一種具有絕熱溝槽的mems氣體傳感器及其加工方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及氣體檢測領(lǐng)域，公開了一種具有絕熱溝槽的MEMS氣體傳感器及其加工方法，包括單晶硅襯底；絕熱溝槽，形成于所述單晶硅襯底的上表面且具有一定深度，絕熱溝槽包括一組或多組溝槽，其中每組溝槽包括多個平行排列的溝槽；下絕緣層，覆蓋絕熱溝槽及所述單晶硅襯底的上表面；以及設(shè)置于下絕緣層上方的加熱層和上絕緣層。本發(fā)明的絕熱溝槽可以穩(wěn)定地支撐下絕緣層薄膜及其上的加熱板和上絕緣層，避免器件在高溫工作時下絕緣層變形翹曲導(dǎo)致的加熱層脫落。同時，所述絕熱溝槽的溝槽表面覆有二氧化硅薄膜，可以起到更好的保溫隔熱效果，降低功耗，提高氣體傳感器的探測靈敏度和使用壽命。
【專利說明】一種具有絕熱溝槽的MEMS氣體傳感器及其加工方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及氣體檢測【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種具有絕熱溝槽的MEMS氣體傳感器及其加工方法。

【背景技術(shù)】
[0002]大氣污染，空氣質(zhì)量與人們的生活息息相關(guān)，易燃易爆性氣體更是關(guān)系到工業(yè)生產(chǎn)、國防安全等，因此對氣體的檢測有著極其重要的作用。目前對氣體的檢測除了傳統(tǒng)的大型檢測設(shè)備例如基于質(zhì)譜、能譜和色譜的氣體檢測儀器，但是這些儀器由于體積龐大、價格較高，限制了它們的普及和發(fā)展。近些年也發(fā)展出了一些小型的氣體傳感器。在各種氣體傳感器中，半導(dǎo)體氣體傳感器的應(yīng)用最為廣泛。它具有功耗低、體積小、重復(fù)性好、靈敏度高、成本低、易于批量生產(chǎn)、加工工藝穩(wěn)定等優(yōu)點。半導(dǎo)體氣體傳感器的原理是利用金屬氧化物薄膜制成的阻抗器件，在一定的溫度下，氣體分子在表面與金屬氧化物反應(yīng)引起電阻率的變化，從而實現(xiàn)對氣體的探測。由于氣體分子與金屬氧化物反應(yīng)需要較高的溫度，為了實現(xiàn)在較低的溫度下工作，需要在氣體敏感薄膜下制作微加熱板以為氣體薄膜提供足夠的溫度。
[0003]微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS,Micro-Electro-Mechanical System)是一種先進(jìn)的制造技術(shù)平臺。MEMS的技術(shù)包括微電子技術(shù)和微加工技術(shù)兩大部分。微電子技術(shù)的主要內(nèi)容有:氧化層生長、光刻掩膜制作、光刻選擇摻雜(屏蔽擴(kuò)散、離子注入)、薄膜(層)生長、連線制作等。微加工技術(shù)的主要內(nèi)容有:娃表面微加工和娃體微加工(各向異性腐蝕、犧牲層)技術(shù)、晶片鍵合技術(shù)、制作高深寬比結(jié)構(gòu)的深結(jié)構(gòu)曝光和電鑄技術(shù)(LIGA)等。利用微電子技術(shù)可制造集成電路和許多傳感器。硅基加工技術(shù)是在微電子加工技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種微加工技術(shù)，主要依靠光刻、擴(kuò)散、氧化、薄膜生長、干法刻蝕、濕法刻蝕和蒸發(fā)濺射等工藝技術(shù)。
[0004]隨著MEMS技術(shù)與微電子的發(fā)展，體積小，功耗低且易與其他材料或器件組合的微加熱式氣體傳感器越來越受到重視。但使用微加熱板會帶來一定的功率損耗。申請?zhí)枮?01110241625.3的中國專利公開了一種在娃基底上、加熱電極和信號電極共居于同一介質(zhì)平面上的硅基共平面低功耗微型氣體傳感器芯片，其可實現(xiàn)較低溫度工作，但其未設(shè)置隔熱層或絕熱層，由于半導(dǎo)體氣體傳感器工作溫度較高，熱量損耗較大，因而無法降低功耗。
[0005]現(xiàn)有技術(shù)中，為降低功耗，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)保溫普遍采用絕熱槽。目前基于MEMS加工技術(shù)制作的硅基氣體傳感器普遍采用的結(jié)構(gòu)是:在單晶硅基底的上表面沉積一層氮化硅膜層作為下絕緣層，在單晶硅基底的下表面制備絕熱槽。制備絕熱槽時可使用背面濕法刻蝕工藝，也可先對下絕緣層蝕刻出懸臂梁，再往下濕法刻蝕出倒金字塔式絕熱槽。兩種絕熱槽可以更好的防止熱量的散失以降低功耗。下絕緣層上方通過剝離工藝(lift-off)加工出鉬加熱絲層，通過給加熱絲通電即可產(chǎn)生熱量，形成氣體傳感器工作所需要的溫度。在鉬加熱絲表面上又沉積一層氮化硅層作為上絕緣層，最后沉積溫度敏感層和氣體敏感層。例如申請?zhí)枮?01110366861.8的中國專利公開了的氣體傳感器及其制造工藝便采用了絕熱槽的工藝。但是這種方法蝕刻出絕熱槽后加熱層與氣體敏感層僅靠一層薄膜結(jié)構(gòu)的氮化硅層支撐，而該薄膜僅在兩端被懸臂結(jié)構(gòu)的支撐襯底支撐，這種薄膜結(jié)構(gòu)的絕緣層力學(xué)性能較差，在器件受到震動或者碰撞時易發(fā)生破裂導(dǎo)致器件失效。除此之外，由于隔熱層與加熱絲的熱膨脹系數(shù)的差異，在高溫下隔熱層易翹曲使加熱絲易從隔熱層脫落，同樣導(dǎo)致器件失效。其次，懸臂結(jié)構(gòu)的絕熱槽利用懸臂之間的空氣隔熱，由于空間較大，空氣流動較快，也會造成熱量散失較快，影響隔熱效果。
[0006]綜上，現(xiàn)有技術(shù)中的氣體傳感器的隔熱結(jié)構(gòu)主要存在以下問題:
[0007](I)穩(wěn)定性差，由于受力不均勻引起器件發(fā)生變形破裂，導(dǎo)致器件失效。
[0008](2)隔熱效果差，絕熱槽間的空氣間隔較大導(dǎo)致熱量散失較快，影響隔熱效果。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]為了解決現(xiàn)有技術(shù)中氣體傳感器存在的諸多問題，本發(fā)明提供一種具有絕熱溝槽的MEMS氣體傳感器及其加工方法，在單晶硅襯底的上表面刻蝕出若干溝槽作為絕熱層，同時作為支撐層，可以有效減少熱量損失，降低功耗，延長氣體傳感器的壽命，增加靈敏度。
[0010]本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn):在單晶硅襯底的上表面刻蝕若干溝槽可以大幅降低其導(dǎo)熱性，從而起到保溫隔熱的作用。與傳統(tǒng)的懸臂絕熱槽相比，在單晶硅襯底的上表面刻蝕若干條一定深度的溝槽，可以有效減少空氣流動速度，增強隔熱效果，且絕熱溝槽均勻分布在單晶硅襯底的上表面，可以穩(wěn)定地支撐位于其上的絕緣層及其他組件，從而提高氣體傳感器的穩(wěn)定性，增加其使用壽命。由于帶有溝槽的絕熱溝槽具有良好的隔熱性能，將其設(shè)置于所述加熱層下方，可以有效減少所述加熱層熱量流失，降低功耗。
