專利名稱：電熱雙參數檢測芯片及其制備方法
技術領域：
本發明屬于傳感技術領域，特別是涉及空氣、水以及生物體中某種化學物質的檢測，如空氣中的易燃易爆氣體、有毒氣體、生化武器、爆炸物以及水中的毒素、污染物和食品中的殘余農藥、獸藥及添加劑等。
背景技術：
隨著社會的進步和科技的發展，人們對環境安全性和生活舒適性的要求越來越高，對空氣、水源以及食品的安全越來越重視，這些都涉及到對空氣、水以及生物體中某些化學物質的檢測。目前的檢測手段主要是化學分析方法，需要采樣后在專業實驗室中進行，分析時間長，成本高，很不方便。一些化學物質也可利用試條/試劑進行現場檢測，但這種方法可靠性比較差，而且需要專業人員來進行操作。目前，也有一些可現場工作的檢測儀器，但存在著成本高、體積大、功耗高以及檢測準確性低等問題。
最近幾年里，一些高分子敏感材料被廣泛應用于易燃易爆氣體、有毒氣體以及水中的毒素、污染物以及食品中殘余農藥、獸藥的檢測。根據檢測原理基于高分子材料的傳感器主要可以分為以下幾種1、阻抗型傳感器，根據高分子材料電容或電阻的變化來檢測被測物。2、半導體型傳感器，根據高分子材料接觸被測物后其半導體參數(如二極管特性)的變化來檢測被測物。3、諧振型傳感器，由于高分子材料吸附被測物質后質量或者彈性模量發生變化導致器件諧振頻率發生改變，通過測量諧振頻率的改變檢測被測物。4、電化學傳感器，根據電極電位或者電流與被測物濃度的特定函數關系檢測被測物，可分為電位計式、電流計式等。5、量熱型傳感器，主要原理是測量被測物與高分子材料之間的物理或化學過程中導致的溫度變化。6、光纖式傳感器，其原理是基于敏感薄膜上光傳播、吸收或發射特性的變化，并最終輸出一個光學信號。可能的結構包括光導發光型、纖芯型、被覆型、干涉儀及其它的光纖傳感器。
由于能與某種高分子敏感材料發生物理或者化學反應的有多種物質，所以這些基于高分子敏感材料的傳感器雖然靈敏度很高，但由于選擇性不高而使得整體性能不能令人滿意。
發明內容
本發明的目的是提出一種基于微電子機械系統(MEMS)技術的電熱雙參數檢測芯片，通過同時測量敏感材料電參數與熱參數的變化，提高了對被測物的選擇性，進而提高了檢測的可靠性。
本發明的再一目的是提供一種制備方法，使本發明的電熱雙參數檢測芯片能采用該方法實現低成本、大批量制備。
為達到上述目的，本發明的技術方案如下一種電熱雙參數檢測芯片，基于微電子機械系統(MEMS)技術，包括襯底、起支撐作用的支撐膜片、測量熱參數變化的溫度傳感器、測量電參數變化的測量電極以及與被測物作用后會發生某種可逆或不可逆物理化學變化的敏感膜；其特征在于芯片襯底為框形，中心部位有一通孔，其上表面固接一支撐膜片，支撐膜片上表面中心部，位于通孔的中心，固接有一敏感膜，在支撐膜片的上表面和敏感膜下表面之間，有至少一對測量電極和至少一個溫度傳感器。
所述的電熱雙參數檢測芯片，其還包括用于控制芯片工作溫度的至少一個加熱電極，位于支撐膜片的上表面和敏感膜下表面之間；加熱電極是由金屬薄膜或是由多晶硅制成的。
所述的電熱雙參數檢測芯片，其還包括至少一層絕緣膜，位于支撐膜片與敏感膜之間，所述至少一對測量電極，固接于絕緣膜的上表面或下表面；至少一個溫度傳感器，固接于絕緣膜的下表面或上表面；至少一個加熱電極，固接于絕緣膜的下表面或上表面。
所述的電熱雙參數檢測芯片，其所述測量電極，是一對或多對叉指電極，由鉑/鉭薄膜材料制成。
所述的電熱雙參數檢測芯片，其所述支撐膜片，為完整膜片或者是由梁支撐的懸膜；支撐膜片和絕緣膜的材料是硅、氧化硅、氮化硅、金屬、金屬氧化物、陶瓷、玻璃中的一種，或上述各種材料組成的復合膜。
所述的電熱雙參數檢測芯片，其所述溫度傳感器，是金屬薄膜熱電阻或多晶硅熱電阻；或是由金屬、硅或者金屬化合物組成的熱偶或熱堆；或是由微電子工藝制備的其它溫度傳感器。
