本發(fā)明屬于熱導(dǎo)氣體傳感的，具體是一種高性能mems熱導(dǎo)氣體傳感器及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、mems熱導(dǎo)氣體傳感器是一種可監(jiān)測(cè)家居、商用、汽車(chē)、工業(yè)類(lèi)應(yīng)用設(shè)備中氣體（如h2、co2、ch4、冷媒等）泄漏和排放的新型裝置。該傳感器采用先進(jìn)的mems技術(shù)制備而成，通過(guò)感應(yīng)被測(cè)氣體間的熱力學(xué)變化而實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體濃度的精確檢測(cè)。相比非色散紅外（ndir）、催化、電化學(xué)、金屬氧化物半導(dǎo)體和傳統(tǒng)熱導(dǎo)式的氣體傳感器，mems熱導(dǎo)氣體傳感器具有體積小、功耗低、響應(yīng)快、工作穩(wěn)定、低成本和檢測(cè)范圍廣的特點(diǎn)，且在有氧和無(wú)氧條件下均能正常工作。

2、現(xiàn)有技術(shù)中，從溫度漂移、信號(hào)噪聲、測(cè)量精度等角度公布了熱導(dǎo)傳感器性能改善方案，但是器件應(yīng)力問(wèn)題仍是降低mems熱導(dǎo)氣體傳感器工作穩(wěn)定性和可靠性的因素之一。

3、如申請(qǐng)公布日為2023.06.02、申請(qǐng)公布號(hào)為cn116203065a的中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利公開(kāi)的一種微型熱導(dǎo)氣體傳感器，包括硅基底，所述的硅基底上面設(shè)有中心開(kāi)孔的支撐膜，支撐膜中心孔對(duì)應(yīng)的硅基底開(kāi)有空腔，支撐膜四角處設(shè)有相互對(duì)稱的四個(gè)電極焊盤(pán)，支撐膜經(jīng)向中心的四個(gè)支撐梁與懸浮在空腔上的微熱板相連，微熱板上面設(shè)有呈蛇形分布的加熱絲，四個(gè)電極焊盤(pán)分別經(jīng)支撐梁與加熱絲相連，支撐梁和加熱絲與支撐膜間構(gòu)成四個(gè)窗口，窗口與硅基底的空腔相連通。

4、上述現(xiàn)有技術(shù)中，從熱導(dǎo)氣體傳感器芯片結(jié)構(gòu)上解決了器件工作過(guò)程穩(wěn)定性和可靠性問(wèn)題，彌補(bǔ)了該領(lǐng)域技術(shù)缺陷，但是作為熱導(dǎo)器件中起承載功能的懸臂中心位置以及懸臂與加熱中心連接處通常分布著較大集中應(yīng)力，需要對(duì)懸臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化而降低器件結(jié)構(gòu)因應(yīng)力大而損壞的風(fēng)險(xiǎn)，而上述發(fā)明專(zhuān)利中未研究應(yīng)力補(bǔ)償方法，其器件仍存在結(jié)構(gòu)損壞和穩(wěn)定性差的可能。

5、因此，如何有效解決mems熱導(dǎo)氣體傳感器的結(jié)構(gòu)易損壞、穩(wěn)定性差是亟待解決的技術(shù)問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)上述背景技術(shù)中的不足，本發(fā)明提出一種高性能mems熱導(dǎo)氣體傳感器及其制備方法，解決了mems熱導(dǎo)氣體傳感器的結(jié)構(gòu)易損壞、穩(wěn)定性差的問(wèn)題。

2、本申請(qǐng)的技術(shù)方案為：

3、一種高性能mems熱導(dǎo)氣體傳感器，包括自下而上依次設(shè)置的基底結(jié)構(gòu)層、支撐結(jié)構(gòu)層、加熱結(jié)構(gòu)層、鈍化結(jié)構(gòu)層、電極結(jié)構(gòu)層，所述基底結(jié)構(gòu)層包括設(shè)置有空腔的底硅，所述支撐結(jié)構(gòu)層、所述加熱結(jié)構(gòu)層、所述鈍化結(jié)構(gòu)層上均設(shè)置有若干個(gè)通孔，所述通孔與所述空腔連通，至少兩個(gè)通孔之間的懸梁呈鼓狀。實(shí)現(xiàn)了傳感器更強(qiáng)的工作穩(wěn)定性，并且具有小型化、低功耗、與cmos工藝兼容及可批量化生產(chǎn)的特點(diǎn)。

4、進(jìn)一步地，所述懸梁的下方設(shè)置有支撐立柱，所述支撐立柱均在所述空腔內(nèi)，所述懸梁結(jié)合支撐立柱，增強(qiáng)了傳感器工作穩(wěn)定性，同時(shí)大幅降低了傳感器功耗、提高了傳感器靈敏度。