[0011]另外，二氧化硅也是一種隔熱材料，導(dǎo)熱系數(shù)低于單晶硅。在絕熱溝槽的上表面及溝槽表面覆蓋一層二氧化硅薄膜，可以有效解決暴露在空氣中的多孔硅表面導(dǎo)致的熱量損耗，進(jìn)一步地降低功耗，增強微熱板的加熱性能。
[0012]基于以上發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明提出的技術(shù)方案是:一種具有絕熱溝槽的MEMS氣體傳感器，包括:單晶硅襯底；絕熱溝槽，形成于所述單晶硅襯底的上表面，且具有一定深度，所述絕熱溝槽包括一組或多組溝槽，其中每組溝槽包括多個平行排列的溝槽；下絕緣層，覆蓋所述絕熱溝槽及所述單晶硅襯底的上表面；加熱層，設(shè)置于所述下絕緣層的上表面，且所述加熱層位于所述絕熱溝槽的正上方區(qū)域內(nèi)；上絕緣層，覆蓋所述加熱層的上表面；氣體敏感層，設(shè)置于所述上絕緣層的上表面，且所述氣體敏感層位于所述加熱層的正上方區(qū)域內(nèi)。
[0013]所述氣體傳感器還包括:溫度敏感層，設(shè)置于所述上絕緣層的上表面；氣體敏感層電極，設(shè)置于所述上絕緣層的上表面，且所述氣體敏感層電極和所述溫度敏感層位于所述加熱層正上方區(qū)域內(nèi)的不同位置，且所述氣體敏感層覆蓋所述氣體敏感層電極及兩電極之間的所述上絕緣層的上表面，從而連通所述氣體敏感層電極。
[0014]本發(fā)明的所述加熱層位于所述絕熱溝槽的正上方區(qū)域內(nèi)，使得所述絕熱溝槽能夠更穩(wěn)定地支撐加熱層，有效防止器件受到震動碰撞時因為沒有有效支撐而發(fā)生的破裂，還可以有效避免微熱板在高溫工作時下絕緣層變形翹曲導(dǎo)致的加熱層脫落。同時，所述加熱層位于所述絕熱溝槽的正上方區(qū)域內(nèi)，還能保證充分的隔熱效果。
[0015]絕熱溝槽的隔熱效果與其溝槽的深度、寬度及溝槽間距有關(guān)。在保證工藝實現(xiàn)的前提下，溝槽越深、寬度越小、間距越小、隔熱效果越好。本發(fā)明的所述絕熱溝槽包括兩組相交的直線狀溝槽，每組溝槽包括多個相互平行的溝槽；或者，所述絕熱溝槽包括多個由外向內(nèi)漸變縮小的回狀溝槽。
[0016]為了保證較好的隔熱效果，所述絕熱溝槽的溝槽深度為20-100μηι,寬度為300-1000nm，溝槽間距為 1-5 μ m。
[0017]為了增強絕熱溝槽保溫隔熱效果，所述絕熱溝槽的表面形成有二氧化硅薄膜，且所述二氧化硅薄膜的厚度為100-500nm。
[0018]本發(fā)明的所述溫度敏感層和氣體敏感層以及氣體敏感層電極均位于所述加熱層的正上方區(qū)域內(nèi)，從而保證充分的加熱和隔熱效果。
[0019]為了便于加熱層引線，本發(fā)明的所述上絕緣層邊緣具有若干缺口形成加熱層弓I線窗。
[0020]本發(fā)明還提供了一種具有絕熱溝槽的MEMS氣體傳感器的加工方法，包括以下步驟:
[0021]S1、在單晶硅襯底的上表面制備絕熱溝槽；
[0022]S2、在具有所述絕熱溝槽的單晶硅襯底的上表面制備下絕緣層；
[0023]S3、在制備好的下絕緣層的上表面制備加熱層，所述加熱層位于所述絕熱溝槽的正上方區(qū)域內(nèi)；
[0024]S4、在制備好的加熱層的上表面，按照S2步驟的方法制備上絕緣層；
[0025]S5、在制備好的上絕緣層的上表面制備氣體敏感層，所述氣體敏感層位于所述加熱層的正上方區(qū)域內(nèi)。
[0026]本發(fā)明所述方法在步驟S4后還包括以下步驟:
[0027]在制備好的上絕緣層的上表面制備溫度敏感層和氣體敏感層電極，制備得到的所述氣體敏感層電極和所述溫度敏感層位于所述加熱層正上方區(qū)域內(nèi)的不同位置，且所述氣體敏感層覆蓋所述氣體敏感層電極及兩電極之間的所述上絕緣層的上表面，從而連通所述氣體敏感層電極。
[0028]本發(fā)明的所述加熱層位于所述絕熱溝槽的正上方區(qū)域內(nèi)，使得所述絕熱溝槽能夠更穩(wěn)定地支撐加熱層，有效防止器件受到震動碰撞時因為沒有有效支撐而發(fā)生的破裂，還可以有效避免微熱板在高溫工作時下絕緣層變形翹曲導(dǎo)致的加熱層脫落。同時，所述加熱層位于所述絕熱溝槽的正上方區(qū)域內(nèi)，還能保證充分的隔熱效果。
[0029]所述步驟SI中的制備所述絕熱溝槽的方法為干法刻蝕。
[0030]絕熱溝槽的隔熱效果與其溝槽的深度、寬度及溝槽間距有關(guān)。在保證工藝實現(xiàn)的前提下，溝槽越深、寬度越小、間距越小、隔熱效果越好。本發(fā)明的步驟Si刻蝕出的所述步驟Si中制備得到的所述絕熱溝槽包括兩組相交的直線狀溝槽，每組溝槽包括多個相互平行的溝槽；或者，所述步驟Si中制備得到的所述絕熱溝槽包括多個由外向內(nèi)漸變縮小的回狀溝槽。
[0031]為了保證較好的隔熱效果，所述絕熱溝槽的溝槽深度為20-100μηι,寬度為300-1000nm，溝槽間距為 1-5 μ m。
[0032]所述步驟SI步驟之后，還包括:在制備好的絕熱溝槽的表面制備二氧化硅薄膜。制備二氧化硅薄膜的方法為熱氧化方法，且所述二氧化硅薄膜的厚度為100-500nm。
[0033]本發(fā)明的所述溫度敏感層和氣體敏感層以及氣體敏感層電極均位于所述加熱層的正上方區(qū)域內(nèi)，從而保證充分的加熱和隔熱效果。
[0034]為了便于加熱層引線，本發(fā)明在步驟S4中制備所述上絕緣層時邊緣保留若干缺口形成加熱層引線窗。
[0035]實施本發(fā)明，可達(dá)到以下有益效果:
[0036](I)在單晶硅襯底上設(shè)置絕熱層，由于絕熱層均勻分布于單晶硅襯底上，受力均勻，因此可以穩(wěn)定地支撐其上的下絕緣層薄膜，從而有效避免器件受到震動或者碰撞時薄膜狀絕緣層發(fā)生破裂造成微熱板損壞，提高氣體傳感器的抗震能力和穩(wěn)定性，降低對其工作環(huán)境的要求。另外，還可以有效避免氣體傳感器在高溫工作時下絕緣層變形翹曲導(dǎo)致的加熱層脫落，從而提高氣體傳感器的使用壽命。
[0037](2)與傳統(tǒng)的絕熱槽相比，由于絕熱層的溝槽細(xì)密，其間的空氣流動較慢，使其具有良好的隔熱性能。
[0038](3)將加熱層設(shè)置于絕熱層的正上方區(qū)域內(nèi)，可以起到更好的保溫隔熱的效果，從而提聞微熱板的性能。
[0039](4)在絕熱層的上表面及溝槽表面覆蓋一層二氧化硅薄膜，可以有效解決暴露在空氣中的溝槽熱導(dǎo)率較高導(dǎo)致的熱量損耗，進(jìn)一步地降低功耗，增強隔熱效果，進(jìn)而增強氣體傳感器的探測靈敏度。
[0040](5)在單晶硅襯底上刻蝕絕熱層作為隔熱層，同時作為支撐層，可以節(jié)省氣體傳感器的空間，簡化氣體傳感器的整體結(jié)構(gòu)。
[0041](6)采用硅基材料作為微熱板材料，易于通過MEMS加工技術(shù)制作，加工工藝成熟，加工效率高。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0042]為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其它附圖。
