一種mems甲烷傳感器及其應(yīng)用和制備方法
【專利摘要】一種MEMS甲烷傳感器及其應(yīng)用和制備方法，適用于煤礦檢測使用。特別屬于采用微電子機(jī)械系統(tǒng)加工技術(shù)的甲烷傳感器及其甲烷檢測方法。該傳感器以普通單晶硅作為加熱元件的材料，加熱元件同時(shí)作為敏感元件，且不需催化劑載體及催化劑材料；加工工藝與CMOS工藝兼容，加熱元件的釋放采用雙向同時(shí)刻蝕的濕法硅刻蝕技術(shù)。該傳感器具有成本低、靈敏度高、功耗低、靈敏度高、測量不受氧氣濃度影響、不受積碳、中毒影響的優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】一種MEMS甲烷傳感器及其應(yīng)用和制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種甲烷傳感器及其應(yīng)用和制備方法，尤其適用于一種煤礦安全檢測中使用的MEMS甲烷傳感器及其應(yīng)用和制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，當(dāng)前的甲烷傳感器無法滿足單兵裝備對(duì)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。目前用于煤礦井下檢測低濃度甲烷的仍是基于傳統(tǒng)鉬絲加熱的催化燃燒式甲烷傳感器，其功耗較大，催化劑的使用導(dǎo)致甲烷檢測性能不穩(wěn)定、校驗(yàn)時(shí)間短，存在受積碳、中毒、激活等因使用催化劑所帶來的不良影響等缺點(diǎn)；而紅外甲烷傳感器價(jià)格高、傳感元件受粉塵與水汽嚴(yán)重影響；這兩種甲烷傳感器都不能很好的滿足物聯(lián)網(wǎng)對(duì)低功耗甲烷傳感器的應(yīng)用需求。而其它的甲烷傳感器亦無法適應(yīng)煤礦井下高濕度的復(fù)雜環(huán)境。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0003]本發(fā)明的目的是要提供一種結(jié)構(gòu)簡單，不使用催化劑又能對(duì)低濃度甲烷(O?4% )具有高靈敏度檢測能力的MEMS甲烷傳感器及其應(yīng)用和制備方法。
[0004]為實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)問題，本發(fā)明的MEMS甲烷傳感器以P型硅為襯底，P型硅襯底上設(shè)有N型硅；以所述P型硅襯底上的N型硅加工制備硅加熱元件；所述硅加熱元件包括兩個(gè)固定端、硅加熱器、兩個(gè)硅懸臂；所述單個(gè)的硅懸臂長度至少300um ;所述單個(gè)的硅懸臂的一端與硅加熱器相連，另一端與一個(gè)固定端相連，為硅加熱器提供電連接；所述兩個(gè)硅懸臂平行并排設(shè)置、與硅加熱器整體構(gòu)成U形懸臂結(jié)構(gòu)，將硅加熱器懸于空氣中；所述硅加熱元件的硅加熱器及硅懸臂外表面設(shè)有鈍化保護(hù)層；所述固定端設(shè)在P型硅襯底上，包括N型硅、N型硅上的氧化硅層及用作電引出焊盤Pad金屬，所述電引出焊盤Pad金屬設(shè)在N型硅之上的氧化硅層上，且電引出焊盤Pad金屬通過氧化硅層的窗口與其下面的N型硅直接接觸構(gòu)成歐姆接觸，電引出焊盤Pad金屬與其下的N型硅層接觸部分沒有氧化硅層；
[0005]在所述硅加熱元件及其固定端周圍設(shè)置有去除掉N型硅的隔離溝槽，所述隔離溝槽使所述硅加熱元件及其固定端的N型硅與P型硅襯底上的其余N型硅之間為高阻狀態(tài)，尤其是設(shè)在P型硅襯底上的硅加熱元件的兩個(gè)固定端之間除了由硅懸臂和硅加熱器構(gòu)成的電通路之外無其它電路通路。
[0006]一種使用權(quán)利要求1所述傳感器的甲烷檢測應(yīng)用，使用兩個(gè)甲烷傳感器，其中一個(gè)與環(huán)境空氣接觸，另一個(gè)進(jìn)行氣密性封裝，保持與環(huán)境空氣為隔絕密封；所使用的兩個(gè)基于濕法雙向刻蝕娃的MEMS甲燒傳感器構(gòu)成惠斯通電橋檢測橋臂；在基于濕法雙向刻蝕娃的MEMS甲烷傳感器的兩個(gè)固定端上施加電壓或通以電流使硅加熱元件的工作點(diǎn)位于其電流-電阻特性曲線中轉(zhuǎn)折點(diǎn)左側(cè)的工作點(diǎn)區(qū)域、加熱元件的硅加熱器發(fā)熱，其特征在于電加熱溫度在500攝氏度以上；所述轉(zhuǎn)折點(diǎn)為電阻隨電流或電壓增大而出現(xiàn)的電阻最大點(diǎn)，當(dāng)電流或電壓繼續(xù)增大時(shí)，電阻不再繼續(xù)增大反而減?。划?dāng)有甲烷氣體出現(xiàn)時(shí)，與環(huán)境空氣接觸的的硅加熱器的溫度降低，使包括有該硅加熱器的硅加熱元件的電阻發(fā)生顯著變化，通過所述基于濕法雙向刻蝕硅的MEMS甲烷傳感器構(gòu)成的惠斯通電橋?qū)崿F(xiàn)低濃度甲烷氣體的檢測。
[0007]MEMS甲烷傳感器的制備方法其包括兩種制備方法；
