[发明专利]一种MEMS气体传感器及其加工方法

说明书

技术领域

本发明涉及气体检测技术领域，具体涉及一种MEMS气体传感器及其加工方法。

背景技术

大气污染，空气质量与人们的生活息息相关，易燃易爆性气体更是关系到工业生产、国防安全等，因此对气体的检测有着极其重要的作用。目前对气体的检测除了传统的大型检测设备例如基于质谱、能谱和色谱的气体检测仪器，但是这些仪器由于体积庞大、价格较高，限制了它们的普及和发展。近些年也发展出了一些小型的气体传感器。在各种气体传感器中，半导体气体传感器的应用最为广泛。它具有功耗低、体积小、重复性好、灵敏度高、成本低、易于批量生产、加工工艺稳定等优点。半导体气体传感器的原理是利用金属氧化物薄膜制成的阻抗器件，在一定的温度下，气体分子在表面与金属氧化物反应引起电阻率的变化，从而实现对气体的探测。由于气体分子与金属氧化物反应需要较高的温度，为了实现在较低的温度下工作，需要在气体敏感薄膜下制作微加热板以为气体薄膜提供足够的温度。

微机电系统(MEMS,Micro-Electro-Mechanical System)是一种先进的制造技术平台。MEMS的技术包括微电子技术和微加工技术两大部分。微电子技术的主要内容有:氧化层生长、光刻掩膜制作、光刻选择掺杂(屏蔽扩散、离子注入)、薄膜(层)生长、连线制作等。微加工技术的主要内容有:硅表面微加工和硅体微加工(各向异性腐蚀、牺牲层)技术、晶片键合技术、制作高深宽比结构的深结构曝光和电铸技术(LIGA)等。利用微电子技术可制造集成电路和许多传感器。硅基加工技术是在微电子加工技术基础上发展起来的一种微加工技术，主要依靠光刻、扩散、氧化、薄膜生长、干法刻蚀、湿法刻蚀和蒸发溅射等工艺技术。

随着MEMS技术与微电子的发展，体积小，功耗低且易与其他材料或器件组合的微加热式气体传感器越来越受到重视。但使用微加热板会带来一定的功率损耗。申请号为201110241625.3的中国专利公开了一种在硅基底上、加热电极和信号电极共居于同一介质平面上的硅基共平面低功耗微型气体传感器芯片，其可实现较低温度工作，但其未设置隔热层或绝热层，由于半导体气体传感器工作温度较高，热量损耗较大，因而无法降低功耗。

现有技术中，为降低功耗，实现结构保温普遍采用绝热槽。目前基于MEMS加工技术制作的硅基气体传感器普遍采用的结构是：在单晶硅基底的上表面沉积一层氮化硅膜层作为下绝缘层，在单晶硅基底的下表面制备绝热槽。制备绝热槽时可使用背面湿法刻蚀工艺，也可先对下绝缘层蚀刻出悬臂梁，再往下湿法刻蚀出倒金字塔式绝热槽。两种绝热槽可以更好的防止热量的散失以降低功耗。下绝缘层上方通过剥离工艺(lift-off)加工出铂加热丝层，通过给加热丝通电即可产生热量，形成气体传感器工作所需要的温度。在铂加热丝表面上又沉积一层氮化硅层作为上绝缘层，最后沉积温度敏感层和气体敏感层。例如申请号为201110366861.8的中国专利公开了的气体传感器及其制造工艺便采用了绝热槽的工艺。但是这种方法蚀刻出绝热槽后加热层与气体敏感层仅靠一层薄膜结构的氮化硅层支撑，而该薄膜仅在两端被悬臂结构的支撑衬底支撑，这种薄膜结构的绝缘层力学性能较差，在器件受到震动或者碰撞时易发生破裂导致器件失效。除此之外，由于隔热层与加热丝的热膨胀系数的差异，在高温下隔热层易翘曲使加热丝易从隔热层脱落，同样导致器件失效。其次，悬臂结构的绝热槽利用悬臂之间的空气隔热，由于空间较大，空气流动较快，也会造成热量散失较快，影响隔热效果。再次，该种绝热槽的制备工艺复杂，对控制条件要求较高，从而增加加工难度。

综上，现有技术中的气体传感器的隔热结构主要存在以下问题：

(1)稳定性差，由于受力不均匀引起器件发生变形破裂，导致器件失效。

(2)隔热效果差，绝热槽间的空气间隔较大导致热量散失较快，影响隔热效果。

(3)加工工艺复杂，绝热槽的制备工艺复杂，制备时间较长。

发明内容

为了解决现有技术中气体传感器存在的诸多问题，本发明提供一种MEMS气体传感器及其加工方法，采用孔壁表面形成有二氧化硅薄膜的多孔硅层作为绝热层，同时作为支撑层，可以延长气体传感器的寿命，增加灵敏度。