全硅mems甲烷傳感器及瓦斯檢測應(yīng)用和制備方法
【專利摘要】一種全硅MEMS甲烷傳感器及瓦斯檢測應(yīng)用和制備方法，適用于工礦環(huán)境下使用，屬于甲烷傳感器及其制備方法與檢測方法，特別屬于采用微電子機(jī)械系統(tǒng)加工技術(shù)的甲烷傳感器及其甲烷檢測方法。該全硅MEMS傳感器采用單晶硅作為加熱元件的加熱材料，加熱元件同時作為甲烷敏感元件，且不需催化劑載體及催化劑材料即可實現(xiàn)低濃度甲烷的檢測。該全硅MEMS甲烷傳感器以SOI硅片為基片采用MEMS工藝加工，加工工藝與CMOS工藝兼容。該全硅MEMS傳感器具有功耗低、靈敏度高、不受缺氧的影響、不受積碳、中毒等因催化劑所帶來影響的特點。
【專利說明】全硅MEMS甲烷傳感器及瓦斯檢測應(yīng)用和制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及甲烷傳感器及瓦斯檢測應(yīng)用和制備方法，尤其適用于一種工礦生產(chǎn)中對瓦斯預(yù)防中使用的全硅MEMS甲烷傳感器及瓦斯檢測應(yīng)用和制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]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)，由于使用催化劑存在其諸多缺點。如調(diào)校周期短、積碳、中毒、激活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)對甲烷傳感器的應(yīng)用需求。現(xiàn)有熱導(dǎo)式瓦斯傳感器在煤礦井下用于檢測高濃度的以甲烷為主的瓦斯氣體，對于低濃度低于4%的以甲烷為主的瓦斯氣體由于靈敏度低則無法用于檢測報警。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0003]技術(shù)問題:本發(fā)明的目的是提供一種結(jié)構(gòu)簡單，不使用催化劑，可以檢測出濃度低于4%以甲烷為主的瓦斯氣體，且采用CMOS兼容的MEMS工藝，生產(chǎn)便利的全硅MEMS甲烷傳感器及瓦斯檢測應(yīng)用和制備方法。
[0004]技術(shù)方案:本發(fā)明的全娃MEMS甲燒傳感器包括娃兀件、固定端與娃框架支座；所述硅框架支座為SOI基片，包括硅襯底、設(shè)在硅襯底上的埋層氧化硅及埋層氧化硅之上的頂層硅，頂層硅為單晶硅；
[0005]所述固定端在硅框架支座上的埋層氧化硅上；所述固定端包括硅層、硅層外的氧化硅層及用作電引出焊盤Pad的金屬層；固定端的硅層設(shè)在埋層氧化硅之上；所述固定端的支撐娃層內(nèi)設(shè)有摻雜娃層；所述電引出焊盤Pad的金屬層設(shè)在娃層之上的氧化娃層上；金屬層與固定端的摻雜硅層直接接觸并構(gòu)成歐姆接觸，二者接觸部分沒有氧化硅層；
[0006]所述硅元件包括硅層、硅層外的氧化硅層及鈍化保護(hù)層，所述硅元件設(shè)有硅加熱器、兩個對稱設(shè)置的用于支撐硅加熱器并為硅加熱器提供電連接的硅懸臂，所述硅懸臂的長度至少300um ;所述單個的硅懸臂的一端與硅加熱器相連，另一端與硅框架支座上的固定端相連，兩個硅懸臂將硅加熱器懸于空氣中；兩個硅懸臂較佳為平行并排、與硅加熱器整體構(gòu)成U形懸臂結(jié)構(gòu)；硅加熱器可以是多個硅加熱條的并聯(lián)，以具有較大的表面積；所述鈍化保護(hù)層為氧化硅，或氧化鉿，或氧化硅/氧化鋁復(fù)合層，或氧化鉿/氧化鋁復(fù)合層，或氧化鉿/氮化硅復(fù)合層，或氧化鋁/氮化硅復(fù)合層，或氧化硅/氮化硅復(fù)合層，或氧化硅、氧化鉿、氧化鋁、氮化硅幾種材料組合形成的復(fù)合層；其中氧化硅的厚度至少10nm，氧化鉿的厚度至少為5um,氧化招厚度至少6nm,氮化娃厚度至少1nm,整個鈍化保護(hù)層的厚度不超過Ium ；
[0007]所述硅元件的硅層與固定端的硅層同是SOI基片的頂層硅的一部分，即同是硅框架支座的頂層硅的一部分，是由頂層硅加工成形的，厚度相同；但不與硅框架支座的其它頂層硅相連通；兩個固定端的硅層之間只與硅元件的硅層相連通。
[0008]一種全硅MEMS甲烷傳感器甲烷檢測應(yīng)用方法:通過在所述全硅MEMS甲烷傳感器的硅元件的兩個固定端上施加電壓或通以電流使硅元件工作于電流-電阻特性曲線中轉(zhuǎn)折點左側(cè)的工作點區(qū)域，使硅元件的硅加熱器發(fā)熱，加熱溫度在500攝氏度以上，單個硅元件工作時的功耗約80?90mW ;所述轉(zhuǎn)折點為電阻隨電流或電壓增大而出現(xiàn)的電阻最大點，當(dāng)電流或電壓繼續(xù)增大時，電阻不再繼續(xù)增大反而減??；當(dāng)有甲烷氣體出現(xiàn)時，全硅MEMS甲烷傳感器的硅加熱器的溫度降低，使硅元件的電阻發(fā)生變化；使用兩個所述的全硅MEMS甲烷傳感器的硅元件構(gòu)成惠斯通電橋檢測橋臂檢測甲烷濃度，其中一個全硅MEMS甲烷傳感器的硅元件與環(huán)境空氣接觸，另一個全硅MEMS甲烷傳感器的硅元件為氣密性封裝、封裝內(nèi)的氣體與環(huán)境空氣隔絕密封，當(dāng)出現(xiàn)甲烷氣體時惠斯通檢測電橋的輸出電壓由于與環(huán)境空氣接觸的硅元件電阻降低而發(fā)生變化，惠斯通檢測電橋的輸出電壓隨甲烷濃度增大而降低，實現(xiàn)對甲烷氣體的檢測，對低濃度甲烷氣體(O?4% )的檢測靈敏度可達(dá)10mV/CH4%，響應(yīng)時間可達(dá)40ms左右。