[0043]圖1是本發(fā)明的具有絕熱溝槽的MEMS氣體傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0044]圖2是本發(fā)明的具有絕熱溝槽的MEMS氣體傳感器的實施例1的絕熱溝槽的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0045]圖3是本發(fā)明的具有絕熱溝槽的MEMS氣體傳感器的實施例2的絕熱溝槽的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0046]圖4是本發(fā)明的具有絕熱溝槽的MEMS氣體傳感器的實施例3的絕熱溝槽的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0047]圖5是本發(fā)明的具有絕熱溝槽的MEMS氣體傳感器中，具有二氧化硅薄膜微熱板的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0048]圖6是本發(fā)明的具有絕熱溝槽的MEMS氣體傳感器中，具有二氧化硅薄膜的絕熱溝槽的局部放大示意圖；
[0049]圖7是本發(fā)明的具有絕熱溝槽的MEMS氣體傳感器加工方法中步驟SI完成后的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0050]圖8是本發(fā)明的具有絕熱溝槽的MEMS氣體傳感器加工方法中步驟SI完成后的制備好二氧化硅薄膜后的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0051]圖9是本發(fā)明的具有絕熱溝槽的MEMS氣體傳感器加工方法中步驟SI完成后的制備好二氧化硅薄膜后的局部放大結(jié)構(gòu)示意圖；
[0052]圖10是本發(fā)明的具有絕熱溝槽的MEMS氣體傳感器加工方法中步驟S2完成后的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0053]圖11是本發(fā)明的具有絕熱溝槽的MEMS氣體傳感器加工方法中步驟S3完成后的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0054]圖12是本發(fā)明的具有絕熱溝槽的MEMS氣體傳感器加工方法中步驟S4完成后的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0055]圖13是本發(fā)明的具有絕熱溝槽的MEMS氣體傳感器加工方法中步驟S4完成后，制備好溫度敏感層和氣體敏感層電極后的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0056]圖中的附圖標(biāo)記對應(yīng)為:1_單晶硅襯底，2-絕熱溝槽，21- 二氧化硅薄膜，3-下絕緣層，4-加熱層，5-上絕緣層，6-加熱層引線窗，7-溫度敏感層，8-氣體敏感層電極，9氣體敏感層。

【具體實施方式】
[0057]下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0058]實施例1
[0059]請參見圖1、圖2，本發(fā)明實施例1公開了一種具有絕熱溝槽的MEMS氣體傳感器，包括:單晶硅襯底I ;絕熱溝槽2，形成于所述單晶硅襯底I的上表面且具有一定深度，絕熱溝槽2包括一組或多組溝槽，其中每組溝槽包括多個平行排列的直線溝槽；下絕緣層3，覆蓋所述絕熱溝槽2及所述單晶硅襯底I的上表面；加熱層4，設(shè)置于所述下絕緣層3的上表面，且所述加熱層4位于所述絕熱溝槽2的正上方區(qū)域內(nèi)；上絕緣層5，覆蓋所述加熱層4的上表面；氣體敏感層9，設(shè)置于所述上絕緣層5的上表面，且所述氣體敏感層9位于所述加熱層4的正上方區(qū)域內(nèi)。所述氣體傳感器還包括:溫度敏感層7，設(shè)置于所述上絕緣層5的上表面；氣體敏感層電極8，設(shè)置于所述上絕緣層5的上表面，且所述氣體敏感層電極8和所述溫度敏感層7位于所述加熱層4正上方區(qū)域內(nèi)的不同位置，且所述氣體敏感層9覆蓋所述氣體敏感層電極8及兩電極之間的所述上絕緣層5的上表面，從而連通所述氣體敏感層電極8。
[0060]本發(fā)明的所述加熱層4位于所述絕熱溝槽2的正上方區(qū)域內(nèi)，使得所述絕熱溝槽2能夠更穩(wěn)定地支撐加熱層，有效防止器件受到震動碰撞時因為沒有有效支撐而發(fā)生的破裂，還可以有效避免微熱板在高溫工作時下絕緣層變形翹曲導(dǎo)致的加熱層脫落。同時，所述加熱層4位于所述絕熱溝槽2的正上方區(qū)域內(nèi)，還能保證充分的隔熱效果。
[0061]絕熱溝槽的隔熱效果與其溝槽的深度、寬度及溝槽間距有關(guān)。在保證工藝實現(xiàn)的前提下，溝槽越深、寬度越小、間距越小、隔熱效果越好。請參見圖2，本發(fā)明實施例1中的所述絕熱溝槽2包括多個平行排列的直線狀溝槽。
[0062]為了保證較好的隔熱效果,所述絕熱溝槽的溝槽深度為20 μ m,寬度為300nm,溝槽間距為I μ m。
[0063]請參見圖5、圖6，為了增強絕熱溝槽保溫隔熱效果，所述絕熱溝槽2的表面形成有二氧化硅薄膜21，且所述二氧化硅薄膜21的厚度為lOOnm。
[0064]由于加熱層一般電導(dǎo)率較高，為了保證安全，在所述單晶硅襯底I及所述絕熱溝槽2上設(shè)置下絕緣層3。由于二氧化硅具有較好的絕緣性能，所述的下絕緣層3是厚度為100-500nm的二氧化娃,本實施例中優(yōu)選為lOOnm。
[0065]可選的，所述下絕緣層3也可以是厚度為10-SOOnm的氮化硅膜層。
[0066]加熱層用來對氣體傳感器加熱，保證氣體傳感器能在較低溫度下工作。所述加熱層4是厚度為100-500nm的多晶硅加熱絲層，本實施例中選為250nm。
[0067]可選的，所述加熱層4也可以是50-200nm的金屬鉬加熱絲，優(yōu)選為200nm。
[0068]可選的，為了使所述加熱層4更加穩(wěn)固地連接到所述下絕緣層3上，在所述下絕緣層3的上表面上與所述加熱層4相對應(yīng)的位置設(shè)置粘接層，優(yōu)選為鈦粘接層，厚度優(yōu)選為50nmo
[0069]同樣的，由于加熱層一般電導(dǎo)率較高，為了保證安全，在所述加熱層4上設(shè)置上絕緣層5。由于二氧化硅具有較好的絕緣性能，所述的上絕緣層5是厚度為100-500nm的二氧化硅，本實施例中優(yōu)選為lOOnm。
[0070]可選的，所述上絕緣層5也可以是厚度為10-SOOnm的氮化硅膜層。
[0071 ] 為了便于加熱層引線，本發(fā)明的所述上絕緣層邊緣具有若干缺口形成加熱層弓I線窗6。
[0072]所述溫度敏感層7為測溫電阻，通過測量其阻值可以得到加熱層4的溫度。優(yōu)選的，所述溫度敏感層7和所述氣體敏感層電極8為厚度150-500nm的金屬鉬，本實施例中優(yōu)選為150nm。
[0073]可選的，所述溫度敏感層7和所述氣體敏感層電極8也可以是能實現(xiàn)上述功能的其他金屬膜層。
[0074]可選的，為了使所述溫度敏感層7和所述氣體敏感層電極8更加穩(wěn)固地連接到所述上絕緣層5上，在所述溫度敏感層7和所述氣體敏感層電極8與所述上絕緣層5之間設(shè)置第二粘接層，優(yōu)選為鈦粘接層，厚度優(yōu)選為50nm。
