一種基于單個加熱元件的甲烷傳感器及制備方法和應用的制作方法
【專利摘要】一種基于單個加熱元件的甲烷傳感器及制備方法和應用，適用于工礦企業中使用。該甲烷傳感器包括加熱元件、測量元件、環境溫度測量元件。該甲烷傳感器的加熱元件的加熱器和測量元件的測量構件通過支撐臂懸置于空氣中，加熱元件單獨加熱到高溫工作狀態，測量元件單獨用于檢測瓦斯氣體濃度，環境溫度測量元件檢測片上溫度用于溫度補償。該甲烷傳感器加工工藝與CMOS工藝兼容。該傳感器的優點為：結構簡單、功耗低、靈敏度高、抗干擾性好、成本低。
【專利說明】一種基于單個加熱元件的甲烷傳感器及制備方法和應用
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種甲烷傳感器及制備方法和應用，特別是一種工礦物聯網中使用的基于單個加熱元件的甲烷傳感器及制備方法和應用。
【背景技術】
[0002]隨著物聯網的發展，當前的甲烷傳感器無法滿足單兵裝備等對低功耗、長壽命、低成本的檢測低濃度甲烷的甲烷傳感器的需求。
[0003]目前用于煤礦井下檢測低濃度甲烷的仍多是基于傳統鉬絲加熱的催化燃燒式甲烷傳感器，其原理是基于甲烷氣體的催化燃燒反應釋熱效應。催化燃燒式甲烷傳感器功耗較大，由于催化劑的使用，該種甲烷傳感器具有積碳、中毒、激活等缺點，且性能不穩定、校驗時間短。除此之外，現有催化燃燒式甲烷傳感器采用鉬絲等貴金屬手工或機械繞制的線圈作為加熱元件，難以批量化生產、且一致性與互換性較差，因此，不能很好的滿足物聯網對低功耗高性能甲烷傳感器的應用需求。而紅外甲烷傳感器價格高、傳感元件受粉塵與水汽嚴重影響；這兩種甲烷傳感器都不能很好的滿足物聯網對低功耗甲烷傳感器的應用需求。其它的甲烷傳感器亦難以適應煤礦井下特殊的使用環境。
【發明內容】
[0004]技術問題:本發明的目的是提供一種結構簡單，不依賴催化劑，基于單個加熱元件的能夠檢測低濃度甲烷的基于單個加熱元件的甲烷傳感器及制備方法和應用。
[0005]技術方案:為實現上述目的，本發明的基于單個加熱元件的甲烷傳感器包括加熱元件、測量元件與環境溫度測量元件；所述環境溫度測量元件設在支座上；
[0006]所述加熱元件由兩個固定端、兩個并排設置的支撐臂A與加熱器構成，兩個支撐臂A的兩端分別與固定端和加熱器相連接，形成二端子器件；所述每個支撐臂A的長度至少300um ;所述測量元件由兩個固定端、測量構件和兩個支撐臂B構成，兩個支撐臂B分別與測量構件的兩端相連接，兩個支撐臂B的另一端分別與兩個固定端相連，構成二端子器件；所述每個支撐懸臂B的長度至少10um ;所述加熱元件的固定端與測量元件的固定端相互獨立的設在支座上，其余部分懸置在空氣中；加熱元件和測量元件在結構上都為懸臂梁結構；所述加熱元件的加熱器為環形結構，所述測量元件的測量構件為“一”字結構或圓弧狀結構，所述加熱元件的加熱器與測量元件的測量構件之間不接觸，所述相隔距離為2um至200umo
[0007]所述支座包括襯底與設在襯底上的隔離氧化硅層，及設在隔離氧化硅上的頂層單晶硅層；加熱元件、測量元件與環境溫度測量元件采用設在隔離氧化硅上的頂層單晶硅層加工形成，加熱元件、測量元件與環境溫度測量元件的硅結構分別都與隔離氧化硅上的其它的頂層單晶硅層隔離不相連接；所述襯底為硅或其它可采用MEMS工藝加工的材料；所述設在支座上的環境溫度測量元件包括兩個電極引出端、及測量電阻；
[0008]加熱元件與測量元件的固定端及環境溫度測量元件的電極引出端由頂層單晶硅層形加工成，在頂層單晶硅層外有氧化硅層，在氧化硅層上設有電引出焊盤金屬；所述固定端與電極引出端的頂層單晶硅層內設有摻雜硅層；所述電引出焊盤金屬通過氧化硅層的窗口與固定端的摻雜硅層相接觸構成歐姆接觸；
[0009]所述加熱元件的伸出在空氣中的支撐臂A與加熱器以及測量元件的伸出在空氣中的測量構件、支撐臂B的外表面設有鈍化保護層；所述環境溫度測量元件的測量硅電阻的外表面同樣設有鈍化保護層；所述鈍化保護層為氧化硅，或氧化鉿，或氧化硅/氧化鋁復合層，或氧化鉿/氧化鋁復合層，或氧化鉿/氮化硅復合層，或氧化鋁/氮化硅復合層，或氧化硅/氮化硅復合層，或氧化硅、氧化鉿、氧化鋁、氮化硅幾種材料組合形成的復合層；其中氧化娃的厚度至少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10nm，整個鈍化保護層的厚度不超過lum。
[0010]一種基于單個加熱元件的甲烷傳感器的甲烷檢測應用方法，所述基于單個加熱元件的甲烷傳感器的加熱元件通以較大電流或施加較大電壓進入電流-電阻特性曲線中轉折點左側的工作區域、加熱器的加熱溫度在500°c以上，所述轉折點為電阻隨電流或電壓增大而出現的電阻最大點，當電流或電壓繼續增大時，電阻不再繼續增大反而減小；測量元件與環境溫度測量元件則都通以不產生明顯高于環境空氣溫度的微小電流；當沒有甲烷氣體時，測量元件受加熱元件的加熱高溫影響溫度升高，電阻也增大；當甲烷氣體出現及濃度增加時，加熱元件的溫度降低，獨立的測量元件受其影響溫度也降低，導致自身電阻的降低，通過電學測量方法檢測測量元件的電學參數(如電阻)的變化實現甲烷濃度的測量；采用環境溫度測量元件測量環境溫度，用以調整加熱元件的加熱狀態，還可用以對測量所獲得的數據進行溫度補償。
