng)用需求?，F(xiàn)有熱導(dǎo)式甲烷傳感器在煤礦井下用于檢測(cè)高濃度的以甲烷為主的甲烷氣體，對(duì)于低濃度(O?4%)的以甲烷為主的甲烷氣體由于靈敏度太低則無(wú)法用于檢測(cè)報(bào)警。本發(fā)明提供一種不使用催化劑的可檢測(cè)低濃度(O?5%)甲烷的新型微型甲烷傳感器。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0003]技術(shù)問(wèn)題:針對(duì)上述技術(shù)的不足之處，提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，低濃度甲烷(O?4% )具有靈敏度高，該甲烷傳感器以普通低成本硅圓片為襯底進(jìn)行加工，可采用CMOS兼容的MEMS工藝批量化生產(chǎn)，成本低，且不使用傳感器的基于硅加熱器的MEMS甲烷傳感器及其制備方法與應(yīng)用。
[0004]技術(shù)方案:為實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明的基于硅加熱器的MEMS甲烷傳感器以P型硅為襯底，在所述P型硅襯底上形成N型硅；以所述P型硅襯底上的N型硅加工制備硅加熱元件；所述硅加熱元件包括兩個(gè)固定端、硅加熱器、兩個(gè)硅懸臂；所述單個(gè)硅懸臂長(zhǎng)度至少300um ;所述單個(gè)的娃懸臂的一端與娃加熱器相連,另一端與一個(gè)固定端相連，為娃加熱器提供電連接；所述兩個(gè)硅懸臂平行并排設(shè)置、與硅加熱器整體構(gòu)成U形懸臂結(jié)構(gòu)將硅加熱器懸于空氣中；所述硅加熱元件的硅加熱器及硅懸臂的外表面設(shè)有鈍化保護(hù)層；所述固定端設(shè)在P型硅襯底上，所述固定端包括N型硅、N型硅上的氧化硅層及用作電引出焊盤Pad的金屬，所述電引出焊盤金屬Pad設(shè)在N型硅之上的氧化硅層上，且電引出焊盤金屬Pad通過(guò)氧化硅層的窗口與其下面的N型硅直接接觸構(gòu)成歐姆接觸，電引出焊盤金屬Pad與其下的N型硅層接觸部分沒(méi)有氧化硅層；
[0005]在所述硅加熱元件的固定端周圍設(shè)置有去除掉N型硅的隔離溝槽，所述隔離溝槽使所述硅加熱元件及其固定端的N型硅與P型硅襯底上的其余N型硅之間為高阻狀態(tài)，尤其是使設(shè)在P型硅襯底上的硅加熱元件的兩個(gè)固定端之間除了由硅懸臂和硅加熱器構(gòu)成的電通路之外無(wú)其它電路通路。
[0006]—種基于娃加熱器的MEMS甲燒傳感器的應(yīng)用方法:使用兩個(gè)基于娃加熱器的MEMS甲燒傳感器,其中一個(gè)基于娃加熱器的MEMS甲燒傳感器的娃加熱兀件與環(huán)境空氣接觸，另一個(gè)基于硅加熱器的MEMS甲烷傳感器的硅加熱元件為氣密性封裝、封裝內(nèi)的密封空氣與環(huán)境空氣隔絕，這兩個(gè)基于娃加熱器的MEMS甲燒傳感器的娃加熱兀件構(gòu)成惠斯通電橋檢測(cè)橋臂；在基于硅加熱器的MEMS甲烷傳感器的硅加熱元件的兩個(gè)固定端上施加電壓或電流，使硅加熱元件的工作點(diǎn)位于電流-電壓特性曲線中的轉(zhuǎn)折點(diǎn)左側(cè)的工作點(diǎn)區(qū)域，使硅加熱元件的硅加熱器發(fā)熱，其特征在于加熱溫度在500攝氏度以上；所述轉(zhuǎn)折點(diǎn)為電阻隨電流或電壓增大而出現(xiàn)的電阻最大點(diǎn)，當(dāng)電流或電壓繼續(xù)增大時(shí)，電阻不再繼續(xù)增大反而減??；當(dāng)有甲烷氣體出現(xiàn)時(shí)，與環(huán)境空氣接觸的硅加熱器的溫度降低、使硅加熱元件電阻發(fā)生變化，通過(guò)由所述基于硅加熱器的MEMS甲烷傳感器構(gòu)成的惠斯通電橋?qū)崿F(xiàn)甲烷濃度的檢測(cè)。
[0007]基于硅加熱器的MEMS甲烷傳感器的兩種制備方法為:
[0008]制備方法(一)的步驟為:
[0009]第一步，在晶向(100)的P型硅襯底的正面經(jīng)摻雜或擴(kuò)散制備N型硅，N型硅厚度為3至30um ；
[0010]第二步，熱氧化生成氧化硅層，厚度0.5至Ium;
[0011]第三步，在P型硅襯底的正面制備光刻膠，光刻后形成硅加熱元件、硅加熱元件的固定端周圍設(shè)置的隔離溝槽及正面刻蝕窗口的圖形，隨后采用RIE(ReaCtive 1n Etching,反應(yīng)離子刻蝕)方法干法刻蝕露出的氧化硅層及其下面的硅，刻蝕深度大于N型硅與氧化硅層厚度之和，去除光刻膠；
