[发明专利]硅基共平面微型气体传感器芯片及制备微型气体传感器

说明书

技术领域

本发明属于微纳电子器件技术领域，具体涉及一种建立在硅基底上、加热电 极和信号电极共居于同一介质平面上的硅基共平面低功耗微型气体传感器芯片 及用于制备微型气体传感器，该结构传感器可实现在较低温度下工作。

背景技术

微传感器作为微电子机械系统(MEMS)的一个重要功能组件，具有微型化、 功耗低、成本廉、易集成的特点。目前实用化的微气体传感器多采用悬臂梁结构， 该结构在一定程度上阻断了芯片中心部分与衬底周边的热传导，起到了降低传感 器功耗的作用。

悬臂梁传感器采用微加工技术或表面牺牲层技术获得，由于其芯片尺寸小、 功耗低、易于集成而受到青睐。悬臂梁型气体传感器制备过程简述如下：在硅片 上依次淀积多晶硅牺牲层和SiO₂-Si₃N₄-SiO₂介质层；在介质层上制作金属电阻； 淀积钝化层后，开孔去掉牺牲层得到悬空微热板结构，以降低热量的传导，因此， 由悬臂所支撑起的微热板功耗较低且温度分布均匀。但由于悬臂梁结构传感芯片 包含微悬臂、微桥、微热板等结构，小尺寸的微悬臂机械强度也大大降低，力学 性能较差，基于这种结构的微气体传感器存在工艺复杂、可靠性差、成品率低等 缺点。

本发明提出一种简单易行的共平面型微气体传感器结构，将克服上述问题， 它是将微热板和信号电极安置在硅基表面的的同一个介质平面上，克服悬臂梁结 构的力学不稳定性，简化工艺，提高成品率。

发明内容

本发明的目的在于克服悬臂梁型微气体传感器可靠性差的缺点，提供一种由 传统半导体加工工艺制备的硅基共平面型微传感器芯片，在新型传感器设计和微 传感器应用领域具有十分重要的价值和现实意义。

本发明所述的硅基共平面微型气体传感器芯片，由如下步骤制备：

(1)选用<100>晶向Si片，减薄处理至厚度为300～600μm，然后将减薄处 理后的Si片的一个侧面采用混合氧化法氧化处理得到300～450nm厚的SiO₂绝 缘层；

(2)采用半导体平面加工工艺，在SiO₂绝缘层上溅射30～60nm厚的Ti粘 附层；

(3)在Ti粘附层上旋涂光刻胶，通过掩膜、紫外线曝光、显影后制备得到与 需要制备的加热电极和信号电极结构互补的光刻胶图形；

(4)在光刻胶图形上溅射200～300nm厚的Pt电极层；

(5)剥离光刻胶及其上面的Pt电极层；

(6)进行酸法腐蚀，从而得到彼此绝缘的、包含Ti粘附层和Pt电极层、具 有管脚的蛇形加热电极和叉指状信号电极，其中加热电极由管脚101、管脚103 和连接两个管脚的蛇形电阻103组成，叉指状信号电极由管脚11和与其连接的 叉指状电极12、管脚13和与其连接的叉指状电极14组成；两个叉指状信号电 极构成叉指状信号电极对；

(7)划片切割，即制备得到硅基共平面微型气体传感器芯片。

本发明所述的硅基共平面微型气体传感器芯片可用于制备微型气体传感器， 其备过程如下：

(1)利用金丝球焊机将Pt丝焊在各个电极的管脚上；

(2)取敏感材料(In₂O₃、SnO₂、ZrO₂、TiO₂、Fe₂O₃等)加入去离子水研 磨均匀后，涂敷在传感器芯片上，自然风干，敏感材料层厚10～100μm；

(3)将传感器芯片放入马弗炉中高温烧结2～4小时后取出；

(4)将传感器芯片的加热电极的两管脚101、103间加1～10V电压，信号电 极的两个管脚11、13间通入20～100mA电流，老化12～24小时，即可制备得 到微型气体传感器。

本发明的优点是制备步骤简单，制作成本低，可靠性高。利用共平面型微传 感器制成的气体传感器，在工作电压为5V工作电流为53mA时，表面工作温度 可达320℃，温度分布均匀，功耗低，可满足实际应用的需求。