專利名稱：氣體傳感器及其形成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種氣體傳感器及其形成方法。
背景技術(shù)：
氣體檢測(cè)技術(shù)在國民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位，過去幾十年中，研究人員在制作方法上包括氣敏材料開發(fā)和器件微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上對(duì)傳感器進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，其中硅基微結(jié)構(gòu)薄膜傳感器件因?yàn)轶w積小，易于集成的優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。目前的硅基微結(jié)構(gòu)薄膜傳感器件中氣敏材料多采用Sn02、ZnO、Fe203、La203、In2O3,Al2O3' W03、MoO3, TiO2, V205、Co3O4, Ga2O3, CuO, NiO、Si O2 等金屬氧化物，以及 ABO3 (YFeO3>LaFeO3> ZnSnO3> CdSnO3> Co2TiO3)、A2BO4 (MgFe2O4、CdFe2O4, CdIn2O4)型復(fù)合氧化物及其摻雜的化合物，工作溫度在200-500°C范圍內(nèi)。對(duì)應(yīng)地，如圖I所示，硅基微結(jié)構(gòu)薄膜傳感器件通常包括Si襯底100’、絕緣介質(zhì)層200’、加熱電極300’、測(cè)試電極400’和氣敏薄膜500’，其中氣敏薄膜500’通過旋涂氣敏材料然后燒結(jié)而成?，F(xiàn)有硅基微結(jié)構(gòu)薄膜傳感器件中，由于氣敏薄膜500’是通過旋涂并燒結(jié)而成，往往因?yàn)闊Y(jié)質(zhì)量的影響，導(dǎo)致界面結(jié)合不牢固、薄膜導(dǎo)電性變差、薄膜靈敏度變差等缺點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的旨在至少解決上述技術(shù)缺陷之一。為此,本發(fā)明的一個(gè)目的在于提出一種氣體傳感器的形成方法，該方法具有穩(wěn)定可靠、靈敏性高的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明的實(shí)施例公開了一種氣體傳感器的形成方法，包括提供襯底；在所述襯底之上形成介質(zhì)層；在所述介質(zhì)層之上形成第一壓焊塊和第二壓焊塊；在所述介質(zhì)層之上形成碳基薄膜，其中，所述碳基薄膜位于所述第一壓焊塊與第二壓焊塊之間，且覆蓋所述第一壓焊塊與第二壓焊塊的一部分；以及在所述碳基薄膜之上形成第一金屬接觸和第二金屬接觸，其中所述第一金屬接觸與所述第一壓焊塊的至少一部分相連，所述第二金屬接觸與所述第二壓焊塊的至少一部分相連。在本發(fā)明氣體傳感器的形成方法的一個(gè)實(shí)施例中，在所述介質(zhì)層中形成加熱器件和測(cè)溫器件。在本發(fā)明氣體傳感器的形成方法的一個(gè)實(shí)施例中，所述襯底為Si，所述介質(zhì)層為通過熱氧化形成的SiO2或通過沉積形成的Si3N4。在本發(fā)明氣體傳感器的形成方法的一個(gè)實(shí)施例中，所述碳基薄膜包括單層石墨稀、雙層石墨稀或多層石墨稀。在本發(fā)明氣體傳感器的形成方法的一個(gè)實(shí)施例中，通過Cu襯底上CVD后化學(xué)濕法轉(zhuǎn)移，或者Pt襯底上CVD后電化學(xué)法轉(zhuǎn)移以形成所述碳基薄膜。本發(fā)明的氣體傳感器的形成方法，具有如下優(yōu)點(diǎn)(I)氣敏材料采用石墨烯，具有比表面積大、吸附能力強(qiáng)、靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)；(2)利用氣壓在形成介質(zhì)層表面形成平整、緊密的碳基薄膜，與旋涂并燒結(jié)相比，所得的薄膜質(zhì)量更好(3)形成碳基薄膜之后的工序少，僅需要蒸發(fā)金屬以形成接觸，避免了復(fù)雜加工對(duì)碳基薄膜的沾污或損害；(4)最終形成壓焊塊金屬-碳基薄膜-接觸金屬的兩面夾結(jié)構(gòu)的電極，強(qiáng)度更大，接觸電阻更?。?5)石墨烯作氣敏材料的工作溫度較低，可無需加熱器件和測(cè)溫器件，省去了附加結(jié)構(gòu)，并避免了長(zhǎng)時(shí)間高工作溫度下整體器件老化或損壞。