[0012]第四步，在P型硅襯底的正面光刻第二步生成的氧化硅層，形成金屬接觸孔圖形；
[0013]第五步，在P型硅襯底的正面濺射或淀積或蒸發(fā)形成金屬層，金屬層的材料可以是金或鋁，并退火，金屬層與P型硅襯底上的露出的N型硅形成歐姆接觸；
[0014]第六步，在金屬層上光刻，刻蝕金屬層后形成電引出焊盤金屬Pad、金屬連接線及總金屬連接端，所形成的每個(gè)硅加熱元件的電引出焊盤金屬Pad與金屬連接線通過(guò)金屬層相連通，金屬連接線與總金屬連接端通過(guò)金屬層相連通，所述總金屬連接端設(shè)在P型硅襯底的邊緣，當(dāng)在總金屬連接端施加電勢(shì)時(shí)，整個(gè)硅圓片上的所有硅加熱元件的N型硅形成良好電連接并具有與總連接端相同的電勢(shì)，所述金屬連接線設(shè)在劃片槽內(nèi)；
[0015]第七步，在P型硅襯底的正面制備光刻膠，光刻后形成正面刻蝕窗口圖形，采用RIE方法干法刻蝕所形成的正面刻蝕窗口圖形所露出的P型硅，刻蝕深度大于20um，形成正面濕法硅刻蝕的刻蝕窗口，去除光刻膠；硅加熱元件的硅加熱器的投影位于刻蝕窗口的中心位置；
[0016]第八步，在P型硅襯底的正面制備刻蝕保護(hù)層，采用耐四甲基氫氧化銨溶液或氫氧化鉀溶液的光刻膠作為刻蝕保護(hù)層；圖形化所述刻蝕保護(hù)層后露出總金屬連接端及第七步制備的正面濕法硅刻蝕的刻蝕窗口；
[0017]第九步，將上述制備好的硅片置于四甲基氫氧化銨溶液或氫氧化鉀溶液中對(duì)P型硅進(jìn)行正面濕法刻蝕，即硅刻蝕從P型硅襯底的正面開始，刻蝕時(shí)通過(guò)總金屬連接端給P型硅襯底上的N型硅施加正電壓，所述正電壓高于PN結(jié)自停止刻蝕的鈍化電勢(shì)，以使P型硅襯底與N型硅所形成的PN結(jié)處于反偏狀態(tài)；在PN結(jié)自停止刻蝕的作用下，硅加熱元件的N型硅不被刻蝕，由P型硅正面刻蝕的深度至少10um以完全釋放出硅加熱元件，優(yōu)選刻穿硅片形成通孔；硅加熱元件的硅加熱器的投影位于通孔中心位置，且外形尺寸遠(yuǎn)小于通孔的尺寸；
[0018]第十步，去除第八步制備的刻蝕保護(hù)層，干燥后采用氫氟酸溶液或氫氟酸氣霧去除第二步生成的硅加熱元件表面的氧化硅；
[0019]第H^一步，氧化硅加熱元件外表面露出的硅，形成厚度均勻的薄層氧化硅，其厚度為十?dāng)?shù)nm至10nm,作為鈍化保護(hù)層；
[0020]第十二步，沿劃線槽劃片，并切斷電引出焊盤金屬Pad與設(shè)置的金屬連接線的連接，切斷后每一個(gè)硅加熱元件的兩個(gè)電引出焊盤金屬Pad之間不存在金屬連接；裂片后得到數(shù)量眾多的本發(fā)明所述的基于硅加熱器的MEMS甲烷傳感器；
[0021]或制備方法(二)的步驟為:
[0022]第一步，在(100)晶向的P型硅襯底的正面經(jīng)摻雜或擴(kuò)散制備N型硅，N型硅厚度為3至30um ；
[0023]第二步，熱氧化生成氧化硅層，厚度0.5至Ium ；
[0024]第三步，在P型硅襯底正面的氧化硅層上制備光刻膠，光刻后形成硅加熱元件、硅加熱元件的固定端周圍設(shè)置的隔離溝槽及正面刻蝕窗口的圖形，并采用RIE方法干法刻蝕露出的氧化硅層及其下面的硅，刻蝕深度大于N型硅與第二步生成的氧化硅層厚度之和，去除光刻膠；
[0025]第四步，在P型硅襯底的正面光刻第二步生成的氧化硅層，形成金屬接觸孔；
[0026]第五步，在P型硅襯底的正面濺射或淀積或蒸發(fā)形成金屬層，金屬層的材料為鋁，并退火，金屬層與P型娃襯底上的露出的N型娃形成歐姆接觸；
[0027]第六步，在P型硅襯底的正面濺射或淀積或蒸發(fā)形成金屬層，金屬層的材料為鋁，厚度2至5um ；
[0028]第七步，在金屬層上制備光刻膠，光刻后形成正面刻蝕窗口的圖形，去除所述正面刻蝕窗口的圖形所對(duì)應(yīng)的金屬層，隨后采用RIE干法刻蝕所露出的P型硅，刻蝕深度30um，形成正面濕法刻蝕窗口 ；硅加熱元件的硅加熱器的投影位于刻蝕窗口的中心位置；