[0009]如權(quán)利要求1所述的全硅MEMS甲烷傳感器的制備方法，包括三種制備方法，具體為:
[0010]制備方法(一)的步驟為:
[0011]第一步，在SOI基片正面上的頂層硅上制備氧化硅層；
[0012]第二步，圖形化頂層硅之上的氧化硅層，形成摻雜或離子注入所需的窗口 ；
[0013]第三步，摻雜或離子注入形成摻雜硅層；
[0014]第四步，通過淀積、濺射或蒸發(fā)在SOI基片正面上形成金屬層；
[0015]第五步，圖形化第四步形成的金屬層，形成電引出焊盤的金屬Pad，退火后形成歐姆接觸；
[0016]第六步，光刻形成正面刻蝕窗口圖形，刻蝕去除掉正面刻蝕窗口圖形內(nèi)的氧化硅層，隨后采用RIE (Reactive 1n Etching,反應(yīng)離子刻蝕)方法干法刻蝕繼續(xù)去除掉頂層硅，刻蝕停止于埋層氧化硅，刻蝕后在埋層氧化硅層上形成硅元件、固定端的結(jié)構(gòu)圖形、并刻蝕去除掉與背面刻蝕窗口對應(yīng)的窗口內(nèi)的其余氧化硅層及頂層硅，所形成的硅元件及與其連接的兩個固定端與埋層氧化硅層上的其余頂層硅不相連，同一個硅元件的兩個固定端不與硅框架支座上的其余頂層硅相連，也不通過硅框架支座上的其余頂層硅相連；
[0017]第七步，在SOI基片的正面上制備刻蝕保護(hù)層，采用光刻膠或PSG(磷硅玻璃)作為刻蝕保護(hù)層，所述刻蝕保護(hù)層覆蓋整個SOI硅片的正面；
[0018]第八步，在SOI基片背面光刻形成背面刻蝕窗口圖形后，采用濕法刻蝕或ICP (Inductively Coupled Plasma,感應(yīng)稱合等離子體刻蝕)或 DRIE (Deep Reactive 1nEtching,深反應(yīng)離子刻蝕)等干法刻蝕方法刻蝕去除掉背面刻蝕窗口所露出的SOI基片的硅襯底，刻蝕停止于埋層氧化硅；所述背面刻蝕窗口與正面刻蝕窗口在SOI硅基片背面投影的圖形中心相重合，背面刻蝕窗口大于正面刻蝕窗口 ；
[0019]第九步，采用氫氟酸溶液或氫氟酸氣霧濕法刻蝕從SOI基片背面露出的埋層氧化娃層，釋放出娃元件；
[0020]第十步，去除第七步所制備的刻蝕保護(hù)層，干燥；
[0021]第十一步，對暴露出的硅進(jìn)行氧化，形成薄層氧化硅層；
[0022]第十二步，采用保護(hù)層覆蓋SOI基片的正面，所述保護(hù)層覆蓋除硅元件以外的SOI基片正面其余部分；可以光刻膠作為保護(hù)層；可采用微噴印設(shè)備在精確定位后制備用作保護(hù)層的光刻膠；也可使用覆蓋在SOI基片正面的掩蔽版采用噴涂的方法制備所述用作保護(hù)層的光刻膠，所述掩蔽版僅露出硅元件，而其余的SOI基片正面部分被掩蔽版遮擋??；
[0023]第十三步，采用ALD方法制備氧化鉿薄膜，或制備氧化鋁薄膜，或制備氧化鉿/氧化鋁復(fù)合薄膜，或制備氧化硅/氧化鉿/氧化鋁復(fù)合薄膜，通過第十一步與本步驟或通過第十一步與本步驟中的其中一個步驟形成鈍化保護(hù)層；制備的鈍化保護(hù)層覆蓋硅元件外表面；
[0024]第十四步，去除第十二步使用的保護(hù)層，干燥；
[0025]第十五步，沿劃線槽對SOI基片進(jìn)行劃片，裂片后得到本發(fā)明所述的大量的甲烷傳感器；
[0026]或制備方法(二)的步驟為:
[0027]第一步，在SOI基片正面上的頂層硅上制備氧化硅層；
[0028]第二步，圖形化頂層硅之上的氧化硅層，形成摻雜或離子注入所需的窗口 ；
[0029]第三步，摻雜或離子注入形成摻雜硅層；
[0030]第四步，光刻形成正面刻蝕窗口圖形，刻蝕去除掉正面刻蝕窗口圖形內(nèi)的氧化硅層，隨后采用RIE刻蝕繼續(xù)去除掉頂層硅，刻蝕停止于埋層氧化硅，刻蝕后在埋層氧化硅層上形成硅元件、固定端的結(jié)構(gòu)圖形、并刻蝕去除掉與背面刻蝕窗口對應(yīng)的窗口內(nèi)的其余氧化硅層及頂層硅，所形成的硅元件及與其連接的兩個固定端與埋層氧化硅層上的其余頂層硅不相連，同一個硅元件的兩個固定端不與硅框架支座上的其余頂層硅相連，也不通過硅框架支座上的其余頂層硅相連；
[0031]第五步，在SOI基片的正面制備刻蝕保護(hù)層，采用光刻膠或PSG(磷硅玻璃)作為刻蝕保護(hù)層，所述刻蝕保護(hù)層覆蓋整個SOI硅片的正面；
[0032]第六步，在SOI基片背面光刻形成背面刻蝕窗口圖形后，采用濕法刻蝕或ICP或DRIE等干法刻蝕方法刻蝕去除掉背面刻蝕窗口所露出的SOI基片的硅襯底，刻蝕停止于埋層氧化硅；