本發(fā)明的另一目的在于提出一種氣體傳感器，該器件具有穩(wěn)定可靠、靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明的實(shí)施例還公開了一種碳基薄膜氣體傳感器，包括襯底；形成在所述襯底之上的介質(zhì)層；形成在所述介質(zhì)層之上的第一壓焊塊和第二壓焊塊；形成在所述介質(zhì)層之上的碳基薄膜，其中，所述碳基薄膜位于所述第一壓焊塊與第二壓焊塊之間，且覆蓋所述第一壓焊塊與第二壓焊塊的一部分；以及形成在所述碳基薄膜之上的第一金屬接觸和第二金屬接觸，其中所述第一金屬接觸與所述第一壓焊塊的至少一部分相連，所述第二金屬接觸與所述第二壓焊塊的至少一部分相連。在本發(fā)明氣體傳感器的一個(gè)實(shí)施例中，還包括位于所述介質(zhì)層中的加熱器件和測(cè)溫器件。在本發(fā)明氣體傳感器的一個(gè)實(shí)施例中，所述襯底為Si，所述介質(zhì)層為通過熱氧化形成的SiO2或通過沉積形成的Si3N4。在本發(fā)明氣體傳感器的一個(gè)實(shí)施例中，所述碳基薄膜包括單層石墨烯、雙層石墨烯、多層石墨烯、硫化鑰薄膜或氮化硼薄膜。在本發(fā)明氣體傳感器的一個(gè)實(shí)施例中，所述碳基薄膜通過Cu襯底上CVD后化學(xué)濕法轉(zhuǎn)移，或者Pt襯底上CVD后電化學(xué)法轉(zhuǎn)移形成。本發(fā)明的氣體傳感器，具有如下優(yōu)點(diǎn)(1)氣敏材料采用石墨烯，具有比表面積大、吸附能力強(qiáng)、靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)；(2)利用氣壓在形成介質(zhì)層表面形成平整、緊密的碳基薄膜，與旋涂并燒結(jié)相比，所得的薄膜質(zhì)量更好(3)形成碳基薄膜之后的工序少，僅需要蒸發(fā)金屬以形成接觸，避免了復(fù)雜加工對(duì)碳基薄膜的沾污或損害；(4)最終形成壓焊塊金屬-碳基薄膜-接觸金屬的兩面夾結(jié)構(gòu)的電極，強(qiáng)度更大，接觸電阻更??；(5)石墨烯作氣敏材料的工作溫度較低，可無需加熱器件和測(cè)溫器件，省去了附加結(jié)構(gòu)，并避免了長(zhǎng)時(shí)間高工作溫度下整體器件老化或損壞。本發(fā)明附加的方面和優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實(shí)踐了解到。


本發(fā)明上述的和/或附加的方面和優(yōu)點(diǎn)從下面結(jié)合附圖對(duì)實(shí)施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中圖I為現(xiàn)有技術(shù)的硅基微結(jié)構(gòu)薄膜傳感器件的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2-圖6為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的氣體傳感器的形成方法的不意圖；和圖7為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的氣體傳感器的結(jié)構(gòu)不意圖。
具體實(shí)施方式