[0029]第八步，將上述制備好的硅片置于四甲基氫氧化銨溶液，采用PN結(jié)自停止刻蝕從P型硅襯底的正面開始濕法刻蝕，刻蝕時(shí)通過(guò)第七步制備的P型硅襯底邊緣上的金屬給P型硅襯底上的N型硅施加正電壓，所述正電壓高于PN結(jié)自停止刻蝕的鈍化電勢(shì)，以使P型硅襯底與N型硅所形成的PN結(jié)處于反偏狀態(tài)；在PN結(jié)自停止刻蝕的作用下硅加熱元件的N型硅不被刻蝕，由P型硅正面刻蝕深度至少10um以完全釋放出硅加熱元件，優(yōu)選刻穿硅片形成通孔；硅加熱元件的硅加熱器的投影位于通孔中心位置，且外形尺寸遠(yuǎn)小于通孔的尺寸；
[0030]第九步，在硅加熱元件的固定端上制備光刻膠，烘干，刻蝕去除掉除硅加熱元件的固定端上的電引出焊盤金屬Pad以外的金屬；
[0031]第十步，采用氫氟酸溶液或氫氟酸氣霧去除第二步生成的硅加熱元件表面的氧化硅，去除第九步的光刻膠；
[0032]第H^一步，氧化硅加熱元件外表面露出的硅，形成厚度均勻的薄層氧化硅，其厚度十多nm至10nm,作為鈍化保護(hù)層；
[0033]第十二步，劃片、裂片，得到數(shù)量眾多的本發(fā)明所述的基于硅加熱器的MEMS甲烷傳感器。
[0034]有益效果:
[0035]1.本發(fā)明的基于硅加熱器的MEMS甲烷傳感器采用價(jià)格低廉的普通P型硅片為襯底，而不是高價(jià)格的SOI硅片，這使得原料成本大幅降低；且加工工藝簡(jiǎn)單，可與CMOS工藝兼容、易于批量化生產(chǎn)；硅刻蝕工藝采用濕法硅刻蝕工藝，使用低廉的化學(xué)溶液即可完成本發(fā)明器件的釋放，與干法刻蝕相比，不需使用昂貴的干法刻蝕設(shè)備及加工費(fèi)用，因此加工成本更低；因此本發(fā)明的甲烷傳感器具有加工成本低廉的優(yōu)勢(shì)；
[0036]2.本發(fā)明的甲烷傳感器的硅加熱器懸在空氣中遠(yuǎn)離硅襯底、距離大于300um以上，很好的降低了通過(guò)硅片損失的熱量，因此可較低的功率即可將硅加熱器加熱到500°C以上的高溫，具有功耗低的優(yōu)勢(shì)，單個(gè)硅加熱元件工作時(shí)的功耗約80?90mW ；
[0037]3.本發(fā)明的甲烷傳感器不使用催化劑與催化載體，因此，傳感器的性能不受催化劑的影響，不存在催化劑活性降低導(dǎo)致的靈敏度降低、中毒、激活及其導(dǎo)致的不可預(yù)測(cè)的零點(diǎn)漂移等問(wèn)題；同時(shí)，本發(fā)明的甲烷傳感器對(duì)甲烷的檢測(cè)無(wú)需氧氣參與，因此不受空氣中氧氣的影響；
[0038]4.本發(fā)明的MEMS甲烷傳感器以硅加熱元件為加熱元件和甲烷檢測(cè)元件，不使用催化劑便可實(shí)現(xiàn)對(duì)低濃度甲烷氣體(O?4% )的高靈敏度的檢測(cè)；采用硅加熱元件對(duì)甲烷檢測(cè)，硅加熱器的結(jié)構(gòu)為多個(gè)硅加熱條的并聯(lián)形式，具有較大的與空氣接觸的高溫表面積，有助于靈敏度的提高；本發(fā)明的MEMS甲烷傳感器的靈敏度可達(dá)10mV/CH4%，可以直接推動(dòng)儀表，達(dá)到了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求。
[0039]5.本發(fā)明的甲烷傳感器可采用CMOS工藝批量生產(chǎn)，可具有良好的一致性，因此還可批量校準(zhǔn)，因此能進(jìn)一步提高傳感器性能并降低傳感器的校準(zhǔn)環(huán)節(jié)成本；
[0040]6.本發(fā)明的甲烷傳感器尺寸小，傳感器功耗低，靈敏度高，而且響應(yīng)速度快、響應(yīng)速度可達(dá)40ms左右,輸出信號(hào)線性度好,壽命長(zhǎng)。
[0041]7.本發(fā)明的硅加熱元件的材料為單晶硅，在高溫下性能穩(wěn)定，這使本發(fā)明的甲烷傳感器在高溫工作狀態(tài)下具有良好的穩(wěn)定性與長(zhǎng)的壽命。這是因?yàn)閱尉Ч璨淮嬖阢f、鎢等金屬加熱材料在500攝氏度以上的高溫容易揮發(fā)、遷移等缺點(diǎn)、也不存在多晶硅電阻在高溫下晶界電阻易于變化、無(wú)法掌控的缺點(diǎn)。同時(shí)，在本發(fā)明的硅加熱元件的外表面設(shè)置的鈍化層也降低了外界環(huán)境對(duì)上述元器件的影響，從而進(jìn)一步提高了本發(fā)明的甲烷傳感器性能的穩(wěn)定性。
[0042]8.本發(fā)明的甲烷傳感器可采用CMOS工藝批量生產(chǎn)，可具有良好的一致性，因此還可批量校準(zhǔn)，因此能進(jìn)一步提高傳感器性能并降低傳感器校準(zhǔn)環(huán)節(jié)的成本。
【專利附圖】
【附圖說(shuō)明】