[0075]通過測量待測氣體分子在所述氣體敏感層9的表面與其發(fā)生反應(yīng)引起的電阻率的變化，實現(xiàn)對氣體的探測。優(yōu)選的，所述氣體敏感層9為20-300nm的SnO2,本實施例中優(yōu)選為20nm。所述氣體敏感層9覆蓋所述氣體敏感層電極8及兩電極之間的所述上絕緣層5的表面，從而連通所述氣體敏感層電極8。
[0076]可選的，或者所述氣體敏感層9可以為其他氣敏材料。
[0077]本發(fā)明還提供了一種具有絕熱溝槽的MEMS氣體傳感器的加工方法，包括以下步驟:
[0078]S1、在單晶硅襯底I的上表面制備絕熱溝槽2，如圖7所示；
[0079]S2、在具有所述絕熱溝槽2的單晶硅襯底I的上表面制備下絕緣層3，如圖10所示；
[0080]S3、在制備好的下絕緣層3的上表面制備加熱層4，所述加熱層4位于所述絕熱溝槽2的正上方區(qū)域內(nèi)，如圖11所示；
[0081]S4、在制備好的加熱層4的上表面，按照S2步驟的方法制備上絕緣層5 ；
[0082]優(yōu)選的，為了便于加熱層引線，本發(fā)明在步驟S4中制備所述上絕緣層5時邊緣保留若干缺口形成加熱層引線窗6，如圖12所示。
[0083]優(yōu)選的，本發(fā)明在制備好的上絕緣層5的上表面制備溫度敏感層7和氣體敏感層電極8，制備得到的所述氣體敏感層電極8和所述溫度敏感層7位于所述加熱層4正上方區(qū)域內(nèi)的不同位置，如圖13所示。
[0084]S5、在制備好的上絕緣層5的上表面制備氣體敏感層9，所述氣體敏感層9位于所述加熱層4的正上方區(qū)域內(nèi)，如圖1所示。
[0085]可選的，所述單晶硅襯底I的尺寸可以為2寸、4寸或6寸。
[0086]所述的方法還包括:在所述SI步驟前，利用酸溶液、有機(jī)溶劑和去離子水等溶液對所述單晶硅襯底進(jìn)行清洗，然后用氮氣吹干。
[0087]所述步驟SI中的制備所述絕熱溝槽2的方法為干法刻蝕，具體為:先用光刻膠定義出溝槽的位置及形狀，再用干法刻蝕工藝制作出溝槽。請參見圖2，本發(fā)明實施例1中的步驟SI中制備得到的所述絕熱溝槽2包括多個平行排列的直線狀溝槽。
[0088]為了保證較好的隔熱效果,所述絕熱溝槽的溝槽深度為20 μ m,寬度為300nm,溝槽間距為I μ m。
[0089]請參見圖8、圖9，為了增強絕熱溝槽保溫隔熱效果，所述步驟SI步驟之后，還包括:在制備好的絕熱溝槽的表面制備二氧化硅薄膜。制備二氧化硅薄膜的方法為熱氧化方法，且所述二氧化硅薄膜的厚度為lOOnm。具體過程為:將具有所述絕熱溝槽2的單晶硅襯底I使用熱氧化工藝退火，溫度為900攝氏度，時間為5小時。
[0090]所述步驟SI中，制備所述絕熱溝槽2時，所述加熱層4落在所述絕熱溝槽2的正上方區(qū)域內(nèi)，使得所述絕熱溝槽2能夠更穩(wěn)定地支撐加熱層4，有效防止器件受到震動碰撞時因為沒有有效支撐而發(fā)生的破裂。同時，所述加熱層4位于所述絕熱溝槽2的正上方區(qū)域內(nèi)，還能保證充分的隔熱效果。
[0091]為了保證安全，在所述單晶硅襯底I及所述絕熱溝槽2上設(shè)置下絕緣層3。由于二氧化硅具有較好的絕緣性能，可以用做絕緣層。步驟S2中制備下絕緣層3的方法為:在所述單晶硅襯底I及所述絕熱溝槽2上磁控濺射沉積一層二氧化硅，其厚度為100-500nm，本實施例中優(yōu)選為lOOnm。
[0092]可選的，所述下絕緣層3也可以是厚度為10-SOOnm的氮化硅膜層。
[0093]所述步驟S3中制備所述加熱層的方法為:在所述下絕緣層上沉積一層多晶硅，在多晶硅上勻膠光刻定義出加熱層的形狀及位置作為阻擋層，利用離子反應(yīng)刻蝕去掉多余的多晶硅得到多晶硅加熱絲層，所述多晶硅加熱絲層的厚度為100-500nm，本實施例中優(yōu)選為250nmo
[0094]可選的，所述步驟S3中制備所述加熱層的方法還可以為:在所述下絕緣層上勻膠光刻定義出加熱層的形狀及位置，磁控濺射沉積一層金屬鉬，采用剝離工藝去除光刻膠，得到金屬鉬加熱絲層。優(yōu)選的，所述金屬鉬加熱絲層厚度為50-200nm，優(yōu)選為200nm。
[0095]可選的，為了使所述加熱層4更加穩(wěn)固地連接到所述下絕緣層3上，在所述下絕緣層3的上表面與所述加熱層4對應(yīng)的位置磁控濺射沉積金屬鈦，形成粘接層，厚度優(yōu)選為50nmo
[0096]為了保證安全，在所述加熱層4上設(shè)置上絕緣層5。由于二氧化硅具有較好的絕緣性能，可以用做絕緣層。步驟S4中制備上絕緣層5的方法為:在所述加熱層4上磁控濺射沉積一層二氧化硅，其厚度為100-500nm，本實施例中優(yōu)選為lOOnm。
[0097]可選的，所述上絕緣層5也可以是厚度為10-SOOnm的氮化硅膜層。
[0098]可選的，為了使所述溫度敏感層7和所述氣體敏感層電極8更加穩(wěn)固地連接到所述上絕緣層5上，在所述步驟S4之后，還包括:在所述上絕緣層5上制備第二粘接層，制備方法為:在所述上絕緣層5上磁控濺射沉積一層金屬鈦形成第二粘接層，厚度優(yōu)選為50nm。
[0099]所述溫度敏感層7為測溫電阻，通過測量其阻值可以得到加熱層4的溫度。制備溫度敏感層7和所述氣體敏感層電極8的方法為:在上述步驟制得的第二粘接層的上表面勻膠光刻定義出溫度敏感層和氣體敏感層電極的形狀及位置，磁控濺射沉積一層金屬鉬，采用剝離工藝去除光刻膠，得到金屬鉬測溫電阻以及氣體敏感層電極。所述溫度敏感層7和所述氣體敏感層電極8的厚度150-500nm，本實施例中優(yōu)選為150nm。
[0100]可選的，所述溫度敏感層7和所述氣體敏感層電極8也可以為能實現(xiàn)上述功能的其他金屬膜層。
[0101]通過測量待測氣體分子在所述氣體敏感層9表面與其發(fā)生反應(yīng)引起的電阻率的變化，實現(xiàn)對氣體的探測。所述氣體敏感層9覆蓋所述氣體敏感層電極8及兩電極之間的所述上絕緣層5的表面，從而連通所述氣體敏感層電極8。所述步驟S6中制備氣體敏感層9的方法為:勻膠光刻定義出氣體敏感層的位置，采用磁控濺射的方式濺射一層金屬氧化物，采用剝離工藝去除光刻膠得到氣體敏感層9。優(yōu)選的，所述金屬氧化物為20-300nm的SnO2,優(yōu)選為20nm。
[0102]可選的，所述金屬氧化物可以為其他氣敏材料。
[0103]實施本發(fā)明，可達(dá)到以下有益效果:
[0104](I)在單晶硅襯底上設(shè)置絕熱層，由于絕熱層均勻分布于單晶硅襯底上，受力均勻，因此可以穩(wěn)定地支撐其上的下絕緣層薄膜，從而有效避免器件受到震動或者碰撞時薄膜狀絕緣層發(fā)生破裂造成微熱板損壞，提高氣體傳感器的抗震能力和穩(wěn)定性，降低對其工作環(huán)境的要求。另外，還可以有效避免氣體傳感器在高溫工作時下絕緣層變形翹曲導(dǎo)致的加熱層脫落，從而提高氣體傳感器的使用壽命。
[0105](2)與傳統(tǒng)的絕熱槽相比，由于絕熱層的溝槽細(xì)密，其間的空氣流動較慢，使其具有良好的隔熱性能。
[0106](3)將加熱層設(shè)置于絕熱層的正上方區(qū)域內(nèi)，可以起到更好的保溫隔熱的效果，從而提聞微熱板的性能。