下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例，所述實(shí)施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標(biāo)號(hào)表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實(shí)施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能解釋為對(duì)本發(fā)明的限制。在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術(shù)語“縱向”、“橫向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底” “內(nèi)”、“外”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡(jiǎn)化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制。在本發(fā)明的描述中，需要說明的是，除非另有規(guī)定和限定，術(shù)語“安裝”、“相連”、“連接”應(yīng)做廣義理解，例如，可以是機(jī)械連接或電連接，也可以是兩個(gè)元件內(nèi)部的連通，可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以根據(jù)具體情況理解上述術(shù)語的具體含義。為使本領(lǐng)域技術(shù)人員更好地理解本發(fā)明，先對(duì)石墨烯材料的氣敏性質(zhì)做簡(jiǎn)單介 紹。石墨烯(Graphene)是一種由碳原子構(gòu)成的單層片狀結(jié)構(gòu)的新材料。是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜。由于石墨烯的尺寸很小，故比表面積大，對(duì)氣體的吸附能力強(qiáng)。研究表明，石墨烯自身具有優(yōu)良的導(dǎo)電性，但其表面吸附了NO、NO2, CO等特定氣體之后引起表面化學(xué)反應(yīng)或體原子價(jià)態(tài)的變化，而導(dǎo)致石墨烯的電阻發(fā)生改變。根據(jù)這一特性，可將石墨烯材料應(yīng)用于氣體傳感器。下面參考圖2至圖6來具體闡述根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的氣體傳感器的形成方法。本發(fā)明提出的一種氣體傳感器形成方法，包括以下步驟步驟SI，提供襯底100。具體地，如圖2所示，提供襯底100。襯底100可采用單面拋光的高阻Si襯底，晶向〈100〉。步驟S2，在襯底100之上形成介質(zhì)層200。具體地，如圖3所示，對(duì)襯底100的上表面進(jìn)行熱氧化處理使Si轉(zhuǎn)變?yōu)镾iO2,或者對(duì)襯底100的上表面沉積Si3N4,作為介質(zhì)層200,用于電氣隔離，防止測(cè)試電極短路。一般地，該介質(zhì)層200厚度為O. 7-1 μ m。優(yōu)選地，還可以在介質(zhì)層200中形成加熱器件和測(cè)溫器件，以使氣體傳感器在預(yù)定的工作溫度范圍工作。需要說明的是，加熱器件和測(cè)溫器件并非必須的。由于石墨烯具有較大比表面積能夠吸附待測(cè)氣體，因此，即使在常溫下工作也有較靈敏的響應(yīng)。步驟S3，在介質(zhì)層200之上形成第一壓焊塊301和第二壓焊塊302。具體地，可通過濺射等方式在介質(zhì)層200上形成金屬(例如A1)材料的第一壓焊塊301和第二壓焊塊302，厚度約O. 7 μ m。步驟S4，在介質(zhì)層200之上形成碳基薄膜400，該碳基薄膜400位于第一壓焊塊301與第二壓焊塊302之間，且覆蓋第一壓焊塊301與第二壓焊塊302的一部分。其中，碳基薄I吳400可為單層石墨稀、雙層石墨稀、多層石墨稀等等。具體地，在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，通過Cu襯底上CVD后化學(xué)濕法轉(zhuǎn)移，或者Pt襯底上CVD后電化學(xué)法轉(zhuǎn)移方法，在介質(zhì)層200之上形成碳基薄膜400。該過程中，碳基薄膜可以利用氣壓平整緊密地貼合在介質(zhì)層上，與旋涂并燒結(jié)形成薄膜相比，所得的薄膜質(zhì)量更好。步驟S5，碳基薄膜400之上形成第一金屬接觸501和第二金屬接觸502，其中第一金屬接觸501與第一壓焊塊301的至少一部分相連，第二金屬接觸502與第二壓焊塊302的至少一部分相連。