一種集成過濾結構的微型熱導檢測器及制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及氣體檢測領域，具體涉及一種集成過濾結構的微型熱導檢測器及制備方法。
【背景技術】
[0002]在環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測、裝備內(nèi)環(huán)境監(jiān)測、智能電網(wǎng)故障診斷以及石油勘探等現(xiàn)場氣體(主要有(^、(^。(^、^^{、(^?(^等低碳烴類化合物等)快速檢測中，需要大量的微型熱導檢測器來實現(xiàn)現(xiàn)場分析或在線監(jiān)測。
[0003]熱導檢測器是色譜領域中非常重要且應用廣泛的一種檢測器，這種檢測器幾乎對所有氣體都響應，這是其它類型檢測器無法替代和比擬的。隨著微機電系統(tǒng)(MEMS)技術的日益成熟，基于MEMS技術的微型熱導檢測器(Micro-TCD)，不僅具有響應速度快的特點，最重要的是這種微型熱導檢測器死體積幾乎為零，因此，這種特點極大的提高了其檢測靈敏度，要比傳統(tǒng)熱導檢測器提高10倍以上，可以將檢測限優(yōu)化到個位ppm，甚至更低。這些優(yōu)點，使其具備了現(xiàn)場分析和在線監(jiān)測的能力。
[0004]現(xiàn)有的微型熱導檢測器中，雖然在芯片大小、熱導池的死體積以及功耗等方面取得了突破性的發(fā)展，當時仍然存在著很多的問題。
[0005]如Jan M.Lysko研制的一種微型熱導檢測器，如圖1所示，雖然將熱導池的池體積縮小了 I?2個數(shù)量級，但由于熱敏電阻的支撐點過多，造成了大量的基底熱損耗，降低了熱敏電阻的熱響應特性；另外，熱敏電阻直接制備在硅表面而不懸空，使得熱敏電阻上產(chǎn)生的熱量被基底所轉移。因此，熱敏電阻的熱隔離性較差。
[0006]此外，MEMS技術最大的特點在于批量生產(chǎn)，在制備過程中必須采用切片機將幾十甚至幾百個獨立芯片分離，因此無論是采用激光切割還是砂輪切割，都會在芯片的氣體入口和出口產(chǎn)生大量的硅與玻璃粉末，有些粉末會隨著冷卻水或氣流進入到熱導池，覆蓋在熱敏電阻的表面污染熱敏電阻，造成熱敏電阻的熱響應特性下降。
[0007]同時，由于芯片采用硅片基底，一般硅材料具有一定的導電性能，需要在硅表面生長一層絕緣材料層，一般采用LPCVD制備的SiN做絕緣層，但這種方法制備的SiN會阻礙硅基底與玻璃基底的鍵合，出現(xiàn)熱敏電阻封裝困難的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]有鑒于此，本發(fā)明提供了一種集成過濾結構的微型熱導檢測器及制備方法，能夠提最大限度減少基底熱損耗，提高熱敏電阻的熱敏特性及檢測靈敏度。
[0009]為解決上述技術問題，本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的:
[0010]一種集成過濾結構的微型熱導檢測器，其特征在于，包括基底，基底(8)上制備有一層可與玻璃鍵合的介質(zhì)膜，在覆有介質(zhì)膜的基底上開設有兩條氣流溝道；其中，第一氣流溝道依次由參考臂氣體入口、第一彎形氣流溝道、參考臂氣體出口組成；第二氣流溝道依次由測試臂氣體入口、第二彎形氣流溝道、測試臂氣體出口組成；第一彎形氣流溝道和第二彎形氣流溝道均由直行溝道部分以及該直行溝道部分兩端分別設置的彎形溝道部分組成；