[0033]第七步，采用氫氟酸溶液或氫氟酸氣霧濕法刻蝕從硅襯底露出的埋層氧化硅層，釋放出懸空的硅元件；
[0034]第八步，去除第五步所形成的刻蝕保護(hù)層；
[0035]第九步，對暴露出的硅進(jìn)行氧化，形成薄層氧化硅層；
[0036]第十步，采用保護(hù)層覆蓋SOI基片的正面，所述保護(hù)層覆蓋除懸空硅元件以外的
SOI基片正面其余部分；可以光刻膠作為保護(hù)層；可采用微噴印設(shè)備在精確定位后制備用作保護(hù)層的光刻膠；也可使用覆蓋在SOI基片正面的掩蔽版采用噴涂的方法制備所述用作保護(hù)層的光刻膠；所述掩蔽版僅露出硅元件，而其余的SOI基片正面部分被掩蔽版遮擋??；
[0037]第H^一步，采用ALD方法在硅元件的外表面制備氧化鋁或氧化鉿薄膜；
[0038]第十二步，采用PECVD在400?450°C時在懸空的硅元件的外表面制備氮化硅；通過第九步、第十一步與本步驟或上述三個步驟的組合制備成氧化硅/氮化硅復(fù)合薄膜，或氧化硅/氧化鋁/氮化硅復(fù)合薄膜，或氧化鉿/氮化硅復(fù)合薄膜，或氧化硅/氧化鉿/氧化鋁/氮化硅符合薄膜，形成鈍化保護(hù)層；制備的鈍化保護(hù)層覆蓋硅元件外表面；
[0039]第十三步，去除第十步使用的保護(hù)層，干燥；
[0040]第十四步，在SOI基片正面制備光刻膠，光刻后形成電引出焊盤的金屬Pad的圖形；
[0041]第十五步，通過濺射或沉積制備金屬層；
[0042]第十六步，去除所述第十四步制備的光刻膠，僅在固定端(102)上形成電引出焊盤的金屬Pad (22)，干燥，退火后形成歐姆接觸；
[0043]第十七步，沿劃線槽對SOI基片進(jìn)行劃片，裂片后得到本發(fā)明所述的大量的甲烷傳感器；
[0044]或制備方法(三)的步驟為:
[0045]第一步至第十三步同制備方法的第一步至第十三步，
[0046]第十四步，制備掩蔽版，所述掩蔽版的圖形與SOI基片上的電引出焊盤的金屬Pad的圖形相同；
[0047]第十五步，制備電引出焊盤的金屬Pad，將第十四步所述掩蔽版置于SOI基片正面之上并對準(zhǔn)后濺射金屬，僅在固定端之上形成電引出焊盤的金屬Pad，退火后形成歐姆接觸；
[0048]第十六步，沿劃線槽對SOI基片進(jìn)行劃片，裂片后得到本發(fā)明所述的數(shù)量眾多的甲烷傳感器。
[0049]有益效果:本發(fā)明的全硅MEMS甲烷傳感器的硅元件及硅加熱器以硅為加熱材料，不是使用金屬作為加熱材料，其硅加熱器通過硅懸臂的支撐遠(yuǎn)離硅襯底懸在空氣中可通電加熱到500°C以上的高溫，不使用催化劑、采用的MEMS加工工藝與CMOS兼容。由于采用了上述方案，具有以下有效效果:
[0050]從SOI硅片中釋放出來的硅加熱器懸在空氣中，很好的降低了通過SOI硅片的熱量損失，以較低的功率可將硅加熱器加熱到500°C以上的高溫；本發(fā)明的甲烷傳感器不含有催化劑與催化載體，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、激活等問題；尤為重要的是對于低濃度甲烷氣體；本發(fā)明的甲烷傳感器具有較高的靈敏度，可達(dá)10mV/CH4%，這樣的靈敏度已經(jīng)可以直接推動儀表，達(dá)到了國家標(biāo)準(zhǔn)的要求。
[0051]1、本發(fā)明的全硅MEMS甲烷傳感器以硅元件為加熱元件和甲烷檢測元件，不使用催化劑可實現(xiàn)低濃度甲烷氣體(O?5% )的檢測；本發(fā)明的硅加熱器的結(jié)構(gòu)為多個硅加熱條的并聯(lián)形式，具有較大的與空氣接觸的高溫表面積，能以高的靈敏度檢測低濃度甲烷；本發(fā)明的全硅MEMS甲烷傳感器的靈敏度可達(dá)10mV/CH4%，可以直接推動儀表，滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求。
[0052]2、本發(fā)明的甲烷傳感器不含有催化劑與催化載體，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、激活等問題；并且，本發(fā)明的甲烷傳感器對甲烷的檢測無需氧氣參與，因此不受空氣中氧氣的影響；
[0053]3、本發(fā)明的全硅MEMS甲烷傳感器的硅加熱器通過硅懸臂的支撐懸在空氣中且遠(yuǎn)離硅襯底，距離大于300um以上，以較低的功率即可將硅加熱器加熱到500°C以上的高溫，因此具有功耗低的優(yōu)勢，單個硅元件工作時的功耗約80?90mW。
[0054]4、本發(fā)明的全硅MEMS甲烷傳感器的硅元件的采用性能穩(wěn)定的單晶硅經(jīng)MEMS工藝加工得到，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)定性與長的壽命。這是因為單晶硅不存在鉬、鎢等金屬加熱材料在500攝氏度以上的高溫容易揮發(fā)、升華、遷移等缺點、也不存在多晶硅電阻在高溫下晶界電阻易于變化、無法掌控的缺點。同時，在本發(fā)明的硅元件的外表面設(shè)置的鈍化層也降低了外界環(huán)境對上述元器件的影響，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。