[0008]制備方法(一)的步驟為:
[0009]第一步，在(100)晶向的P型硅襯底的正面經(jīng)摻雜或擴(kuò)散制備N型硅，N型硅厚度為3至30um ；
[0010]第二步，熱氧化生成氧化硅層，厚度0.5至Ium;
[0011]第三步，在P型硅襯底的正面制備光刻膠，光刻后形成硅加熱元件、硅加熱元件的固定端周圍設(shè)置的隔離溝槽及正面刻蝕窗口的圖形，并采用反應(yīng)離子刻蝕方法干法刻蝕所露出的氧化硅層及其下面的N型硅，刻蝕深度大于N型硅與第二步生成的氧化硅層厚度之和，去除光刻月父；
[0012]第四步，在P型硅襯底的正面光刻第二步生成的氧化硅層，形成金屬接觸孔；
[0013]第五步，在P型硅襯底的正面濺射或淀積或蒸發(fā)形成金屬層，金屬層的材料可以是金或鋁，并退火，使金屬層與P型硅襯底上的露出的N型硅形成歐姆接觸；
[0014]第六步，根據(jù)需要在刻蝕金屬層后形成電引出焊盤Pad金屬、金屬連接線及總金屬連接端，所形成的每個(gè)硅加熱元件的電引出焊盤Pad金屬與金屬連接線均通過金屬層相連通，金屬連接線與總金屬連接端通過金屬層相連通；所述總金屬連接端設(shè)在P型硅襯底的邊緣，當(dāng)在總金屬連接端施加電勢時(shí)，整個(gè)硅圓片上的所有硅加熱元件的N型硅形成良好電連接并具有與總金屬連接端相同的電勢，所述金屬連接線設(shè)在劃片槽內(nèi)；
[0015]第七步，在P型硅襯底的正面制備光刻膠，對(duì)P型硅襯底光刻后形成正面刻蝕窗口圖形，采用反應(yīng)離子刻蝕方法干法刻蝕所形成的正面刻蝕窗口圖形所露出的P型硅，刻蝕深度大于20um，形成濕法硅刻蝕的正面刻蝕窗口，去除光刻膠；
[0016]第八步，在P型硅襯底的背面進(jìn)行與正面刻蝕窗口對(duì)準(zhǔn)的光刻，形成背面刻蝕窗口的圖形；所形成的背面刻蝕窗口圖形與正面刻蝕窗口圖形都可小于單獨(dú)進(jìn)行正面濕法刻蝕刻穿硅片所需的正面刻蝕窗口圖形，所形成的背面刻蝕窗口圖形與正面刻蝕窗口圖形的中心重疊，且各邊方向相同，所形成的背面刻蝕窗口圖形小于正面刻蝕窗口圖形，刻蝕窗口大小應(yīng)保證能刻穿硅片形成通孔，通孔尺寸遠(yuǎn)大于硅加熱器的外形尺寸，且硅加熱元件的硅加熱器位于正面刻蝕窗口和背面刻蝕窗口的中心位置；采用反應(yīng)離子刻蝕方法干法刻蝕露出的背面刻蝕窗口圖形內(nèi)的氧化硅層及其下面的硅，刻蝕深度10至30um，形成濕法刻蝕所需的背面刻蝕窗口；
[0017]第九步，在P型硅襯底的正面與背面分別制備刻蝕保護(hù)層并圖形化，露出第八步制備好的背面濕法刻蝕窗口、第七步所形成的正面濕法刻蝕窗口以及連接所有硅加熱元件固定端金屬的總金屬連接端；
[0018]第十步，將上述制備好的硅片置于四甲基氫氧化銨溶液或氫氧化鉀溶液中對(duì)P型硅采用PN結(jié)自停止方法在硅片的正面與背面同時(shí)進(jìn)行硅濕法刻蝕；刻蝕時(shí)通過硅圓片上的總金屬連接端給P型硅襯底上的N型硅施加正電壓，所述正電壓高于PN結(jié)自停止刻蝕的鈍化電勢，以使P型硅襯底與N型硅所形成的PN結(jié)處于反偏狀態(tài)；在PN結(jié)自停止刻蝕的作用下，硅加熱元件的N型硅不被刻蝕；刻蝕完成后不僅釋放出硅加熱元件，正面與背面的刻蝕窗口內(nèi)還形成通孔，所述硅加熱元件的硅加熱器的中心投影與通孔中心的投影相重合；
[0019]第十一步，去除所述第九步制備的正面與背面刻蝕保護(hù)層后干燥，干燥后采用氫氟酸溶液或氫氟酸氣霧去除第二步生成的硅加熱元件表面的氧化硅；
[0020]第十二步，對(duì)硅加熱元件外表面露出的硅進(jìn)行氧化，形成厚度均勻的薄層氧化硅，其厚度為十?dāng)?shù)nm至lOOnm，作為鈍化保護(hù)層；
[0021 ] 第十三步，沿劃線槽劃片，尤其切斷部分劃片槽內(nèi)的金屬連接線與電引出焊盤Pad金屬的連接，裂片后得到多個(gè)基于濕法雙向刻蝕硅的MEMS甲烷傳感器；
[0022]或制備方法(二)的步驟為:
[0023]第一步，在晶向的P型硅襯底的正面經(jīng)摻雜或擴(kuò)散制備N型硅，N型硅厚度為3至30um ；
[0024]第二步，熱氧化生成氧化硅層，厚度0.5至Ium ；
[0025]第三步，在P型硅襯底的正面制備光刻膠，光刻后形成硅加熱元件、硅加熱元件的固定端周圍設(shè)置的隔離溝槽及正面刻蝕窗口的圖形，并采用反應(yīng)離子刻蝕方法干法刻蝕所露出的氧化硅層及其下面的N型硅，刻蝕深度大于N型硅與第二步生成的氧化硅層厚度之和，去除光刻月父；
[0026]第四步，在P型硅襯底的正面通過濺射、淀積或蒸發(fā)的方法形成金屬層，所述金屬層的材料為鋁，厚度I至2um，金屬層退火，從而形成與N型硅之間的歐姆接觸；在P型硅襯底的背面濺射或淀積或蒸發(fā)形成金屬層，金屬層的材料為鋁；
[0027]第五步，圖形化金屬層，露出第三步所形成的正面刻蝕窗口圖形內(nèi)的氧化硅層及其下面的N型硅，采用反應(yīng)離子刻蝕方法干法刻蝕所述露出的硅，刻蝕深度30um，形成正面濕法刻蝕所需的正面刻蝕窗口 ；
