專利名稱：用半導體工藝制作平面式氣體傳感器基底的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種氣體傳感器基底的制作方法，特別涉及一種用半導體工藝制作平面式氣體傳感器基底的方法。
背景技術：
傳統(tǒng)氣體傳感器為陶瓷管結構的管芯，由手工制作而成，有兩個缺點一是敏感電極用金漿手工描制而成，一致性差，不適合大批量生產(chǎn)；二是加熱方式是通過陶瓷管基底間接加熱，熱量利用率底，體積大，元件加熱功耗高，不適合便攜式儀表及樓宇智能控制弱電系統(tǒng)的要求。對平面式氣體傳感器元件也有探索，一般分為兩種，一種是平面厚膜元件，利用絲網(wǎng)印刷方法在陶瓷平面上印制加熱絲、信號電極，成膜方式也是絲網(wǎng)印刷，此法解決了管芯電極的一致性問題，但由于絲網(wǎng)制版技術局限，管芯面積仍較大，而且功耗高的問題依然沒有得到解決；另一種是半導體工藝技術制造的濺射薄膜元件，此法既解決了管芯電極的一致性問題，又使管芯面積縮小，大大提高元件的一致性和降低元件功耗，但這種平面式管芯的成膜方式為濺射成膜，制得的敏感膜組分不易控制，對氣體的靈敏度太低，最重要的是穩(wěn)定性差，難以產(chǎn)品化。因此，對于目前的氣體傳感器，在保證一定靈敏度、穩(wěn)定性的前提下，實現(xiàn)加熱功耗低、一致性好、適合批量生產(chǎn)的氣體傳感器，是市場所急需的。
目前新的涂膜方式即濺射法制備敏感材料薄膜對管芯基底的要求是敏感材料與管芯表面粘附性好。

發(fā)明內容
本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術的不足，提供了一種用半導體工藝制作平面式氣體傳感器基底的方法，利用MEMS(microeletromechanical-system，微機電系統(tǒng))加工工藝對平面式氣體傳感器的基底材料進行物理、化學處理，從而實現(xiàn)了與敏感材料結合緊密的平面式氣體傳感器基底的工業(yè)化生產(chǎn)。具體地說，本發(fā)明是利用MEMS技術在硼化玻璃或石英上制作平面型管芯，從而提供一種與敏感材料結合緊密的氣體傳感器的基底。
本發(fā)明提供的用半導體工藝制作平面式氣體傳感器基底的方法包括如下步驟
1、預備基底材料選擇以二氧化硅為主要成分的硼化玻璃或石英作為基底材料，經(jīng)過切割、拋光后，制成表面具有一定粗糙度的薄片。其中，一定粗糙程度的表面可以保證敏感薄膜的抗機械沖擊能力。
2、金屬電極濺射前預處理在濺射金屬電極之前，先用酸性溶液活化玻璃表面，再清洗干凈，以保證基底材料表面達到足夠的粗糙程度，同時保證表面潔凈無污染，以增加金屬電極與基底材料的粘附性及敏感材料與基底的粘附性。
3、濺射方法制備金屬電極在玻璃平面上，利用半導體工藝的光刻、濺射、劃片技術制造微小尺寸，即，管芯尺寸至1mm×3mm，金屬電極達μm級)的管芯電極結構，并進行物理、化學活化處理。
4、電極濺射后處理在基底上濺射電極之后，經(jīng)過高溫退火，使金屬與基底結合緊密，即可制成能與敏感材料緊密結合的平面式氣體傳感器的基底。
其中，在上述第1個步驟中，還包括如下步驟(1)、將硼化玻璃或石英切割成厚為0.15至0.5毫米的薄片；(2)、拋光，使薄片表面達到一定的粗糙度，表面顆粒直徑為0.5至5微米；(3)、先用去離子水超聲波清洗，接著用無水乙醇超聲波清洗；(4)、壓縮空氣吹干基底。
其中，在上述第2個步驟中，還包括如下步驟(1)、將基底材料放入濃度為20％至80％的緩沖氫氟酸溶液中，超聲波攪拌1至5分鐘；(2)、將基底材料先放入去離子水中超聲波清洗，接著放入無水乙醇中超聲波清洗，直至干凈為止；(3)、用壓縮空氣吹干基底材料。
其中，在上述第3個步驟中，還包括如下步驟(1)、第一次光刻，膠厚0.2至2.0微米；(2)、濺射三層金屬及其厚度分別為第一層Cr，100~400；第二層Pt，1000~4000；第三層Au，200~1000。采用間歇式濺射，以防止溫度過高將光刻膠烤壞；(3)、第二次光刻，膠厚0.2至2.0微米；(4)、腐蝕；