[0055]5、本發(fā)明的全硅MEMS甲烷傳感器的硅元件以硅經(jīng)MEMS加工得到，加工工藝統(tǒng)一、簡單、與SO1-CMOS工藝兼容，具有生產(chǎn)成本低的優(yōu)勢。
[0056]6、本發(fā)明的全娃MEMS甲燒傳感器尺寸小、功耗低，響應(yīng)速度快,可達(dá)40ms左右、輸出信號線性度好。
[0057]7、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與互換性，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。
[0058]優(yōu)點:本發(fā)明提供的全硅MEMS甲烷傳感器對低濃度甲烷具有高靈敏度的響應(yīng)信號，其制備方法可與CMOS工藝兼容，成本低、容易批量生產(chǎn)與校準(zhǔn)，具有良好的一致性、互換性，本發(fā)明的甲烷傳感器尺寸小、響應(yīng)速度快、傳感器功耗低、靈敏度高、輸出信號線性度好、壽命長；傳感器性能不受催化劑影響，對傳感器的性能進(jìn)行綜合優(yōu)化及補(bǔ)償時不必考慮催化劑的復(fù)雜影響、簡單易行。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0059]圖1為本發(fā)明的全硅MEMS瓦斯傳感器在SOI基片上的俯視示意圖。
[0060]圖2為劃片后的本發(fā)明的全硅MEMS瓦斯傳感器的俯視示意圖。
[0061]圖3為本發(fā)明圖1、圖2中的A-A截面剖視圖。
[0062]圖4為本發(fā)明的硅加熱器的一種結(jié)構(gòu)示意圖。
[0063]圖5為本發(fā)明的全硅MEMS甲烷傳感器的硅元件的電流-電阻特性曲線。
[0064]圖6為本發(fā)明的全硅MEMS甲烷傳感器的甲烷響應(yīng)特性曲線。
[0065]圖中:101-硅元件，102-固定端，103-硅框架支座，104-正面刻蝕窗口，105-背面刻蝕窗口，106-沿劃線槽，1011-硅加熱器，1012-硅懸臂，1013-硅加熱條，21-硅層，22-電引出焊盤的金屬，23-氧化娃層,24-摻雜娃層,25-鈍化保護(hù)層,31-娃襯底,32-埋層氧化娃,33-頂層娃。
【具體實施方式】
[0066]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例作進(jìn)一步的描述:
[0067]實施例:在圖1、圖2、圖3中，該全硅MEMS甲烷傳感器包括硅元件101、固定端102與硅框架支座103 ;所述硅框架支座103為SOI基片，包括硅襯底31、設(shè)在硅襯底31上的埋層氧化硅32及埋層氧化硅32之上的頂層硅33，頂層硅33為單晶硅；
[0068]所述固定端102在硅框架支座103上的埋層氧化硅32上；所述固定端102包括硅層21、娃層21外的氧化娃層23及用作電引出焊盤的金屬Pad 22 ;固定端102的娃層21設(shè)在埋層氧化硅12之上；所述固定端102的支撐硅層21內(nèi)設(shè)有摻雜硅層24 ;所述電引出焊盤的金屬Pad 22設(shè)在娃層21之上的氧化娃層23上；金屬層22與固定端102的摻雜娃層24直接接觸并構(gòu)成歐姆接觸，二者接觸部分沒有氧化硅層23 ；
[0069]所述硅元件101包括硅層21、硅層21外的氧化硅層23及鈍化保護(hù)層25，所述硅元件101設(shè)有娃加熱器1011、兩個對稱設(shè)置的用于支撐娃加熱器1011并為娃加熱器1011提供電連接的硅懸臂1012，所述硅懸臂1012的長度至少300um ;所述單個的硅懸臂1012的一端與娃加熱器1011相連,另一端與娃框架支座103上的固定端102相連,兩個娃懸臂1012將娃加熱器1011懸于空氣中；兩個娃懸臂1012較佳為平行并排、與娃加熱器1011整體構(gòu)成U形懸臂結(jié)構(gòu)；所述鈍化保護(hù)層25為氧化硅，或氧化鉿，或氧化硅/氧化鋁復(fù)合層，或氧化鉿/氧化鋁復(fù)合層，或氧化鉿/氮化硅復(fù)合層，或氧化鋁/氮化硅復(fù)合層，或氧化硅/氮化硅復(fù)合層，或氧化硅、氧化鉿、氧化鋁、氮化硅幾種材料組合形成的復(fù)合層；其中氧化硅的厚度至少1nm,氧化鉿的厚度至少為5um,氧化招厚度至少6nm,氮化娃厚度至少1nm,整個鈍化保護(hù)層的厚度不超過Ium ；
[0070]所述硅元件101的硅層21與固定端102的硅層21同是SOI基片的頂層硅33的一部分，即同是娃框架支座103的頂層娃33的一部分,是由頂層娃33加工成形的,厚度相同；但不與娃框架支座103的其它頂層娃33相連通；兩個固定端102的娃層21之間只與娃元件的硅層21相連通。
[0071]如圖4所示的硅加熱器1011是多個硅加熱條1013的并聯(lián)，以增加與空氣接觸的高溫表面積，娃加熱器1011也可以為圓環(huán)形狀。