5、進(jìn)一步地，所述底硅的上方自下而上依次設(shè)置有埋氧層、頂硅。

6、進(jìn)一步地，所述支撐結(jié)構(gòu)層、所述鈍化結(jié)構(gòu)層均包括二氧化硅材料、氮化硅材料。

7、進(jìn)一步地，所述加熱結(jié)構(gòu)層包括呈環(huán)形串聯(lián)狀的電阻條，所述電阻條通過(guò)粘附層與所述支撐結(jié)構(gòu)層相連，所述黏附層起到增強(qiáng)加熱層材料與介質(zhì)層黏附性作用。

8、進(jìn)一步地，所述電阻條的寬度自環(huán)形中心向環(huán)形外周逐漸減小，實(shí)現(xiàn)極高的溫度分布均勻性。相比現(xiàn)有技術(shù)中的蛇形或螺旋形電阻設(shè)計(jì)，環(huán)形串聯(lián)狀的電阻條在加熱峰值溫度以及溫度分布均勻性方面性能更佳，實(shí)現(xiàn)了在同等功耗下更高的峰值溫度，且加熱溫度分布更均勻，提高了器件響應(yīng)特性和靈敏度。

9、進(jìn)一步地，所述電阻條的上表面、下表面均設(shè)置有粘附層，電阻條上表面的黏附層、電阻條、電阻條下表面的黏附層形成三明治結(jié)構(gòu)。

10、進(jìn)一步地，所述鈍化結(jié)構(gòu)層上對(duì)稱設(shè)置有電極孔，所述電極孔設(shè)置于所述通孔的外周，在鈍化結(jié)構(gòu)層兩側(cè)特定位置開(kāi)設(shè)有電極孔，使得電極孔上的電極結(jié)構(gòu)層與加熱結(jié)構(gòu)層中的電阻條形成電學(xué)互連以供電信號(hào)輸入和輸出。

11、一種高性能mems熱導(dǎo)氣體傳感器的制備方法，包括以下步驟：

12、s1：在底硅的中心處刻蝕出設(shè)置有若干個(gè)支撐立柱的空腔；

13、s2：通過(guò)鍵合和減薄工藝在底硅的上表面形成埋氧層、頂硅；

14、s3：在頂硅上通過(guò)等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積工藝生長(zhǎng)出支撐結(jié)構(gòu)層；

15、s4：通過(guò)光刻、濺射、刻蝕工藝加工出加熱結(jié)構(gòu)層；

16、s5：在加熱結(jié)構(gòu)層上通過(guò)等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積工藝生長(zhǎng)出鈍化結(jié)構(gòu)層，并在鈍化結(jié)構(gòu)層上刻蝕出電極孔；

17、s6：電極結(jié)構(gòu)層被加工在鈍化結(jié)構(gòu)層上，并與加熱結(jié)構(gòu)層在電極孔位置形成良好連接；

18、s7：對(duì)正面介質(zhì)材料進(jìn)行去除，釋放形成若干個(gè)通孔，支撐立柱支撐在相鄰?fù)字g的懸梁下。

19、一種高性能mems熱導(dǎo)氣體傳感器的制備方法，包括以下步驟：

20、s1：在底硅上通過(guò)等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積工藝生長(zhǎng)出支撐結(jié)構(gòu)層；

21、s2：通過(guò)光刻、濺射和刻蝕工藝加工出加熱結(jié)構(gòu)層；

22、s3：在加熱結(jié)構(gòu)層上通過(guò)等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積工藝生長(zhǎng)出鈍化結(jié)構(gòu)層，并在鈍化結(jié)構(gòu)層上刻蝕出電極孔；

23、s4：電極結(jié)構(gòu)層被加工在鈍化結(jié)構(gòu)層上，并與加熱結(jié)構(gòu)層在電極孔位置形成良好連接；

24、s5：通過(guò)光刻和刻蝕工藝形成若干個(gè)通孔與空腔。

25、本發(fā)明具體的有益效果包括：

26、1、呈鼓狀的懸梁降低了懸梁中心的工作集中應(yīng)力,支撐立柱、呈鼓狀的懸梁以及形似三角形通孔的圓角化處理設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了傳感器更強(qiáng)的工作穩(wěn)定性，并且具有小型化、低功耗、與cmos工藝兼容及可批量化生產(chǎn)的特點(diǎn)；

27、2、采用支撐立柱輔助支撐結(jié)構(gòu)改善懸梁翹曲情況，對(duì)結(jié)構(gòu)的綜合應(yīng)力補(bǔ)償設(shè)計(jì)促使器件具有更強(qiáng)的工作穩(wěn)定性和壽命；