[0043]圖1為本發(fā)明的基于硅加熱器的MEMS甲烷傳感器的俯視示意圖。
[0044]圖2為本發(fā)明圖1中A-A截面首I]視圖。
[0045]圖3為本發(fā)明的硅加熱器的一種結(jié)構(gòu)示意圖。
[0046]圖4為本發(fā)明的基于硅加熱器的MEMS甲烷傳感器在硅圓片上的金屬連接線與部分劃片槽的示意圖。
[0047]圖5為本發(fā)明的基于硅加熱器的MEMS甲烷傳感器的硅加熱元件的電流-電阻特性曲線。
[0048]圖中:01-P型硅襯底，02-N型硅，20-氧化硅層，21-電引出焊盤金屬Pad，22-鈍化保護(hù)層，23-氧化硅，31-金屬連接線，32-總金屬連接端，40-劃片槽，101-硅加熱元件，102-固定端，103-隔離溝槽，104-正面刻蝕窗口，105-背面面刻蝕窗口，1011-硅加熱器，1012-娃懸臂，1013-娃加熱條。
【具體實(shí)施方式】
[0049]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作進(jìn)一步的描述:
[0050]實(shí)施例:在圖1、圖2、圖3、圖4中，以P型硅襯底01，所述P型硅襯底01經(jīng)摻雜或擴(kuò)散后形成N型硅02 ;以所述P型硅襯底01上的N型硅02加工制備硅加熱元件101 ;所述硅加熱元件101包括兩個(gè)固定端102、硅加熱器1011、兩個(gè)硅懸臂1012 ;所述單個(gè)的硅懸臂1012長(zhǎng)度至少300um ;所述單個(gè)的娃懸臂1012的一端與娃加熱器1011相連,另一端與一個(gè)固定端102相連，為硅加熱器1011提供電連接；所述兩個(gè)硅懸臂1012平行并排設(shè)置、與硅加熱器1011整體構(gòu)成U形懸臂結(jié)構(gòu),將娃加熱器1011懸于空氣中；所述娃加熱兀件101的硅加熱器1011及硅懸臂1012外表面設(shè)有鈍化保護(hù)層22 ;所述固定端102設(shè)在P型硅襯底01上，包括N型硅02、N型硅02上的氧化硅層20及用作電引出焊盤Pad的金屬21，所述電引出焊盤金屬Pad 21設(shè)在N型硅02之上的氧化硅層20上，且電引出焊盤金屬Pad 21通過(guò)氧化硅層20的窗口與其下面的N型硅02直接接觸構(gòu)成歐姆接觸，電引出焊盤金屬Pad21與其下的N型硅層02接觸部分沒(méi)有氧化硅層20。
[0051]在所述硅加熱元件101及其固定端102周圍設(shè)置有去除掉N型硅的隔離溝槽103，所述隔離溝槽103使所述硅加熱元件101及其固定端102的N型硅與P型硅襯底01上的其余N型硅之間為高阻狀態(tài)，尤其是設(shè)在P型硅襯底01上的硅加熱元件101的兩個(gè)固定端102之間除了由硅懸臂1012和硅加熱器1011構(gòu)成的電通路之外無(wú)其它電路通路。
[0052]圖3是硅加熱器的一種結(jié)構(gòu)示意圖，圖中所示的多個(gè)硅加熱條1013的并聯(lián)硅加熱器可增加與空氣中甲烷相接觸的高溫表面積，硅加熱器還可以是圓環(huán)形。
[0053]圖4是本發(fā)明的基于硅加熱器的MEMS甲烷傳感器的硅圓片上的金屬連接線與部分劃片槽的示意圖。沿示意的部分劃片槽40劃片后不僅可使基于硅加熱器的MEMS甲烷傳感器從硅圓片上分離出來(lái)，還使每一個(gè)硅加熱元件101的兩個(gè)電引出焊盤金屬Pad 21之間不再有金屬連接。在圖1、圖2、圖3中未示出金屬連接線31。
[0054]一種基于硅加熱器的MEMS甲烷傳感器的甲烷檢測(cè)應(yīng)用方法:其使用兩個(gè)基于硅加熱器的MEMS甲烷傳感器，其中一個(gè)基于硅加熱器的MEMS甲烷傳感器的硅加熱元件101與環(huán)境空氣接觸，另一個(gè)基于硅加熱器的MEMS甲烷傳感器的硅加熱元件101則為氣密性封裝、封裝內(nèi)的密封空氣與環(huán)境空氣隔絕，這兩個(gè)基于硅加熱器的MEMS甲烷傳感器的硅加熱元件101構(gòu)成惠斯通電橋檢測(cè)橋臂；在基于硅加熱器的MEMS甲烷傳感器的硅加熱元件101的兩個(gè)固定端102上施加電壓或電流，使硅加熱元件101的工作點(diǎn)位于如圖5所示的電流-電阻特性曲線中的轉(zhuǎn)折點(diǎn)左側(cè)的工作點(diǎn)區(qū)域，使硅加熱元件101的硅加熱器1011發(fā)熱，其特征在于加熱溫度在500攝氏度以上；所述轉(zhuǎn)折點(diǎn)為電阻隨電流或電壓增大而出現(xiàn)的電阻最大點(diǎn)，當(dāng)電流或電壓繼續(xù)增大時(shí)，電阻不再繼續(xù)增大反而減?。