一种mems工艺的穿透式多通道气体传感器
阅读说明：本技术 一种mems工艺的穿透式多通道气体传感器 (Penetration type multi-channel gas sensor of MEMS (micro-electromechanical systems) process ) 是由 李兴华 余隽 王媛媛 刘旭 霍智慧 于 2020-12-30 设计创作，主要内容包括：一种MEMS工艺的穿透式多通道气体传感器,解决了现在由于气流只能从气体传感器阵列芯片的封装外壳的上表面经过,气体分子到达气体传感器的气敏材料表面主要通过气体扩散传质,导致气体传感器对低浓度气体的响应时间和恢复时间长的问题,其包括Si衬底、下表面腐蚀窗、通孔和气敏薄膜,所述Si衬底以及通孔的上表面均设置有第一层Si-3O-4薄膜,第一层Si-3O-4薄膜的表面均设置有Pt薄膜加热丝,第一层Si-3O-4薄膜和Pt薄膜加热丝的表面均设置有第二层Si-3O-4薄膜,Au薄膜气敏电极的表面设置有气敏薄膜,由第一层Si-3O-4薄膜、Pt薄膜加热丝、第二层Si-3O-4薄膜、Au薄膜气敏电极以及气敏薄膜构成的多层复合薄膜被上表面腐蚀窗穿过从而具有桥式结构。(A penetration type multi-channel gas sensor of an MEMS (micro-electromechanical system) process solves the problem that the response time and the recovery time of a gas sensor to low-concentration gas are long due to the fact that gas flow can only pass through the upper surface of a packaging shell of a gas sensor array chip and gas molecules reach the surface of a gas sensitive material of the gas sensor and mainly transfer mass through gas diffusion, and comprises a Si substrate, a lower surface corrosion window, a through hole and a gas sensitive film, wherein the upper surfaces of the Si substrate and the through hole are respectively provided with a first layer of Si 3 O 4 Film, first layer Si 3 O 4 The surface of the film is provided with Pt film heating wires and a first layer of Si 3 O 4 The surfaces of the film and the Pt film heating wire are provided with second layers of Si 3 O 4 The surface of Au film gas-sensitive electrode is equipped with gas-sensitive film, which is composed of first layer of Si 3 O 4 Film, Pt film heater wire, second layer Si 3 O 4 Film(s)The multilayer composite film formed by the Au film gas-sensitive electrode and the gas-sensitive film is penetrated by the upper surface corrosion window so as to have a bridge structure.)