[0072]圖5是本發(fā)明的全硅MEMS甲烷傳感器的電流-電阻特性曲線。
[0073]一種全硅MEMS甲烷傳感器的甲烷檢測應(yīng)用方法，通過在所述全硅MEMS甲烷傳感器的硅元件101的兩個固定端102上施加電壓或通以電流使硅元件101工作于電流-電阻特性曲線中轉(zhuǎn)折點左側(cè)的工作點區(qū)域，使硅元件101的硅加熱器1011發(fā)熱，加熱溫度在500攝氏度以上，單個硅元件101工作時的功耗約80?90mW ;所述轉(zhuǎn)折點為電阻隨電流或電壓增大而出現(xiàn)的電阻最大點，當(dāng)電流或電壓繼續(xù)增大時，電阻不在繼續(xù)增大反而減??；當(dāng)有甲烷氣體出現(xiàn)時，全硅MEMS甲烷傳感器的硅加熱器1011的溫度降低、使硅元件101的電阻發(fā)生變化；使用兩個所述的全硅MEMS甲烷傳感器的硅元件101構(gòu)成惠斯通電橋檢測橋臂檢測甲烷濃度，其中一個全硅MEMS甲烷傳感器的硅元件101與環(huán)境空氣接觸，另一個全硅MEMS甲烷傳感器的硅元件101為氣密性封裝、封裝內(nèi)的氣體與環(huán)境空氣隔絕密封，當(dāng)出現(xiàn)甲烷氣體時惠斯通檢測電橋的輸出電壓由于與環(huán)境空氣接觸的硅元件101電阻降低而發(fā)生變化，惠斯通檢測電橋的輸出電壓隨甲烷濃度增大而降低，實現(xiàn)對甲烷氣體的檢測，對低濃度甲烷氣體(O?4% )的檢測靈敏度可達(dá)10mV/CH4%，響應(yīng)時間可達(dá)40ms左右。
[0074]圖6是本發(fā)明的全硅MEMS甲烷傳感器的甲烷響應(yīng)特性曲線。
[0075]全硅MEMS甲烷傳感器的制備方法，包括三種制備方法，具體為:
[0076]制備方法(一)的步驟為:
[0077]第一步，在SOI基片正面上的頂層硅33上制備氧化硅層23 ；
[0078]第二步，圖形化頂層硅33之上的氧化硅層23，形成摻雜或離子注入所需的窗口 ；
[0079]第三步，摻雜或離子注入形成摻雜硅層24 ；
[0080]第四步，通過淀積、濺射或蒸發(fā)在SOI基片正面上形成金屬層；
[0081]第五步，圖形化第四步形成的金屬層，形成電引出焊盤的金屬Pad 22，退火后形成歐姆接觸；
[0082]第六步，光刻形成正面刻蝕窗口 104圖形，刻蝕去除掉正面刻蝕窗口 104圖形內(nèi)的氧化硅層23，隨后采用RIE干法刻蝕繼續(xù)去除掉頂層硅33，刻蝕停止于埋層氧化硅32，刻蝕后在埋層氧化硅層32上形成硅元件101、固定端102的結(jié)構(gòu)圖形、并刻蝕去除掉與背面刻蝕窗口對應(yīng)的窗口內(nèi)的其余氧化硅層23及頂層硅33，所形成的硅元件101及與其連接的兩個固定端102與埋層氧化硅層32上的其余頂層硅不相連，同一個硅元件101的兩個固定端102不與硅框架支座103上的其余頂層硅相連，也不通過硅框架支座103上的其余頂層硅相連；
[0083]第七步，在SOI基片的正面上制備刻蝕保護(hù)層，采用光刻膠或PSG(磷硅玻璃)作為刻蝕保護(hù)層，所述刻蝕保護(hù)層覆蓋整個SOI硅片的正面；
[0084]第八步，在SOI基片背面光刻形成背面刻蝕窗口 105圖形后，采用濕法刻蝕或ICP或DRIE等干法刻蝕方法刻蝕去除掉背面刻蝕窗口所露出的SOI基片的硅襯底31，刻蝕停止于埋層氧化硅32 ;所述背面刻蝕窗口 105與正面刻蝕窗口 104在SOI硅基片背面投影的圖形中心相重合,背面刻蝕窗口 105大于正面刻蝕窗口 104;
[0085]第九步，采用氫氟酸溶液或氫氟酸氣霧濕法刻蝕從SOI基片背面露出的埋層氧化娃層32,釋放出娃兀件101 ；
[0086]第十步，去除第七步所制備的刻蝕保護(hù)層，干燥；
[0087]第十一步，對暴露出的硅進(jìn)行氧化，形成薄層氧化硅層；
[0088]第十二步，采用保護(hù)層覆蓋SOI基片的正面，所述保護(hù)層覆蓋除硅元件101以外的SOI基片正面其余部分；可以光刻膠作為保護(hù)層；可采用微噴印設(shè)備在精確定位后制備用作保護(hù)層的光刻膠；也可使用覆蓋在SOI基片正面的掩蔽版采用噴涂的方法制備所述用作保護(hù)層的光刻膠，所述掩蔽版僅露出硅元件101，而其余的SOI基片正面部分被掩蔽版遮擋?。?br>
[0089]第十三步，采用ALD原子層沉積方法制備氧化鉿薄膜，或制備氧化鋁薄膜，或制備氧化鉿/氧化鋁復(fù)合薄膜，或制備氧化硅/氧化鉿/氧化鋁復(fù)合薄膜，通過第十一步與本步驟或通過第十一步與本步驟中的其中一個步驟形成鈍化保護(hù)層25 ;制備的鈍化保護(hù)層25覆蓋硅元件101外表面；
[0090]第十四步，去除第十二步使用的保護(hù)層，干燥；
[0091]第十五步，沿劃線槽106對SOI基片進(jìn)行劃片，裂片后得到本發(fā)明所述的大量的甲烷傳感器。
[0092]制備方法(二)的步驟為:
[0093]第一步，在SOI基片正面上的頂層硅33上制備氧化硅層23 ；