[0011]基于單個加熱元件的甲烷傳感器的制備方法包括以下三種制備方法:
[0012]制備方法(一)的步驟為:
[0013]第一步，以SOI硅片為基片，在SOI硅片的正面，即在頂層單晶硅層上制備氧化硅層；
[0014]第二步，圖形化頂層單晶硅層上之上的氧化硅層，形成摻雜或離子注入所需的窗Π ；
[0015]第三步，摻雜或離子注入形成摻雜硅層；
[0016]第四步，在SOI硅片的正面通過淀積或蒸發形成金屬層；
[0017]第五步，圖形化第四步形成的金屬層，形成電引出焊盤金屬，退火形成歐姆接觸；
[0018]第六步，光刻形成制備加熱元件、測量元件與環境溫度測量元件結構形狀所需的刻蝕窗口圖形，隨后采用RIE方法干法刻蝕氧化硅層及頂層單晶硅層，刻蝕停止于隔離氧化硅層，在隔離氧化硅層上形成加熱元件、測量元件與環境溫度測量元件的結構；
[0019]第七步，在SOI硅片的正面(頂層單晶硅層面)制備刻蝕保護層，刻蝕保護層為光刻膠或PSG (磷硅玻璃)，所述刻蝕保護層覆蓋整個SOI硅片的正面；
[0020]第八步，在SOI硅片背面圖形光刻后形成背面硅刻蝕窗口的圖形，采用濕法刻蝕或ICP或DRIE等干法刻蝕方法刻蝕去除SOI硅片背面硅刻蝕窗口圖形內的底層硅，即襯底，刻蝕停止于隔離氧化硅層；
[0021]第九步，采用氫氟酸溶液或氫氟酸氣霧濕法刻蝕從襯底露出的隔離氧化硅層，釋放出加熱元件與測溫元件；
[0022]第十步，去除第七步所形成的刻蝕保護層；
[0023]第十一步，對暴露出的硅進行氧化，形成薄層氧化硅層；
[0024]第十二步，采用保護層覆蓋SOI硅片的正面，保護層為光刻膠，所述保護層覆蓋除加熱元件、測量元件懸空結構以及環境溫度測量元件的測量電阻以外的SOI硅片正面部分；可以光刻膠作為保護層；可采用微噴印設備在精確定位后制備用作保護層的光刻膠；也可使用覆蓋在SOI硅片正面的掩蔽版采用噴涂的方法制備所述用作保護層的光刻膠；所述掩蔽版僅露出加熱元件、測量元件懸空結構以及環境溫度測量元件的測量電阻，而其余的SOI基片正面部分則被掩蔽版遮擋住；
[0025]第十三步，采用ALD方法在加熱元件、測量元件懸空結構以及環境溫度測量元件的測量電阻的外表面制備氧化鉿，或制備氧化鋁薄膜，或制備氧化鉿/氧化鋁復合薄膜，或制備氧化硅/氧化鉿/氧化鋁復合薄膜，與第十一步形成的薄層氧硅層共同構成鈍化保護層；
[0026]第十四步，去除第十二步使用的保護層，干燥；
[0027]第十五步，對SOI硅片進行劃片與裂片，得到本發明所述的大量的由加熱元件、測量元件與環境溫度測量元件集成在一起的甲烷傳感器；
[0028]或制備方法(二)的步驟為:
[0029]第一步，以SOI硅片為基片，在頂層單晶硅層上制備氧化硅層；
[0030]第二步，圖形化頂層單晶硅層上之上的氧化硅層，形成摻雜或離子注入所需的窗Π ；
[0031]第三步，摻雜或離子注入形成摻雜硅層；
[0032]第四步，光刻形成制備加熱元件、測量元件與環境溫度測量元件結構形狀所需的刻蝕窗口圖形；采用RIE方法干法刻蝕氧化硅層及頂層單晶硅層，刻蝕停止于隔離氧化硅層，在隔離氧化硅層上形成加熱元件、測量元件與環境溫度測量元件的結構；
[0033]第五步，在SOI硅片的正面(頂層單晶硅層面)制備刻蝕保護層，刻蝕保護層為光刻膠或PSG (磷硅玻璃)，所述刻蝕保護層覆蓋整個SOI硅片的正面；
[0034]第六步，在SOI硅片背面光刻，采用濕法刻蝕或ICP或DRIE等干法刻蝕方法刻蝕SOI硅片的底層硅，即襯底，刻蝕停止于隔離氧化硅層；
[0035]第七步，采用氫氟酸溶液或氣霧濕法刻蝕從襯底露出的隔離氧化硅層，釋放出加熱元件與測溫元件；
[0036]第八步，去除第五步所形成的刻蝕保護層；
[0037]第九步，對暴露出的硅進行氧化，形成薄層氧化硅層；
[0038]第十步，采用保護層覆蓋SOI硅片的正面，保護層為光刻膠，所述保護層覆蓋除加熱元件、測量元件懸空結構以及環境溫度測量元件的測量電阻以外的SOI硅片正面部分；可以光刻膠作為保護層；可采用微噴印設備在精確定位后制備用作保護層的光刻膠；也可使用覆蓋在SOI硅片正面的掩蔽版采用噴涂的方法制備所述用作保護層的光刻膠；所述掩蔽版僅露出加熱元件、測量元件懸空結構以及環境溫度測量元件的測量電阻，而其余的SOI基片正面部分則被掩蔽版遮擋住；
[0039]第十一步，采用ALD方法在加熱元件、測量元件懸空結構以及環境溫度測量元件的測量電阻的外表面制備氧化鋁或氧化鉿薄膜；