所述的電熱雙參數檢測芯片，其所述敏感膜，由至少一種在被測物作用下會發生某種可逆或不可逆物理化學變化的組分構成，其面積小于襯底通孔上口的面積。
所述的電熱雙參數檢測芯片，其所述敏感膜，是金屬氧化物薄膜，有機聚合物薄膜，生物膜中的一種，優選是包埋有金屬氧化物納米顆粒、金屬氧化物納米線、金屬納米顆粒、金屬納米線、碳黑納米顆粒、碳納米管或者酶的有機膜。
所述的電熱雙參數檢測芯片，其芯片輸出的電熱參數信號為差分信號。
所述的電熱雙參數檢測芯片，其所述芯片為硅材料，可組成陣列芯片。
一種如權利要求1所述的電熱雙參數檢測芯片的制備方法，是采用微電子機械系統(MEMS)工藝制成的，包括1、準備襯底100晶向的雙面拋光硅片；2、制備支撐膜在爐溫1150，采用O2/H2O/O2交替氧化條件下熱氧化300nm的氧化硅，低壓化學氣相沉積(LPCVD)200nm的低應力氮化硅；3、制備溫度傳感器光刻鉑電阻，剝離制備鉑電阻，作為溫度傳感器；4、制備測量電參數的測量電極光刻叉指電極，濺射鉑/鉭(Pt/Ta)200nm，剝離制備叉指電極，作為測量電參數的測量電極；5、形成膜片結構光刻背面腐蝕窗口，用六氟化硫(SF6)反應離子刻蝕(RIE)氮化硅膜，用氫氟酸緩沖液(BHF)腐蝕氧化硅，然后用氫氧化鉀(KOH)溶液各向異性腐蝕硅形成膜片結構；6、制備敏感膜將有機聚合物溶于溶劑中并摻入適量炭納米顆粒，采用生物點樣的辦法將其沉積到芯片上；7、裂片、封裝。
所述的電熱雙參數檢測芯片的制備方法，其第(2)步驟的低壓化學氣相沉積，條件為爐溫850，源為硅烷SiH4、氨氣NH3及氮氣N2。
所述的電熱雙參數檢測芯片的制備方法，其第(3)、(4)步驟的順序可以交換或合并為一步工藝；其中光刻，為正性光刻膠，膠膜厚度在1微米到5微米之間。
所述的電熱雙參數檢測芯片的制備方法，其第(5)步驟的光刻背面腐蝕窗口，是正性光刻膠，膠膜厚度在2微米到5微米之間。
所述的電熱雙參數檢測芯片的制備方法，其第(6)、(7)步驟的順序可以交換。
所述的電熱雙參數檢測芯片的制備方法，其加工工藝是體硅加工技術或是表面加工技術或是體硅加工技術與表面加工技術的結合。
本發明的優點與積極效果本發明可以同時檢測電熱兩個參數，大大提高了檢測準確性；本發明采用微電子機械系統(MEMS)技術制備，降低了檢測系統的成本、體積以及功耗；更為重要的是，本發明采用微電子機械系統(MEMS)技術制備使得膜片的熱容量很小，熱參數的測量精度大大提高。
圖1為本發明電熱雙參數檢測芯片的結構示意圖；圖2為本發明電熱雙參數檢測芯片的幾種不同結構示意圖；其中(a)所示結構為完整支撐膜片2；(b)所示為懸膜結構的支撐膜片2；(c)所示結構為完整支撐膜片2；(d)所示為懸膜結構的支撐膜片2；圖3為電熱雙參數檢測芯片的制備工藝流程示意圖。
具體實現方式如圖1所示，為本發明電熱雙參數檢測芯片的結構示意圖。圖中1為襯底，2為支撐膜片，3為用于電參數測量的電極，4為用于熱參數測量的溫度傳感器，5為敏感膜。襯底1為框形，材料為硅片，中心部位有一通孔6。襯底1的上表面固接一支撐膜片2，支撐膜片2是以氧化硅與氮化硅構成的復合膜，其上表面中心部，位于通孔6的中心，固接有一敏感膜5，其面積小于通孔6上口的面積，敏感膜5是包埋有炭納米顆粒的有機聚合物薄膜。在支撐膜片2的上表面和敏感膜5下表面之間，有鉑/鉭(Pt/Ta)叉指電極3和用薄膜鉑電阻制備的溫度傳感器4。叉指電極3作為測量電參數的電極，溫度傳感器4用來測量熱參數，同時鉑電阻也是控制芯片工作溫度的加熱器。