[0094]第二步，圖形化頂層硅33之上的氧化硅層23，形成摻雜或離子注入所需的窗口 ；
[0095]第三步，摻雜或離子注入形成摻雜硅層24 ；
[0096]第四步，光刻形成正面刻蝕窗口 104圖形，刻蝕去除掉正面刻蝕窗口 104圖形內(nèi)的氧化硅層23，隨后采用RIE干法刻蝕繼續(xù)去除掉頂層硅33，刻蝕停止于埋層氧化硅32，刻蝕后在埋層氧化硅層32上形成硅元件101、固定端102的結(jié)構(gòu)圖形、并刻蝕去除掉與背面刻蝕窗口對應(yīng)的窗口內(nèi)的其余氧化硅層23及頂層硅33，所形成的硅元件101及與其連接的兩個固定端102與埋層氧化硅層32上的其余頂層硅不相連，同一個硅元件101的兩個固定端102不與硅框架支座103上的其余頂層硅相連，也不通過硅框架支座103上的其余頂層硅相連；
[0097]第五步，在SOI基片的正面頂層硅的上面制備刻蝕保護(hù)層，采用光刻膠或PSG(磷硅玻璃)作為刻蝕保護(hù)層，所述刻蝕保護(hù)層覆蓋整個SOI硅片的正面；
[0098]第六步，在SOI基片背面光刻形成背面刻蝕窗口 105圖形后，采用濕法刻蝕或ICP或DRIE等干法刻蝕方法刻蝕去除掉背面刻蝕窗口所露出的SOI基片的硅襯底31，刻蝕停止于埋層氧化娃32 ；
[0099]第七步，采用氫氟酸溶液或氫氟酸氣霧濕法刻蝕從硅襯底31露出的埋層氧化硅層32，釋放出懸空的硅元件101 ；
[0100]第八步，去除第五步所形成的刻蝕保護(hù)層；
[0101]第九步，對暴露出的硅進(jìn)行氧化，形成薄層氧化硅層；
[0102]第十步，采用保護(hù)層覆蓋SOI基片的正面，所述保護(hù)層覆蓋除懸空硅元件101以外的SOI基片正面其余部分；可以光刻膠作為保護(hù)層；可采用微噴印設(shè)備在精確定位后制備用作保護(hù)層的光刻膠；也可使用覆蓋在SOI基片正面的掩蔽版采用噴涂的方法制備所述用作保護(hù)層的光刻膠；所述掩蔽版僅露出硅元件101，而其余的SOI基片正面部分被掩蔽版遮擋??；
[0103]第十一步，采用ALD原子層沉積方法在硅元件101的外表面制備氧化鋁或氧化鉿薄膜；
[0104]第十二步，米用PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposit1n,等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法)在400?450°C時在懸空的娃兀件101的外表面制備氮化娃；通過第九步、第十一步與本步驟或上述三個步驟的組合制備成氧化硅/氮化硅復(fù)合薄膜，或氧化硅/氧化鋁/氮化硅復(fù)合薄膜，或氧化鉿/氮化硅復(fù)合薄膜，或氧化硅/氧化鉿/氧化鋁/氮化硅符合薄膜，形成鈍化保護(hù)層25 ;制備的鈍化保護(hù)層25覆蓋硅元件101外表面；
[0105]第十三步，去除第十步使用的保護(hù)層，干燥；
[0106]第十四步，在SOI基片正面制備光刻膠，光刻后形成電引出焊盤的金屬Pad 22的圖形；
[0107]第十五步，通過濺射或沉積制備金屬層；
[0108]第十六步，去除所述第十四步制備的光刻膠，僅在固定端(102)上形成電引出焊盤的金屬Pad (22)，干燥，退火后形成歐姆接觸；
[0109]第十七步，沿劃線槽106對SOI基片進(jìn)行劃片，裂片后得到本發(fā)明所述的大量的甲烷傳感器。
[0110]制備方法(三)的步驟為:
[0111]第一步至第十三步同制備方法(二)的第一步至第十三步，
[0112]第十四步，制備掩蔽版，所述掩蔽版的圖形與SOI基片上的電引出焊盤的金屬Pad22的圖形相同；
[0113]第十五步，制備電引出焊盤的金屬Pad 22，將第十四步所述掩蔽版置于SOI基片正面之上并對準(zhǔn)后濺射金屬，僅在固定端102之上形成電引出焊盤的金屬Pad 22，退火后形成歐姆接觸；
[0114]第十六步，沿劃線槽106對SOI基片進(jìn)行劃片，裂片后得到本發(fā)明所述的數(shù)量眾多的甲烷傳感器。
【權(quán)利要求】
1.一種全娃MEMS甲燒傳感器，其特征在于:其包括娃兀件(101)、固定端(102)與娃框架支座(103);所述硅框架支座(103)為SOI基片，包括硅襯底(31)、設(shè)在硅襯底(31)上的埋層氧化硅(32)及埋層氧化硅(32)之上的頂層硅(33)，頂層硅(33)為單晶硅； 所述固定端(102)設(shè)在硅框架支座(103)上的埋層氧化硅(32)上；所述固定端(102)包括硅層(21)、硅層(21)外的氧化硅層(23)及用作電引出焊盤的金屬Pad (22);固定端(102)的硅層(21)設(shè)在埋層氧化硅(12)之上；所述固定端(102)的硅層(21)內(nèi)設(shè)有摻雜硅層(24);所述電引出焊盤的金屬Pad (22)設(shè)在硅層(21)之上的氧化硅層(23)上；金屬層(22 )與固定端(102 )的摻雜硅層(24 )直接接觸并構(gòu)成歐姆接觸，二者接觸部分沒有氧化娃層(23)； 