技术领域
本发明涉及气体传感器，具体为一种MEMS工艺的穿透式多通道气体传感器。
背景技术
微热板式气体传感器是一种制作在硅衬底上的悬空薄膜结构，该悬空薄膜由上下两层介电层、中间的加热丝、上方的气敏电极和气敏薄膜组成。微热板式气体传感器的悬空薄膜结构目前主要分为表面牺牲层腐蚀的桥式结构、正面体硅腐蚀的桥式结构以及背面体硅腐蚀的膜片式结构这三种典型结构，并且气流无法穿过这三种结构的气体传感器硅衬底。在同一芯片上，利用硅基微加工技术在微热板(MHP)上制造的由多个微热板式气体传感器，并将其封装在上表面有透气孔的封装外壳内，制成气体传感器阵列芯片，具有尺寸小、低功耗、低成本和易集成等优点。这种气体传感器阵列芯片在使用时，当气体传感器阵列芯片的封装外壳周围气流中气体组分或浓度发生变化时，比如气流中的A气体的浓度与气体传感器的气敏薄膜表面的A气体的浓度不同，则气体传感器的气敏薄膜表面的A气体分子与气流中的A气体分子因为浓度差而发生扩散，发生质量传递，气体传感器的气敏薄膜表面吸附A气体分子数量变化，从而气敏信号发生变化。现在由于气流只能从气体传感器阵列芯片的封装外壳的上表面经过，因此气体传感器阵列芯片的响应和恢复时间会受到影响。根据分子扩散的基本定律，气体分子的扩散通量值正比于气体浓度差，因此，当气流中的A气体的浓度与气体传感器的气敏薄膜表面的A气体的浓度的差别越小，则气体扩散通量越小，导致气体传感器的对低浓度气体的响应时间和恢复时间越长。
发明内容
针对上述情况，为克服现有技术的缺陷，本发明提供一种MEMS工艺的穿透式多通道气体传感器，有效的解决了现在由于气流只能从气体传感器阵列芯片的封装外壳的上表面经过，气体分子到达气体传感器的气敏材料表面主要通过气体扩散传质，导致气体传感器对低浓度气体的响应时间和恢复时间长的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：本发明包括Si衬底、第一层Si3N4薄膜、Pt薄膜加热丝、第二层Si3N4薄膜、Au薄膜气敏电极、上表面腐蚀窗、下表面腐蚀窗、通孔和气敏薄膜，所述Si衬底以及通孔的上表面均设置有第一层Si3O4薄膜，第一层Si3O4薄膜的表面均设置有Pt薄膜加热丝，第一层Si3O4薄膜和Pt薄膜加热丝的表面均设置有第二层Si3O4薄膜，第二层Si3O4薄膜的表面设置有Au薄膜气敏电极，Au薄膜气敏电极的表面设置有气敏薄膜，由第一层Si3N4薄膜、Pt薄膜加热丝、第二层Si3O4薄膜、Au薄膜气敏电极以及气敏薄膜构成的多层复合薄膜被上表面腐蚀窗穿过从而具有桥式结构，所述Si衬底的下表面设置的第一层Si3O4薄膜和第二层Si3O4薄膜被下表面腐蚀窗穿过从而具有孔洞结构，上表面腐蚀窗、下表面腐蚀窗与通孔连接形成穿透式通道，在Si衬底同时制造多个上述结构从而构成穿透式多通道气体传感器。
一种MEMS工艺的穿透式多通道气体传感器的MEMS工艺，包括如下步骤：
1)选材：选取厚度为500微米、直径100毫米、(100)晶向的单面抛光硅片，备用；
2)制作第一层Si3O4薄膜2：在(1)中的硅片的硅衬底1的上下表面沉积Si3O4薄膜，采用LPCVD或者PECVD等化学气相沉积方式完成该工艺，得到厚度为300纳米的低应力Si3N4薄膜；
3)制作Pt薄膜加热丝3：在完成第(2)步的硅片的上表面制作Pt加热丝，先涂覆光刻胶并进行光刻，使硅片只露出需要溅射加热丝的位置，而其他部分被光刻胶保护好；溅射铬金属过渡层和Pt薄膜，厚度100纳米；将硅片浸泡在光刻胶腐蚀液里，采用剥离的方式完成Pt薄膜的图形化加工，再用酒精和去离子水清洗硅片；
4)制作第二层Si3N4薄膜4：在完成第(3)步的硅片上下表面沉积Si3O4薄膜，采用LPCVD或者PECVD等化学气相沉积方式完成该工艺，Si3O4薄膜厚度300纳米；完成示意图如图7所示；