[0028]第六步，在P型硅襯底的背面進(jìn)行與正面刻蝕窗口對(duì)準(zhǔn)的光刻，形成背面刻蝕窗口的圖形；所形成的背面刻蝕窗口圖形與正面刻蝕窗口圖形均小于單獨(dú)進(jìn)行正面濕法刻蝕刻穿硅片所需的正面刻蝕窗口圖形，所形成的背面刻蝕窗口圖形與正面刻蝕窗口圖形的中心重疊，且各邊方向相同，所形成的背面刻蝕窗口圖形小于正面刻蝕窗口圖形，刻蝕窗口大小應(yīng)保證能刻穿硅片形成通孔，通孔外形尺寸遠(yuǎn)大于硅加熱器的外形尺寸，且硅加熱元件的硅加熱器位于兩個(gè)刻蝕窗口的中心位置；采用反應(yīng)離子刻蝕方法干法刻蝕露出的背面刻蝕窗口圖形內(nèi)的氧化硅層及其下面的N型硅，刻蝕深度10至30um，形成濕法刻蝕所需的背面刻蝕窗口；
[0029]第七步，將上述制備好的硅片置于四甲基氫氧化銨溶液中對(duì)P型硅采用PN結(jié)自停止方法在硅片的正面與背面同時(shí)進(jìn)行硅濕法刻蝕以釋放硅加熱元件；刻蝕時(shí)通過正面的金屬給N型硅施加高于PN結(jié)自停止刻蝕鈍化電勢的正電壓，以使P型硅襯底與N型硅層所形成的PN結(jié)處于反偏狀態(tài)，硅加熱元件的N型硅在PN結(jié)自停止保護(hù)作用下不被腐蝕，刻蝕完成后不僅釋放出硅加熱元件，背面刻蝕窗口與正面刻蝕窗口形成通孔，所述硅加熱元件的硅加熱器中心的投影與通孔中心的投影相重合；
[0030]第八步，在硅加熱元件的固定端上制備光刻膠，烘干光刻膠，去掉除固定端金屬層外的殘余金屬；
[0031]第九步，采用氫氟酸溶液或氫氟酸氣霧去除硅加熱元件表面的氧化硅；去除掉第八步形成的光刻膠；
[0032]第十步,氧化露出的娃,形成厚度均勻的薄層氧化娃,其厚度為十?dāng)?shù)nm至10nm,作為鈍化保護(hù)層；
[0033]第十一步，劃片、裂片，得到所述的基于濕法雙向刻蝕硅的MEMS甲烷傳感器。
[0034]有益效果:本發(fā)明的濕法雙向刻蝕硅的MEMS甲烷傳感器以硅為加熱材料，不使用金屬；本發(fā)明的硅加熱器使用普通的硅圓片進(jìn)行加工且遠(yuǎn)離硅襯底；采用了濕法雙向同時(shí)刻蝕硅的技術(shù)。由于采用了上述方案，具有以下有效效果:
[0035]1、本發(fā)明的MEMS甲烷傳感器以硅加熱元件為加熱元件和檢測元件，而不使用催化劑，便可實(shí)現(xiàn)對(duì)低濃度甲烷氣體的高靈敏度的檢測；本發(fā)明的MEMS甲烷傳感器的硅加熱器采用多個(gè)硅加熱條的并聯(lián)結(jié)構(gòu)，具有較大的與空氣接觸的高溫表面積，有助于靈敏度的提高，靈敏度可達(dá)10mV/CH4%，這樣的靈敏度可以直接推動(dòng)儀表，達(dá)到了國家標(biāo)準(zhǔn)的要求；
[0036]2、不同于催化燃燒式甲烷傳感器需要氧氣參與催化燃式反應(yīng)，因此本發(fā)明的甲烷傳感器對(duì)甲烷的檢測不受空氣中氧氣的影響；
[0037]3、本發(fā)明的MEMS甲烷傳感器不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(dǎo)致的靈敏度降低、中毒、激活等問題；
[0038]4、本發(fā)明的MEMS甲烷傳感器的硅加熱器懸在空氣中且遠(yuǎn)離硅襯底，距離大于300um以上，可較低的功率即可將硅加熱器加熱到500°C以上的高溫，很好的降低了通過硅片損失的熱量，因此具有功耗低的優(yōu)勢，單個(gè)硅加熱元件工作時(shí)的功耗約80?90mW ；
[0039]5、本發(fā)明的MEMS甲烷傳感器的硅加熱元件以硅為加熱材料，原料成本大幅降低；加工工藝簡單，可與CMOS工藝兼容、易于批量化生產(chǎn)；本發(fā)明采用濕法硅刻蝕工藝，使用低廉的化學(xué)溶液即可完成本發(fā)明器件的釋放，與干法刻蝕相比，不需使用昂貴的干法刻蝕設(shè)備及加工費(fèi)用，因此加工成本更低；并且本發(fā)明的硅加熱元件采用濕法硅刻蝕從正面和背面雙向同時(shí)刻蝕硅的方法加以釋放，能節(jié)省約一半的刻蝕時(shí)間，提高約I倍的刻蝕加工效率；上述的綜合方案極大的節(jié)約了成本，具有良好的效益；
[0040]6、本發(fā)明的MEMS甲烷傳感器的硅加熱元件采用性能穩(wěn)定的單晶硅加工得到，這使本發(fā)明的甲烷傳感器在高溫工作狀態(tài)下具有良好的穩(wěn)定性與長的壽命；這是因?yàn)閱尉Ч璨淮嬖阢f、鎢等金屬加熱材料在500攝氏度以上的高溫容易揮發(fā)、遷移等缺點(diǎn)、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(diǎn)；同時(shí)，在本發(fā)明的硅加熱元件的外表面設(shè)置的鈍化層也降低了外界環(huán)境對(duì)上述元器件的影響，從而進(jìn)一步提高了本發(fā)明的甲烷傳感器性能的穩(wěn)定性；
[0041]7、本發(fā)明的甲烷傳感器采用MEMS工藝加工，尺寸小、不但使傳感器功耗低，并且響應(yīng)速度快，可達(dá)40ms左右；
[0042]8、本發(fā)明的甲烷傳感器可采用CMOS工藝批量生產(chǎn)，可具有良好的一致性，因此還可批量校準(zhǔn)，因此能進(jìn)一步提高傳感器性能并降低傳感器校準(zhǔn)環(huán)節(jié)的成本；