粏蝹€(gè)硅加熱元件工作時(shí)的功耗約80?90mW ;當(dāng)有甲烷氣體出現(xiàn)時(shí)，與環(huán)境空氣接觸的硅加熱器1011的溫度降低、使硅加熱元件101電阻發(fā)生變化，通過(guò)由所述基于硅加熱器的MEMS甲烷傳感器構(gòu)成的惠斯通電橋?qū)崿F(xiàn)低濃度甲烷的檢測(cè)；對(duì)低濃度甲烷氣體(O?4% )的檢測(cè)靈敏度可達(dá)10mV/CH4%，響應(yīng)時(shí)間可達(dá)40ms左右。
[0055]全硅MEMS甲烷傳感器的兩種制備方法如下:
[0056]制備方法(一)的步驟為:
[0057]第一步，在(100)晶向的P型硅襯底01的正面經(jīng)摻雜或擴(kuò)散制備N型硅02，N型硅02厚度為3至30um ；
[0058]第二步，熱氧化生成氧化硅層，厚度0.5至Ium ；
[0059]第三步，在P型硅襯底01的正面制備光刻膠，光刻后形成硅加熱元件101、硅加熱元件的固定端周圍設(shè)置的隔離溝槽103及正面刻蝕窗口 104的圖形，并采用RIE干法刻蝕露出的氧化硅層及其下面的硅，刻蝕深度大于N型硅02與第二步生成的氧化硅層厚度之和，去除光刻月父；
[0060]第四步，在P型硅襯底01的正面光刻第二步生成的氧化硅層，形成金屬接觸孔；
[0061]第五步，在P型硅襯底01的正面濺射或淀積或蒸發(fā)形成金屬層，金屬層的材料可以是金或鋁，并退火，金屬層與P型硅襯底01上的露出的N型硅02形成歐姆接觸；
[0062]第六步，在金屬層上光刻，刻蝕金屬層后形成電引出焊盤金屬Pad 21、金屬連接線31及總金屬連接端32，所形成的每個(gè)硅加熱元件101的電引出焊盤金屬Pad 21與金屬連接線31通過(guò)金屬層相連通，金屬連接線31與總金屬連接端32通過(guò)金屬層相連通；所述總金屬連接端32設(shè)在P型硅襯底的邊緣，當(dāng)在總金屬連接端32施加電勢(shì)時(shí)，整個(gè)硅圓片上的所有硅加熱元件101的N型硅形成良好電連接并具有與總金屬連接端32相同的電勢(shì)，所述金屬連接線31設(shè)在劃片槽內(nèi)40;
[0063]第七步，在P型硅襯底01的正面制備光刻膠，光刻后形成正面刻蝕窗口 104圖形，采用RIE方法干法刻蝕所形成的正面刻蝕窗口 104圖形所露出的P型硅，刻蝕深度大于20um，形成正面濕法硅刻蝕的刻蝕窗口 104，去除光刻膠；硅加熱元件101的硅加熱器1011的投影位于刻蝕窗口 104的中心位置；
[0064]第八步，在P型硅襯底01的正面制備刻蝕保護(hù)層，采用耐四甲基氫氧化銨溶液或氫氧化鉀溶液的光刻膠作為刻蝕保護(hù)層；圖形化所述刻蝕保護(hù)層后露出總金屬連接端32及第七步制備的正面濕法硅刻蝕的刻蝕窗口 104 ；
[0065]第九步，將上述制備好的硅片置于四甲基氫氧化銨溶液或氫氧化鉀溶液中對(duì)P型硅進(jìn)行正面濕法刻蝕，即硅刻蝕從P型硅襯底01正面的刻蝕窗口 104開始，刻蝕時(shí)通過(guò)總金屬連接端32給P型硅襯底01上的N型硅02施加正電壓，所述正電壓高于PN結(jié)自停止刻蝕的鈍化電勢(shì)，以使P型硅襯底01與N型硅02所形成的PN結(jié)處于反偏狀態(tài)在PN結(jié)自停止刻蝕的作用下，硅加熱元件101的N型硅02不被刻蝕，由P型硅正面刻蝕的深度至少10um以完全釋放出硅加熱元件101，優(yōu)選刻穿硅片形成通孔105 ;硅加熱元件101的硅加熱器1011的投影位于通孔105中心位置，且外形尺寸遠(yuǎn)小于通孔105的尺寸；
[0066]第十步，去除第八步制備的刻蝕保護(hù)層，干燥后采用氫氟酸溶液或氫氟酸氣霧去除第二步生成的硅加熱元件101表面的氧化硅；
[0067]第^^一步，氧化硅加熱元件101外表面露出的硅，形成厚度均勻的薄層氧化硅，其厚度為十?dāng)?shù)nm至10nm,作為鈍化保護(hù)層22 ；
[0068]第十二步，沿圖4中所示部分劃線槽40的示意劃片，切斷電引出焊盤金屬Pad 21與設(shè)置的金屬連接線31的連接，使每一個(gè)硅加熱元件101的兩個(gè)電引出焊盤金屬Pad 21之間不存在金屬連接；裂片后得到數(shù)量眾多的本發(fā)明所述的基于硅加熱器的MEMS甲烷傳感器；