(5)、清洗。
進一步地，在上述步驟(2)中，每次濺射金屬之前均對基底表面進行轟擊活化，時間5至30分鐘。
進一步地，在上述步驟(2)中，在濺射第二層金屬之后、第三次轟擊活化基底之前，還包括對基底進行剝離和清洗的步驟。
其中，上述第4個步驟還包括(1)、高溫退火，基底在氮氣保護下，200℃至500℃退火5至60分鐘；(2)、酸腐蝕，基底在濃度為5％至25％的硫酸中浸泡2至10秒鐘；(3)、清洗，先后用去離子水和無水乙醇超聲波清洗干凈；(4)、壓縮空氣吹干；(5)、劃片，余厚為20至100微米；(6)、裂片。
本發(fā)明的有益效果在于，選用熔點高、熱膨脹系數(shù)與敏感材料相近的硼化玻璃或石英作為基底材料，并利用MEMS工藝對基底材料進行物理和化學活化處理，從而提供了一種能與敏感材料緊密結合的平面式氣體傳感器基底；同時，MEMS工藝作為一種成熟的工藝，也保證了利用本發(fā)明提供的方法能實現(xiàn)上述平面式傳感器基底的工業(yè)化生產(chǎn)。
具體實施例方式
實施例一1、預備基底材料(1)硼化玻璃經(jīng)過切割、拋光，制成0.15mm厚的薄片，表面顆粒度為0.5微米；(2)用稀硫酸煮沸20分鐘；(3)分別用無水乙醇和去離子水超聲波清洗干凈；(4)用壓縮空氣吹干；2、金屬電極濺射前預處理(1)置于濃度為20％的緩沖氫氟酸溶液中，超聲波攪拌1分鐘；(2)先后置于去離子水和無水乙醇中，用超聲波清洗干凈；(3)壓縮空氣吹干；3、濺射方法制備金屬電極(1)第一次光刻，膠厚0.5微米；
(2)基底表面第一次轟擊活化，時間5分鐘；(3)濺射粘附層金屬，即第一層金屬，Cr，厚度100；(4)基底表面第二次轟擊活化，時間5分鐘；(5)濺射第二層金屬，Pt，厚度為1000；(6)剝離；(7)清洗；(8)基底表面第三次轟擊活化，時間10分鐘；(9)濺射第三層金屬，Au，厚度為200；(10)第二次光刻，膠厚0.5微米；(11)腐蝕；(12)清洗；4、金屬電極濺射后處理(1)基底在氮氣保護下，200℃高溫退火5分鐘；(2)保持氮氣，冷至室溫取出；(3)在5％的硫酸中浸泡10秒鐘；(4)先后放入去離子水和無水乙醇中，用超聲波清洗干凈；(5)壓縮空氣吹干；(5)劃片，余厚20微米；(6)裂片。
實施例二1、預備基底材料(1)硼化玻璃經(jīng)過切割、拋光，制成0.3mm厚的薄片，表面顆粒度為5微米；(2)用稀硫酸煮沸40分鐘；(3)分別用無水乙醇和去離子水超聲波清洗干凈；(4)用壓縮空氣吹干；2、金屬電極濺射前預處理(1)置于濃度為50％的緩沖氫氟酸溶液中，超聲波攪拌3分鐘；(2)先后置于去離子水和無水乙醇中，超聲波清洗干凈；(3)用壓縮空氣吹干；3、濺射方法制備金屬電極
(1)第一次光刻，膠厚1.2微米；(2)基底表面第一次轟擊活化，時間15分鐘；(3)濺射粘附層金屬，即第一層金屬，Cr，厚度200；(4)基底表面第二次轟擊活化，時間15分鐘；(5)濺射第二層金屬，Pt，厚度為2000；(6)剝離；(7)清洗；(8)基底表面第三次轟擊活化，時間15分鐘；(9)濺射第三層金屬，Au，厚度為500；(10)第二次光刻，膠厚1.2微米，；(11)腐蝕；(12)清洗；4、金屬電極濺射后處理(1)基底在氮氣保護下，350℃高溫退火30分鐘；(2)保持氮氣，冷至室溫取出；(3)在15％的稀硫酸中浸泡5秒鐘；(4)先后置于去離子水和無水乙醇中，用超聲波清洗干凈；(5)壓縮空氣吹干；(5)劃片，余厚60微米；(6)裂片。
實施例三1、預備基底材料(1)石英經(jīng)過切割、拋光，制成0.5mm厚的薄片，表面顆粒度為2.5微米；(2)用稀硫酸煮沸60分鐘；(3)分別放入無水乙醇和去離子水中，用超聲波清洗干凈；(4)用壓縮空氣吹干；2、金屬電極濺射前預處理(1)置于濃度為80％的緩沖氫氟酸溶液中，超聲波攪拌5分鐘；(2)先后放入去離子水和無水乙醇中，用超聲波清洗干凈；(3)用壓縮空氣吹干；