具體地，可以通過蒸發(fā)、濺射等工藝在碳基薄膜400兩側(cè)上方形成幾十納米(通常取經(jīng)驗(yàn)值40nm)厚度的金屬材料及金屬材料的組合，以形成第一金屬接觸501和第二金屬接觸502。本發(fā)明的氣體傳感器的形成方法，具有如下優(yōu)點(diǎn)(I)氣敏材料采用石墨烯，具有比表面積大、吸附能力強(qiáng)、靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)；(2)利用氣壓在形成介質(zhì)層表面形成平整、緊密的碳基薄膜，與旋涂并燒結(jié)相比，所得的薄膜質(zhì)量更好(3)形成碳基薄膜之后的工序少，僅需要蒸發(fā)金屬以形成接觸，避免了復(fù)雜加工對(duì)碳基薄膜的沾污或損害；(4)最終形成壓·焊塊金屬-碳基薄膜-接觸金屬的兩面夾結(jié)構(gòu)的電極，強(qiáng)度更大，接觸電阻更小；(5)石墨烯作氣敏材料的工作溫度較低，可無需加熱器件和測(cè)溫器件，省去了附加結(jié)構(gòu)，并避免了長(zhǎng)時(shí)間高工作溫度下整體器件老化或損壞。本發(fā)明的還提出了一種氣體傳感器，如圖7所示，包括襯底100 ;形成在襯底100之上的介質(zhì)層200 ;形成在介質(zhì)層200之上的第一壓焊塊301和第二壓焊塊302 ;形成在介質(zhì)層200之上的碳基薄膜400，其中，碳基薄膜400位于第一壓焊塊301與第二壓焊塊302之間，且覆蓋第一壓焊塊301與第二壓焊塊302的一部分；以及形成在碳基薄膜400之上的第一金屬接觸501和第二金屬接觸502，其中第一金屬接觸501與第一壓焊塊301的至少一部分相連，第二金屬接觸502與第二壓焊塊302的至少一部分相連。在本發(fā)明氣體傳感器的一個(gè)實(shí)施例中，還包括位于介質(zhì)層200中的加熱器件和測(cè)溫器件。在本發(fā)明氣體傳感器的一個(gè)實(shí)施例中，襯底100為Si,介質(zhì)層200為通過熱氧化形成的SiO2或通過沉積形成的Si3N4。在本發(fā)明氣體傳感器的一個(gè)實(shí)施例中，碳基薄膜400包括單層石墨烯、雙層石墨烯、多層石墨烯、硫化鑰薄膜或氮化硼薄膜。在本發(fā)明氣體傳感器的一個(gè)實(shí)施例中，碳基薄膜通過Cu襯底上CVD后化學(xué)濕法轉(zhuǎn)移，或者Pt襯底上CVD后電化學(xué)法轉(zhuǎn)移形成。本發(fā)明的氣體傳感器，具有如下優(yōu)點(diǎn)(1)氣敏材料采用石墨烯，具有比表面積大、吸附能力強(qiáng)、靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)；(2)利用氣壓在形成介質(zhì)層表面形成平整、緊密的碳基薄膜，與旋涂并燒結(jié)相比，所得的薄膜質(zhì)量更好(3)形成碳基薄膜之后的工序少，僅需要蒸發(fā)金屬以形成接觸，避免了復(fù)雜加工對(duì)碳基薄膜的沾污或損害；(4)最終形成壓焊塊金屬-碳基薄膜-接觸金屬的兩面夾結(jié)構(gòu)的電極，強(qiáng)度更大，接觸電阻更??；(5)石墨烯作氣敏材料的工作溫度較低，可無需加熱器件和測(cè)溫器件，省去了附加結(jié)構(gòu)，并避免了長(zhǎng)時(shí)間高工作溫度下整體器件老化或損壞。在本說明書的描述中，參考術(shù)語“一個(gè)實(shí)施例”、“一些實(shí)施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結(jié)合該實(shí)施例或示例描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點(diǎn)包含于本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例或示例中。在本說明書中，對(duì)上述術(shù)語的示意性表述不一定指的是相同的實(shí)施例或示例。而且，描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點(diǎn)可以在任何的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例或示例中以合適的方式結(jié)合。盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以理解在不脫離本發(fā)明的原理和精神的情況下可以對(duì)這些實(shí)施例進(jìn)行多種變化、修改、替換