[0040]第十二步，采用PECVD在400?450°C制備氮化硅；制備成氧化硅/氮化硅符合薄膜，或氧化硅/氧化鋁/氮化硅復合薄膜，或氧化鉿/氮化硅復合薄膜，或氧化硅/氧化鉿/氧化鋁/氮化硅符合薄膜，與第九步形成的薄層氧硅層、第十一步形成的氧化鋁或氧化鉿層共同構成鈍化保護層。
[0041]第十三步，去除第十步使用的保護層，干燥；
[0042]第十四步，在SOI硅片正面制備光刻膠，光刻后露出加熱元件、測量元件的固定端、環境溫度測量元件的電極引出端；
[0043]第十五步，通過淀積或蒸發在加熱元件、測量元件的固定端、環境溫度測量元件的電極引出端上形成電引出焊盤金屬；
[0044]第十六步，去除光刻膠，干燥；退火形成歐姆接觸；
[0045]第十七步，對SOI硅片進行劃片與裂片，得到本發明所述的大量的由加熱元件、測量元件與環境溫度測量元件集成在一起的甲烷傳感器；
[0046]或制備方法(三)的步驟為:
[0047]第一步至第十三步同制備方法(二)的第一步至第十三步，
[0048]第十四步，制備掩蔽版，所述掩蔽版上的圖形與SOI硅片上的加熱元件、測量元件的固定端、環境溫度測量元件的電極引出端的圖形相同；掩蔽版置于SOI硅片正面之上并對準后，通過濺射、沉積等方法制備金屬層，僅在加熱元件、測量元件的固定端、環境溫度測量元件的電極引出端之上形成電引出焊盤金屬(22);退火形成歐姆接觸；
[0049]第十五步，對SOI硅片進行劃片與裂片，得到本發明所述的大量的由加熱元件、測量元件與環境溫度測量元件集成在一起的甲烷傳感器。
[0050]有益效果:本發明提供了一種新型的甲烷傳感器，該甲烷傳感器以硅為加工材料，采用CMOS兼容的MEMS工藝加工，該甲烷傳感器基于單個加熱元件、單獨的測量元件而未采用催化劑實現對低濃度甲烷的檢測，并設有單獨的環境溫度傳感元件檢測傳感器的片上溫度。由于采用了上述方案，本發明的甲烷傳感器具有以下有效效果:
[0051]1、本發明的甲烷傳感器使用獨立的加熱元件與測量元件檢測低濃度(O?4% )甲烷氣體，未使用催化劑；由于沒使用催化劑與催化載體，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致的靈敏度降低、中毒、激活等問題；并且無需對甲烷進行催化燃式反即可實現甲烷檢測，也就不需要氧氣的參與，因此本發明的甲烷傳感器對甲烷的檢測不受空氣中氧氣的影響；
[0052]2、本發明的甲烷傳感器的加熱元件的加熱器懸在空氣中且遠離硅襯底，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，相應的功耗為80?90mff左右；加熱元件與測量元件相互獨立，沒有直接接觸，即不存在固態介質連接，因此不存在從加熱元件到測溫元件的熱傳導形式的能量損失路徑，因此也有效的降低了加熱元件工作時的功耗；并且，本發明的甲烷傳感器只有加熱元件需要加熱到高溫；測量元件與環境溫度測量元件都只需極低的電流即可工作，而無需加熱至高溫，因此測量元件與環境溫度測量元件的功耗都極低；上述的綜合措施大幅降低了本發明的甲烷傳感器的總體功耗，因此具有低功耗的優勢。
[0053]3、本發明的甲烷傳感器的加熱元件、測量元件與環境溫度測量元件都以單晶硅為原材料加工獲得，使得加工工藝統一、簡單，且工藝與CMOS兼容，采用CMOS工藝批量生產，成本低廉、還可使加工的甲烷傳感器具有良好的一致性、互換性，易于實現批量校準，能進一步提高傳感器性能并降低傳感器校準環節的成本。
[0054]4、本發明的甲烷傳感器的加熱元件、測量元件與環境溫度測量元件都以單晶硅加工得到，由于單晶硅在高溫下具有穩定的性能，這使本發明的甲烷傳感器在高溫工作狀態下具有良好的穩定性與長的壽命。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、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，在本發明的加熱元件、測量元件與環境溫度測量元件的外表面設置的鈍化層也降低了外界環境對上述元器件的影響，從而進一步提高了本發明的甲烷傳感器性能的穩定性。
[0055]5、本發明的甲烷傳感器的加熱元件、測量元件與環境溫度測量元件結構上的獨立，便于單獨調控加熱元件、同時單獨對測溫元件進行檢測，使加熱與測溫之間不存在耦合關系，不再受傳統的單一元件加熱與測溫功能復用的限制，這使本發明的甲烷傳感器可具有多種工作模式，且使調控配置簡單、靈活，能進一步提高本發明甲烷傳感器的智能化水平及傳感性能。
[0056]6、本發明的甲烷傳感器的環境溫度測量元件用于獨立檢測本發明的甲烷傳感器的片上溫度，這提供了與加熱元件、測量元件距離最近、最真實的溫度數據，有利于對測量數據進行最佳的溫度補償、同時也為本發明的甲烷傳感器智能化奠定了基礎。