如圖2所示，為本發明電熱雙參數檢測芯片的幾種不同結構示意圖，其中(a)所示結構為完整支撐膜片2，用于電參數測量的電極3、溫度傳感器4(以及加熱電極)處于支撐膜片2的同一層上；(b)所示為懸膜結構的支撐膜片2，用于電參數測量的電極3、溫度傳感器4(以及加熱電極)處于支撐膜片2的同一層上；(c)所示結構為完整支撐膜片2，用于電參數測量的電極3、溫度傳感器4(以及加熱電極)處于膜片的不同層上，彼此之間由絕緣膜7隔離；(d)所示為懸膜結構的支撐膜片2，用于電參數測量的電極3、溫度傳感器4(以及加熱電極)處于膜片的不同層上，彼此之間由絕緣膜7隔離。絕緣膜7和支撐膜片2，都是以氧化硅與氮化硅構成的復合膜。
支撐膜片2和絕緣膜7的材料是硅、氧化硅、氮化硅、金屬、金屬氧化物、陶瓷、玻璃中的一種，或上述各種材料組成的復合膜。
溫度傳感器4(以及加熱電極)，是金屬薄膜熱電阻或多晶硅熱電阻；或是由金屬、硅或者金屬化合物組成的熱偶或熱堆；或是由微電子工藝制備的其它溫度傳感器。
敏感膜5，由至少一種在被測物作用下會發生某種可逆或不可逆物理化學變化的組分構成，其是金屬氧化物薄膜，有機聚合物薄膜，生物膜中的一種，優選是包埋有金屬氧化物納米顆粒、金屬氧化物納米線、金屬納米顆粒、金屬納米線、碳黑納米顆粒、碳納米管或者酶的有機膜。
本發明的電熱雙參數檢測芯片，輸出的電熱參數信號為差分信號，可組成陣列芯片。
如圖3所示，為電熱雙參數檢測芯片的制備工藝流程示意圖，其中(1)為準備襯底，(2)為制備支撐膜，(3)為制備溫度傳感器和測量電參數的測量電極，(4)為形成膜片結構，(5)為制備敏感膜，(6)為裂片、封裝。
下面是制備電熱雙參數檢測芯片的代表工藝流程1)準備襯底300微米厚，100晶向的雙面拋光硅片。
2)制備支撐膜熱氧化300nm的氧化硅(爐溫1150，采用O2/H2O/O2交替氧化)，低壓化學氣相沉積(LPCVD)200nm的低應力氮化硅(爐溫850，源為硅烷SiH4、氨氣NH3及氮氣N2)。
3)制備鉑電阻及叉指電極光刻鉑電阻及叉指電極(正性光刻膠，膠膜厚度在1微米到5微米之間，典型值為2微米)，濺射鉑/鉭(Pt/Ta)(200nm)，剝離制備鉑電阻及叉指電極分別作為溫度傳感器及測量電參數的測量電極。
4)形成膜片結構光刻背面腐蝕窗口(正性光刻膠，膠膜厚度在2微米到5微米之間，典型值為4微米)，用六氟化硫(SF6)反應離子刻蝕(RIE)氮化硅膜，用氫氟酸緩沖液(BHF)腐蝕氧化硅，然后用氫氧化鉀(KOH)溶液各向異性腐蝕硅形成膜片結構。
5)制備敏感膜將有機聚合物溶于溶劑中并摻入適量碳納米顆粒，采用生物點樣的辦法將其沉積到芯片上。
6)裂片、封裝。
權利要求
1.一種電熱雙參數檢測芯片，基于微電子機械系統(MEMS)技術，包括襯底、起支撐作用的支撐膜片、測量熱參數變化的溫度傳感器、測量電參數變化的測量電極以及與被測物作用后會發生某種可逆或不可逆物理化學變化的敏感膜；其特征在于芯片襯底為框形，中心部位有一通孔，其上表面固接一支撐膜片，支撐膜片上表面中心部，位于通孔的中心，固接有一敏感膜，在支撐膜片的上表面和敏感膜下表面之間，有至少一對測量電極和至少一個溫度傳感器。
2.如權利要求1所述的電熱雙參數檢測芯片，其特征在于還包括用于控制芯片工作溫度的至少一個加熱電極，位于支撐膜片的上表面和敏感膜下表面之間；加熱電極是由金屬薄膜或是由多晶硅制成的。
3.如權利要求1所述的電熱雙參數檢測芯片，其特征在于還包括至少一層絕緣膜，位于支撐膜片與敏感膜之間，所述至少一對測量電極，固接于絕緣膜的上表面或下表面；至少一個溫度傳感器，固接于絕緣膜的下表面或上表面；至少一個加熱電極，固接于絕緣膜的下表面或上表面。
4.如權利要求1或3所述的電熱雙參數檢測芯片，其特征在于所述測量電極，是一對或多對叉指電極，由鉑/鉭薄膜材料制成。
5.如權利要求1或3所述的電熱雙參數檢測芯片，其特征在于所述支撐膜片，為完整膜片或者是由梁支撐的懸膜；支撐膜片和絕緣膜的材料是硅、氧化硅、氮化硅、金屬、金屬氧化物、陶瓷、玻璃中的一種，或上述各種材料組成的復合膜。