[0107](4)在絕熱層的上表面及溝槽表面覆蓋一層二氧化硅薄膜，可以有效解決暴露在空氣中的溝槽熱導(dǎo)率較高導(dǎo)致的熱量損耗，進(jìn)一步地降低功耗，增強隔熱效果，進(jìn)而增強氣體傳感器的探測靈敏度。
[0108](5)在單晶硅襯底上刻蝕絕熱層作為隔熱層，同時作為支撐層，可以節(jié)省氣體傳感器的空間，簡化氣體傳感器的整體結(jié)構(gòu)。
[0109](6)采用硅基材料作為微熱板材料，易于通過MEMS加工技術(shù)制作，加工工藝成熟，加工效率高。
[0110]實施例2
[0111]請參見圖1、圖3，本發(fā)明實施例2公開了一種具有絕熱溝槽的MEMS氣體傳感器，包括:單晶硅襯底I ;絕熱溝槽2，形成于所述單晶硅襯底I的上表面的一定深度內(nèi)，絕熱溝槽2包括一組或多組溝槽，其中每組溝槽包括多個平行排列的直線溝槽；下絕緣層3，覆蓋所述絕熱溝槽2及所述單晶硅襯底I的上表面；加熱層4，設(shè)置于所述下絕緣層3的上表面，且所述加熱層4位于所述絕熱溝槽2的正上方區(qū)域內(nèi)；上絕緣層5，覆蓋所述加熱層4的上表面；氣體敏感層9，設(shè)置于所述上絕緣層5的上表面，且所述氣體敏感層9位于所述加熱層4的正上方區(qū)域內(nèi)。所述氣體傳感器還包括:溫度敏感層7，設(shè)置于所述上絕緣層5的上表面；氣體敏感層電極8，設(shè)置于所述上絕緣層5的上表面，且所述氣體敏感層電極8和所述溫度敏感層7位于所述加熱層4正上方區(qū)域內(nèi)的不同位置，且所述氣體敏感層9覆蓋所述氣體敏感層電極8及兩電極之間的所述上絕緣層5的上表面，從而連通所述氣體敏感層電極8。
[0112]本發(fā)明的所述加熱層4位于所述絕熱溝槽2的正上方區(qū)域內(nèi)，使得所述絕熱溝槽2能夠更穩(wěn)定地支撐加熱層，有效防止器件受到震動碰撞時因為沒有有效支撐而發(fā)生的破裂，還可以有效避免微熱板在高溫工作時下絕緣層變形翹曲導(dǎo)致的加熱層脫落。同時，所述加熱層4位于所述絕熱溝槽2的正上方區(qū)域內(nèi)，還能保證充分的隔熱效果。
[0113]絕熱溝槽的隔熱效果與其溝槽的深度、寬度及溝槽間距有關(guān)。在保證工藝實現(xiàn)的前提下，溝槽越深、寬度越小、間距越小、隔熱效果越好。請參見圖3，本發(fā)明實施例2中的所述絕熱溝槽2包括兩組相交的直線狀溝槽,每組溝槽包括多個相互平行的溝槽。
[0114]為了保證較好的隔熱效果,所述絕熱溝槽的溝槽深度為100 μ m,寬度為100nm,溝槽間距為5 μ m。
[0115]請參見圖5、圖6，為了增強絕熱溝槽保溫隔熱效果，所述絕熱溝槽2的表面形成有二氧化硅薄膜21，且所述二氧化硅薄膜21的厚度為500nm。
[0116]由于加熱層一般電導(dǎo)率較高，為了保證安全，在所述單晶硅襯底I及所述絕熱溝槽2上設(shè)置下絕緣層3。由于二氧化硅具有較好的絕緣性能，所述的下絕緣層3是厚度為100-500nm的二氧化娃,本實施例中優(yōu)選為500nm。
[0117]可選的，所述下絕緣層3也可以是厚度為10-SOOnm的氮化硅膜層。
[0118]所述加熱層4是厚度為50-200nm的金屬鉬加熱絲，本實施例中選為200nm。
[0119]可選的，為了使所述加熱層4更加穩(wěn)固地連接到所述下絕緣層3上，在所述下絕緣層3的上表面上與所述加熱層4相對應(yīng)的位置設(shè)置粘接層，優(yōu)選為鈦粘接層，厚度優(yōu)選為50nmo
[0120]可選的,所述加熱層4為厚度為100-500nm的多晶娃加熱絲層,優(yōu)選為250nm。
[0121]由于加熱層一般電導(dǎo)率較高，為了保證安全，在所述加熱層4上設(shè)置上絕緣層5。由于二氧化硅具有較好的絕緣性能，所述的上絕緣層5是厚度為100-500nm的二氧化硅，本實施例中優(yōu)選為500nm。
[0122]可選的，所述上絕緣層5也可以是厚度為10-SOOnm的氮化硅膜層。
[0123]為了便于加熱層引線，本發(fā)明的所述上絕緣層邊緣具有若干缺口形成加熱層弓I線窗6。
[0124]所述溫度敏感層7為測溫電阻，通過測量其阻值可以得到加熱層4的溫度。優(yōu)選的，所述溫度敏感層7和所述氣體敏感層電極8為厚度150-500nm的金屬鉬，本實施例中優(yōu)選為150nm。
[0125]可選的，所述溫度敏感層7和所述氣體敏感層電極8也可以是能實現(xiàn)上述功能的其他金屬膜層。
[0126]可選的，為了使所述溫度敏感層7和所述氣體敏感層電極8更加穩(wěn)固地連接到所述上絕緣層5上，在所述溫度敏感層7和所述氣體敏感層電極8與所述上絕緣層5之間設(shè)置第二粘接層，優(yōu)選為鈦粘接層，厚度優(yōu)選為50nm。
[0127]通過測量待測氣體分子在所述氣體敏感層9的表面與其發(fā)生反應(yīng)引起的電阻率的變化，實現(xiàn)對氣體的探測。優(yōu)選的，所述氣體敏感層9為20-300nm的SnO2,本實施例中優(yōu)選為20nm。所述氣體敏感層9覆蓋所述氣體敏感層電極8及兩電極之間的所述上絕緣層5的表面，從而連通所述氣體敏感層電極8。
[0128]可選的，或者所述氣體敏感層9可以為其他氣敏材料。
[0129]本發(fā)明還提供了一種具有絕熱溝槽的MEMS氣體傳感器的加工方法，包括以下步驟:
[0130]S1、在單晶硅襯底I的上表面制備絕熱溝槽2，如圖7所示；
[0131]S2、在具有所述絕熱溝槽2的單晶硅襯底I的上表面制備下絕緣層3，如圖10所示；
[0132]S3、在制備好的下絕緣層3的上表面制備加熱層4，所述加熱層4位于所述絕熱溝槽2的正上方區(qū)域內(nèi)，如圖11所示；
[0133]S4、在制備好的加熱層4的上表面，按照S2步驟的方法制備上絕緣層5 ；
[0134]優(yōu)選的，為了便于加熱層引線，本發(fā)明在步驟S4中制備所述上絕緣層5時邊緣保留若干缺口形成加熱層引線窗6，如圖12所示。
[0135]優(yōu)選的，本發(fā)明在制備好的上絕緣層5的上表面制備溫度敏感層7和氣體敏感層電極8，制備得到的所述氣體敏感層電極8和所述溫度敏感層7位于所述加熱層4正上方區(qū)域內(nèi)的不同位置，如圖13所示。
[0136]S5、在制備好的上絕緣層5的上表面制備氣體敏感層9，所述氣體敏感層9位于所述加熱層4的正上方區(qū)域內(nèi)，如圖1所示。
[0137]可選的，所述單晶硅襯底I的尺寸可以為2寸、4寸或6寸。
[0138]所述的方法還包括:在所述SI步驟前，利用酸溶液、有機(jī)溶劑和去離子水等溶液對所述單晶硅襯底進(jìn)行清洗，然后用氮氣吹干。
[0139]所述步驟SI中的制備所述絕熱溝槽2的方法為干法刻蝕，具體為:先用光刻膠定義出溝槽的位置及形狀，再用干法刻蝕工藝制作出溝槽。請參見圖3，本發(fā)明實施例2中的步驟SI中制備得到的所述絕熱溝槽2包括兩組相交的直線狀溝槽，每組溝槽包括多個相互平行的溝槽。
[0140]為了保證較好的隔熱效果,所述絕熱溝槽的溝槽深度為100 μ m,寬度為100nm,溝槽間距為5 μ m。
[0141]請參見圖8、圖9，為了增強絕熱溝槽保溫隔熱效果，所述步驟SI步驟之后，還包括:在制備好的絕熱溝槽的表面制備二氧化硅薄膜。制備二氧化硅薄膜的方法為熱氧化方法，且所述二氧化硅薄膜的厚度為500nm。具體過程為:將具有所述絕熱溝槽2的單晶硅襯底I使用熱氧化工藝退火，溫度為1200攝氏度，時間為10小時。