[0043]優(yōu)點(diǎn):本發(fā)明提供的基于濕法雙向刻蝕硅的MEMS甲烷傳感器其制備方法可與CMOS工藝兼容；容易批量生產(chǎn)與校準(zhǔn)；可降低成本、具有良好的一致性；并且，本發(fā)明的甲烷傳感器尺寸小、響應(yīng)速度快、傳感器功耗低、靈敏度高、輸出信號(hào)線性度好；傳感器性能不受催化劑影響，對(duì)傳感器的性能進(jìn)行綜合優(yōu)化及補(bǔ)償時(shí)不必考慮催化劑的復(fù)雜影響、簡單易行，對(duì)低濃度甲烷具有高靈敏度的檢測能力。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0044]圖1為本發(fā)明的MEMS甲烷傳感器的俯視示意圖。
[0045]圖2為本發(fā)明的MEMS甲烷傳感器在完成刻蝕窗口圖形的制備后在硅圓片上的俯視不意圖。
[0046]圖3為本發(fā)明的圖1中的A-A截面剖視圖。
[0047]圖4為本發(fā)明的MEMS甲烷傳感器的硅加熱元件的硅加熱器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0048]圖5為制備本發(fā)明的基于濕法雙向刻蝕硅的MEMS甲烷傳感器時(shí)電引出焊盤Pad金屬、金屬連接線與部分劃片槽在硅圓片上的的示意圖。
[0049]圖6為本發(fā)明的基于濕法雙向刻蝕硅的MEMS甲烷傳感器的硅加熱元件的電流-電阻特性曲線。
[0050]圖中:01-P型硅襯底，02-N型硅，101-硅加熱元件，1011-硅加熱器，1012-硅懸臂，1013-硅加熱條，102-固定端，103-隔離溝槽，20-氧化硅層，21-電引出焊盤Pad金屬，22-鈍化保護(hù)層，31-金屬連接線，32-金屬連接端，40-劃片槽。
【具體實(shí)施方式】
[0051]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例作進(jìn)一步的描述:
[0052]如圖1、圖2、圖3所示，本發(fā)明的MEMS甲烷傳感器包括P型硅襯底01，P型硅襯底01上設(shè)有N型硅02 ;以所述P型硅襯底01上的N型硅02加工制備硅加熱元件101 ;所述硅加熱元件101包括兩個(gè)固定端102、硅加熱器1011、兩個(gè)硅懸臂1012 ;所述單個(gè)的硅懸臂1012長度至少300um ;所述單個(gè)的娃懸臂1012的一端與娃加熱器1011相連,另一端與一個(gè)固定端102相連，為硅加熱器1011提供電連接；所述兩個(gè)硅懸臂1012平行并排設(shè)置、與硅加熱器1011整體構(gòu)成U形懸臂結(jié)構(gòu),將娃加熱器1011懸于空氣中；所述娃加熱兀件101的硅加熱器1011及硅懸臂1012外表面設(shè)有鈍化保護(hù)層22 ;所述固定端102設(shè)在P型硅襯底01上，包括N型硅02、N型硅02上的氧化硅層20及用作電引出焊盤Pad金屬21，所述電引出焊盤Pad金屬21設(shè)在N型硅02之上的氧化硅層20上，且電引出焊盤Pad金屬21通過氧化硅層20的窗口與其下面的N型硅02直接接觸構(gòu)成歐姆接觸，電引出焊盤Pad金屬21與其下的N型硅層02接觸部分沒有氧化硅層20。
[0053]在所述硅加熱元件101及其固定端102周圍設(shè)置有去除掉N型硅的隔離溝槽103，所述隔離溝槽103使所述硅加熱元件101及其固定端102的N型硅與P型硅襯底01上的其余N型硅之間為高阻狀態(tài)，尤其是設(shè)在P型硅襯底01上的硅加熱元件101的兩個(gè)固定端102之間除了由硅懸臂1012和硅加熱器1011構(gòu)成的電通路之外無其它電路通路。
[0054]圖4是本發(fā)明的基于濕法雙向刻蝕硅的MEMS甲烷傳感器的硅加熱元件的硅加熱器1011的結(jié)構(gòu)示意圖；如圖4所示的硅加熱器1011的結(jié)構(gòu)為多個(gè)硅加熱條1013的并聯(lián)，用以增加與空氣接觸的高溫表面積。
[0055]圖6是本發(fā)明的基于濕法雙向刻蝕硅的MEMS甲烷傳感器的的硅加熱元件的電流-電阻特性曲線。
[0056]一種使用權(quán)利要求1所述傳感器的甲烷檢測應(yīng)用，使用兩個(gè)甲烷檢測傳感器，其中一個(gè)與環(huán)境空氣接觸，另一個(gè)進(jìn)行氣密性封裝，保持與環(huán)境空氣為隔絕密封；所使用的兩個(gè)基于濕法雙向刻蝕硅的MEMS甲烷傳感器構(gòu)成惠斯通電橋檢測橋臂；在基于濕法雙向刻蝕硅的MEMS甲烷傳感器的兩個(gè)固定端102上施加電壓或通以電流使硅加熱元件101的工作點(diǎn)位于其電流-電阻特性曲線中轉(zhuǎn)折點(diǎn)左側(cè)的工作點(diǎn)區(qū)域、加熱元件101的硅加熱器1011發(fā)熱，其特征在于電加熱溫度在500攝氏度以上；所述轉(zhuǎn)折點(diǎn)為電阻隨電流或電壓增大而出現(xiàn)的電阻最大點(diǎn)，當(dāng)電流或電壓繼續(xù)增大時(shí)，電阻不再繼續(xù)增大反而減?。划?dāng)有甲烷氣體出現(xiàn)時(shí)，與環(huán)境空氣接觸的的娃加熱器1011的溫度降低，使包括有該娃加熱器1011的硅加熱元件101的電阻發(fā)生顯著變化，通過所述基于濕法雙向刻蝕硅的MEMS甲烷傳感器構(gòu)成的惠斯通電橋?qū)崿F(xiàn)低濃度甲烷氣體的檢測。兩個(gè)硅加熱元件的功耗在180mW左右，輸出信號(hào)在1mv左右/CH4%。