[0011]兩彎形氣流溝道的直行溝道部分中分別設有兩個相同的熱敏電阻，每一熱敏電阻均通過支撐梁懸空在彎形氣流溝道中，所述支撐梁通過對基底上制備的介質(zhì)膜刻蝕得到；在覆有介質(zhì)膜的基底上制備有電極，每一組電極通過支撐梁延伸至對應的熱敏電阻并連接;
[0012]該檢測器還包括玻璃蓋，基底與玻璃蓋通過介質(zhì)膜鍵合密封；所述玻璃蓋上開設有與所述兩條氣流溝道位置和形狀一樣的溝槽。
[0013]所述基底上生長的介質(zhì)膜的材料為低應力氮化硅層或擴散硅與氧化硅形成的雙層膜結構。
[0014]所述微型過濾結構為微型立柱組成的陣列，微型立柱間的間距小于芯片切割分離過程中產(chǎn)生的粉塵以及氣流中的粉塵微粒的大小。
[0015]所述參考臂氣體入口、參考臂氣體出口、測試臂氣體入口和測試臂氣體出口均為直行溝道，且微型過濾結構設置在靠近相應彎形氣流溝道處。
[0016]所述支撐梁包括熱敏電阻的支撐底座和連接氣流溝道道邊的支點；每一熱敏電阻對應支撐梁的支點為4?6個。
[0017]所述熱敏電阻的材料為氧化釩VOx或鉑Pt。
[0018]所述基底的背部、與熱敏電阻對應的位置處開設梯形空穴，形成空氣腔體結構。
[0019]一種集成過濾結構的微型熱導檢測器的制備方法，具體包括以下步驟:
[0020]步驟一、清洗硅片，然后在硅的表面制備介質(zhì)膜；
[0021]步驟二、在介質(zhì)膜的表面涂覆光刻膠，光刻顯影后形成熱敏電阻的結構圖，然后濺射沉積一層熱敏材料，再剝離得到熱敏電阻；
[0022]步驟三、在介質(zhì)膜的表面涂覆光刻膠，光刻顯影得到電極的結構形狀，然后沉積一層電極材料，得到電極；
[0023]步驟四、在介質(zhì)膜的表面涂覆光刻膠，光刻顯影得到所述兩個氣流溝道及其內(nèi)部的微型過濾結構和支撐梁，先用反應離子刻蝕去掉所述兩個氣流溝道內(nèi)除微型過濾結構和支撐梁之外的介質(zhì)膜，然后再用腐蝕液腐蝕掉所述兩個氣流溝道內(nèi)一定深度的硅，形成兩個氣流溝道及其內(nèi)部的支撐梁和微型過濾結構，并懸空熱敏電阻；
[0024]步驟五、在高溫下老化熱敏電阻，整個老化過程在惰性環(huán)境中進行；
[0025]步驟六、清洗玻璃，在玻璃表面通過化學腐蝕或者激光刻蝕的方法，得到與硅片表面位置和形狀一樣的氣流溝道外形，形成玻璃蓋；
[0026]步驟七、將硅片上的氣流溝道與玻璃蓋上的氣流溝道對準鍵合密封，這樣熱敏電阻4就懸空在娃和玻璃蓋所形成氣流溝道中；
[0027]步驟八、切割分離芯片，并利用毛細鋼管與耐高溫膠水封裝參考臂氣體入口、測試臂氣體入口、參考臂氣體出口以及測試臂氣體出口，得到微型熱導檢測器。
[0028]在步驟五之后，步驟六之前，進一步包括:在硅片的另一面，涂覆光刻膠，光刻顯影得到熱敏電阻正下方的所要刻蝕形成空氣腔體結構的圖形，然后利用深刻蝕工藝刻蝕得到熱敏電阻背面梯形的空氣腔體結構。
[0029]所述步驟一中硅的表面制備的介質(zhì)膜厚度為I?20微米，所述步驟五中熱敏電阻
(4)老化溫度為400?600°C，老化時間為4?8小時。
[0030]有益效果:
[0031]1.在氣體入口和出口處，集成了微型過濾結構，可以阻止芯片切割分離過程中的粉塵以及樣品中的微粒直接進入熱導池而污染熱敏電阻，從而提高了熱敏電阻的熱響應特性。
[0032]2.熱敏電阻采用懸空結構，并且其背面采用空腔結構，最大限度減少了基底熱損耗，提高了熱敏電阻的熱隔離性能。
[0033]3.通過減少熱敏電阻的支撐點的個數(shù)，提高了熱敏電阻的熱響應特性。
[0034]4.采用低應力氮化硅或擴散硅與氧化硅形成的雙層膜結構做支撐梁，不僅增加了梁的強度，而且低應力氮化硅或擴散硅與氧化硅形成的雙層膜結構可以直接和玻璃鍵合，解決了熱敏電阻封裝困難的技術難題，簡化了工藝，提高了熱敏電阻的可靠性與一致性。
【附圖說明】
[0035]圖1為Jan M.Lysko研制的一種微型熱導檢測器。
[0036]圖2為集成過濾器的微型熱導檢測器結構圖。
[0037]圖3為集成過濾器的微型熱導檢測器基底結構圖。
[0038]圖4為集成過濾器的微型熱導檢測器熱敏電阻放大圖。
[0039]圖5為集成過濾器的微型熱導檢測器熱敏電阻位置圖。
[0040]其中，1-參考臂氣體入口，2-微型過濾結構，3-彎形氣流溝道，4-熱敏電阻，5-電極，6-參考臂氣體出口，7-支撐梁，8-基底，9-測試臂氣體入口，10-測試臂氣體出口，11-玻璃蓋。
【具體實施方式】
[0041]本發(fā)明提供了一種集成過濾器的微型熱導檢測器，其核心思想是:制造一種微型熱導檢測器，該熱導器在結構上集成微型過濾結構、采用彎形氣流溝道、熱敏電阻懸空設計、并且基底采用空腔結構，通過上述結構上的設計以解決熱敏電阻熱損耗大、在制作過程中受污染問題，提高了熱敏電阻的熱響應熱性；同時在基底上制備能夠與玻璃直接鍵合的介質(zhì)膜，解決了熱敏電阻封裝困難的問題。
[0042]下面結合附圖并舉實施例，對本發(fā)明進行詳細描述。
[0043]如圖2所示，一種集成過濾器的微型熱導檢測器，其結構包括:參考臂氣體入口 1、微型過濾結構2、彎形氣流溝道3、熱敏電阻4、電極5、參考臂氣體出口 6、支撐梁7、基底8、測試臂氣體入口 9、測試臂氣體出口 10、玻璃11。
[0044]所述基底8上生長有一層低應力氮化硅層，在覆有低應力氮化硅層的基底8上開設有兩條氣流溝道；其中，第一氣流溝道依次由參考臂氣體入口 1、第一彎形氣流溝道31、參考臂氣體出口 6組成；第二氣流溝道依次由測試臂氣體入口 9、第二彎形氣流溝道32、測試臂氣體出口 10組成。
[0045]所述第一彎形氣流溝道31和第二彎形氣流溝道32均由直行溝道部分以及該直行溝道部分兩端分別設置的彎形溝道部分組成；彎形氣流溝道能減緩氣流對熱敏電阻4的沖擊，避免其晃動搖擺，產(chǎn)生熱噪聲，從而引起基線漂移，同時也能阻擋污染物進入熱敏電阻所在的區(qū)域。
[0046]所述參考臂氣體入口 1、參考臂氣體出口 6、測試臂氣體入口 9和測試臂氣體出口10均為直行溝道，且內(nèi)部均設有微型過濾結構2，且微型過濾結構2設置在靠近相應彎形氣流溝道處。
[0047]所述微型過濾結構2為微型立柱組成的陣列，微型立柱間的間距小于氣流的粉塵微粒以及芯片制備和切割分離過程中的粉塵微粒的大小，這樣可以阻止芯片切割分離過程中產(chǎn)生的粉塵以及氣流中的粉塵微粒隨冷卻水或氣流直接進入熱導池而污染熱敏電阻，從而提高了熱敏電阻