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专利号: 2014106070313
申请人: 中国矿业大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 测量;测试
更新日期:2024-01-05
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种全硅MEMS甲烷传感器,其特征在于:其包括硅元件(101)、固定端(102)与硅框架支座(103);所述硅框架支座(103)为SOI基片,包括硅衬底(31)、设在硅衬底(31)上的埋层氧化硅(32)及埋层氧化硅(32)之上的顶层硅(33),顶层硅(33)为单晶硅;

所述固定端(102)设在硅框架支座(103)上的埋层氧化硅(32)上;所述固定端(102)包括硅层(21)、硅层(21)外的氧化硅层(23)及用作电引出焊盘的金属Pad(22);固定端(102)的硅层(21)设在埋层氧化硅(12)之上;所述固定端(102)的硅层(21)内设有掺杂硅层(24);所述电引出焊盘的金属Pad(22)设在硅层(21)之上的氧化硅层(23)上;金属层(22)与固定端(102)的掺杂硅层(24)直接接触并构成欧姆接触,二者接触部分没有氧化硅层(23);

所述硅元件(101)包括硅层(21)、硅层(21)外的氧化硅层(23)及钝化保护层(25),所述硅元件(101)设有硅加热器(1011)、两个对称设置的用于支撑硅加热器(1011)并为硅加热器(1011)提供电连接的硅悬臂(1012),所述硅悬臂(1012)的长度至少300um;所述单个的硅悬臂(1012)的一端与硅加热器(1011)相连,另一端与硅框架支座(103)上的固定端(102)相连,两个硅悬臂(1012)将硅加热器(1011)悬于空气中;两个硅悬臂(1012)较佳为平行并排、与硅加热器(1011)整体构成U形悬臂结构;所述钝化保护层(25)为氧化硅,或氧化铪,或氧化硅/氧化铝复合层,或氧化铪/氧化铝复合层,或氧化铪/氮化硅复合层,或氧化铝/氮化硅复合层,或氧化硅/氮化硅复合层,或氧化硅、氧化铪、氧化铝、氮化硅几种材料组合形成的复合层;其中氧化硅的厚度至少10nm,氧化铪的厚度至少为5um,氧化铝厚度至少6nm,氮化硅厚度至少10nm,整个钝化保护层的厚度不超过1um;

所述硅元件(101)的硅层(21)与固定端(102)的硅层(21)同是SOI基片的顶层硅(33)的一部分,即同是硅框架支座(103)的顶层硅(33)的一部分,是由顶层硅(33)加工成形的,厚度相同;但不与硅框架支座(103)的其它顶层硅(33)相连通;两个固定端(102)的硅层(21)之间只与硅元件的硅层(21)相连通。

2.一种全硅MEMS甲烷传感器甲烷检测应用方法,其特征在于:通过在所述全硅MEMS甲烷传感器的两个固定端(102)上施加电压或电流使硅元件(101)工作于电流-电阻特性曲线中转折点左侧的工作点区域,使硅元件(101)的硅加热器(1011)发热,加热温度在500摄氏度以上;所述转折点为电阻随电流或电压增大而出现的电阻最大点,当电流或电压继续增大时,电阻不再继续增大反而减小;当有甲烷气体出现时,全硅MEMS甲烷传感器的硅加热器(1011)的温度降低,使硅元件的电阻发生变化;使用两个所述的全硅MEMS甲烷传感器的硅元件(101)构成惠斯通电桥检测桥臂检测甲烷浓度,其中一个全硅MEMS甲烷传感器的硅元件(101)与环境空气接触,另一个全硅MEMS甲烷传感器的硅元件(101)为气密性封装、封装内的气体与环境空气隔绝密封,当出现甲烷气体时惠斯通检测电桥的输出电压由于与环境空气接触的硅元件(101)电阻降低而发生变化,惠斯通检测电桥的输出电压随甲烷浓度增大而降低,实现对甲烷气体的检测。

3.如权利要求1所述的全硅MEMS甲烷传感器的制备方法,其特征在于包括三种制备方法;

制备方法(一)的步骤为:

第一步,在SOI基片正面上的顶层硅(33)上制备氧化硅层(23);

第二步,图形化顶层硅(33)之上的氧化硅层(23),形成掺杂或离子注入所需的窗口;

第三步,掺杂或离子注入形成掺杂硅层(24);

第四步,通过淀积、溅射或蒸发在SOI基片正面上形成金属层;

第五步,图形化第四步形成的金属层,形成电引出焊盘的金属Pad(22),退火后形成欧姆接触;

第六步,光刻形成正面刻蚀窗口(104)图形,刻蚀去除掉正面刻蚀窗口(104)图形内的氧化硅层(23),随后采用RIE(Reactive Ion Etching,反应离子刻蚀)方法干法刻蚀继续去除掉顶层硅(33),刻蚀停止于埋层氧化硅(32),刻蚀后在埋层氧化硅层(32)上形成硅元件(101)、固定端(102)的结构图形、并刻蚀去除掉与背面刻蚀窗口对应的窗口内的其余氧化硅层(23)及顶层硅(33),所形成的硅元件(101)及与其连接的两个固定端(102)与埋层氧化硅层(32)上的其余顶层硅不相连,同一个硅元件(101)的两个固定端(102)不与硅框架支座(103)上的其余顶层硅相连,也不通过硅框架支座(103)上的其余顶层硅相连;

第七步,在SOI基片的正面上制备刻蚀保护层,所述刻蚀保护层覆盖整个SOI硅片的正面;

