[發明專利]一種MEMS氣體傳感器及其制備方法

在審

• 申請號: 201711277190.1
• 申請日: 2017-12-06
• 公開（公告）號: CN108152340A
• 公開（公告）日: 2018-06-12
• 發明（設計）人: 欒山
• 申請（專利權）人: 上海斐訊數據通信技術有限公司
• 主分類號: G01N27/22
• 分類號: G01N27/22
• 代理公司: 杭州千克知識產權代理有限公司 33246
• 代理人: 周希良;吳輝輝

本發明屬于氣體傳感器技術領域，涉及一種MEMS氣體傳感器及其制備方法。本發明的MEMS氣體傳感器依次包括基底、微梁結構和氣敏層，所述氣敏層由Li原子摻雜的少層黑磷材料制成。本發明的氣體傳感器可用于CO氣體的檢測，具有較高的穩定性和靈敏性。

技術領域

本發明屬于氣體傳感器技術領域，涉及一種MEMS氣體傳感器及其制備方法。

背景技術

作為大氣污染中典型的污染源，一氧化碳CO的日益增長一部分源于自然因素，一部分源自人為因素。隨著社會工業化的不斷發展，城市交通壓力的不斷增大，來自人為因素的CO污染源范圍越來越大，大到化學工業，交通運輸，小到廚房油煙，煙花爆竹等，因此CO在大氣中所占的比例越來越高。與其他大氣污染物中的有毒氣體一樣，CO也具有很高的毒性，當該氣體進入人體內時，極易與血液中的血紅蛋白結合，大大超過了氧氣和血紅蛋白的結合速度，使得血紅蛋白的攜氧能力大大下降。CO在極低濃度下就會使人遭受缺氧性的傷害。中毒患者中輕者頭痛，四肢無力，呼吸困難。重者惡心，昏迷甚至會因為心律失常和呼吸麻痹而死亡。因此對CO檢測的準確性和及時性就變得尤為重要。而CO無色，無嗅，不通過專業性的檢測設備很難發覺它的存在。

MEMS微氣體傳感器比傳統氣體傳感器的體積更小，重量更輕，成本和功耗也相對較低，在實現集成和智能化的過程中有利于批量化的生產。與目前常見的金屬氧化物和有機高分子聚合物相比，新型的二維材料黑磷因為具有獨特的原子結構，優秀的半導體性質，高度的各向異性等，因此在電子器件方面有著得天獨厚的優勢，逐漸成為半導體材料研究的熱點，也被認為是能夠替代石墨烯的新時代材料。以黑磷作為氣體敏感材料的微氣體傳感器可以根據現有的半導體制備工藝加以改進，大大降低了制備方面的復雜性，而且與傳統異質結的氣敏材料如金屬氧化物、石墨烯等相比，同一類物質做氣敏材料避免發生晶格失配，簡化了制備工藝流程。最重要的是黑磷由于具有較高的表面積-體積比，因此氣體吸附量更大。不同金屬摻雜黑磷在吸附氣體后所產生的性質變化也提高了微氣體傳感器的選擇性和靈敏度。

采用傳統工藝所制作的帶有溫控裝置固體電解質CO氣體傳感器，具有體積大、材料消耗多、一致性差、功耗大等缺點，而采用MEMS技術進行微型化可克服這些缺點，是固體電解質氣體傳感器發展的必然趨勢。如中國專利申請(201010218524.X)公開了一種微懸臂梁氣體傳感器及其制作方法，利用有機/無機納米復合薄膜的氣敏特性與壓阻特性，將有機/無機納米復合薄膜同時作為微懸臂梁氣體傳感器的氣敏層和壓敏電阻，但是其在穩定性和精確度上還有待提高。

發明內容

本發明的目的是針對現有技術存在的上述問題，提出了一種對CO穩定性和靈敏性高的MEMS氣體傳感器。

本發明的目的可通過下列技術方案來實現：

一種MEMS氣體傳感器，所述MEMS氣體傳感器依次包括基底、微梁結構和氣敏層，所述氣敏層由Li原子摻雜的少層黑磷材料制成。

作為優選，所述基底依次包括硅基襯底、SiO₂保護層、SiN_x多晶硅層和形成于SiN_x多晶硅層之上的微梁結構接觸區和電容區。

作為優選，所述硅基襯底為晶向為(100)的N型硅片，厚度為170-230μm。

作為優選，所述微梁結構包括懸臂梁或固支梁。

作為優選，所述微梁結構由SiN_x層構成。所述微梁結構具有錨區。

作為優選，所述氣敏層的厚度為10-20個原子層厚度。

作為優選，所述氣敏層中摻雜的Li原子在黑磷結構中所占比例最大為22.2％。

本發明的另一目的在于提供一種MEMS氣體傳感器的制備方法，所述的制備方法包括以下步驟，