[0057]MEMS甲烷傳感器的制備方法包括兩種制備方法；
[0058]制備方法一的步驟為:
[0059]第一步，在100晶向的P型硅襯底01的正面經(jīng)摻雜或擴(kuò)散制備N型硅02，N型硅02厚度為3至30um ；
[0060]第二步，熱氧化生成氧化硅層20，厚度0.5至Ium ；
[0061]第三步，在P型硅襯底01的正面制備光刻膠，光刻后形成硅加熱元件101、硅加熱元件的固定端周圍設(shè)置的隔離溝槽103及正面刻蝕窗口 104的圖形，并采用反應(yīng)離子刻蝕方法干法刻蝕所露出的氧化硅層20及其下面的N型硅02，刻蝕深度大于N型硅02與第二步生成的氧化硅層20厚度之和，去除光刻膠；
[0062]第四步，在P型硅襯底01的正面光刻第二步生成的氧化硅層20，形成金屬接觸孔；
[0063]第五步，在P型硅襯底01的正面濺射或淀積或蒸發(fā)形成金屬層，金屬層的材料可以是金或鋁，并退火，使金屬層與P型硅襯底01上的露出的N型硅02形成歐姆接觸；
[0064]第六步，根據(jù)需要在金屬層上光刻，刻蝕金屬層后形成電引出焊盤Pad金屬21、金屬連接線31及總金屬連接端32,所形成的每個(gè)娃加熱元件101的電引出焊盤Pad金屬21與金屬連接線31均通過金屬層相連通，金屬連接線31與總金屬連接端32通過金屬層相連通；所述總金屬連接端32設(shè)在P型硅襯底的邊緣，當(dāng)在總金屬連接端32施加電勢時(shí)，整個(gè)硅圓片上的所有硅加熱元件101的N型硅形成良好電連接并具有與總金屬連接端32相同的電勢，所述金屬連接線31設(shè)在劃片槽40內(nèi)；
[0065]如圖5所示，制備MEMS甲烷傳感器時(shí)，電引出焊盤Pad金屬、金屬連接線與部分劃片槽在硅圓片上的示意圖。第六步所述的在硅圓片上的金屬連接線31、部分劃片槽40、總金屬連接端32以及電引出焊盤Pad金屬21 ；
[0066]第七步，在P型硅襯底01的正面制備光刻膠，對(duì)P型硅襯底01光刻后形成正面刻蝕窗口 104圖形，采用反應(yīng)離子刻蝕方法干法刻蝕所形成的正面刻蝕窗口 104圖形所露出的P型硅，刻蝕深度大于20um，形成濕法硅刻蝕的正面刻蝕窗口 104，去除光刻膠；
[0067]第八步，在P型硅襯底01的背面進(jìn)行與正面刻蝕窗口 104對(duì)準(zhǔn)的光刻，形成背面刻蝕窗口 105的圖形；所形成的背面刻蝕窗口 105圖形與正面刻蝕窗口 104圖形都可小于單獨(dú)進(jìn)行正面濕法刻蝕刻穿硅片所需的正面刻蝕104窗口圖形，所形成的背面刻蝕窗口105圖形與正面刻蝕窗口 104圖形的中心重疊，且各邊方向相同，所形成的背面刻蝕窗口105圖形小于正面刻蝕窗口 104圖形，刻蝕窗口大小應(yīng)保證能刻穿硅片形成通孔，通孔尺寸遠(yuǎn)大于娃加熱器1011的外形尺寸,且娃加熱兀件101的娃加熱器1011位于正面刻蝕窗口104和背面刻蝕窗口 105的中心位置；采用反應(yīng)離子刻蝕方法干法刻蝕露出的背面刻蝕窗口 105圖形內(nèi)的氧化硅層及其下面的硅，刻蝕深度10至30um，形成濕法刻蝕所需的背面刻蝕窗口 105 ；
[0068]第九步，在P型硅襯底01的正面與背面分別制備刻蝕保護(hù)層并圖形化，露出第八步制備好的背面濕法刻蝕窗口 105、第七步所形成的正面濕法刻蝕窗口 104以及連接所有硅加熱元件101固定端102金屬的總金屬連接端32 ；
[0069]第十步，將上述制備好的硅片置于四甲基氫氧化銨溶液或氫氧化鉀溶液中對(duì)P型硅采用PN結(jié)自停止方法在硅片的正面與背面同時(shí)進(jìn)行硅濕法刻蝕；刻蝕時(shí)通過硅圓片上的總金屬連接端32給P型硅襯底01上的N型硅02施加正電壓，所述正電壓高于PN結(jié)自停止刻蝕的鈍化電勢，以使P型硅襯底01與N型硅02所形成的PN結(jié)處于反偏狀態(tài)；在PN結(jié)自停止刻蝕的作用下，硅加熱元件101的N型硅02不被刻蝕；刻蝕完成后不僅釋放出硅加熱元件101，正面與背面的刻蝕窗口內(nèi)還形成通孔，所述硅加熱元件101的硅加熱器1011的投影與通孔中心的投影相重合；
[0070]第十一步，去除所述第九步制備的正面與背面刻蝕保護(hù)層后干燥，干燥后采用氫氟酸溶液或氫氟酸氣霧去除第二步生成的硅加熱元件101表面的氧化硅；
[0071]第十二步，對(duì)硅加熱元件101外表面露出的硅進(jìn)行氧化，形成厚度均勻的薄層氧化硅，其厚度為十?dāng)?shù)nm至lOOnm，作為鈍化保護(hù)層22 ；