第八步,在SOI基片背面光刻形成背面刻蚀窗口(105)图形后,采用湿法刻蚀或ICP(Inductively Coupled Plasma,感应耦合等离子体刻蚀)或DRIE(Deep Reactive Ion Etching,深反应离子刻蚀)等干法刻蚀方法刻蚀去除掉背面刻蚀窗口所露出的SOI基片的硅衬底(31),刻蚀停止于埋层氧化硅(32);所述背面刻蚀窗口(105)与正面刻蚀窗口(104)在SOI硅基片背面投影的图形中心相重合,背面刻蚀窗口(105)大于正面刻蚀窗口(104);

第九步,采用氢氟酸溶液或氢氟酸气雾湿法刻蚀从SOI基片背面露出的埋层氧化硅层(32),释放出硅元件(101);

第十步,去除第七步所制备的刻蚀保护层,干燥;

第十一步,对暴露出的硅进行氧化,形成薄层氧化硅层;

第十二步,采用保护层覆盖SOI基片的正面,所述保护层覆盖除硅元件(101)之外的SOI基片正面部分;

第十三步,采用ALD(原子层沉积)方法制备氧化铪薄膜,或制备氧化铝薄膜,或制备氧化铪/氧化铝复合薄膜,或制备氧化硅/氧化铪/氧化铝复合薄膜,通过第十一步与本步骤或通过第十一步与本步骤中的其中一个步骤形成钝化保护层(25);制备的钝化保护层(25)覆盖硅元件(101)外表面;

第十四步,去除第十二步使用的保护层,干燥;

第十五步,沿划线槽(106)对SOI基片进行划片,裂片后得到本发明所述的大量的甲烷传感器;

或制备方法(二)的步骤为:

第一步,在SOI基片正面上的顶层硅(33)上制备氧化硅层(23);

第二步,图形化顶层硅(33)之上的氧化硅层(23),形成掺杂或离子注入所需的窗口;

第三步,掺杂或离子注入形成掺杂硅层(24);

第四步,光刻形成正面刻蚀窗口(104)图形,刻蚀去除掉正面刻蚀窗口(104)图形内的氧化硅层(23),随后采用RIE(Reactive Ion Etching,反应离子刻蚀)方法干法刻蚀继续去除掉顶层硅(33),刻蚀停止于埋层氧化硅(32),刻蚀后在埋层氧化硅层(32)上形成硅元件(101)、固定端(102)的结构图形、并刻蚀去除掉与背面刻蚀窗口对应的窗口内的其余氧化硅层(23)及顶层硅(33),所形成的硅元件(101)及与其连接的两个固定端(102)与埋层氧化硅层(32)上的其余顶层硅不相连,同一个硅元件(101)的两个固定端(102)不与硅框架支座(103)上的其余顶层硅相连,也不通过硅框架支座(103)上的其余顶层硅相连;

第五步,在SOI基片的正面(顶层硅的上面)制备刻蚀保护层,所述刻蚀保护层覆盖整个SOI硅片的正面;

第六步,在SOI基片背面光刻形成背面刻蚀窗口(105)图形后,采用湿法刻蚀或ICP(Inductively Coupled Plasma,感应耦合等离子体刻蚀)或DRIE(Deep Reactive Ion Etching,深反应离子刻蚀)等干法刻蚀方法刻蚀去除掉背面刻蚀窗口所露出的SOI基片的硅衬底(31),刻蚀停止于埋层氧化硅(32);

第七步,采用氢氟酸溶液或氢氟酸气雾湿法刻蚀从硅衬底(31)露出的埋层氧化硅层(32),释放出悬空的硅元件(101);

第八步,去除第五步所形成的刻蚀保护层;

第九步,对暴露出的硅进行氧化,形成薄层氧化硅层;

第十步,采用保护层覆盖SOI基片的正面,所述保护层覆盖除悬空的硅元件(101)之外的SOI基片正面部分第十一步,采用ALD(原子层沉积)方法在硅元件(101)的外表面制备氧化铝或氧化铪薄膜;

第十二步,采用PECVD( Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition,等离子体增强化学气相沉积法)在400~450℃时在悬空的硅元件(101)的外表面制备氮化硅;通过第九步、第十一步与本步骤或上述三个步骤的组合制备成氧化硅/氮化硅复合薄膜,或氧化硅/氧化铝/氮化硅复合薄膜,或氧化铪/氮化硅复合薄膜,或氧化硅/氧化铪/氧化铝/氮化硅符合薄膜,形成钝化保护层(25);制备的钝化保护层(25)覆盖硅元件(101)外表面;

第十三步,去除第十步使用的保护层,干燥;

第十四步,在SOI基片正面制备光刻胶,光刻后形成电引出焊盘的金属Pad(22)的图形;

第十五步,通过溅射或沉积制备金属层;

第十六步,去除所述第十四步制备的光刻胶,仅在固定端(102)上形成电引出焊盘的金属Pad(22),干燥,退火后形成欧姆接触;

第十七步,沿划线槽(106)对SOI基片进行划片,裂片后得到本发明所述的大量的甲烷传感器;

或制备方法(三)的步骤为:

第一步至第十三步同制备方法(二)的第一步至第十三步,

第十四步,制备掩蔽版,所述掩蔽版的图形与SOI基片上的电引出焊盘的金属Pad(22)的图形相同;

第十五步,制备电引出焊盘的金属Pad(22),将第十四步所述掩蔽版置于SOI基片正面之上并对准后溅射金属,仅在固定端(102)之上形成电引出焊盘的金属Pad(22),退火后形成欧姆接触;

第十六步,沿划线槽(106)对SOI基片进行划片,裂片后得到本发明所述的数量众多的甲烷传感器。