6.如權利要求1所述的電熱雙參數檢測芯片，其特征在于所述溫度傳感器，是金屬薄膜熱電阻或多晶硅熱電阻；或是由金屬、硅或者金屬化合物組成的熱偶或熱堆；或是由微電子工藝制備的其它溫度傳感器。
7.如權利要求1所述的電熱雙參數檢測芯片，其特征在于所述敏感膜，由至少一種在被測物作用下會發生某種可逆或不可逆物理化學變化的組分構成，其面積小于襯底通孔上口的面積。
8.如權利要求1或7所述的電熱雙參數檢測芯片，其特征在于所述敏感膜，是金屬氧化物薄膜，有機聚合物薄膜，生物膜中的一種，優選是包埋有金屬氧化物納米顆粒、金屬氧化物納米線、金屬納米顆粒、金屬納米線、碳黑納米顆粒、碳納米管或者酶的有機膜。
9.如權利要求1所述的電熱雙參數檢測芯片，其特征在于芯片輸出的電熱參數信號為差分信號。
10.如權利要求1所述的電熱雙參數檢測芯片，其特征在于所述芯片為硅材料，可組成陣列芯片。
11.一種如權利要求1所述的電熱雙參數檢測芯片的制備方法，是采用微電子機械系統(MEMS)工藝制成的；其特征在于，包括(1)準備襯底100晶向的雙面拋光硅片；(2)制備支撐膜在爐溫1150，采用O2/H2O/O2交替氧化條件下熱氧化300nm的氧化硅，低壓化學氣相沉積(LPCVD)200nm的低應力氮化硅；(3)制備溫度傳感器光刻鉑電阻，剝離制備鉑電阻，作為溫度傳感器；(4)制備測量電參數的測量電極光刻叉指電極，濺射鉑/鉭(Pt/Ta)200nm，剝離制備叉指電極，作為測量電參數的測量電極；(5)形成膜片結構光刻背面腐蝕窗口，用六氟化硫(SF6)反應離子刻蝕(RIE)氮化硅膜，用氫氟酸緩沖液(BHF)腐蝕氧化硅，然后用氫氧化鉀(KOH)溶液各向異性腐蝕硅形成膜片結構；(6)制備敏感膜將有機聚合物溶于溶劑中并摻入適量碳納米顆粒，采用生物點樣的辦法將其沉積到芯片上；(7)裂片、封裝。
12.如權利要求11所述的電熱雙參數檢測芯片的制備方法，其特征在于第(2)步驟的低壓化學氣相沉積，條件為爐溫850，源為硅烷SiH4、氨氣NH3及氮氣N2。
13.如權利要求11所述的電熱雙參數檢測芯片的制備方法，其特征在于第(3)、(4)步驟的順序可以交換或合并為一步工藝；其中光刻，為正性光刻膠，膠膜厚度在1微米到5微米之間。
14.如權利要求11所述的電熱雙參數檢測芯片的制備方法，其特征在于第(5)步驟的光刻背面腐蝕窗口，是正性光刻膠，膠膜厚度在2微米到5微米之間。
15.如權利要求11所述的電熱雙參數檢測芯片的制備方法，其特征在于第(6)、(7)步驟的順序可以交換。
16.如權利要求11所述的電熱雙參數檢測芯片的制備方法，其特征在于加工工藝是體硅加工技術或是表面加工技術或是體硅加工技術與表面加工技術的結合。
全文摘要
本發明電熱雙參數檢測芯片及其制備方法屬于傳感技術領域，特別涉及空氣、水及生物體中某種化學物質的檢測。該芯片包括襯底、支撐膜片、測量熱參數變化的溫度傳感器、測量電參數變化的測量電極以及與被測物作用后會發生某種可逆或不可逆物理化學變化的敏感膜；其芯片襯底為框形，中心部位有一通孔，其上表面固接一支撐膜片，支撐膜片上表面中心部，位于通孔的中心，固接有一敏感膜，在支撐膜片上表面和敏感膜下表面之間，有至少一對測量電極和至少一個溫度傳感器。本發明同時檢測電熱兩個參數，提高了檢測準確性；因采用微電子機械系統技術制備，降低了檢測系統成本、體積以及功耗；并使膜片的熱容量很小，熱參數的測量精度大大提高。
文檔編號G01N27/403GK1749745SQ20041007467
公開日2006年3月22日 申請日期2004年9月13日 優先權日2004年9月13日
發明者高曉光, 李建平, 何秀麗 申請人:中國科學院電子學研究所