[发明专利]一种基于MEMS的电化学气体传感器及其制备方法

权利要求书

1.一种基于MEMS的电化学气体传感器，其特征在于，所述的电化学气体传感器的主体结构主要由玻璃片和硅片通过阳极键合为一体，硅片位于玻璃片的下方；硅片上表面上设有凹槽，玻璃片的下表面作为凹槽的顶面，共同形成电解质槽；电解质槽的底面设有参比电极和对电极，玻璃片的下表面上设有工作电极阵列，参比电极、对电极和工作电极均位于电解质槽内；玻璃片上设有进电解液口、出电解液口和进气口阵列；

其中，进电解液口、出电解液口和进气口阵列的位置、数量、尺寸可以根据需要调节，进电解液口和出电解液口只要能保证电解液进出电解质槽即可，进气口阵列能够保证气体、电解液和工作电极充分接触即可；进气口的直径大于工作电极的宽度，便于工作电极、电解质溶液和目标气体发生反应产生电信号以供监测；工作电极、参比电极和对电极采用的材料可根据目标气体种类和目标性能进行调整。

2.权利要求1所述的一种基于MEMS的电化学气体传感器的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：

(1)对电极和参比电极的制备

(1.1)将硅片放在H₂SO₄池中，加入H₂O₂清洗20-30min，然后用清水冲洗干净并甩干水分备用；

(1.2)将LC100A光刻胶旋涂在清洗干净的硅片上并前烘，即放在100-120℃热板上加热60-120s，再将硅片转移到光刻机上，装载具有电解质槽图案的掩膜版，微调后曝光7-15s，显影，直至光刻胶上的可溶解区域被显影液溶解，最后放在120-140℃烘箱中烘20-40min完成后烘，在硅片上形成目标图案；

(1.3)利用深反应离子刻蚀的方法在经过步骤(1.2)获得的硅片上，沿目标图案向下刻蚀出凹槽，作为电解质槽，用于储存电解质溶液，刻蚀功率为10-200W，压强10-100mtorr，刻蚀时间根据刻蚀深度调节；

(1.4)再次将硅片放在H₂SO₄池中，加入H₂O₂清洗20-30min，作用是彻底去掉残留的光刻胶，然后用清水冲洗干净并甩干水分备用；

(1.5)利用步骤(1.2)的方法再次光刻，区别在于使用的掩膜版图案和喷胶厚度不同，且没有后烘以方便剥离，使用的掩膜版图案为参比电极图案；

(1.6)溅射参比电极材料；

(1.7)利用lift-off工艺去除光刻胶和光刻胶上面的金属，即将硅片放入丙酮中浸泡，必要时使用超声震荡的方法便于尽快把光刻胶和其上面的金属剥离干净；

(1.8)利用步骤(1.2)的方法再次光刻，区别在于使用的掩膜版图案与步骤(1.2)和步骤(1.5)均不同，喷胶厚度与步骤(1.5)相同，且不需要后烘，使用的掩膜版图案为对电极图案；

(1.9)溅射对电极材料；

(1.10)利用lift-off工艺去除光刻胶以达到去除多余电极材料的目的，最终形成对电极，方法同步骤(1.7)；

(2)工作电极的制备

(2.1)根据测试气体种类，在Pyrex7740玻璃上溅射一层金属电极材料作为工作电极，根据目标金属电极的厚度来调节压强和功率；

(2.2)将LC100A光刻胶以1000-1200r/min的转速旋涂在清洗干净的玻璃片上，旋涂时间为20-30s，将硅片放置在100-120℃热板上加热60-120s完成前烘，再将玻璃片转移到光刻机上，装载具有工作电极图案的掩膜版，微调后曝光7-15s、显影，直至光刻胶上的可溶解区域被显影液溶解，最后放在120-140℃烘箱中烘20-40min完成后烘，在硅片上形成目标图案；

(2.3)利用深反应离子刻蚀的方法在经过步骤(2.2)获得的玻璃片上，沿目标图案向下刻蚀，刻蚀功率为10-200W，压强10-100mtorr，得到工作电极阵列；

(2.4)采用干法刻蚀的方法去除残余的光刻胶；刻蚀速率＝△T/t，单位：△T＝去掉的材料厚度，单位：或μm；t＝刻蚀所用的时间，单位：分；

(2.5)按照步骤(2.2)的方法在金属薄膜表面涂光刻胶并对准光刻，得到目标图案，区别在于使用的掩膜版图案与步骤(2.2)不同，所使用的掩膜版图案为进电解液口、出电解液口和进气口阵列图案；

(2.6)按照步骤(2.3)的方法利用DRIE的方法在玻璃片上刻蚀，刻蚀功率为10-200W，压强10-100mtorr，刻蚀时间根据刻蚀深度决定，最终在目标区域刻穿玻璃片，形成进电解液口、出电解液口和进气口阵列；

(3)硅片和玻璃片阳极键合

(3.1)在阳极键合前，需要对键合面做表面预处理，方法是将玻璃和硅片分别置于去离子水中超声清洗10-20min，保证键合面的光洁平整度，尽可能减小表面污染物对键合的影响，同时能够使键合界面间形成最大的静电吸引力；

(3.2)对键合面做活化处理提高表面张力，获得较高的表面能，从而可以得到更好的键合效果和质量；采用湿化学法表面活化和干法表面活化；

(3.3)在300-400℃和300-1500V的条件下键合，最终实现硅—玻璃的键合。