[0072]第十三步，沿劃線槽劃片，尤其切斷如圖5中所示的部分劃片槽40內(nèi)的金屬連接線31與電引出焊盤Pad金屬21的連接，裂片后得到數(shù)量眾多的本發(fā)明所述的基于濕法雙向刻蝕硅的MEMS甲烷傳感器。
[0073]制備方法二的步驟為:
[0074]第一步，在100晶向的P型硅襯底01的正面經(jīng)摻雜或擴(kuò)散制備N型硅02，N型硅02厚度為3至30um ；
[0075]第二步，熱氧化生成氧化硅層20，厚度0.5至Ium ；
[0076]第三步，在P型硅襯底01的正面制備光刻膠，光刻后形成硅加熱元件101、硅加熱元件的固定端周圍設(shè)置的隔離溝槽103及正面刻蝕窗口 104的圖形，并采用反應(yīng)離子刻蝕方法干法刻蝕所露出的氧化硅層20及其下面的N型硅02，刻蝕深度大于N型硅02與第二步生成的氧化硅層20厚度之和，去除光刻膠；
[0077]第四步，在P型硅襯底01的正面通過濺射、淀積或蒸發(fā)的方法形成金屬層，所述金屬層的材料為鋁，厚度I至2um，金屬層退火，從而形成21與N型硅02之間的歐姆接觸；在P型硅襯底的背面濺射或淀積或蒸發(fā)形成金屬層，金屬層的材料為鋁；
[0078]第五步，圖形化金屬層，露出第三步所形成的正面刻蝕窗口 104圖形內(nèi)的氧化硅層20及其下面的N型硅02，采用反應(yīng)離子刻蝕方法干法刻蝕所述露出的硅，刻蝕深度30um，形成正面濕法刻蝕所需的正面刻蝕窗口 104 ；
[0079]第六步，在P型硅襯底01的背面進(jìn)行與正面刻蝕窗口 104對(duì)準(zhǔn)的光刻，形成背面刻蝕窗口 105的圖形；所形成的背面刻蝕窗口 105圖形與正面刻蝕窗口 104圖形均小于單獨(dú)進(jìn)行正面濕法刻蝕刻穿硅片所需的正面刻蝕窗口 104圖形，所形成的背面刻蝕窗口 105圖形與正面刻蝕窗口 104圖形的中心重疊，且各邊方向相同，所形成的背面刻蝕窗口 105圖形小于正面刻蝕窗口 104圖形，刻蝕窗口大小應(yīng)保證能刻穿硅片形成通孔，通孔外形尺寸遠(yuǎn)大于娃加熱器1011的外形尺寸，且娃加熱兀件101的娃加熱器1011位于兩個(gè)刻蝕窗口的中心位置；采用反應(yīng)離子刻蝕方法干法刻蝕露出的背面刻蝕窗口 105圖形內(nèi)的氧化硅層20及其下面的N型硅02，刻蝕深度10至30um，形成濕法刻蝕所需的背面刻蝕窗口 105 ；
[0080]第七步，將上述制備好的硅片置于四甲基氫氧化銨溶液中對(duì)P型硅采用PN結(jié)自停止方法在硅片的正面與背面同時(shí)進(jìn)行硅濕法刻蝕以釋放硅加熱元件；刻蝕時(shí)通過正面的金屬給N型硅02施加高于PN結(jié)自停止刻蝕鈍化電勢的正電壓，以使P型硅襯底與N型硅層所形成的PN結(jié)處于反偏狀態(tài)，硅加熱元件101的N型硅02在PN結(jié)自停止保護(hù)作用下不被腐蝕，刻蝕完成后不僅釋放出硅加熱元件101，背面刻蝕窗口 105與正面刻蝕窗口 104形成通孔，所述硅加熱元件101的硅加熱器1011中心的投影與通孔中心的投影相重合；
[0081]第八步，在硅加熱元件101的固定端102上制備光刻膠，烘干光刻膠，去掉除固定端102金屬層外的殘余金屬；
[0082]第九步，采用氫氟酸溶液或氫氟酸氣霧去除硅加熱元件101表面的氧化硅23 ;去除掉第八步形成的光刻膠；
[0083]第十步,氧化露出的娃,形成厚度均勻的薄層氧化娃,其厚度為十?dāng)?shù)nm至10nm,作為鈍化保護(hù)層22 ；
[0084]第十一步，劃片、裂片，得到所述的基于濕法雙向刻蝕硅的MEMS甲烷傳感器。
【權(quán)利要求】
1.一種MEMS甲烷傳感器，其特征在于:它包括P型硅襯底(01)，P型硅襯底(Ol)上設(shè)有N型硅(02);以所述P型硅襯底(01)上的N型硅(02)加工制備硅加熱元件(101);所述硅加熱元件(101)包括兩個(gè)固定端(102)、硅加熱器(1011)、兩個(gè)硅懸臂(1012);所述單個(gè)的硅懸臂(1012)長度至少300um ;所述單個(gè)的硅懸臂(1012)的一端與硅加熱器(1011)相連，另一端與一個(gè)固定端(102)相連，為硅加熱器(1011)提供電連接；所述兩個(gè)硅懸臂(1012)平行并排設(shè)置、與硅加熱器(1011)整體構(gòu)成U形懸臂結(jié)構(gòu)，將硅加熱器(1011)懸于空氣中；所述硅加熱元件(101)的硅加熱器(1011)及硅懸臂(1012)外表面設(shè)有鈍化保護(hù)層(22);所述固定端(102 )設(shè)在P型硅襯底(OI)上，包括N型硅(02 )、N型硅(02 )上的氧化硅層(20 )及用作電引出焊盤Pad金屬(21)，所述電引出焊盤Pad金屬(21)設(shè)在N型硅(02)之上的氧化硅層(20)上，且電引出焊盤Pad金屬(21)通過氧化硅層(20)的窗口與其下面的N型硅(02)直接接觸構(gòu)成歐姆接觸，電引出焊盤Pad金屬(21)與其下的N型硅層(02)接觸部分沒有氧化娃層(20)； 在所述硅加熱元件(101)及其固定端(102)周圍設(shè)置有去除掉N型硅的隔離溝槽(103)，所述隔離溝槽(103)使所述硅加熱元件(101)及其固定端(102)的N型硅與P型硅襯底(01)上的其余N型硅之間為高阻狀態(tài)，尤其是設(shè)在P型硅襯底(01)上的硅加熱元件(101)的兩個(gè)固定端(102)之間除了由硅懸臂(1012)和硅加熱器(1011)構(gòu)成的電通路之外無其它電路通路。