[0142]所述步驟SI中，制備所述絕熱溝槽2時，所述加熱層4落在所述絕熱溝槽2的正上方區(qū)域內(nèi)，使得所述絕熱溝槽2能夠更穩(wěn)定地支撐加熱層4，有效防止器件受到震動碰撞時因為沒有有效支撐而發(fā)生的破裂。同時，所述加熱層4位于所述絕熱溝槽2的正上方區(qū)域內(nèi)，還能保證充分的隔熱效果。
[0143]為了保證安全，在所述單晶硅襯底I及所述絕熱溝槽2上設(shè)置下絕緣層3。由于二氧化硅具有較好的絕緣性能，可以用做絕緣層。步驟S3中制備下絕緣層3的方法為:在所述單晶硅襯底I及所述絕熱溝槽2上磁控濺射沉積一層二氧化硅，其厚度為100-500nm，本實施例中優(yōu)選為500nm。
[0144]可選的，所述下絕緣層3也可以是厚度為10-SOOnm的氮化硅膜層。
[0145]所述步驟S3中制備所述加熱層的方法為:在所述下絕緣層上勻膠光刻定義出加熱層的形狀及位置，磁控濺射沉積一層金屬鉬，采用剝離工藝去除光刻膠，得到金屬鉬加熱絲層。優(yōu)選的，所述金屬鉬加熱絲層厚度為50-200nm，本實施例中優(yōu)選為200nm。
[0146]可選的，為了使所述加熱層4更加穩(wěn)固地連接到所述下絕緣層3上，在所述下絕緣層3的上表面與所述加熱層4對應(yīng)的位置磁控濺射沉積金屬鈦，形成粘接層，厚度優(yōu)選為50nmo
[0147]可選的，所述步驟S3中制備所述加熱層的方法還可以是:在所述下絕緣層上沉積一層多晶硅，在多晶硅上勻膠光刻定義出加熱層的形狀及位置作為阻擋層，利用離子反應(yīng)刻蝕去掉多余的多晶硅得到多晶硅加熱絲層，所述多晶硅加熱絲層的厚度為100-500nm，優(yōu)選為250nm。
[0148]為了保證安全，在所述加熱層4上設(shè)置上絕緣層5。由于二氧化硅具有較好的絕緣性能，可以用做絕緣層。步驟S4中制備上絕緣層5的方法為:在所述加熱層4上磁控濺射沉積一層二氧化硅，其厚度為100-500nm，本實施例中優(yōu)選為500nm。
[0149]可選的，所述上絕緣層5也可以是厚度為10-SOOnm的氮化硅膜層。
[0150]可選的，為了使所述溫度敏感層7和所述氣體敏感層電極8更加穩(wěn)固地連接到所述上絕緣層5上，在所述步驟S4之后，還包括:在所述上絕緣層5上制備第二粘接層，制備方法為:在所述上絕緣層5上磁控濺射沉積一層金屬鈦形成第二粘接層，厚度優(yōu)選為50nm。
[0151]所述溫度敏感層7為測溫電阻，通過測量其阻值可以得到加熱層4的溫度。制備溫度敏感層7和所述氣體敏感層電極8的方法為:在上述步驟制得的第二粘接層的上表面勻膠光刻定義出溫度敏感層和氣體敏感層電極的形狀及位置，磁控濺射沉積一層金屬鉬，采用剝離工藝去除光刻膠，得到金屬鉬測溫電阻以及氣體敏感層電極。所述溫度敏感層7和所述氣體敏感層電極8的厚度150-500nm，本實施例中優(yōu)選為500nm。
[0152]可選的，所述溫度敏感層7和所述氣體敏感層電極8也可以為能實現(xiàn)上述功能的其他金屬膜層。
[0153]通過測量待測氣體分子在所述氣體敏感層9表面與其發(fā)生反應(yīng)引起的電阻率的變化，實現(xiàn)對氣體的探測。所述氣體敏感層9覆蓋所述氣體敏感層電極8及兩電極之間的所述上絕緣層5的表面，從而連通所述氣體敏感層電極8。所述步驟S6中制備氣體敏感層9的方法為:勻膠光刻定義出氣體敏感層的位置，采用磁控濺射的方式濺射一層金屬氧化物，采用剝離工藝去除光刻膠得到氣體敏感層9。優(yōu)選的，所述金屬氧化物為20-300nm的SnO2,優(yōu)選為300nm。
[0154]可選的，所述金屬氧化物可以為其他氣敏材料。
[0155]實施本發(fā)明，可達(dá)到以下有益效果:
[0156](I)在單晶硅襯底上設(shè)置絕熱層，由于絕熱層均勻分布于單晶硅襯底上，受力均勻，因此可以穩(wěn)定地支撐其上的下絕緣層薄膜，從而有效避免器件受到震動或者碰撞時薄膜狀絕緣層發(fā)生破裂造成微熱板損壞，提高氣體傳感器的抗震能力和穩(wěn)定性，降低對其工作環(huán)境的要求。另外，還可以有效避免氣體傳感器在高溫工作時下絕緣層變形翹曲導(dǎo)致的加熱層脫落，從而提高氣體傳感器的使用壽命。
[0157](2)與傳統(tǒng)的絕熱槽相比，由于絕熱層的溝槽細(xì)密，其間的空氣流動較慢，使其具有良好的隔熱性能。
[0158](3)將加熱層設(shè)置于絕熱層的正上方區(qū)域內(nèi)，可以起到更好的保溫隔熱的效果，從而提聞微熱板的性能。
[0159](4)在絕熱層的上表面及溝槽表面覆蓋一層二氧化硅薄膜，可以有效解決暴露在空氣中的溝槽熱導(dǎo)率較高導(dǎo)致的熱量損耗，進(jìn)一步地降低功耗，增強隔熱效果，進(jìn)而增強氣體傳感器的探測靈敏度。
[0160](5)在單晶硅襯底上刻蝕絕熱層作為隔熱層，同時作為支撐層，可以節(jié)省氣體傳感器的空間，簡化氣體傳感器的整體結(jié)構(gòu)。
[0161](6)采用硅基材料作為微熱板材料，易于通過MEMS加工技術(shù)制作，加工工藝成熟，加工效率高。
[0162]實施例3
[0163]請參見圖1、圖4，本發(fā)明實施例3公開了一種具有絕熱溝槽的MEMS氣體傳感器，包括:單晶硅襯底I ;絕熱溝槽2，形成于所述單晶硅襯底I的上表面且具有一定深度，絕熱溝槽2包括一組或多組溝槽，其中每組溝槽包括多個平行排列的直線溝槽；下絕緣層3，覆蓋所述絕熱溝槽2及所述單晶硅襯底I的上表面；加熱層4，設(shè)置于所述下絕緣層3的上表面，且所述加熱層4位于所述絕熱溝槽2的正上方區(qū)域內(nèi)；上絕緣層5，覆蓋所述加熱層4的上表面；氣體敏感層9，設(shè)置于所述上絕緣層5的上表面，且所述氣體敏感層9位于所述加熱層4的正上方區(qū)域內(nèi)。所述氣體傳感器還包括:溫度敏感層7，設(shè)置于所述上絕緣層5的上表面；氣體敏感層電極8，設(shè)置于所述上絕緣層5的上表面，且所述氣體敏感層電極8和所述溫度敏感層7位于所述加熱層4正上方區(qū)域內(nèi)的不同位置，且所述氣體敏感層9覆蓋所述氣體敏感層電極8及兩電極之間的所述上絕緣層5的上表面，從而連通所述氣體敏感層電極8。
[0164]本發(fā)明的所述加熱層4位于所述絕熱溝槽2的正上方區(qū)域內(nèi)，使得所述絕熱溝槽2能夠更穩(wěn)定地支撐加熱層，有效防止器件受到震動碰撞時因為沒有有效支撐而發(fā)生的破裂，還可以有效避免微熱板在高溫工作時下絕緣層變形翹曲導(dǎo)致的加熱層脫落。同時，所述加熱層4位于所述絕熱溝槽2的正上方區(qū)域內(nèi)，還能保證充分的隔熱效果。
[0165]絕熱溝槽的隔熱效果與其溝槽的深度、寬度及溝槽間距有關(guān)。在保證工藝實現(xiàn)的前提下，溝槽越深、寬度越小、間距越小、隔熱效果越好。請參見圖4，本發(fā)明實施例3中的所述絕熱溝槽2包括多個由外向內(nèi)漸變縮小的回狀溝槽。
[0166]為了保證較好的隔熱效果,所述絕熱溝槽的溝槽深度為100 μ m,寬度為100nm,溝槽兩相鄰的平行邊的間距為5 μ m。
