[實用新型]一種具有絕熱溝槽的MEMS氣體傳感器

有效

• 申請號: 201420400403.0
• 申請日: 2014-07-18
• 公開（公告）號: CN204008531U
• 公開（公告）日: 2014-12-10
• 發明（設計）人: 沈方平;張珽;祁明鋒;劉瑞;丁海燕;谷文
• 申請（專利權）人: 蘇州能斯達電子科技有限公司
• 主分類號: G01N27/00
• 分類號: G01N27/00;B81B7/00;B81C1/00
• 代理公司: 廣州三環專利代理有限公司 44202
• 代理人: 郝傳鑫

技術領域

本實用新型涉及氣體檢測技術領域，具體涉及一種具有絕熱溝槽的MEMS氣體傳感器。

背景技術

大氣污染，空氣質量與人們的生活息息相關，易燃易爆性氣體更是關系到工業生產、國防安全等，因此對氣體的檢測有著極其重要的作用。目前對氣體的檢測除了傳統的大型檢測設備例如基于質譜、能譜和色譜的氣體檢測儀器，但是這些儀器由于體積龐大、價格較高，限制了它們的普及和發展。近些年也發展出了一些小型的氣體傳感器。在各種氣體傳感器中，半導體氣體傳感器的應用最為廣泛。它具有功耗低、體積小、重復性好、靈敏度高、成本低、易于批量生產、加工工藝穩定等優點。半導體氣體傳感器的原理是利用金屬氧化物薄膜制成的阻抗器件，在一定的溫度下，氣體分子在表面與金屬氧化物反應引起電阻率的變化，從而實現對氣體的探測。由于氣體分子與金屬氧化物反應需要較高的溫度，為了實現在較低的溫度下工作，需要在氣體敏感薄膜下制作微加熱板以為氣體薄膜提供足夠的溫度。

微機電系統(MEMS,Micro-Electro-Mechanical System)是一種先進的制造技術平臺。MEMS的技術包括微電子技術和微加工技術兩大部分。微電子技術的主要內容有:氧化層生長、光刻掩膜制作、光刻選擇摻雜(屏蔽擴散、離子注入)、薄膜(層)生長、連線制作等。微加工技術的主要內容有:硅表面微加工和硅體微加工(各向異性腐蝕、犧牲層)技術、晶片鍵合技術、制作高深寬比結構的深結構曝光和電鑄技術(LIGA)等。利用微電子技術可制造集成電路和許多傳感器。硅基加工技術是在微電子加工技術基礎上發展起來的一種微加工技術，主要依靠光刻、擴散、氧化、薄膜生長、干法刻蝕、濕法刻蝕和蒸發濺射等工藝技術。

隨著MEMS技術與微電子的發展，體積小，功耗低且易與其他材料或器件組合的微加熱式氣體傳感器越來越受到重視。但使用微加熱板會帶來一定的功率損耗。申請號為201110241625.3的中國專利公開了一種在硅基底上、加熱電極和信號電極共居于同一介質平面上的硅基共平面低功耗微型氣體傳感器芯片，其可實現較低溫度工作，但其未設置隔熱層或絕熱層，由于半導體氣體傳感器工作溫度較高，熱量損耗較大，因而無法降低功耗。

現有技術中，為降低功耗，實現結構保溫普遍采用絕熱槽。目前基于MEMS加工技術制作的硅基氣體傳感器普遍采用的結構是：在單晶硅基底的上表面沉積一層氮化硅膜層作為下絕緣層，在單晶硅基底的下表面制備絕熱槽。制備絕熱槽時可使用背面濕法刻蝕工藝，也可先對下絕緣層蝕刻出懸臂梁，再往下濕法刻蝕出倒金字塔式絕熱槽。兩種絕熱槽可以更好的防止熱量的散失以降低功耗。下絕緣層上方通過剝離工藝(lift-off)加工出鉑加熱絲層，通過給加熱絲通電即可產生熱量，形成氣體傳感器工作所需要的溫度。在鉑加熱絲表面上又沉積一層氮化硅層作為上絕緣層，最后沉積溫度敏感層和氣體敏感層。例如申請號為201110366861.8的中國專利公開了的氣體傳感器及其制造工藝便采用了絕熱槽的工藝。但是這種方法蝕刻出絕熱槽后加熱層與氣體敏感層僅靠一層薄膜結構的氮化硅層支撐，而該薄膜僅在兩端被懸臂結構的支撐襯底支撐，這種薄膜結構的絕緣層力學性能較差，在器件受到震動或者碰撞時易發生破裂導致器件失效。除此之外，由于隔熱層與加熱絲的熱膨脹系數的差異，在高溫下隔熱層易翹曲使加熱絲易從隔熱層脫落，同樣導致器件失效。其次，懸臂結構的絕熱槽利用懸臂之間的空氣隔熱，由于空間較大，空氣流動較快，也會造成熱量散失較快，影響隔熱效果。

綜上，現有技術中的氣體傳感器的隔熱結構主要存在以下問題：

(1)穩定性差，由于受力不均勻引起器件發生變形破裂，導致器件失效。

(2)隔熱效果差，絕熱槽間的空氣間隔較大導致熱量散失較快，影響隔熱效果。

實用新型內容

為了解決現有技術中氣體傳感器存在的諸多問題，本實用新型提供一種具有絕熱溝槽的MEMS氣體傳感器，在單晶硅襯底的上表面刻蝕出若干溝槽作為絕熱層，同時作為支撐層，可以有效減少熱量損失，降低功耗，延長氣體傳感器的壽命，增加靈敏度。

本實用新型的發明人發現：在單晶硅襯底的上表面刻蝕若干溝槽可以大幅降低其導熱性，從而起到保溫隔熱的作用。與傳統的懸臂絕熱槽相比，在單晶硅襯底的上表面刻蝕若干條一定深度的溝槽，可以有效減少空氣流動速度，增強隔熱效果，且絕熱溝槽均勻分布在單晶硅襯底的上表面，可以穩定地支撐位于其上的絕緣層及其他組件，從而提高氣體傳感器的穩定性，增加其使用壽命。由于帶有溝槽的絕熱溝槽具有良好的隔熱性能，將其設置于所述加熱層下方，可以有效減少所述加熱層熱量流失，降低功耗。