[发明专利]一种具有四支撑悬梁四层结构的电阻式气体传感器及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有四支撑悬梁四层结构的电阻式气体传感器及制作方法。本发明采用微加工工艺和化学合成工艺相结合方法制作了气体传感器，

属于微电子机械系统(MEMS)和气体传感领域。

背景技术

气体传感器已经在工业、民用和环境监测三大主要领域内取得了广泛的应用。目前检测气体的方法和手段已经非常多，主要包括催化燃烧式、电化学式、热导式、红外吸收式和半导体式气体传感器等。由于电阻式半导体传感器具有灵敏度高、操作方便、体积小、成本低廉、响应时间和恢复时间短等优点，因此应用最为广泛，特别在对易燃易爆气体(如CH₄，H₂等)和有毒有害气体(如CO，NO_x等)的探测中起着重要的作用。

为了提高传感器的性能，在过去几十年的发展过程中，半导体气体传感器在器件结构上有较大的发展。器件结构主要分为烧结型，厚膜型，薄膜型和硅基薄膜型。烧结型气体传感器主要包括直热式和旁热式。由于直热式存在着元件离散性大、互换性差，这种结构的传感器已逐渐被旁热式逐渐取代。旁热式传感器是将气敏材料与少量粘合剂混合研磨，然后制成浆体涂抹于带有电极引线的陶瓷管上，在陶瓷管内部安置一个加热电阻，提供传感器工作所需的温度。例如：段春名，“旁热式半导体气体传感器的特性及其影响因素”，传感器世界，1999(10)，23-26。厚膜型气体传感器是由基片、电极和气敏材料构成，制作过程是将气敏材料与一定比例的粘合剂混合，并加入适量的催化剂制成糊状，然后印到预先安装有电极和加热元件的陶瓷基片上，干燥、高温煅烧而成。例如：张伟达，“α-Fe₂O₃气敏陶瓷的研究”，功能材料，1994(5)，426-431。.薄膜气体传感器结构和厚膜相似。不同的是测量电极上面的气敏材料是利用真空溅射、反应蒸渡、化学气相沉积、喷雾热解、溶胶-凝胶等方法渡上的一层薄膜。例如：高胜国，詹自力，钟克创，尚中锋，彭春华，“溶胶-凝胶法制备的SnO₂薄膜气敏特性研究”，郑州轻工业学院学报(自然科学版)，2002(17)，11-13。薄膜型气体传感器具有材料用量低、各传感器之间的重复性、传感器的机械强度较好的优点，但是薄膜型传感器的制造过程需要复杂、昂贵的工艺设备，严格的环境条件，成本较高。硅基微结构薄膜型气敏传感器是基于微型加热器的新型电阻式气体传感器，目前的主流是基于封闭膜式或四悬梁式的微型加热器，功耗相对还是较高。例如：John S.Suehle，Richard E.Cavicchi，Michael Gaitan，Steve Semancik，“Tin oxide gas sensor fabricated using CMOS micro-hotplates and in-situ processing”，IEEE Electron Device Letters，vol.14，1993，pp.118-120.

如何在保证良好的灵敏度、选择性和稳定性的前提下又能实现低成本，低功耗和批量生产的传感器是本领域技术人员渴望解决的技术难题，从而也引出了本发明的目的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于微型加热器的具有四悬梁四层结构的电阻式气体传感器及其制作方法，在降低成本和功耗的同时，又能提高传感器的灵敏度和选择性。

在结构上，本发明所述的电阻式气体传感器是一个自下而上可以分为四层具有不同功能的器件。第一层(最下层)是(100)面的硅片制作的衬底框架，其中包含一个横截面呈倒梯形或“V”字形的隔热腔体。第二层是位于隔热腔体上方的加热膜区和支撑悬梁，它们由氧化硅和氮化硅的多层复合膜组成。第三层是加热电阻丝，供电引线，叉指电极和探测引线；加热电阻丝是以折线形式排布在加热膜区上，加热电阻丝把电能转化为热能为传感器提供合适的工作温度。叉指电极位于加热膜区处，并排布在加热电阻丝的间隙中，将用于连接敏感膜。当特征气体与气敏材料接触时，气敏材料的电阻值会发出变化，通过测量探测电极间的电阻变化就能实现气体探测。第四层(最上层)是气体探测用敏感膜，敏感膜位于加热膜区处并且和叉指电极有良好的电联接，是传感器的敏感单元。

综上所述，本发明提供的一种具有四悬梁四层结构的电阻式气体传感器的结构如图1所示，包括：衬底框架1，隔热腔体2，加热膜区3，支撑悬梁4，加热电阻丝5，供电引线6，供电电极7，叉指电极8，探测引线9，探测电极10，和敏感膜11。其结构特征为：