[0069]制備方法二的步驟為:
[0070]第一步，在(100)晶向的P型硅襯底01的正面經(jīng)摻雜或擴(kuò)散制備N型硅02，N型硅02厚度為3至30um ；
[0071]第二步，熱氧化生成氧化硅層，厚度0.5至Ium;
[0072]第三步，在P型硅襯底01正面的氧化硅層上制備光刻膠，光刻后形成硅加熱元件101、硅加熱元件的固定端周圍設(shè)置的隔離溝槽103及正面刻蝕窗口 104的圖形，并采用RIE刻蝕露出的氧化硅層及其下面的硅，刻蝕深度大于N型硅02與第二步生成的氧化硅層厚度之和，去除光刻月父；
[0073]第四步，在P型硅襯底01的正面光刻第二步生成的氧化硅層，形成金屬接觸孔；
[0074]第五步，在P型硅襯底01的正面濺射或淀積或蒸發(fā)形成金屬層，金屬層的材料為鋁，并退火，金屬層與P型硅襯底01上的露出的N型硅02形成歐姆接觸；
[0075]第六步，在P型硅襯底01的正面濺射或淀積或蒸發(fā)形成金屬層，金屬層的材料為鋁，厚度2至5um;
[0076]第七步，在金屬層上制備光刻膠，光刻后形成正面刻蝕窗口 104的圖形，去除所述正面刻蝕窗口 104的圖形所對(duì)應(yīng)的金屬層，隨后采用RIE干法刻蝕所露出的P型硅，刻蝕深度30um，形成正面濕法刻蝕窗口 104 ;硅加熱元件101的硅加熱器1011的投影位于刻蝕窗口 104的中心位置；
[0077]第八步，將上述制備好的硅片置于四甲基氫氧化銨溶液，采用PN結(jié)自停止刻蝕從P型硅襯底01正面的刻蝕窗口 104開始濕法刻蝕，刻蝕時(shí)通過(guò)第七步制備的P型硅襯底01邊緣上的金屬給P型硅襯底01上的N型硅02施加正電壓，所述正電壓高于PN結(jié)自停止刻蝕的鈍化電勢(shì)，以使P型硅襯底01與N型硅02所形成的PN結(jié)處于反偏狀態(tài)；在PN結(jié)自停止刻蝕的作用下硅加熱元件101的N型硅02不被刻蝕，由P型硅正面刻蝕的深度至少達(dá)10um以完全釋放出硅加熱元件101，優(yōu)選刻穿硅片形成通孔105 ;硅加熱元件101的硅加熱器1011的投影位于通孔105中心位置，且外形尺寸遠(yuǎn)小于通孔105的尺寸；
[0078]第九步，在硅加熱元件101的固定端102上制備光刻膠，烘干，刻蝕去除掉除硅加熱元件101的固定端102上的電引出焊盤金屬Pad 21以外的金屬；
[0079]第十步，采用氫氟酸溶液或氫氟酸氣霧去除第二步生成的硅加熱元件101表面的氧化硅23，去除第九步的光刻膠；
[0080]第H^一步，氧化硅加熱元件101外表面露出的硅，形成厚度均勻的薄層氧化硅，其厚度十多nm至10nm,作為鈍化保護(hù)層22 ；
[0081]第十二步，劃片、裂片，得到數(shù)量眾多的本發(fā)明所述的基于硅加熱器的MEMS甲烷傳感器。
【權(quán)利要求】
1.一種基于硅加熱器的MEMS甲烷傳感器，其特征在于:它包括P型硅襯底(Ol)，P型硅襯底(01)上設(shè)有N型硅(02);以所述P型硅襯底(01)上的N型硅(02)加工制備硅加熱元件(101);所述硅加熱元件(101)包括兩個(gè)固定端(102)、硅加熱器(1011)、兩個(gè)硅懸臂(1012);所述單個(gè)的硅懸臂(1012)長(zhǎng)度至少300um ;所述單個(gè)的硅懸臂(1012)的一端與硅加熱器(1011)相連，另一端與一個(gè)固定端(102)相連，為硅加熱器(1011)提供電連接；所述兩個(gè)硅懸臂(1012)平行并排設(shè)置、與硅加熱器(1011)整體構(gòu)成U形懸臂結(jié)構(gòu)，將硅加熱器(1011)懸于空氣中；所述娃加熱兀件(101)的娃加熱器(1011)及娃懸臂(1012)的外表面設(shè)有鈍化保護(hù)層(22);所述固定端(102)設(shè)在P型硅襯底(01)上，包括N型硅(02)、N型硅(02)上的氧化硅層(20)及用作電引出焊盤金屬Pad(21)，所述電引出焊盤金屬Pad(21)設(shè)在N型硅(02)之上的氧化硅層(20)上，且電引出焊盤金屬Pad(21)通過(guò)氧化硅層(20)的窗口與其下面的N型硅(02)直接接觸構(gòu)成歐姆接觸，電引出焊盤金屬Pad (21)與其下的N型硅層(02)接觸部分沒(méi)有氧化硅層(20)； 在所述硅加熱元件(101)的固定端(102)周圍設(shè)置有去除掉N型硅的隔離溝槽(103)，所述隔離溝槽(103)使所述硅加熱元件(101)及其固定端(102)的N型硅與P型硅襯底(01)上的其余N型硅之間為高阻狀態(tài)，尤其是使設(shè)在P型硅襯底(01)上的硅加熱元件(101)的兩個(gè)固定端(102)之間除了由硅懸臂(1012)和硅加熱器(1011)構(gòu)成的電通路之外無(wú)其它電路通路。