[0167]請參見圖5、圖6，為了增強絕熱溝槽保溫隔熱效果，所述絕熱溝槽2的表面形成有二氧化硅薄膜21，且所述二氧化硅薄膜21的厚度為500nm。
[0168]由于加熱層一般電導(dǎo)率較高，為了保證安全，在所述單晶硅襯底I及所述絕熱溝槽2上設(shè)置下絕緣層3。由于二氧化硅具有較好的絕緣性能，所述的下絕緣層3是厚度為100-500nm的二氧化娃,本實施例中優(yōu)選為500nm。
[0169]可選的，所述下絕緣層3也可以是厚度為10-SOOnm的氮化硅膜層。
[0170]所述加熱層4是厚度為50-200nm的金屬鉬加熱絲，本實施例中選為200nm。
[0171]可選的，為了使所述加熱層4更加穩(wěn)固地連接到所述下絕緣層3上，在所述下絕緣層3的上表面上與所述加熱層4相對應(yīng)的位置設(shè)置粘接層，優(yōu)選為鈦粘接層，厚度優(yōu)選為50nmo
[0172]可選的，所述加熱層4為厚度為100-500nm的多晶硅加熱絲層，優(yōu)選為250nm。
[0173]由于加熱層一般電導(dǎo)率較高，為了保證安全，在所述加熱層4上設(shè)置上絕緣層5。由于二氧化硅具有較好的絕緣性能，所述的上絕緣層5是厚度為100-500nm的二氧化硅，本實施例中優(yōu)選為500nm。
[0174]可選的，所述上絕緣層5也可以是厚度為10-SOOnm的氮化硅膜層。
[0175]為了便于加熱層引線，本發(fā)明的所述上絕緣層邊緣具有若干缺口形成加熱層弓I線窗6。
[0176]所述溫度敏感層7為測溫電阻，通過測量其阻值可以得到加熱層4的溫度。優(yōu)選的，所述溫度敏感層7和所述氣體敏感層電極8為厚度150-500nm的金屬鉬，本實施例中優(yōu)選為150nm。
[0177]可選的，所述溫度敏感層7和所述氣體敏感層電極8也可以是能實現(xiàn)上述功能的其他金屬膜層。
[0178]可選的，為了使所述溫度敏感層7和所述氣體敏感層電極8更加穩(wěn)固地連接到所述上絕緣層5上，在所述溫度敏感層7和所述氣體敏感層電極8與所述上絕緣層5之間設(shè)置第二粘接層，優(yōu)選為鈦粘接層，厚度優(yōu)選為50nm。
[0179]通過測量待測氣體分子在所述氣體敏感層9的表面與其發(fā)生反應(yīng)引起的電阻率的變化，實現(xiàn)對氣體的探測。優(yōu)選的，所述氣體敏感層9為20-300nm的SnO2,本實施例中優(yōu)選為20nm。所述氣體敏感層9覆蓋所述氣體敏感層電極8及兩電極之間的所述上絕緣層5的表面，從而連通所述氣體敏感層電極8。
[0180]可選的，或者所述氣體敏感層9可以為其他氣敏材料。
[0181 ] 本發(fā)明還提供了一種具有絕熱溝槽的MEMS氣體傳感器的加工方法，包括以下步驟:
[0182]S1、在單晶硅襯底I的上表面制備絕熱溝槽2，如圖7所示；
[0183]S2、在具有所述絕熱溝槽2的單晶硅襯底I的上表面制備下絕緣層3，如圖10所示；
[0184]S3、在制備好的下絕緣層3的上表面制備加熱層4，所述加熱層4位于所述絕熱溝槽2的正上方區(qū)域內(nèi)，如圖11所示；
[0185]S4、在制備好的加熱層4的上表面，按照S2步驟的方法制備上絕緣層5 ；
[0186]優(yōu)選的，為了便于加熱層引線，本發(fā)明在步驟S4中制備所述上絕緣層5時邊緣保留若干缺口形成加熱層引線窗6，如圖12所示。
[0187]優(yōu)選的，本發(fā)明在制備好的上絕緣層5的上表面制備溫度敏感層7和氣體敏感層電極8，制備得到的所述氣體敏感層電極8和所述溫度敏感層7位于所述加熱層4正上方區(qū)域內(nèi)的不同位置，如圖13所示。
[0188]S5、在制備好的上絕緣層5的上表面制備氣體敏感層9，所述氣體敏感層9位于所述加熱層4的正上方區(qū)域內(nèi)，如圖1所示。
[0189]可選的，所述單晶硅襯底I的尺寸可以為2寸、4寸或6寸。
[0190]所述的方法還包括:在所述SI步驟前，利用酸溶液、有機(jī)溶劑和去離子水等溶液對所述單晶硅襯底進(jìn)行清洗，然后用氮氣吹干。
[0191]所述步驟SI中的制備所述絕熱溝槽2的方法為干法刻蝕，具體為:先用光刻膠定義出溝槽的位置及形狀，再用干法刻蝕工藝制作出溝槽。請參見圖4，本發(fā)明實施例2中的步驟SI中制備得到的所述絕熱溝槽2包括多個由外向內(nèi)漸變縮小的回狀溝槽。
[0192]為了保證較好的隔熱效果，所述絕熱溝槽的溝槽深度為100 μ m，寬度為lOOOnm，溝槽兩相鄰的平行邊的間距為5 μ m。
[0193]請參見圖8、圖9，為了增強絕熱溝槽保溫隔熱效果，所述步驟SI步驟之后，還包括:在制備好的絕熱溝槽的表面制備二氧化硅薄膜。制備二氧化硅薄膜的方法為熱氧化方法，且所述二氧化硅薄膜的厚度為500nm。具體過程為:將具有所述絕熱溝槽2的單晶硅襯底I使用熱氧化工藝退火，溫度為1200攝氏度，時間為10小時。
[0194]所述步驟SI中，制備所述絕熱溝槽2時，所述加熱層4落在所述絕熱溝槽2的正上方區(qū)域內(nèi)，使得所述絕熱溝槽2能夠更穩(wěn)定地支撐加熱層4，有效防止器件受到震動碰撞時因為沒有有效支撐而發(fā)生的破裂。同時，所述加熱層4位于所述絕熱溝槽2的正上方區(qū)域內(nèi)，還能保證充分的隔熱效果。
[0195]為了保證安全，在所述單晶硅襯底I及所述絕熱溝槽2上設(shè)置下絕緣層3。由于二氧化硅具有較好的絕緣性能，可以用做絕緣層。步驟S3中制備下絕緣層3的方法為:在所述單晶硅襯底I及所述絕熱溝槽2上磁控濺射沉積一層二氧化硅，其厚度為100-500nm，本實施例中優(yōu)選為500nm。
[0196]可選的，所述下絕緣層3也可以是厚度為10-SOOnm的氮化硅膜層。
[0197]所述步驟S3中制備所述加熱層的方法為:在所述下絕緣層上勻膠光刻定義出加熱層的形狀及位置，磁控濺射沉積一層金屬鉬，采用剝離工藝去除光刻膠，得到金屬鉬加熱絲層。優(yōu)選的，所述金屬鉬加熱絲層厚度為50-200nm，本實施例中優(yōu)選為200nm。
[0198]可選的，為了使所述加熱層4更加穩(wěn)固地連接到所述下絕緣層3上，在所述下絕緣層3的上表面與所述加熱層4對應(yīng)的位置磁控濺射沉積金屬鈦，形成粘接層，厚度優(yōu)選為50nmo
[0199]可選的，所述步驟S3中制備所述加熱層的方法還可以是:在所述下絕緣層上沉積一層多晶硅，在多晶硅上勻膠光刻定義出加熱層的形狀及位置作為阻擋層，利用離子反應(yīng)刻蝕去掉多余的多晶硅得到多晶硅加熱絲層，所述多晶硅加熱絲層的厚度為100-500nm，優(yōu)選為250nm。
[0200]為了保證安全，在所述加熱層4上設(shè)置上絕緣層5。由于二氧化硅具有較好的絕緣性能，可以用做絕緣層。步驟S4中制備上絕緣層5的方法為:在所述加熱層4上磁控濺射沉積一層二氧化硅，其厚度為100-500nm，本實施例中優(yōu)選為500nm。
[0201]可選的，所述上絕緣層5也可以是厚度為10-SOOnm的氮化硅膜層。
[0202]可選的，為了使所述溫度敏感層7和所述氣體敏感層電極8更加穩(wěn)固地連接到所述上絕緣層5上，在所述步驟S4之后，還包括:在所述上絕緣層5上制備第二粘接層，制備方法為:在所述上絕緣層5上磁控濺射沉積一層金屬鈦形成第二粘接層，厚度優(yōu)選為50nm。