和變型，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求及其等同限定。
權(quán)利要求
1.一種氣體傳感器的形成方法，其特征在于，包括以下步驟 提供襯底； 在所述襯底之上形成介質(zhì)層； 在所述介質(zhì)層之上形成第一壓焊塊和第二壓焊塊； 在所述介質(zhì)層之上形成碳基薄膜，其中，所述碳基薄膜位于所述第一壓焊塊與第二壓焊塊之間，且覆蓋所述第一壓焊塊與第二壓焊塊的一部分；以及 在所述碳基薄膜之上形成第一金屬接觸和第二金屬接觸，其中所述第一金屬接觸與所述第一壓焊塊的至少一部分相連，所述第二金屬接觸與所述第二壓焊塊的至少一部分相連。
2.如權(quán)利要求I所述的氣體傳感器的形成方法，其特征在于，還包括在所述介質(zhì)層中形成加熱器件和測(cè)溫器件。
3.如權(quán)利要求I所述的氣體傳感器的形成方法，其特征在于，所述襯底為Si，所述介質(zhì)層為通過熱氧化形成的SiO2或通過沉積形成的Si3N4。
4.如權(quán)利要求I所述的氣體傳感器的形成方法，其特征在于，所述碳基薄膜包括單層石墨烯、雙層石墨烯或多層石墨烯。
5.如權(quán)利要求5所述的氣體傳感器的形成方法，其特征在于，通過Cu襯底上CVD后化學(xué)濕法轉(zhuǎn)移，或者Pt襯底上CVD后電化學(xué)法轉(zhuǎn)移以形成所述碳基薄膜。
6.一種氣體傳感器，其特征在于，包括以下部分 襯底； 形成在所述襯底之上的介質(zhì)層； 形成在所述介質(zhì)層之上的第一壓焊塊和第二壓焊塊； 形成在所述介質(zhì)層之上的碳基薄膜，其中，所述碳基薄膜位于所述第一壓焊塊與第二壓焊塊之間，且覆蓋所述第一壓焊塊與第二壓焊塊的一部分；以及 形成在所述碳基薄膜之上的第一金屬接觸和第二金屬接觸，其中所述第一金屬接觸與所述第一壓焊塊的至少一部分相連，所述第二金屬接觸與所述第二壓焊塊的至少一部分相連。
7.如權(quán)利要求6所述的氣體傳感器，其特征在于，還包括位于所述介質(zhì)層中的加熱器件和測(cè)溫器件。
8.如權(quán)利要求6所述的氣體傳感器，其特征在于，所述襯底為Si，所述介質(zhì)層為通過熱氧化形成的SiO2或通過沉積形成的Si3N4。
9.如權(quán)利要求6所述的氣體傳感器，其特征在于，所述碳基薄膜包括單層石墨烯、雙層石墨烯或多層石墨烯。
10.如權(quán)利要求6所述的氣體傳感器，其特征在于，所述碳基薄膜通過Cu襯底上CVD后化學(xué)濕法轉(zhuǎn)移，或者Pt襯底上CVD后電化學(xué)法轉(zhuǎn)移形成。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種氣體傳感器及其形成方法，該氣體傳感器包括襯底；形成在襯底之上的介質(zhì)層；形成在介質(zhì)層之上的第一壓焊塊和第二壓焊塊；形成在介質(zhì)層之上的碳基薄膜，其中，碳基薄膜位于第一壓焊塊與第二壓焊塊之間，且覆蓋第一壓焊塊與第二壓焊塊的一部分；以及形成在碳基薄膜之上的第一金屬接觸和第二金屬接觸，其中第一金屬接觸與第一壓焊塊的至少一部分相連，第二金屬接觸與第二壓焊塊的至少一部分相連。本發(fā)明的氣敏材料采用石墨烯，氣敏性質(zhì)更優(yōu)；利用氣壓在形成的碳基薄膜平整、致密、質(zhì)量好；形成碳基薄膜之后的工序少，對(duì)碳基薄膜的沾污或損害少；最終形成兩面夾結(jié)構(gòu)的電極，強(qiáng)度更大，接觸電阻更小。
文檔編號(hào)G01N27/00GK102866178SQ20121033109
公開日2013年1月9日 申請(qǐng)日期2012年9月7日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月7日
發(fā)明者伍曉明, 肖柯, 呂宏鳴, 錢鶴, 吳華強(qiáng) 申請(qǐng)人:清華大學(xué)