5)制作Au薄膜气敏电极5：在完成第(4)步的硅片的上表面制作Au薄膜气敏电极，先涂覆光刻胶并进行光刻，使硅片只露出需要淀积气敏电极的位置，而其他部分被光刻胶保护好；溅射铬金属过渡层和Au薄膜，厚度100纳米；将硅片浸泡在光刻胶腐蚀液里，采用剥离的方式完成Au薄膜的图形化加工，再用酒精和去离子水清洗硅片；
6)制作上表面腐蚀窗6和下表面腐蚀窗7：分别对完成第(5)步的硅片的上表面进行光刻，定义上表面腐蚀窗6，采用干法刻蚀工艺腐蚀Si3O4薄膜，直至露出硅衬底以及金属加热丝的焊盘；再对该硅片的下表面进行光刻，定义下表面腐蚀窗7，采用干法刻蚀工艺腐蚀Si3O4薄膜，直至露出硅衬底1；
7)腐蚀硅衬底形成通孔8：将完成第(6)步的硅片浸泡在20％浓度TMAH即为(CH3)4NOH的溶液，选取85摄氏度水浴，腐蚀时间4-6小时，使硅衬底穿透形成通孔8，并且通孔8上面的由第一层Si3O4薄膜2、Pt薄膜加热丝3、第二层Si3O4薄膜4以及Au薄膜气敏电极5构成的多层复合薄膜完全悬空；
8)制作气敏薄膜9：在完成第(7)步的硅片的悬空的多层复合薄膜上方采用气敏墨水打印的方式完成气敏薄膜加工，完成多通道穿透式气体传感器的加工；
9)切片与封装：采用激光切割工艺，将完成第(8)步的硅片切割成多通道穿透式气体传感器芯片10；在芯片底面非通孔处涂抹银浆，将其通孔对准封装外壳的通孔粘贴到底座13上，利用马弗炉从室温25℃开始，经过30分钟的时间使其升温至150℃，在150℃的条件下保持一个小时之后自然冷却，完成银浆的退火固化；采用金丝球压焊机用金丝实现芯片的焊盘与封装底座的焊盘的连接；将封装外壳的盖子12粘接固定在底座13上方。
当然，上述Si3N4薄膜，厚度可以是100nm～500纳米，并且材料也可以是SiO2薄膜；所述Pt薄膜加热丝，厚度可以是100nm～500纳米，也可以采用其它耐高温金属，比如W；所述Au薄膜气敏电极，厚度可以是100nm～500纳米，也可以采用其它气敏电极材料，比如Pt；薄膜加热丝和薄膜气敏电极的图形化工艺也可以采用刻蚀工艺；所述Si衬底，厚度可以是200微米～600微米。
有益效果：本发明制备的穿透式多通道气体传感器，采用正面和背面腐蚀结合形成穿透式气体通道，使得气流可以垂直穿过本发明的穿透式多通道气体传感器，气体分子流动通量正比于气体浓度和气流速度的乘积，因此比以往的主要依赖于气体扩散传质的气体传感器，有更大的气体分子流动通量，在低浓度气体检测时，有利于得到更快的气体响应速度和恢复速度；采用穿透式多通道气体传感器配合相应的具有气流穿透效果的封装结构，可以达到提升传感器的气体响应速度和恢复速度的目的，能够使传感器芯片跟通入的测试气体形成的气流快速有效的接触，提升响应效果，同时具备成本低、尺寸小及功耗低等特点。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明的穿透式多通道气体传感器的剖面结构示意图；
图2是本发明的穿透式多通道气体传感器的上表面的平面示意图；
图3是本发明的穿透式多通道气体传感器的下表面的平面示意图；
图4是本发明的穿透式多通道气体传感器在穿透式封装外壳中的剖面结构示意图；
图5-11是本发明对应实施例的步骤(2)-(8)的实现效果的剖面结构示意图；
图中标号：1、Si衬底；2、第一层Si3O4薄膜；3、Pt薄膜加热丝；4、第二层Si3O4薄膜；5、Au薄膜气敏电极；6、上表面腐蚀窗；7、下表面腐蚀窗；8、通孔；9、气敏薄膜；10、多通道穿透式气体传感器芯片；11、封装外壳的焊盘；12、盖子；13、底座；14、底座上的通孔。
具体实施方式
下面结合附图1-11对本发明的具体实施方式做进一步详细说明。