所述硅元件(101)包括硅層(21)、硅層(21)外的氧化硅層(23)及鈍化保護(hù)層(25)，所述娃兀件(101)設(shè)有娃加熱器(1011)、兩個對稱設(shè)置的用于支撐娃加熱器(1011)并為娃加熱器(1011)提供電連接的硅懸臂(1012)，所述硅懸臂(1012)的長度至少300um ;所述單個的娃懸臂(1012)的一端與娃加熱器(1011)相連，另一端與娃框架支座(103)上的固定端(102)相連，兩個硅懸臂(1012)將硅加熱器(1011)懸于空氣中；兩個硅懸臂(1012)較佳為平行并排、與硅加熱器(1011)整體構(gòu)成U形懸臂結(jié)構(gòu)；所述鈍化保護(hù)層(25)為氧化硅，或氧化鉿，或氧化硅/氧化鋁復(fù)合層，或氧化鉿/氧化鋁復(fù)合層，或氧化鉿/氮化硅復(fù)合層，或氧化鋁/氮化硅復(fù)合層，或氧化硅/氮化硅復(fù)合層，或氧化硅、氧化鉿、氧化鋁、氮化硅幾種材料組合形成的復(fù)合層；其中氧化硅的厚度至少10nm，氧化鉿的厚度至少為5um，氧化鋁厚度至少6nm，氮化硅厚度至少10nm，整個鈍化保護(hù)層的厚度不超過Ium ； 所述硅元件(101)的硅層(21)與固定端(102)的硅層(21)同是SOI基片的頂層硅(33)的一部分，即同是娃框架支座(103)的頂層娃(33)的一部分,是由頂層娃(33)加工成形的，厚度相同；但不與硅框架支座(103)的其它頂層硅(33)相連通；兩個固定端(102)的硅層(21)之間只與硅元件的硅層(21)相連通。
2.一種全硅MEMS甲烷傳感器甲烷檢測應(yīng)用方法，其特征在于:通過在所述全硅MEMS甲烷傳感器的兩個固定端(102)上施加電壓或電流使硅元件(101)工作于電流-電阻特性曲線中轉(zhuǎn)折點左側(cè)的工作點區(qū)域，使硅元件(101)的硅加熱器(1011)發(fā)熱，加熱溫度在500攝氏度以上；所述轉(zhuǎn)折點為電阻隨電流或電壓增大而出現(xiàn)的電阻最大點，當(dāng)電流或電壓繼續(xù)增大時，電阻不再繼續(xù)增大反而減?。划?dāng)有甲烷氣體出現(xiàn)時，全硅MEMS甲烷傳感器的硅加熱器(1011)的溫度降低，使硅元件的電阻發(fā)生變化；使用兩個所述的全硅MEMS甲烷傳感器的硅元件(101)構(gòu)成惠斯通電橋檢測橋臂檢測甲烷濃度，其中一個全硅MEMS甲烷傳感器的硅元件(101)與環(huán)境空氣接觸，另一個全硅MEMS甲烷傳感器的硅元件(101)為氣密性封裝、封裝內(nèi)的氣體與環(huán)境空氣隔絕密封，當(dāng)出現(xiàn)甲烷氣體時惠斯通檢測電橋的輸出電壓由于與環(huán)境空氣接觸的硅元件(101)電阻降低而發(fā)生變化，惠斯通檢測電橋的輸出電壓隨甲烷濃度增大而降低，實現(xiàn)對甲烷氣體的檢測。
3.如權(quán)利要求1所述的全硅MEMS甲烷傳感器的制備方法，其特征在于包括三種制備方法; 制備方法(一)的步驟為: 第一步，在SOI基片正面上的頂層硅(33)上制備氧化硅層(23)； 第二步，圖形化頂層硅(33)之上的氧化硅層(23)，形成摻雜或離子注入所需的窗口 ； 第三步，摻雜或離子注入形成摻雜硅層(24)； 第四步，通過淀積、濺射或蒸發(fā)在SOI基片正面上形成金屬層； 第五步，圖形化第四步形成的金屬層，形成電引出焊盤的金屬Pad (22)，退火后形成歐姆接觸； 第六步，光刻形成正面刻蝕窗口(104)圖形，刻蝕去除掉正面刻蝕窗口(104)圖形內(nèi)的氧化娃層(23),隨后采用RIE (Reactive 1n Etching,反應(yīng)離子刻蝕)方法干法刻蝕繼續(xù)去除掉頂層硅(33 )，刻蝕停止于埋層氧化硅(32 )，刻蝕后在埋層氧化硅層(32 )上形成硅元件(101 )、固定端(102)的結(jié)構(gòu)圖形、并刻蝕去除掉與背面刻蝕窗口對應(yīng)的窗口內(nèi)的其余氧化硅層(23)及頂層硅(33)，所形成的硅元件(101)及與其連接的兩個固定端(102)與埋層氧化硅層(32)上的其余頂層硅不相連，同一個硅元件(101)的兩個固定端(102)不與硅框架支座(103)上的其余頂層硅相連，也不通過硅框架支座(103)上的其余頂層硅相連；第七步，在SOI基片的正面上制備刻蝕保護(hù)層，所述刻蝕保護(hù)層覆蓋整個SOI硅片的正面； 第八步，在SOI基片背面光刻形成背面刻蝕窗口(105)圖形后，采用濕法刻蝕或ICP (Inductively Coupled Plasma,感應(yīng)稱合等離子體刻蝕)或 DRIE(Deep Reactive 1nEtching，深反應(yīng)離子刻蝕)等干法刻蝕方法刻蝕去除掉背面刻蝕窗口所露出的SOI基片的硅襯底(31)，刻蝕停止于埋層氧化硅(32);所述背面刻蝕窗口(105)與正面刻蝕窗口(104)在SOI硅基片背面投影的圖形中心相重合，背面刻蝕窗口(105)大于正面刻蝕窗口(104)；第九步，采用氫氟酸溶液或氫氟酸氣霧濕法刻蝕從SOI基片背面露出的埋層氧化硅層(32)，釋放出硅元件(101)； 