[0203]所述溫度敏感層7為測溫電阻，通過測量其阻值可以得到加熱層4的溫度。制備溫度敏感層7和所述氣體敏感層電極8的方法為:在上述步驟制得的第二粘接層的上表面勻膠光刻定義出溫度敏感層和氣體敏感層電極的形狀及位置，磁控濺射沉積一層金屬鉬，采用剝離工藝去除光刻膠，得到金屬鉬測溫電阻以及氣體敏感層電極。所述溫度敏感層7和所述氣體敏感層電極8的厚度150-500nm，本實施例中優(yōu)選為500nm。
[0204]可選的，所述溫度敏感層7和所述氣體敏感層電極8也可以為能實現(xiàn)上述功能的其他金屬膜層。
[0205]通過測量待測氣體分子在所述氣體敏感層9表面與其發(fā)生反應(yīng)引起的電阻率的變化，實現(xiàn)對氣體的探測。所述氣體敏感層9覆蓋所述氣體敏感層電極8及兩電極之間的所述上絕緣層5的表面，從而連通所述氣體敏感層電極8。所述步驟S6中制備氣體敏感層9的方法為:勻膠光刻定義出氣體敏感層的位置，采用磁控濺射的方式濺射一層金屬氧化物，采用剝離工藝去除光刻膠得到氣體敏感層9。優(yōu)選的，所述金屬氧化物為20-300nm的SnO2,優(yōu)選為300nm。
[0206]可選的，所述金屬氧化物可以為其他氣敏材料。
[0207]實施本發(fā)明，可達(dá)到以下有益效果:
[0208](I)在單晶硅襯底上設(shè)置絕熱層，由于絕熱層均勻分布于單晶硅襯底上，受力均勻，因此可以穩(wěn)定地支撐其上的下絕緣層薄膜，從而有效避免器件受到震動或者碰撞時薄膜狀絕緣層發(fā)生破裂造成微熱板損壞，提高氣體傳感器的抗震能力和穩(wěn)定性，降低對其工作環(huán)境的要求。另外，還可以有效避免氣體傳感器在高溫工作時下絕緣層變形翹曲導(dǎo)致的加熱層脫落，從而提高氣體傳感器的使用壽命。
[0209](2)與傳統(tǒng)的絕熱槽相比，由于絕熱層的溝槽細(xì)密，其間的空氣流動較慢，使其具有良好的隔熱性能。
[0210](3)將加熱層設(shè)置于絕熱層的正上方區(qū)域內(nèi)，可以起到更好的保溫隔熱的效果，從而提聞微熱板的性能。
[0211](4)在絕熱層的上表面及溝槽表面覆蓋一層二氧化硅薄膜，可以有效解決暴露在空氣中的溝槽熱導(dǎo)率較高導(dǎo)致的熱量損耗，進(jìn)一步地降低功耗，增強隔熱效果，進(jìn)而增強氣體傳感器的探測靈敏度。
[0212](5)在單晶硅襯底上刻蝕絕熱層作為隔熱層，同時作為支撐層，可以節(jié)省氣體傳感器的空間，簡化氣體傳感器的整體結(jié)構(gòu)。
[0213](6)采用硅基材料作為微熱板材料，易于通過MEMS加工技術(shù)制作，加工工藝成熟，
加工效率高。
[0214]以上所揭露的僅為本發(fā)明一種較佳實施例而已，當(dāng)然不能以此來限定本發(fā)明之權(quán)利范圍，因此依本發(fā)明權(quán)利要求所作的等同變化，仍屬本發(fā)明所涵蓋的范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種具有絕熱溝槽的MEMS氣體傳感器，其特征在于，包括: 單晶娃襯底⑴； 絕熱溝槽(2)，形成于所述單晶硅襯底(I)的上表面且具有一定深度，所述絕熱溝槽(2)包括一組或多組溝槽，其中每組溝槽包括多個平行排列的溝槽； 下絕緣層(3)，覆蓋所述單晶硅襯底(I)的上表面； 加熱層(4)，設(shè)置于所述下絕緣層(3)的上表面，且所述加熱層(4)位于所述絕熱溝槽(2)的正上方區(qū)域內(nèi)； 上絕緣層(5)，覆蓋所述加熱層(4)的上表面； 氣體敏感層(9)，設(shè)置于所述上絕緣層(5)的上表面，且所述氣體敏感層(9)位于所述加熱層(4)的正上方區(qū)域內(nèi)。
2.如權(quán)利要求1所述的具有絕熱溝槽的MEMS氣體傳感器，其特征在于，所述氣體傳感器還包括: 溫度敏感層(7)，設(shè)置于所述上絕緣層(5)的上表面； 氣體敏感層電極(8)，設(shè)置于所述上絕緣層(5)的上表面，所述氣體敏感層電極(8)和所述溫度敏感層(7)位于所述加熱層(4)正上方區(qū)域內(nèi)的不同位置，且所述氣體敏感層(9)覆蓋所述氣體敏感層電極(8)及兩電極之間的所述上絕緣層(5)的上表面，從而連通所述氣體敏感層電極⑶。
3.如權(quán)利要求1或2所述的具有絕熱溝槽的MEMS氣體傳感器，其特征在于，所述絕熱溝槽(2)包括兩組相交的直線狀溝槽,每組溝槽包括多個相互平行的溝槽；或者,所述絕熱溝槽(2)包括多個由外向內(nèi)漸變縮小的回狀溝槽。
4.如權(quán)利要求1或2所述的具有絕熱溝槽的MEMS氣體傳感器，其特征在于，所述絕熱溝槽(2)的溝槽深度為20-100 μ m,寬度為300-1000nm，每組溝槽的間距為1_5 μ m。
5.如權(quán)利要求1或2所述的具有絕熱溝槽的MEMS氣體傳感器，其特征在于，所述絕熱溝槽(2)的表面形成有二氧化硅薄膜(21)，且所述二氧化硅薄膜(21)的厚度為100_500nmo
6.一種具有絕熱溝槽的MEMS氣體傳感器的加工方法，其特征在于，包括以下步驟: 51、在單晶硅襯底的上表面制備絕熱溝槽； 52、在具有所述絕熱溝槽的單晶硅襯底的上表面制備下絕緣層； 53、在制備好的下絕緣層的上表面制備加熱層，所述加熱層位于所述絕熱溝槽的正上方區(qū)域內(nèi)； 54、在制備好的加熱層的上表面，按照S2步驟的方法制備上絕緣層； 55、在制備好的上絕緣層的上表面制備氣體敏感層，所述氣體敏感層位于所述加熱層的正上方區(qū)域內(nèi)。
7.如權(quán)利要求6所述的具有絕熱溝槽的MEMS氣體傳感器的加工方法，其特征在于，所述方法在步驟S4后還包括以下步驟: 在制備好的上絕緣層的上表面制備溫度敏感層和氣體敏感層電極，制備得到的所述氣體敏感層電極和所述溫度敏感層位于所述加熱層正上方區(qū)域內(nèi)的不同位置，且所述氣體敏感層覆蓋所述氣體敏感層電極及兩電極之間的所述上絕緣層的上表面，從而連通所述氣體敏感層電極。
8.如權(quán)利要求6或7所述的具有絕熱溝槽的MEMS氣體傳感器的加工方法，所述步驟SI中制備得到的所述絕熱溝槽包括兩組相交的直線狀溝槽，每組溝槽包括多個相互平行的溝槽；或者，所述步驟SI中制備得到的所述絕熱溝槽包括多個由外向內(nèi)漸變縮小的回狀溝槽。
9.如權(quán)利要求6或7所述的具有絕熱溝槽的MEMS氣體傳感器的加工方法，其特征在于，所述步驟SI中的制備所述絕熱溝槽的方法為干法刻蝕，且所述絕熱溝槽的溝槽深度為20-100 μ m,寬度為 300-1000nm,溝槽間距為 1-5 μ m。
10.如權(quán)利要求6或7所述的具有絕熱溝槽的MEMS氣體傳感器的加工方法，其特征在于，所述步驟SI步驟之后，還包括:在制備好的絕熱溝槽的表面制備厚度為100-500nm的二氧化硅薄膜。
【文檔編號】G01N27/00GK104165902SQ201410345482
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2014年7月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月18日
【發(fā)明者】沈方平, 張珽, 祁明鋒, 劉瑞, 丁海燕, 谷文 申請人:蘇州能斯達(dá)電子科技有限公司