一种MEMS气体传感器及其制作方法

本发明涉及半导体，特别涉及一种mems气体传感器及其制作方法。

背景技术：

1、目前，微机电系统(mems)气体传感器在人工智能、物联网、空气质量监测、化工生产和安全家居等领域发挥着重要作用，因为它们具有高灵敏度、低功耗、小体积和易于集成等多重优势。通常，mems气体传感器由两部分组成，即mems微型加热器和气体敏感薄膜。其中，mems微型加热器的作用至关重要，它用于提供稳定且恒定的工作温度，以确保气敏膜可以准确地检测被测气体浓度的变化。传统的mems微加热器结构自下而上包括硅衬底、下绝缘层、加热电极、上绝缘层和测试电极。硅衬底通过各向异性蚀刻形成空气绝热槽，下绝缘层和上绝缘层通过干法蚀刻和各向异性蚀刻形成加热平台和悬臂梁。然而，由于传统mems微加热器将加热电极和测试电极分别制作于不同层的位置，制备工艺步骤较多，最终影响整个气体传感器的加工成本。此外，任何使用微加热器组件构建mems器件(如气体传感器)的功耗始终会受到微加热器的功耗影响，因此低功耗微加热器的设计成为关注焦点。

技术实现思路

1、本发明旨在至少在一定程度上解决现有技术中的上述技术问题之一。为此，本发明实施例提供一种mems气体传感器，进行了设计优化，可在不增加制造工艺步骤和加工成本、不牺牲有效接触面积尺寸的情况下，有效减少mems气体传感器中的热损失，进而降低mems气体传感器的功耗。

2、本发明实施例还提供一种mems气体传感器及其制作方法。

3、根据本发明第一方面的实施例，提供一种mems气体传感器，包括衬底，所述衬底的两侧成型有支撑膜，其中一层所述支撑膜远离所述衬底的一侧成型有绝缘层，所述支撑膜与所述绝缘层之间设置有加热器和测量电极，所述绝缘层对应所述测量电极和所述加热器的位置设置有气敏材料层，所述气敏材料层贴合所述测量电极，其中，所述衬底贴合设置有所述绝缘层的所述支撑膜的一侧设有凹槽，所述支撑膜和所述绝缘层的相同位置均设置有第一孔结构和第二孔结构，所述第二孔结构位于所述气敏材料层下方，所述第一孔结构和所述第二孔结构均连通所述凹槽。

4、上述mems气体传感器，至少具有如下有益效果：现有技术中，气体传感器的功耗与其热损失机制相关，包括通过悬臂梁和膜的热传导产生的热损失、散失到环境中的热损失(对流)以及由辐射引起的热损失。其中，在所有的热损失机制中，通过膜传导的热损失是气体传感器中热损失的主要方式。本申请的气体传感器进行了设计优化，可在不增加制造工艺步骤和加工成本、不牺牲有效接触面积尺寸的情况下，有效减少mems气体传感器中的热损失，进而降低mems气体传感器的功耗，具体的，通过增设第二孔结构来减少薄膜的表面积，降低热损失，通过穿孔结构来减少了支撑膜内的热传导量，从而减少了气体传感器的功耗，另外，去除了隔离层(例如现有技术中的上绝缘层)即可实现加热器与测量电极之间的电绝缘。

5、根据本发明第一方面实施例所述的mems气体传感器，所述测量电极位于所述支撑膜的中部，所述加热器围设于所述测量电极的周边，其中，所述测量电极与所述加热器之间具有间隙。

6、根据本发明第一方面实施例所述的mems气体传感器，所述加热器与所述测量电极处于同一平面，所述绝缘层将所述支撑膜上除所述测量电极以及所述加热器与所述测量电极的焊盘之外的位置覆盖填满，以使所述加热器与所述气敏材料层之间电绝缘。

7、根据本发明第一方面实施例所述的mems气体传感器，所述第一孔结构设置有4个，4个所述第一孔结构围设于所述加热器周边。

8、根据本发明第一方面实施例所述的mems气体传感器，所述支撑膜上处于所述测量电极的各电极之间的部分镂空以形成所述第二孔结构。

9、根据本发明第一方面实施例所述的mems气体传感器，所述支撑膜的厚度为1μm，所述支撑膜的材质为sinx。

10、根据本发明第一方面实施例所述的mems气体传感器，所述测量电极和所述加热器包括ta电极和pt电极，所述ta电极的厚度为20nm，所述pt电极的厚度为200nm。

11、根据本发明第一方面实施例所述的mems气体传感器，所述测量电极与所述加热器均位于所述凹槽上方。

12、根据本发明第二方面的实施例，提供一种上述mems气体传感器的制作方法，包括如下步骤：

13、s1、利用气态的sih2cl2和nh3在衬底的两侧面进行低压化学气相沉积，以形成支撑膜；

14、s2、通过电子束蒸镀和剥离工艺在其中一层所述支撑膜的表面生成测量电极与加热器；

15、s3、通过等离子体增强化学气相沉积在具有所述测量电极与所述加热器的所述支撑膜生成绝缘层，其中，所述绝缘层包覆住所述测量电极与所述加热器；

16、s4、通过正性光刻胶对所述绝缘层进行曝光光刻和选择性电感耦合等离子体蚀刻，以形成用于裸露所述测量电极和所述测量电极的各电极之间的所述衬底的第一窗口、在所述加热器周围生成用于各向异性蚀刻的第二窗口以及用于裸露所述测量电极和所述加热器的焊盘的第三窗口；