实施例，由图1-11给出，本发明提供一种MEMS工艺的穿透式多通道气体传感器，包括Si衬底1、第一层Si3N4薄膜2、Pt薄膜加热丝3、第二层Si3O4薄膜4、Au薄膜气敏电极5、上表面腐蚀窗6、下表面腐蚀窗7、通孔8和气敏薄膜9，所述Si衬底1以及通孔8的上表面均设置有第一层Si3O4薄膜2，第一层Si3O4薄膜2的表面均设置有Pt薄膜加热丝3，第一层Si3O4薄膜2和Pt薄膜加热丝3的表面均设置有第二层Si3N4薄膜4，第二层Si3O4薄膜4的表面设置有Au薄膜气敏电极5，Au薄膜气敏电极5的表面设置有气敏薄膜9，由第一层Si3O4薄膜2、Pt薄膜加热丝3、第二层Si3N4薄膜4、Au薄膜气敏电极5以及气敏薄膜9构成的多层复合薄膜被上表面腐蚀窗6穿过从而具有桥式结构，所述Si衬底1的下表面设置的第一层Si3O4薄膜2和第二层Si3O4薄膜4被下表面腐蚀窗7穿过从而具有孔洞结构，上表面腐蚀窗6、下表面腐蚀窗7与通孔8连接形成穿透式通道，在Si衬底1同时制造多个上述结构从而构成穿透式多通道气体传感器。
一种MEMS工艺的穿透式多通道气体传感器的MEMS工艺，包括如下步骤：
1)选材：选取厚度为500微米、直径100毫米、(100)晶向的单面抛光硅片，备用；
2)制作第一层Si3N4薄膜2：在(1)中的硅片的硅衬底1的上下表面沉积Si3N4薄膜，采用LPCVD或者PECVD等化学气相沉积方式完成该工艺，得到厚度为300纳米的低应力Si3O4薄膜；
3)制作Pt薄膜加热丝3：在完成第(2)步的硅片的上表面制作Pt加热丝，先涂覆光刻胶并进行光刻，使硅片只露出需要溅射加热丝的位置，而其他部分被光刻胶保护好；溅射铬金属过渡层和Pt薄膜，厚度100纳米；将硅片浸泡在光刻胶腐蚀液里，采用剥离的方式完成Pt薄膜的图形化加工，再用酒精和去离子水清洗硅片；
4)制作第二层Si3N4薄膜4：在完成第(3)步的硅片上下表面沉积Si3O4薄膜，采用LPCVD或者PECVD等化学气相沉积方式完成该工艺，Si3O4薄膜厚度300纳米；完成示意图如图7所示；
5)制作Au薄膜气敏电极5：在完成第(4)步的硅片的上表面制作Au薄膜气敏电极，先涂覆光刻胶并进行光刻，使硅片只露出需要淀积气敏电极的位置，而其他部分被光刻胶保护好；溅射铬金属过渡层和Au薄膜膜，厚度100纳米；将硅片浸泡在光刻胶腐蚀液里，采用剥离的方式完成Au薄膜的图形化加工，再用酒精和去离子水清洗硅片；
6)制作上表面腐蚀窗6和下表面腐蚀窗7：分别对完成第(5)步的硅片的上表面进行光刻，定义上表面腐蚀窗6，采用干法刻蚀工艺腐蚀Si3O4薄膜，直至露出硅衬底以及金属加热丝的焊盘；再对该硅片的下表面进行光刻，定义下表面腐蚀窗7，采用干法刻蚀工艺腐蚀Si3O4薄膜，直至露出硅衬底1；
7)腐蚀硅衬底形成通孔8：将完成第(6)步的硅片浸泡在20％浓度TMAH即为(CH3)4NOH的溶液，选取85摄氏度水浴，腐蚀时间4-6小时，使硅衬底穿透形成通孔8，并且通孔8上面的由第一层Si3O4薄膜2、Pt薄膜加热丝3、第二层Si3O4薄膜4以及Au薄膜气敏电极5构成的多层复合薄膜完全悬空；
8)制作气敏薄膜9：在完成第(7)步的硅片的悬空的多层复合薄膜上方采用气敏墨水打印的方式完成气敏薄膜加工，完成多通道穿透式气体传感器的加工；
9)切片与封装：采用激光切割工艺，将完成第(8)步的硅片切割成多通道穿透式气体传感器芯片10；在芯片底面非通孔处涂抹银浆，将其通孔对准封装外壳的通孔粘贴到底座13上，利用马弗炉从室温25℃开始，经过30分钟的时间使其升温至150℃，在150℃的条件下保持一个小时之后自然冷却，完成银浆的退火固化；采用金丝球压焊机用金丝实现芯片的焊盘与封装底座的焊盘的连接；将封装外壳的盖子12粘接固定在底座13上方。
有益效果：本发明制备的穿透式多通道气体传感器，采用正面和背面腐蚀结合形成穿透式气体通道，使得气流可以垂直穿过本发明的穿透式多通道气体传感器，气体分子流动通量正比于气体浓度和气流速度的乘积，因此比以往的主要依赖于气体扩散传质的气体传感器，有更大的气体分子流动通量，在低浓度气体检测时，有利于得到更快的气体响应速度和恢复速度；采用穿透式多通道气体传感器配合相应的具有气流穿透效果的封装结构，可以达到提升传感器的气体响应速度和恢复速度的目的，能够使传感器芯片跟通入的测试气体形成的气流快速有效的接触，提升响应效果，同时具备成本低、尺寸小及功耗低等特点。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。