[0057]7、本發明的甲烷傳感器，尺寸小、功耗低，并且響應速度快、可達40ms左右；加熱元件與測量元件結構上的獨立可使測量元件以極低的自加熱效應檢測甲烷濃度，自身熱噪聲的降低使本發明的傳感器的靈敏度進一步得到提升。
[0058]8、本發明的甲烷傳感器工藝與CMOS兼容，可實現傳感器及其信號處理電路的單片集成。10、本發明的甲烷傳感器能夠滿足采用電池的便攜裝備、煤礦井下環境物聯網等使用環境對高性能甲烷傳感器的需求。
[0059]優點:本發明提供的基于單個加熱元件的甲烷傳感器，以性能穩定的硅為加熱材料，無需采用催化劑實現低濃度甲烷的高靈敏度檢測；這使該甲烷傳感器具有性能穩定、長期穩定性好的優點，無中毒、積碳、激活等缺點；本發明的甲烷傳感器的功耗主要由采用的單個加熱元件的功耗決定，測量元件及環境溫度測量元件消耗的功耗極低，因此傳感器的總體功耗低；本發明的甲烷傳感器有利于采用計算機根據片上集成的環境溫度測量元件獲得的環境溫度靈活的調節加熱元件的溫度、完成直接進行溫度補償，從而提高傳感器的性能。本發明的甲烷傳感器抗干擾性能好、靈敏度高，批量生產成本低且一致性好，易于批量快速校準。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0060]圖1為本發明的基于單個加熱元件的甲烷傳感器的俯視示意圖。
[0061]圖2為本發明的加熱元件和測量元件的固定端的剖視圖，即圖1中的A-A截面剖視圖。
[0062]圖3為本發明的加熱元件、測量元件設置在同一側時的俯視示意圖。
[0063]圖中:100-支座，101-加熱元件，102-測量元件，103-環境溫度測量元件，1001-固定端，1012-支撐臂A，1011-加熱器，1021-測量構件，1022-支撐臂B, 1031-電極引出端，1032-測量電阻，11-襯底，12-隔離氧化硅層，13-頂層單晶硅層，14-鈍化保護層，22-電引出焊盤金屬，23-氧化娃層,24-摻雜娃層。
【具體實施方式】
[0064]下面結合附圖對本發明的實施例作進一步的描述:
[0065]實施例1:如在圖1、圖2中，該甲烷傳感器包括加熱元件101、測量元件102與環境溫度測量元件103 ;所述環境溫度測量元件103設在支座100上；
[0066]所述加熱元件101由兩個固定端1001、兩個并排設置的支撐臂A1012與加熱器1011構成，兩個支撐臂A1012的兩端分別與固定端1001和加熱器1011相連接，形成二端子器件；所述每個支撐臂A1012的長度至少300um ;所述測量元件102由兩個固定端1001、測量構件1021和兩個支撐臂B1022構成，兩個支撐臂B1022分別與測量構件1021的兩端相連接，兩個支撐臂B1022的另一端分別與兩個固定端1001相連，構成二端子器件；所述每個支撐懸臂B1022的長度至少10um ;所述加熱元件101的固定端1001與測量元件102的固定端1001相互獨立的設在支座100上，其余部分懸置在空氣中；加熱元件101和測量元件102在結構上都為懸臂梁結構；所述加熱元件101的加熱器1011為環形結構，測量元件102的測量構件1021為“一”字結構或如圖3中所示的圓弧狀結構；如圖1所示，所述加熱元件101與測量元件102設在左右兩側；所述加熱元件101的加熱器1011與測量元件102的測量構件1021之間不接觸,所述相隔距離為2um至200um。所述支座101包括襯底11與設在襯底11上的隔離氧化硅層12，及設在隔離氧化硅12上的頂層單晶硅層13 ;加熱元件101、測量元件102與環境溫度測量元件103采用設在隔離氧化硅12上的頂層單晶硅層13加工形成，加熱元件101、測量元件102與環境溫度測量元件103的硅結構分別都與隔離氧化硅12上的其它的頂層單晶硅層13隔離不相連接；所述襯底11為硅或其它可采用MEMS工藝加工的材料；所述設在支座100上的環境溫度測量元件103包括兩個電極引出端1031、及測量電阻1032 ；
[0067]加熱元件101與測量元件102的固定端1001及環境溫度測量元件103的電極引出端1031由頂層單晶硅層13加工形成，在頂層單晶硅層13外設有氧化硅層23，在氧化硅層23上設有電引出焊盤金屬22 ;所述固定端1001與電極引出端1031的頂層單晶硅層13內設有摻雜硅層24 ;所述電引出焊盤金屬22通過氧化硅層23的窗口與固定端1001的摻雜硅層24相接觸構成歐姆接觸；
[0068]所述加熱元件101的伸出在空氣中的支撐臂A1012與加熱器1011以及測量元件102的伸出在空氣中的測量構件1021、支撐臂B1022的外表面設有鈍化保護層14 ;所述環境溫度測量元件103的測量硅電阻1031的外表面同樣設有鈍化保護層14 ;所述鈍化保護層14為氧化硅，或氧化鉿，或氧化硅/氧化鋁復合層，或氧化鉿/氧化鋁復合層，或氧化鉿/氮化硅復合層，或氧化鋁/氮化硅復合層，或氧化硅/氮化硅復合層，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，整個鈍化保護層的厚度不超過lum。