17、s5、通过各向异性蚀刻在所述衬底的上表面对应所述第一窗口和所述第二窗口的位置分别生成第一穿孔和第二穿孔，所述第一穿孔与所述第一窗口形成第二孔结构，所述第二穿孔和所述第二窗口形成第一孔结构；

18、s6、在所述第一窗口处利用磁控溅射沉积一层金属氧化物以形成气敏材料层，所述气敏材料层不覆盖所述测量电极的各电极之间的所述第一穿孔；

19、s7、透过所述第一孔结构和所述第二孔结构，采用各向异性蚀刻使所述衬底形成凹槽。

20、上述mems气体传感器的制作方法，至少具有如下有益效果：上述的制作方法能够在不增加制造工艺步骤和加工成本、不牺牲有效接触面积尺寸的情况下制造出节能的mems气体传感器，新的优化设计能够有效减少mems气体传感器中的热损失，进而降低mems气体传感器的功耗。

21、根据本发明第二方面实施例所述的mems气体传感器的制作方法，所述各向异性蚀刻采用的蚀刻材料为40wt.％的氢氧化钾，蚀刻时的温度控制在65℃。

技术特征：

1.一种mems气体传感器，其特征在于：包括衬底(100)，所述衬底(100)的两侧成型有支撑膜(200)，其中一层所述支撑膜(200)远离所述衬底(100)的一侧成型有绝缘层(500)，所述支撑膜200与所述绝缘层(500)之间设置有加热器(400)和测量电极(300)，所述绝缘层(500)对应所述测量电极(300)和所述加热器(400)的位置设置有气敏材料层(600)，所述气敏材料层(600)贴合所述测量电极(300)，其中，所述衬底(100)贴合设置有所述绝缘层(500)的所述支撑膜(200)的一侧设有凹槽(110)，所述支撑膜(200)和所述绝缘层(500)的相同位置均设置有第一孔结构(210)和第二孔结构(220)，所述第二孔结构(220)位于所述气敏材料层(600)下方，所述第一孔结构(210)和所述第二孔结构(220)均连通所述凹槽(110)。

2.根据权利要求1所述的mems气体传感器，其特征在于：所述测量电极(300)位于所述支撑膜(200)的中部，所述加热器(400)围设于所述测量电极(300)的周边，其中，所述测量电极(300)与所述加热器(400)之间具有间隙。

3.根据权利要求2所述的mems气体传感器，其特征在于：所述加热器(400)与所述测量电极(300)处于同一平面，所述绝缘层(500)将所述支撑膜(200)上除所述测量电极(300)以及所述加热器(400)与所述测量电极(300)的焊盘(700)之外的位置覆盖填满，以使所述加热器(400)与所述气敏材料层(600)之间电绝缘。

4.根据权利要求1所述的mems气体传感器，其特征在于：所述第一孔结构(210)设置有4个，4个所述第一孔结构(210)围设于所述加热器(400)周边。

5.根据权利要求1所述的mems气体传感器，其特征在于：所述支撑膜(200)上处于所述测量电极(300)的各电极之间的部分镂空以形成所述第二孔结构(220)。

6.根据权利要求1所述的mems气体传感器，其特征在于：所述支撑膜(200)的厚度为1μm，所述支撑膜(200)的材质为sinx。

7.根据权利要求1所述的mems气体传感器，其特征在于：所述测量电极(300)和所述加热器(400)包括ta电极和pt电极，所述ta电极的厚度为20nm，所述pt电极的厚度为200nm。

8.根据权利要求1所述的mems气体传感器，其特征在于：所述测量电极(300)与所述加热器(400)均位于所述凹槽(110)上方。

9.一种mems气体传感器的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：

10.根据权利要求9所述的mems气体传感器的制作方法，其特征在于：所述各向异性蚀刻采用的蚀刻材料为40wt.％的氢氧化钾，蚀刻时的温度控制在65℃。

技术总结
本发明公开了一种MEMS气体传感器及其制作方法，包括衬底，衬底的两侧成型有支撑膜，其中一层支撑膜远离衬底的一侧成型有绝缘层，支撑膜与绝缘层之间设置有加热器和测量电极，绝缘层对应测量电极和加热器的位置设置有气敏材料层，气敏材料层贴合测量电极，其中，衬底贴合设置有绝缘层的支撑膜的一侧设有凹槽，支撑膜和绝缘层的相同位置均设置有第一孔结构和第二孔结构，第二孔结构位于气敏材料层下方，第一孔结构和第二孔结构均连通凹槽。本发明实施例提供的MEMS气体传感器，进行了设计优化，可在不增加制造工艺步骤和加工成本、不牺牲有效接触面积尺寸的情况下，有效减少MEMS气体传感器中的热损失，进而降低MEMS气体传感器的功耗。

技术研发人员：李明杰,罗文昕
受?；さ募际跏褂谜撸?/b>广东工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/24