2.一種基于娃加熱器的MEMS甲燒傳感器的應(yīng)用，其特征在于:使用兩個(gè)基于娃加熱器的MEMS甲烷傳感器，其中一個(gè)基于硅加熱器的MEMS甲烷傳感器的硅加熱元件(101)與環(huán)境空氣接觸，另一個(gè)基于硅加熱器的MEMS甲烷傳感器的硅加熱元件(101)為氣密性封裝、封裝內(nèi)的密封空氣與環(huán)境空氣隔絕，這兩個(gè)基于硅加熱器的MEMS甲烷傳感器的硅加熱元件(101)構(gòu)成惠斯通電橋檢測(cè)橋臂；在基于硅加熱器的MEMS甲烷傳感器的硅加熱元件(101)的兩個(gè)固定端(102)上施加電壓或電流，使硅加熱元件(101)的工作點(diǎn)位于電流-電阻特性曲線中的轉(zhuǎn)折點(diǎn)左側(cè)的工作點(diǎn)區(qū)域，使硅加熱元件(101)的硅加熱器(1011)發(fā)熱，其特征在于加熱溫度在500攝氏度以上；所述轉(zhuǎn)折點(diǎn)為電阻隨電流或電壓增大而出現(xiàn)的電阻最大點(diǎn)，當(dāng)電流或電壓繼續(xù)增大時(shí)，電阻不再繼續(xù)增大反而減??；當(dāng)有甲烷氣體出現(xiàn)時(shí)，與環(huán)境空氣接觸的硅加熱器(1011)的溫度降低、使硅加熱元件(101)電阻發(fā)生變化，通過(guò)由所述基于硅加熱器的MEMS甲烷傳感器構(gòu)成的惠斯通電橋?qū)崿F(xiàn)甲烷濃度的檢測(cè)。
3.如權(quán)利要求1所述的基于硅加熱器的MEMS甲烷傳感器的制備方法，包括兩種制備方法，其特征在于: 制備方法(一)的步驟為: 第一步，在(100)晶向的P型硅襯底(01)的正面經(jīng)摻雜或擴(kuò)散制備N型硅(02)，N型硅(02)厚度為3至30um ； 第二步，熱氧化生成氧化娃層，厚度0.5至Ium ； 第三步，在P型硅襯底(01)的正面制備光刻膠，光刻后形成硅加熱元件(101)、硅加熱元件的固定端周圍設(shè)置的隔離溝槽(103)及正面刻蝕窗口(104)的圖形，并采用RIE (Reactive 1n Etching,反應(yīng)離子刻蝕)方法干法刻蝕露出的氧化娃層及其下面的娃，刻蝕深度大于N型硅(02)與第二步生成的氧化硅層厚度之和，去除光刻膠； 第四步，在P型硅襯底(01)的正面光刻第二步生成的氧化硅層，形成金屬接觸孔； 第五步，在P型硅襯底(Ol)的正面濺射或淀積或蒸發(fā)形成金屬層，金屬層的材料可以是金或鋁，并退火，金屬層與P型硅襯底(01)上的露出的N型硅(02)形成歐姆接觸；第六步，在金屬層上光刻，刻蝕金屬層后形成電引出焊盤金屬Pad(21)、金屬連接線(31)及總金屬連接端(32)，所形成的每個(gè)硅加熱元件(101)的電引出焊盤金屬Pad(21)與金屬連接線(31)通過(guò)金屬層相連通，金屬連接線(31)與總金屬連接端(32)通過(guò)金屬層相連通；所述總金屬連接端(32)設(shè)在P型硅襯底的邊緣，當(dāng)在總金屬連接端(32)施加電勢(shì)時(shí)，整個(gè)硅圓片上的所有硅加熱元件(101)的N型硅形成良好電連接并具有與總金屬連接端(32)相同的電勢(shì)，所述金屬連接線(31)設(shè)在劃片槽內(nèi)(40)； 第七步，在P型硅襯底(01)的正面制備光刻膠，光刻后形成正面刻蝕窗口(104)圖形，采用RIE方法干法刻蝕所形成的正面刻蝕窗口(104)圖形所露出的P型硅，刻蝕深度大于20um,形成正面濕法娃刻蝕的刻蝕窗口(104),去除光刻膠；娃加熱兀件(101)的娃加熱器(1011)的投影位于刻蝕窗口(104)的中心位置； 第八步，在P型硅襯底(01)的正面制備刻蝕保護(hù)層，圖形化所述刻蝕保護(hù)層后露出總金屬連接端(32)及第七步制備的正面濕法硅刻蝕的刻蝕窗口(104)； 