[0069]一種基于單個加熱元件的甲烷傳感器的甲烷檢測應用方法，所述基于單個加熱元件的甲烷傳感器的加熱元件101通以較大電流或施加較大電壓進入電流-電阻特性曲線中轉折點左側的工作區域、加熱器1011的加熱溫度在500°C以上，所述轉折點為電阻隨電流或電壓增大而出現的電阻最大點，當電流或電壓繼續增大時，電阻不再繼續增大反而減小；測量元件102與環境溫度測量元件103則都通以不產生明顯高于環境空氣溫度的微小電流；當沒有甲烷氣體時，測量元件102受加熱元件101的加熱高溫影響溫度升高，電阻也增大；當甲烷氣體出現及濃度增加時，加熱元件101的溫度降低，獨立的測量元件102受其影響溫度也降低，導致自身電阻的降低，通過電學測量方法檢測測量元件102的電學參數如電阻的變化實現甲烷濃度的測量；采用環境溫度測量元件103測量環境溫度，用以調整加熱元件101的加熱狀態，還可用以對測量所獲得的數據進行溫度補償。
[0070]基于單個加熱元件的甲烷傳感器的制備方法包括以下三種制備方法；
[0071]制備方法(一)的步驟為:
[0072]第一步，以SOI硅片為基片，在SOI硅片的正面，即在頂層單晶硅層13上制備氧化硅層23 ；
[0073]第二步，圖形化頂層單晶硅層13上之上的氧化硅層23，形成摻雜或離子注入所需的窗口 ；
[0074]第三步，摻雜或離子注入形成摻雜硅層24 ；
[0075]第四步，在SOI硅片的正面通過淀積或蒸發形成金屬層；
[0076]第五步，圖形化第四步形成的金屬層，形成電引出焊盤金屬22，退火形成歐姆接觸；
[0077]第六步，光刻形成制備加熱元件101、測量元件102與環境溫度測量元件103結構形狀所需的刻蝕窗口圖形，隨后采用RIEReactive 1n Etching，反應離子刻蝕方法干法刻蝕氧化硅層23及頂層單晶硅層13，刻蝕停止于隔離氧化硅層12，在隔離氧化硅層12上形成加熱元件101、測量元件102與環境溫度測量元件103的結構；
[0078]第七步，在SOI硅片的正面頂層單晶硅層面制備刻蝕保護層，刻蝕保護層為光刻膠或PSG (磷硅玻璃)，所述保護層為光刻膠或PSG (磷硅玻璃)，所述刻蝕保護層覆蓋整個SOI娃片的正面；
[0079]第八步，在SOI硅片背面圖形光刻后形成背面硅刻蝕窗口的圖形，采用濕法刻蝕或ICP或DRIE等干法刻蝕方法刻蝕去除SOI硅片背面的硅刻蝕窗口圖形內的底層硅，即襯底11，刻蝕停止于隔離氧化硅層12 ；
[0080]第九步，采用氫氟酸溶液或氫氟酸氣霧濕法刻蝕從襯底11露出的隔離氧化硅層12，釋放出加熱元件103與測溫元件104 ；
[0081]第十步，去除第七步所形成的刻蝕保護層；
[0082]第十一步，對暴露出的硅進行氧化，形成薄層氧化硅層；
[0083]第十二步，采用保護層覆蓋SOI硅片的正面，保護層為光刻膠，所述保護層覆蓋除加熱元件101、測量元件102懸空結構以及環境溫度測量元件103的測量電阻1032以外的SOI硅片正面部分；可以光刻膠作為保護層；可采用微噴印設備在精確定位后制備用作保護層的光刻膠；也可使用覆蓋在SOI硅片正面的掩蔽版采用噴涂的方法制備所述用作保護層的光刻膠；所述掩蔽版僅露出加熱元件101、測量元件102懸空結構以及環境溫度測量元件103的測量電阻1032，而其余的SOI基片正面部分則被掩蔽版遮擋住；
[0084]第十三步，采用ALD原子層沉積方法在加熱元件101、測量元件102懸空結構以及環境溫度測量元件103的測量電阻1032的外表面制備氧化鉿，或制備氧化鋁薄膜，或制備氧化鉿/氧化鋁復合薄膜，或制備氧化硅/氧化鉿/氧化鋁復合薄膜，與第十一形成的薄層氧硅層共同構成鈍化保護層14 ；
[0085]第十四步，去除第十二步使用的保護層，干燥；
[0086]第十五步，對SOI硅片進行劃片與裂片，得到本發明所述的大量的由加熱元件101、測量元件102與環境溫度測量元件103集成在一起的甲烷傳感器；
[0087]或制備方法(二)的步驟為:
[0088]第一步，以SOI硅片為基片，在頂層單晶硅層13上制備氧化硅層23 ；
[0089]第二步，圖形化頂層單晶硅層13上之上的氧化硅層23，形成摻雜或離子注入所需的窗口 ；
[0090]第三步，摻雜或離子注入形成摻雜硅層24 ；
[0091]第四步，第四步，光刻形成制備加熱元件101、測量元件102與環境溫度測量元件
(103)結構形狀所需的刻蝕窗口圖形；采用RIE干法刻蝕氧化硅層23及頂層單晶硅層13，刻蝕停止于隔離氧化硅層12，在隔離氧化硅層12上形成加熱元件101、測量元件102與環境溫度測量元件103的結構；