2.一種使用權(quán)利要求1所述傳感器的甲烷檢測應(yīng)用，其特征為:使用兩個(gè)所述基于雙向濕法刻蝕硅的MEMS甲烷傳感器，其中一個(gè)與環(huán)境空氣接觸，另一個(gè)進(jìn)行氣密性封裝、封裝內(nèi)的空氣保持與環(huán)境空氣為隔絕密封；所使用的兩個(gè)基于濕法雙向刻蝕硅的MEMS甲烷傳感器構(gòu)成惠斯通電橋檢測橋臂；在基于濕法雙向刻蝕硅的MEMS甲烷傳感器的兩個(gè)固定端(102)上施加電壓或通以電流使硅加熱元件(101)的工作點(diǎn)位于其電流-電阻特性曲線中轉(zhuǎn)折點(diǎn)左側(cè)的工作點(diǎn)區(qū)域、加熱元件(101)的硅加熱器(1011)發(fā)熱，其特征在于電加熱溫度在500攝氏度以上；所述轉(zhuǎn)折點(diǎn)為電阻隨電流或電壓增大而出現(xiàn)的電阻最大點(diǎn)，當(dāng)電流或電壓繼續(xù)增大時(shí)，電阻不再繼續(xù)增大反而減??；當(dāng)有甲烷氣體出現(xiàn)時(shí)，與環(huán)境空氣接觸的的硅加熱器(1011)的溫度降低，使包括有該硅加熱器(1011)的硅加熱元件(101)的電阻發(fā)生顯著變化，通過所述基于濕法雙向刻蝕硅的MEMS甲烷傳感器構(gòu)成的惠斯通電橋?qū)崿F(xiàn)低濃度甲烷氣體的檢測。
3.如權(quán)利要求1所述的基于濕法雙向刻蝕硅的MEMS甲烷傳感器的制備方法，其特征在于:包括兩種制備方法； 制備方法(一)的步驟為: 第一步,在(100 )晶向的P型硅襯底(01)的正面經(jīng)摻雜或擴(kuò)散制備N型硅(02 )，N型硅(02)厚度為3至30um; 第二步，熱氧化生成氧化娃層(20),厚度0.5至Ium ； 第三步，在P型硅襯底(01)的正面制備光刻膠，光刻后形成硅加熱元件(101)、硅加熱元件的固定端周圍設(shè)置的隔離溝槽(103)及正面刻蝕窗口(104)的圖形，并采用反應(yīng)離子刻蝕方法干法刻蝕所露出的氧化硅層(20)及其下面的N型硅(02)，刻蝕深度大于N型硅(02)與第二步生成的氧化硅層(20)厚度之和，去除光刻膠； 第四步，在P型硅襯底(01)的正面光刻第二步生成的氧化硅層(20)，形成金屬接觸 孔； 第五步，在P型硅襯底(Ol)的正面濺射或淀積或蒸發(fā)形成金屬層，金屬層的材料可以是金或鋁，并退火，使金屬層與P型硅襯底(01)上的露出的N型硅(02)形成歐姆接觸；第六步，根據(jù)需要在金屬層上光刻，刻蝕金屬層后形成電引出焊盤Pad金屬(21)、金屬連接線(31)及總金屬連接端(32)，所形成的每個(gè)硅加熱元件(101)的電引出焊盤Pad金屬(21)與金屬連接線(31)均通過金屬層相連通，金屬連接線(31)與總金屬連接端(32)通過金屬層相連通；所述總金屬連接端(32)設(shè)在P型硅襯底的邊緣，當(dāng)在總金屬連接端(32)施加電勢時(shí)，整個(gè)硅圓片上的所有硅加熱元件(101)的N型硅形成良好電連接并具有與總金屬連接端(32)相同的電勢，所述金屬連接線(31)設(shè)在劃片槽(40)內(nèi)； 第七步，在P型硅襯底(01)的正面制備光刻膠，對(duì)P型硅襯底(01)光刻后形成正面刻蝕窗口(104)圖形，采用反應(yīng)離子刻蝕方法干法刻蝕所形成的正面刻蝕窗口(104)圖形所露出的P型硅，刻蝕深度大于20um，形成濕法硅刻蝕的正面刻蝕窗口( 104)，去除光刻膠；第八步，在P型硅襯底(01)的背面進(jìn)行與正面刻蝕窗口( 104)對(duì)準(zhǔn)的光刻，形成背面刻蝕窗口( 105)的圖形；所形成的背面刻蝕窗口( 105)圖形與正面刻蝕窗口( 104)圖形都可小于單獨(dú)進(jìn)行正面濕法刻蝕刻穿硅片所需的正面刻蝕(104)窗口圖形，所形成的背面刻蝕窗口(105)圖形與正面刻蝕窗口(104)圖形的中心重疊，且各邊方向相同，所形成的背面刻蝕窗口(105)圖形小于正面刻蝕窗口(104)圖形，刻蝕窗口大小應(yīng)保證能刻穿硅片形成通孔，通孔尺寸遠(yuǎn)大于硅加熱器(1011)的外形尺寸，且硅加熱元件(101)的硅加熱器(1011)位于正面刻蝕窗口(104)和背面刻蝕窗口(105)的中心位置；采用反應(yīng)離子刻蝕方法干法刻蝕露出的背面刻蝕窗口(105)圖形內(nèi)的氧化娃層及其下面的娃,刻蝕深度10至30um,形成濕法刻蝕所需的背面刻蝕窗口(105)； 第九步，在P型硅襯底(01)的正面與背面分別制備刻蝕保護(hù)層并圖形化，露出第八步制備好的背面濕法刻蝕窗口(105)、第七步所形成的正面濕法刻蝕窗口(104)以及連接所有硅加熱元件(101)固定端(102)金屬的總金屬連接端(32)； 