第九步，將上述制備好的硅片置于四甲基氫氧化銨溶液或氫氧化鉀溶液中對(duì)P型硅進(jìn)行正面濕法刻蝕，即硅刻蝕從P型硅襯底(01)的正面開始，刻蝕時(shí)通過(guò)總金屬連接端(32)給P型硅襯底(01)上的N型硅(02)施加正電壓，所述正電壓高于PN結(jié)自停止刻蝕的鈍化電勢(shì)，以使P型硅襯底(01)與N型硅(02)所形成的PN結(jié)處于反偏狀態(tài)；在PN結(jié)自停止刻蝕的作用下，硅加熱元件(101)的N型硅(02)不被刻蝕，由P型硅正面刻蝕的深度至少10um以完全釋放出硅加熱元件(101)，優(yōu)選刻穿硅片形成通孔(105);硅加熱元件(101)的硅加熱器(1011)的投影位于通孔(105)中心位置，且外形尺寸遠(yuǎn)小于通孔(105)的尺寸； 第十步，去除第八步制備的刻蝕保護(hù)層，干燥后采用氫氟酸溶液或氫氟酸氣霧去除第二步生成的硅加熱元件(101)表面的氧化硅； 第十一步，氧化硅加熱元件(101)外表面露出的硅，形成厚度均勻的薄層氧化硅，其厚度為十?dāng)?shù)nm至10nm,作為鈍化保護(hù)層(22)； 第十二步，沿劃線槽(40)劃片，并切斷電引出焊盤金屬Pad(21)與設(shè)置的金屬連接線(31)的連接，切斷后每一個(gè)硅加熱元件(101)的兩個(gè)電引出焊盤金屬Pad(21)之間不存在金屬連接；裂片后得到數(shù)量眾多的本發(fā)明所述的基于硅加熱器的MEMS甲烷傳感器； 或制備方法(二)的步驟為: 第一步，在(100)晶向的P型硅襯底(01)的正面經(jīng)摻雜或擴(kuò)散制備N型硅(02)，N型硅(02)厚度為3至30um ； 第二步，熱氧化生成氧化娃層，厚度0.5至Ium ； 第三步，在P型硅襯底(01)正面的氧化硅層上制備光刻膠，光刻后形成硅加熱元件(101)、硅加熱元件的固定端周圍設(shè)置的隔離溝槽(103)及正面刻蝕窗口(104)的圖形，并采用RIE (Reactive 1n Etching,反應(yīng)離子刻蝕)方法干法刻蝕露出的氧化娃層及其下面的硅，刻蝕深度大于N型硅(02)與第二步生成的氧化硅層厚度之和，去除光刻膠； 第四步，在P型硅襯底(01)的正面光刻第二步生成的氧化硅層，形成金屬接觸孔； 第五步，在P型硅襯底(01)的正面濺射或淀積或蒸發(fā)形成金屬層，金屬層的材料為鋁，并退火，金屬層與P型娃襯底(Ol)上的露出的N型娃(02)形成歐姆接觸； 第六步，在P型硅襯底(01)的正面濺射或淀積或蒸發(fā)形成金屬層，金屬層的材料為鋁，厚度2至5um ； 第七步，在金屬層上制備光刻膠，光刻后形成正面刻蝕窗口(104)的圖形，去除所述正面刻蝕窗口的圖形所對(duì)應(yīng)的金屬層，隨后采用RIE干法刻蝕所露出的P型硅，刻蝕深度30um，形成正面濕法刻蝕窗口(104);硅加熱元件(101)的硅加熱器(1011)的投影位于刻蝕窗口(104)的中心位置； 第八步，將上述制備好的硅片置于四甲基氫氧化銨溶液，采用PN結(jié)自停止刻蝕從P型硅襯底(01)的正面開始濕法刻蝕，刻蝕時(shí)通過(guò)第七步制備的P型硅襯底(01)邊緣上的金屬給P型硅襯底(01)上的N型硅(02)施加正電壓，所述正電壓高于PN結(jié)自停止刻蝕的鈍化電勢(shì)，以使P型硅襯底(01)與N型硅(02)所形成的PN結(jié)處于反偏狀態(tài)；在PN結(jié)自停止刻蝕的作用下硅加熱元件(101)的N型硅(02)不被刻蝕，由P型硅正面刻蝕深度至少10um以完全釋放出硅加熱元件(101)，優(yōu)選刻穿硅片形成通孔(105);硅加熱元件(101)的硅加熱器(1011)的投影位于通孔(105)中心位置，且外形尺寸遠(yuǎn)小于通孔(105)的尺寸；第九步，在硅加熱元件(101)的固定端(102)上制備光刻膠，烘干，刻蝕去除掉除硅加熱元件(101)的固定端(102)上的電引出焊盤金屬Pad(21)以外的金屬； 第十步，采用氫氟酸溶液或氫氟酸氣霧去除第二步生成的硅加熱元件(101)表面的氧化硅(23)，去除第九步的光刻膠； 第十一步，氧化硅加熱元件(101)外表面露出的硅，形成厚度均勻的薄層氧化硅，其厚度十多nm至10nm,作為鈍化保護(hù)層(22)； 第十二步，劃片、裂片，得到數(shù)量眾多的本發(fā)明所述的基于硅加熱器的MEMS甲烷傳感器。
【文檔編號(hào)】G01N27/14GK104316576SQ201410607093
【公開日】2015年1月28日 申請(qǐng)日期:2014年10月31日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月31日
【發(fā)明者】馬洪宇 申請(qǐng)人:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)