第十步，去除第七步所制備的刻蝕保護(hù)層，干燥； 第十一步，對暴露出的硅進(jìn)行氧化，形成薄層氧化硅層； 第十二步，采用保護(hù)層覆蓋SOI基片的正面，所述保護(hù)層覆蓋除硅元件(101)之外的SOI基片正面部分； 第十三步，采用ALD (原子層沉積)方法制備氧化鉿薄膜，或制備氧化鋁薄膜，或制備氧化鉿/氧化鋁復(fù)合薄膜，或制備氧化硅/氧化鉿/氧化鋁復(fù)合薄膜，通過第十一步與本步驟或通過第十一步與本步驟中的其中一個步驟形成鈍化保護(hù)層(25);制備的鈍化保護(hù)層(25)覆蓋硅元件(101)外表面； 第十四步，去除第十二步使用的保護(hù)層，干燥； 第十五步，沿劃線槽(106)對SOI基片進(jìn)行劃片，裂片后得到本發(fā)明所述的大量的甲烷傳感器； 或制備方法(二)的步驟為: 第一步，在SOI基片正面上的頂層硅(33)上制備氧化硅層(23)； 第二步，圖形化頂層硅(33)之上的氧化硅層(23)，形成摻雜或離子注入所需的窗口 ； 第三步，摻雜或離子注入形成摻雜硅層(24)； 第四步，光刻形成正面刻蝕窗口(104)圖形，刻蝕去除掉正面刻蝕窗口(104)圖形內(nèi)的氧化娃層(23),隨后采用RIE (Reactive 1n Etching,反應(yīng)離子刻蝕)方法干法刻蝕繼續(xù)去除掉頂層硅(33 )，刻蝕停止于埋層氧化硅(32 )，刻蝕后在埋層氧化硅層(32 )上形成硅元件(101 )、固定端(102)的結(jié)構(gòu)圖形、并刻蝕去除掉與背面刻蝕窗口對應(yīng)的窗口內(nèi)的其余氧化硅層(23)及頂層硅(33)，所形成的硅元件(101)及與其連接的兩個固定端(102)與埋層氧化硅層(32)上的其余頂層硅不相連，同一個硅元件(101)的兩個固定端(102)不與硅框架支座(103)上的其余頂層硅相連，也不通過硅框架支座(103)上的其余頂層硅相連；第五步，在SOI基片的正面(頂層硅的上面)制備刻蝕保護(hù)層，所述刻蝕保護(hù)層覆蓋整個SOI娃片的正面； 第六步，在SOI基片背面光刻形成背面刻蝕窗口(105)圖形后，采用濕法刻蝕或ICP (Inductively Coupled Plasma,感應(yīng)稱合等離子體刻蝕)或 DRIE(Deep Reactive 1nEtching，深反應(yīng)離子刻蝕)等干法刻蝕方法刻蝕去除掉背面刻蝕窗口所露出的SOI基片的硅襯底(31)，刻蝕停止于埋層氧化硅(32)； 第七步，采用氫氟酸溶液或氫氟酸氣霧濕法刻蝕從硅襯底(31)露出的埋層氧化硅層(32)，釋放出懸空的硅元件(101)； 第八步，去除第五步所形成的刻蝕保護(hù)層； 第九步，對暴露出的硅進(jìn)行氧化，形成薄層氧化硅層； 第十步，采用保護(hù)層覆蓋SOI基片的正面，所述保護(hù)層覆蓋除懸空的硅元件(101)之外的SOI基片正面部分 第十一步，采用ALD (原子層沉積)方法在硅元件(101)的外表面制備氧化鋁或氧化鉿薄膜； 第十二步，米用 PECVD ( Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposit1n,等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法)在400?450°C時在懸空的娃兀件(101)的外表面制備氮化娃；通過第九步、第十一步與本步驟或上述三個步驟的組合制備成氧化硅/氮化硅復(fù)合薄膜，或氧化硅/氧化鋁/氮化硅復(fù)合薄膜，或氧化鉿/氮化硅復(fù)合薄膜，或氧化硅/氧化鉿/氧化鋁/氮化硅符合薄膜，形成鈍化保護(hù)層(25);制備的鈍化保護(hù)層(25)覆蓋硅元件(101)外表面； 第十三步，去除第十步使用的保護(hù)層，干燥； 第十四步，在SOI基片正面制備光刻膠，光刻后形成電引出焊盤的金屬Pad (22)的圖形； 第十五步，通過濺射或沉積制備金屬層； 第十六步，去除所述第十四步制備的光刻膠，僅在固定端(102)上形成電引出焊盤的金屬Pad (22)，干燥，退火后形成歐姆接觸； 第十七步，沿劃線槽(106)對SOI基片進(jìn)行劃片，裂片后得到本發(fā)明所述的大量的甲烷傳感器； 或制備方法(三)的步驟為: 第一步至第十三步同制備方法(二)的第一步至第十三步， 第十四步，制備掩蔽版，所述掩蔽版的圖形與SOI基片上的電引出焊盤的金屬Pad(22)的圖形相同； 第十五步，制備電引出焊盤的金屬Pad(22)，將第十四步所述掩蔽版置于SOI基片正面之上并對準(zhǔn)后濺射金屬，僅在固定端(102)之上形成電引出焊盤的金屬Pad (22)，退火后形成歐姆接觸； 第十六步，沿劃線槽(106)對SOI基片進(jìn)行劃片，裂片后得到本發(fā)明所述的數(shù)量眾多的甲烷傳感器。
【文檔編號】G01N27/14GK104316575SQ201410607031
【公開日】2015年1月28日 申請日期: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 申請人:中國礦業(yè)大學(xué)