第十步，將上述制備好的硅片置于四甲基氫氧化銨溶液或氫氧化鉀溶液中對(duì)P型硅采用PN結(jié)自停止方法在硅片的正面與背面同時(shí)進(jìn)行硅濕法刻蝕；刻蝕時(shí)通過硅圓片上的總金屬連接端(32 )給P型硅襯底(OI)上的N型硅(02 )施加正電壓，所述正電壓高于PN結(jié)自停止刻蝕的鈍化電勢，以使P型硅襯底(01)與N型硅(02)所形成的PN結(jié)處于反偏狀態(tài)；在PN結(jié)自停止刻蝕的作用下，硅加熱元件(101)的N型硅(02)不被刻蝕；刻蝕完成后不僅釋放出硅加熱元件(101 )，正面與背面的刻蝕窗口內(nèi)還形成通孔，所述硅加熱元件(101)的硅加熱器(1011)的中心投影與通孔中心的投影相重合； 第十一步，去除所述第九步制備的正面與背面刻蝕保護(hù)層后干燥，干燥后采用氫氟酸溶液或氫氟酸氣霧去除第二步生成的硅加熱元件(101)表面的氧化硅； 第十二步，對(duì)硅加熱元件(101)外表面露出的硅進(jìn)行氧化，形成厚度均勻的薄層氧化硅，其厚度為十?dāng)?shù)nm至lOOnm，作為鈍化保護(hù)層(22)； 第十三步，沿劃線槽劃片，尤其切斷部分劃片槽(40)內(nèi)的金屬連接線(31)與電引出焊盤Pad金屬(21)的連接，裂片后得到多個(gè)基于濕法雙向刻蝕硅的MEMS甲烷傳感器； 或制備方法(二)的步驟為: 第一步,在(100)晶向的P型硅襯底(01)的正面經(jīng)摻雜或擴(kuò)散制備N型硅(02)，N型硅(02)厚度為3至30um; 第二步，熱氧化生成氧化娃層(20),厚度0.5至Ium ； 第三步，在P型硅襯底(01)的正面制備光刻膠，光刻后形成硅加熱元件(101)、硅加熱元件的固定端周圍設(shè)置的隔離溝槽(103)及正面刻蝕窗口(104)的圖形，并采用反應(yīng)離子刻蝕方法干法刻蝕所露出的氧化硅層(20)及其下面的N型硅(02)，刻蝕深度大于N型硅(02)與第二步生成的氧化硅層(20)厚度之和，去除光刻膠； 第四步，在P型硅襯底(01)的正面通過濺射、淀積或蒸發(fā)的方法形成金屬層，所述金屬層的材料為鋁，厚度I至2um，金屬層退火，從而形成(21)與N型硅(02)之間的歐姆接觸；在P型硅襯底的背面濺射或淀積或蒸發(fā)形成金屬層，金屬層的材料為鋁； 第五步，圖形化金屬層，露出第三步所形成的正面刻蝕窗口(104)圖形內(nèi)的氧化硅層(20)及其下面的N型硅(02)，采用反應(yīng)離子刻蝕方法干法刻蝕所述露出的硅，刻蝕深度30um，形成正面濕法刻蝕所需的正面刻蝕窗口(104)； 第六步，在P型硅襯底(01)的背面進(jìn)行與正面刻蝕窗口( 104)對(duì)準(zhǔn)的光刻，形成背面刻蝕窗口( 105)的圖形；所形成的背面刻蝕窗口( 105)圖形與正面刻蝕窗口( 104)圖形均小于單獨(dú)進(jìn)行正面濕法刻蝕刻穿硅片所需的正面刻蝕窗口(104)圖形，所形成的背面刻蝕窗口(105)圖形與正面刻蝕窗口(104)圖形的中心重疊，且各邊方向相同，所形成的背面刻蝕窗口(105)圖形小于正面刻蝕窗口(104)圖形，刻蝕窗口大小應(yīng)保證能刻穿硅片形成通孔，通孔外形尺寸遠(yuǎn)大于硅加熱器(1011)的外形尺寸，且硅加熱元件(101)的硅加熱器(1011)位于兩個(gè)刻蝕窗口的中心位置；采用反應(yīng)離子刻蝕方法干法刻蝕露出的背面刻蝕窗口(105)圖形內(nèi)的氧化硅層(20)及其下面的N型硅(02)，刻蝕深度10至30um，形成濕法刻蝕所需的背面刻蝕窗口(105)； 第七步，將上述制備好的硅片置于四甲基氫氧化銨溶液中對(duì)P型硅采用PN結(jié)自停止方法在硅片的正面與背面同時(shí)進(jìn)行硅濕法刻蝕以釋放硅加熱元件；刻蝕時(shí)通過正面的金屬給N型硅(02)施加高于PN結(jié)自停止刻蝕鈍化電勢的正電壓，以使P型硅襯底與N型硅層所形成的PN結(jié)處于反偏狀態(tài)，硅加熱元件(101)的N型硅(02)在PN結(jié)自停止保護(hù)作用下不被腐蝕，刻蝕完成后不僅釋放出娃加熱兀件(101),背面刻蝕窗口(105)與正面刻蝕窗口(104)形成通孔，所述硅加熱元件(101)的硅加熱器(1011)中心的投影與通孔中心的投影相重合； 第八步，在硅加熱元件(101)的固定端(102)上制備光刻膠，烘干光刻膠，去掉除固定端(102)金屬層外的殘余金屬； 第九步，采用氫氟酸溶液或氫氟酸氣霧去除硅加熱元件(101)表面的氧化硅(23);去除掉第八步形成的光刻膠； 第十步，氧化露出的娃，形成厚度均勻的薄層氧化娃，其厚度為十?dāng)?shù)nm至10nm,作為鈍化保護(hù)層(22); 第十一步，劃片、裂片，得到所述的基于濕法雙向刻蝕硅的MEMS甲烷傳感器。
【文檔編號(hào)】G01N27/18GK104316578SQ201410606852
【公開日】2015年1月28日 申請(qǐng)日期:2014年10月31日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月31日
【發(fā)明者】馬洪宇, 丁恩杰, 劉曉文, 趙小虎 申請(qǐng)人:中國礦業(yè)大學(xué)