28、3、在氣體檢測(cè)范圍、工作穩(wěn)定性、響應(yīng)特性表現(xiàn)更佳，且不受有氧或無(wú)氧條件限制；

29、4、電阻條的設(shè)計(jì)極大提升了熱導(dǎo)工作區(qū)域的溫度分布均勻性，進(jìn)而提高了器件響應(yīng)特性和靈敏度；

30、5、本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)對(duì)多種氣體的監(jiān)測(cè)應(yīng)用，具有極大的商用和學(xué)術(shù)價(jià)值。

技術(shù)特征：

1.一種高性能mems熱導(dǎo)氣體傳感器，其特征在于：包括自下而上依次設(shè)置的基底結(jié)構(gòu)層（1）、支撐結(jié)構(gòu)層（2）、加熱結(jié)構(gòu)層（3）、鈍化結(jié)構(gòu)層（4）、電極結(jié)構(gòu)層（6），所述基底結(jié)構(gòu)層（1）包括設(shè)置有空腔（103）的底硅（101），所述支撐結(jié)構(gòu)層（2）、所述加熱結(jié)構(gòu)層（3）、所述鈍化結(jié)構(gòu)層（4）上均設(shè)置有若干個(gè)通孔（7），所述通孔（7）與所述空腔（103）連通，至少兩個(gè)通孔（7）之間的懸梁（8）呈鼓狀。

2.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高性能mems熱導(dǎo)氣體傳感器，其特征在于：所述懸梁（8）的下方設(shè)置有支撐立柱（102），所述支撐立柱（102）均在所述空腔（103）內(nèi)。

3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的高性能mems熱導(dǎo)氣體傳感器，其特征在于：所述底硅（101）的上方自下而上依次設(shè)置有埋氧層（104）、頂硅（105）。

4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的高性能mems熱導(dǎo)氣體傳感器，其特征在于：所述支撐結(jié)構(gòu)層（2）、所述鈍化結(jié)構(gòu)層（4）均包括二氧化硅材料、氮化硅材料。

5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的高性能mems熱導(dǎo)氣體傳感器，其特征在于：所述加熱結(jié)構(gòu)層（3）包括呈環(huán)形串聯(lián)狀的電阻條（302），所述電阻條（302）通過(guò)粘附層（301）與所述支撐結(jié)構(gòu)層（2）相連。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的高性能mems熱導(dǎo)氣體傳感器，其特征在于：所述電阻條（302）的寬度自環(huán)形中心向環(huán)形外周逐漸減小。

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的高性能mems熱導(dǎo)氣體傳感器，其特征在于：所述電阻條（302）的上表面、下表面均設(shè)置有粘附層（301）。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高性能mems熱導(dǎo)氣體傳感器，其特征在于：所述鈍化結(jié)構(gòu)層（4）上對(duì)稱設(shè)置有電極孔（5），所述電極孔（5）設(shè)置于所述通孔（7）的外周。

9.一種高性能mems熱導(dǎo)氣體傳感器的制備方法，其特征在于：制備權(quán)利要求1-8任一項(xiàng)所述的高性能mems熱導(dǎo)氣體傳感器，步驟如下：

10.一種高性能mems熱導(dǎo)氣體傳感器的制備方法，其特征在于：制備權(quán)利要求1-8任一項(xiàng)所述的高性能mems熱導(dǎo)氣體傳感器，步驟如下：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提出一種高性能MEMS熱導(dǎo)氣體傳感器及其制備方法，包括自下而上依次設(shè)置的基底結(jié)構(gòu)層、支撐結(jié)構(gòu)層、加熱結(jié)構(gòu)層、鈍化結(jié)構(gòu)層、電極結(jié)構(gòu)層，所述基底結(jié)構(gòu)層包括設(shè)置有空腔的底硅，所述支撐結(jié)構(gòu)層、所述加熱結(jié)構(gòu)層、所述鈍化結(jié)構(gòu)層上均設(shè)置有若干個(gè)通孔，所述通孔與所述空腔連通，至少兩個(gè)通孔之間的懸梁呈鼓狀，此設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)降低了懸梁中心的工作集中應(yīng)力，并對(duì)懸梁與加熱中心連接處進(jìn)行圓角化設(shè)計(jì)而降低工作應(yīng)力；實(shí)現(xiàn)了傳感器更強(qiáng)的工作穩(wěn)定性，并且具有小型化、低功耗、與CMOS工藝兼容及可批量化生產(chǎn)的特點(diǎn)。

技術(shù)研發(fā)人員：古瑞琴,李威,許澤斌,劉琦
受保護(hù)的技術(shù)使用者：鄭州煒盛電子科技有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6