3、濺射方法制備金屬電極(1)第一次光刻，膠厚2.0微米；(2)基底表面第一次轟擊活化，時間30分鐘；(3)濺射粘附層金屬，即第一層金屬，Cr，厚度400；(4)基底表面第二次轟擊活化，時間30分鐘；(5)濺射第二層金屬，Pt，厚度為4000；(6)剝離；(7)清洗；(8)基底表面第三次轟擊活化，時間30分鐘；(9)濺射第三層金屬，Au，厚度為1000；(10)第二次光刻，膠厚2.0微米；(11)腐蝕；(12)清洗；4、金屬電極濺射后處理(1)基底在氮氣保護下，500℃高溫退火60分鐘；(2)保持氮氣，冷至室溫取出；(3)在25％的硫酸中浸泡2秒鐘；(4)先后放入去離子水和無水乙醇中，用超聲波清洗干凈；(5)壓縮空氣吹干；(5)劃片，余厚100微米；(6)裂片。
以上通過實施例對本發(fā)明進行了詳細的描述，本領域的技術以人員應當理解，在不超出本發(fā)明的精神和實質的范圍內，對本發(fā)明做出一定的修改和變形，比如用其他方式代替壓縮空氣吹干基底，仍然可以實現(xiàn)本發(fā)明的目的。
權利要求
1.一種用半導體工藝制作平面式氣體傳感器基底的方法，包括如下步驟(1)預備基底材料將硼化玻璃或石英切割成厚度為0.15至0.5毫米的薄片，然后拋光，使其表面粗糙度達到顆粒直徑為0.5至5微米，再用稀硫酸煮沸20至60分鐘后，分別放入去離子水和無水乙醇中用超聲波清洗干凈，再用壓縮空氣吹干；(2)金屬電極濺射前預處理將步驟(1)預備好的硼化玻璃或石英置于濃度為20％至80％的緩沖氫氟酸溶液中，用超聲波攪拌1至5分鐘，接著先后在去離子水和無水乙醇中用超聲波清洗干凈，再用壓縮空氣吹干；(3)濺射方法制備金屬電極，包括如下步驟第一次光刻，膠厚0.5至2.0微米；采用間歇式濺射方法在基底表面依次濺射Cr、Pt、Au三層金屬薄膜；第二次光刻，膠厚0.5至2.0微米；腐蝕；清洗；(4)金屬電極濺射后處理，包括如下步驟基底在氮氣保護下，200℃至500℃溫度范圍內退火5至60分鐘；保持氮氣，冷至室溫取出；在濃度為5％至25％的硫酸中浸泡2至10秒鐘；先后放入去離子水和無水乙醇中用超聲波清洗干凈；用壓縮空氣吹干；劃片，余厚20至100微米；裂片。
2.如權利要求1所述的用半導體工藝制作平面式氣體傳感器基底的方法，其特征在于，所述的步驟(3)還包括對基底表面進行三次轟擊活化的步驟，且所述的三次轟擊活化步驟分別處于濺射三層金屬之前，每次時間為5至30分鐘。
3.如權利要求2所述的用半導體工藝制作平面式氣體傳感器基底的方法，其特征在于，所述的步驟(3)還包括在濺射第二層金屬之后和對基底表面進行第三次轟擊活化之前對基底進行剝離和清洗的步驟。
4.如權利要求2或3所述的用半導體工藝制作平面式氣體傳感器基底的方法，其特征在于，所述的三層金屬薄膜Cr、Pt、Au的厚度分別為100至400、1000至4000、200至1000。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種用半導體工藝制作平面式氣體傳感器基底的方法，利用MEMS加工工藝在硼化玻璃或石英平面上制作平面型管芯，從而提供一種與敏感材料結合緊密的氣體傳感器的基底，包括以下步驟(1)預備基底材料切割并拋光硼化玻璃或石英；(2)金屬電極濺射前預處理用緩沖氫氟酸溶液浸泡基底后，清洗并吹干；(3)濺射方法制備金屬電極第一次光刻，膠厚0.5至2.0微米；采用間歇式濺射方法在基底表面依次濺射Cr、Pt、Au三層金屬薄膜；第二次光刻，膠厚0.5至2.0微米；腐蝕；清洗；(4)金屬電極濺射后處理基底在氮氣保護下高溫退火；用硫酸浸泡后清洗干凈并吹干；劃片；裂片。
文檔編號C03C15/00GK1674319SQ20051005522
公開日2005年9月28日 申請日期2005年3月16日 優(yōu)先權日2005年3月16日
發(fā)明者孔祥霞, 董漢鵬, 張威 申請人:北京青鳥元芯微系統(tǒng)科技有限責任公司