[发明专利]一种基于MEMS的金属氧化物气体传感器及制备工艺

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于MEMS（Micro-Electro-Mechanic System微机电系统）工艺的金属氧化物气体传感器结构及制备方法。 

背景技术

对公共安全与健康而言，高效检测工业有毒气体、可燃易爆气体、化学武器中的成分以及与疾病相关的化学组分，显得十分重要。而研制出具有高敏感性、高选择性、快速的响应速率、短的恢复时间、能够长期稳定工作（即所谓的4S指标，Sensitivity、Selectivity、Speed、Stability）的化学传感器也一直是研究者们追求的目标。 

1952年Brattain与Bardeen首次发现了半导体锗（Ge）的气敏特性，该特性随后也被Seiyama在金属氧化物中发现。此后，基于金属氧化物的半导体气体传感器被研制出来。需要指出的是，金属氧化物只有在一定温度下才能有较好的气敏特性，因此基于此种敏感材料的气体传感器都会集成一个加热元件，该加热元件所耗能量在整个器件的功耗中占绝对比重。出于改善前述的所谓“4S”指标、降低器件功耗的需要，敏感物质形态、加热元件形态以及二者的集成方式都随着技术的发展而不断演进，该类气体传感器技术大致经历了如下3个发展阶段： 

①经典的Taguchi金属氧化物气体传感器样式； 

②基于厚膜工艺（丝网印刷）的金属氧化物气体传感器样式； 

③基于MEMS薄膜工艺的金属氧化物气体传感器样式。 

在敏感材料方面，近年来出现了金属氧化物纳米结构（如纳米线），因其具有超常的敏感特性与响应速度、更高的选择性和稳定性、更低的工作温度与功耗、具备实现无线通信的可能性，而有望成为下一代气体传感器高性能敏感材料。然而，纳米材料体积微小、合成方法特殊，导致其在拾取、转移、规整排布、力学粘连、电学连接以及工艺兼容等方面存在诸多难题。虽然纳米气体传感器的实验样机已经出现，但其需要昂贵的相关设备和复杂的工艺流程，这并不适应低成本的大规模生产。 

在加热元件方面，基于MEMS工艺的薄膜电阻仍然是主流加热源。 

在敏感元件（含敏感材料和敏感电极）与加热元件的集成方面，传统的将二者叠层放置的方式增加了工艺复杂度，随之而来薄膜应力也降低了器件的成品率。 

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服背景技术所述的纳米结构在拾取、转移、规整排布、力学粘连、电学连接以及工艺兼容方面的困难，利用MEMS技术以top-down的加工路径实现纳米结构的精确定位，利用简易廉价的水热法以bottom-up的加工路径实现金属氧化物三维多级纳米结构的原位生长。同时，将敏感元件和加热元件置于同一层，简化传感器的集成工艺。 

为达到上述目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的： 

一种基于MEMS的金属氧化物气体传感器，自下而上分别为掩蔽层、Si基底、绝缘层,其中Si基底背部开有绝热槽，其特征在于，所述绝缘层上设置有一对加热元件及引线盘、一对敏感电极及引线盘、矩形微阵列，所述矩形微阵列位于绝缘层上的中心区域，该矩形微阵列上生长有金属氧化物三维多级纳米结构，该结构通过相互交叉的枝状搭接实现电学连接。 

上述方案中，所述一对加热元件按照中心对称、螺旋方式布置，二者相对的中心位置被空出一矩形区域；在该矩形区域中及加热元件内侧，按照中心对称、螺旋方式布有一对敏感电极，二者相对的中心位置形成内矩形区，其中布置矩形微阵列；所述两个加热元件各含一对独立引线盘，分布于绝缘层上表面靠近四角的位置；每个敏感电极各自有一个引线盘，对称分布于绝缘层上表面靠近一对边的位置。 

所述的加热元件、敏感电极和矩形微阵列均采用Ti-Pt薄膜制成；所述的金属氧化物为TiO₂。所述的掩蔽层、绝缘层均由SiO₂-Si₃N₄复合而成。 

一种前述金属氧化物气体传感器的制备工艺，其特征在于，包括下述步骤： 

（1）在Si基底背面、正面分别采用热氧化、LPCVD沉积工艺制备掩蔽层和绝缘层； 

（2）在正面绝缘层上，通过光刻、磁控溅射工艺加工制得厚度不小于300nm的加热元件及其引线盘、敏感电极及其引线盘； 

（3）通过光刻、磁控溅射工艺在绝缘层上中心区域加工出厚度不小于300nm矩形微阵列；重复光刻工艺，定义出金属氧化物三维多级纳米结构的生长阵列； 

（4）通过光刻、湿法刻蚀工艺去掉Si基底背面的掩蔽层及Si基底本身，形成带有绝热槽的硅片；