[0092]第五步，在SOI硅片的正面頂層單晶硅層面制備刻蝕保護層，刻蝕保護層為光刻膠或PSG (磷硅玻璃)，所述刻蝕保護層覆蓋整個SOI硅片的正面；
[0093]第六步，在SOI硅片背面圖形光刻后形成背面硅刻蝕窗口的圖形，采用濕法刻蝕或ICP或DRIE等干法刻蝕方法刻蝕去除SOI硅片背面的硅刻蝕窗口圖形內的底層硅，即襯底11，刻蝕停止于隔離氧化硅層12 ；
[0094]第七步，采用氫氟酸溶液或氣霧濕法刻蝕從襯底11露出的隔離氧化硅層12，釋放出加熱元件103與測溫元件104 ；
[0095]第八步，去除第五步所形成的刻蝕保護層；
[0096]第九步，對暴露出的硅進行氧化，形成薄層氧化硅層；
[0097]第十步，采用保護層覆蓋SOI硅片的正面，保護層為光刻膠，所述保護層覆蓋除加熱元件101、測量元件102懸空結構以及環境溫度測量元件103的測量電阻1032以外的SOI硅片正面部分；可以光刻膠作為保護層；可采用微噴印設備在精確定位后制備用作保護層的光刻膠；也可使用覆蓋在SOI硅片正面的掩蔽版采用噴涂的方法制備所述用作保護層的光刻膠；所述掩蔽版僅露出加熱元件101、測量元件102懸空結構以及環境溫度測量元件103的測量電阻1032，而其余的SOI基片正面部分則被掩蔽版遮擋住；
[0098]第H^一步，采用ALD原子層沉積方法在加熱元件101、測量元件102懸空結構以及環境溫度測量元件103的測量電阻1032的外表面制備氧化鋁或氧化鉿薄膜；
[0099]第十二步，采用PECVD在400?450°C制備氮化硅；制備成氧化硅/氮化硅符合薄膜，或氧化硅/氧化鋁/氮化硅復合薄膜，或氧化鉿/氮化硅復合薄膜，或氧化硅/氧化鉿/氧化鋁/氮化硅符合薄膜，與第九步形成的薄層氧硅層、第十一步形成的氧化鋁或氧化鉿層共同構成鈍化保護層14 ；
[0100]第十三步，去除第十步使用的保護層，干燥；
[0101]第十四步，在SOI硅片正面制備光刻膠，光刻后露出加熱元件101、測量元件102的固定端1001、環境溫度測量元件103的電極引出端1031 ；
[0102]第十五步，通過淀積或蒸發在加熱元件101、測量元件102的固定端1001、環境溫度測量元件103的電極引出端1031上形成電引出焊盤金屬22 ；
[0103]第十六步，去除光刻膠，干燥；退火形成歐姆接觸；
[0104]第十七步，對SOI硅片進行劃片與裂片，得到本發明所述的大量的由加熱元件101、測量元件102與環境溫度測量元件103集成在一起的甲烷傳感器；
[0105]或制備方法(三)的步驟為:
[0106]第一步至第十三步同制備方法二的第一步至第十三步，
[0107]第十四步，制備掩蔽版，所述掩蔽版上的圖形與SOI硅片上的加熱元件101、測量元件102的固定端1001、環境溫度測量元件103的電極引出端1031的圖形相同；掩蔽版置于SOI硅片正面之上并對準后，通過濺射、沉積等方法制備金屬，僅在加熱元件101、測量元件102的固定端1001、環境溫度測量元件103的電極引出端1031之上形成電引出焊盤金屬
(22);退火形成歐姆接觸；
[0108]第十五步，對SOI硅片進行劃片與裂片，得到本發明所述的大量的由加熱元件101、測量元件102與環境溫度測量元件103集成在一起的甲烷傳感器。
[0109]實施例2:所述基于單個加熱元件的甲烷傳感器的加熱元件101、測量元件102設置在同一側，如圖3所不。其它與實施例1同。
【權利要求】
1.一種基于單個加熱元件的甲烷傳感器，其特征在于:它包括加熱元件(101)、測量元件(102)與環境溫度測量元件(103);所述環境溫度測量元件(103)設在支座(100)上； 所述加熱元件(101)由兩個固定端(1001)、兩個并排設置的支撐臂A (1012)與加熱器(1011)構成，兩個支撐臂A (1012)的兩端分別與固定端(1001)和加熱器(1011)相連接，形成二端子器件；所述每個支撐臂A (1012)的長度至少300um ;所述測量元件(102)由兩個固定端(1001)、測量構件(1021)和兩個支撐臂B (1022)構成，兩個支撐臂B (1022)分別與測量構件(1021)的兩端相連接，兩個支撐臂B (1022)的另一端分別與兩個固定端(1001)相連，構成二端子器件；所述每個支撐臂B (1022)的長度至少10um ;所述加熱元件(101)的固定端(1001)與測量元件(102)的固定端(1001)相互獨立的設在支座(100)上，其余部分懸置在空氣中；加熱元件(101)和測量元件(102)在結構上都為懸臂梁結構；所述加熱元件(101)的加熱器(1011)與測量元件(102)的測量構件(1021)不接觸，相距2um至200um ； 所述支座(101)包括襯底(11)與設在襯底(11)上的隔離氧化硅層(12)，及設在隔離氧化硅(12)上的頂層單晶硅層(13);加熱元件(101 )、測量元件(102)與環境溫度測量元件(103)采用設在隔離氧化硅(12)上的頂層單晶硅層(13)加工形成，加熱元件(101)、測量元件(102)與環境溫度測量元件(103)的硅結構分別都與隔離氧化硅(12)上的其它的頂層單晶硅層(13)隔離不相連接；所述襯底(11)為硅或其它可采用MEMS工藝加工的材料；所述設在支座(100)上的環境溫度測量元件(103)包括兩個電極引出端(1031 )、及測量電阻(1032)； 加熱元件(101)與測量元件(102)的固定端(1001)及環境溫度測量元件(103)的電極引出端(1031)由頂層單晶硅層(13)加工形成，在頂層單晶硅層(13)外有氧化硅層(23)，在氧化硅層(23)上設有電引出焊盤金屬(22);所述固定端(1001)與電極引出端(1031)的頂層單晶硅層(13)內設有摻雜硅層(24);所述電引出焊盤金屬(22)通過氧化硅層(23)的窗口與固定端(1001)的摻雜硅層(24)相接觸構成歐姆接觸； 所述加熱元件(101)的伸出在空氣中的支撐臂A (1012)與加熱器(1011)以及測量元件(102)的伸出在空氣中的測量構件(1021)、支撐臂B (1022)的外表面設有鈍化保護層(14);所述環境溫度測量元件(103)的測量硅電阻(1031)的外表面同樣設有鈍化保護層(14);所述鈍化保護層(14)為氧化硅，或氧化鉿，或氧化硅/氧化鋁復合層，或氧化鉿/氧化鋁復合層，或氧化鉿/氮化硅復合層，或氧化鋁/氮化硅復合層，或氧化硅/氮化硅復合層，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,整個鈍化保護層的厚度不超過lum。
2.一種基于單個加熱元件的甲烷傳感器的應用，其特征在于:所述基于單個加熱元件的甲烷傳感器的加熱元件(101)通以較大電流或施加較大電壓進入電流-電阻特性曲線中轉折點左側的工作區域、加熱器(1011)的加熱溫度在500°C以上，所述轉折點為電阻隨電流或電壓增大而出現的電阻最大點，當電流或電壓繼續增大時，電阻不再繼續增大反而減小；測量元件(102)與環境溫度測量元件(103)則都通以不產生明顯高于環境空氣溫度的微小電流；當沒有甲烷氣體時，測量元件(102)受加熱元件(101)的加熱高溫影響溫度升高，電阻也增大；當甲烷氣體出現及濃度增加時，加熱元件(101)的溫度降低，獨立的測量元件(102)受其影響溫度也降低，導致自身電阻的降低，通過電學測量方法檢測測量元件(102)的電學參數(如電阻)的變化實現甲烷濃度的測量；采用環境溫度測量元件(103)測量環境溫度，用以調整加熱元件(101)的加熱狀態，還可用以對測量所獲得的數據進行溫度補償。
3.如權利要求1所述的基于單個加熱元件的甲烷傳感器的制備方法，其特征在于； 制備方法(一)的步驟為: 第一步，以SOI硅片為基片，在SOI硅片的正面，即在頂層單晶硅層(13)上制備氧化硅層(23)； 第二步，圖形化頂層單晶硅層(13)上之上的氧化硅層(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，在SOI硅片的正面通過淀積或蒸發形成金屬層； 第五步，圖形化第四步形成的金屬層，形成電引出焊盤金屬(22)，退火形成歐姆接觸；第六步，光刻形成制備加熱元件(101)、測量元件(102)與環境溫度測量元件(103)結構形狀所需的刻蝕窗口圖形，隨后采用RIE (Reactive 1n Etching,反應離子刻蝕)方法干法刻蝕氧化硅層(23)及頂層單晶硅層(13)，刻蝕停止于隔離氧化硅層(12)，在隔離氧化娃層(12)上形成加熱元件(101)、測量元件(102)與環境溫度測量元件(103)的結構；第七步，在SOI硅片的正面(頂層單晶硅層面)制備刻蝕保護層，保護層為光刻膠或PSG(磷硅玻璃)，所述刻蝕保護層覆蓋整個SOI硅片的正面； 第八步，在SOI硅片背面圖形光刻后形成背面硅刻蝕窗口的圖形，采用濕法刻蝕或ICP (Inductively Coupled Plasma,感應稱合等離子體刻蝕)或 DRIE(Deep Reactive 1nEtching，深反應離子刻蝕)等干法刻蝕方法刻蝕去除SOI硅片背面硅刻蝕窗口圖形內的底層硅，即襯底(11 )，刻蝕停止于隔離氧化硅層(12); 第九步，采用氫氟酸溶液或氫氟酸氣霧濕法刻蝕從襯底(11)露出的隔離氧化硅層(12)，釋放出加熱元件(103)與測溫元件(104)； 第十步，去除第七步所形成的刻蝕保護層； 第十一步，對暴露出的硅進行氧化，形成薄層氧化硅層； 第十二步，采用保護層覆蓋SOI硅片的正面，所述保護層覆蓋除加熱元件(101)、測量元件(102)懸空結構以及環境溫度測量元件(103)的測量電阻(1032)以外的SOI硅片正面部分； 第十三步，采用ALD (原子層沉積)方法在加熱元件(101)、測量元件(102)的懸空結構以及環境溫度測量元件(103)的測量電阻(1032)的外表面制備氧化鉿，或制備氧化鋁薄膜，或制備氧化鉿/氧化鋁復合薄膜，或制備氧化硅/氧化鉿/氧化鋁復合薄膜，與第十一步形成的薄層氧硅層共同構成形成鈍化保護層(14)； 第十四步，去除第十二步使用的保護層，干燥； 第十五步，對SOI硅片進行劃片與裂片，得到本發明所述的大量的由加熱元件(101)、測量元件(102)與環境溫度測量元件(103)集成在一起的甲烷傳感器； 或制備方法(二)步驟為: 第一步，以SOI硅片為基片，在頂層單晶硅層(13)上制備氧化硅層(23)； 第二步，圖形化頂層單晶硅層(13)上之上的氧化硅層(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，光刻形成制備加熱元件(101)、測量元件(102)與環境溫度測量元件(103)結構形狀所需的刻蝕窗口圖形；采用RIE (Reactive 1n Etching,反應離子刻蝕)方法干法刻蝕氧化硅層(23)及頂層單晶硅層(13)，刻蝕停止于隔離氧化硅層(12)，在隔離氧化硅層(12)上形成加熱元件(101)、測量元件(102)與環境溫度測量元件(103)的結構； 第五步，在SOI硅片的正面(頂層單晶硅層面)制備刻蝕保護層，刻蝕保護層為光刻膠或PSG (磷硅玻璃)，所述刻蝕保護層覆蓋整個SOI硅片的正面； 第六步，在SOI硅片背面圖形光刻后形成背面硅刻蝕窗口的圖形，采用濕法刻蝕或ICP (Inductively Coupled Plasma,感應稱合等離子體刻蝕)或 DRIE(Deep Reactive 1nEtching，深反應離子刻蝕)等干法刻蝕方法刻蝕去除SOI硅片背面硅刻蝕窗口圖形內的底層硅，即襯底(11 )，刻蝕停止于隔離氧化硅層(12); 第七步，采用氫氟酸溶液或氣霧濕法刻蝕從襯底(11)露出的隔離氧化硅層(12)，釋放出加熱元件(103)與測溫元件(104)； 第八步，去除第五步所形成的刻蝕保護層； 第九步，對暴露出的硅進行氧化，形成薄層氧化硅層； 第十步，采用保護層覆蓋SOI硅片的正面，所述保護層覆蓋除加熱元件(101)、測量元件(102)懸空結構以及環境溫度測量元件(103)的測量電阻(1032)以外的SOI硅片正面部分； 第十一步，采用ALD (原子層沉積)方法在加熱元件(101)、測量元件(102)懸空結構以及環境溫度測量元件(103)的測量電阻(1032)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,等離子體增強化學氣相沉積法)在在加熱元件(101)、測量元件(102)懸空結構以及環境溫度測量元件(103)的測量電阻(1032)的外表面制備氮化硅，制備溫度400?450°C;制備成氧化硅/氮化硅復合薄膜，或氧化硅/氧化鋁/氮化硅復合薄膜，或氧化鉿/氮化硅復合薄膜，或氧化硅/氧化鉿/氧化鋁/氮化硅符合薄膜，與第九步形成的薄層氧硅層、第i^一步形成的氧化鋁或氧化鉿層共同構成鈍化保護層(14)； 第十三步，去除第十步使用的保護層，干燥； 第十四步，在SOI硅片正面制備光刻膠，光刻后露出加熱元件(101)、測量元件(102)的固定端(1001)、環境溫度測量元件(103)的電極引出端(1031)； 第十五步，通過淀積或蒸發在加熱元件(101)、測量元件(102)的固定端(1001)、環境溫度測量元件(103)的電極引出端(1031)上形成電引出焊盤金屬(22)； 第十六步，去除光刻膠，干燥；退火形成歐姆接觸； 第十七步，對SOI硅片進行劃片與裂片，得到本發明所述的大量的由加熱元件(101)、測量元件(102)與環境溫度測量元件(103)集成在一起的甲烷傳感器； 或制備方法(三)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，所述掩蔽版上的圖形與SOI硅片上的加熱元件(101)、測量元件(102)的固定端(1001)、環境溫度測量元件(103)的電極引出端(1031)的圖形相同；掩蔽版置于SOI硅片正面之上并對準后，通過濺射、沉積等方法制備金屬，僅在加熱元件(101)、測量元件(102)的固定端(1001)、環境溫度測量元件(103)的電極引出端(1031)之上形成電引出焊盤金屬(22);退火形成歐姆接觸； 第十五步，對SOI硅片進行劃片與裂片，得到本發明所述的大量的由加熱元件(101)、測量元件(102)與環境溫度測量元件(103)集成在一起的甲烷傳感器。
【文檔編號】G01N27/14GK104316574SQ201410605995
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年10月31日 優先權日:2014年10月31日
【發明者】馬洪宇, 劉曉文, 丁恩杰, 趙小虎 申請人:中國礦業大學