[發明專利]一種MEMS工藝的穿透式多通道氣體傳感器

在審

• 申請號: 202011608294.8
• 申請日: 2020-12-30
• 公開（公告）號: CN112730520A
• 公開（公告）日: 2021-04-30
• 發明（設計）人: 李興華;余雋;王媛媛;劉旭;霍智慧
• 申請（專利權）人: 鄭州水偉環境科技有限公司;大連理工大學
• 主分類號: G01N27/00
• 分類號: G01N27/00;B81C1/00
• 代理公司: 深圳至誠化育知識產權代理事務所(普通合伙) 44728
• 代理人: 劉英

1.一種MEMS工藝的穿透式多通道氣體傳感器，包括Si襯底(1)、第一層Si₃O₄薄膜(2)、Pt薄膜加熱絲(3)、第二層Si₃O₄薄膜(4)、Au薄膜氣敏電極(5)、上表面腐蝕窗(6)、下表面腐蝕窗(7)、通孔(8)和氣敏薄膜(9)，其特征在于：所述Si襯底(1)以及通孔(8)的上表面均設置有第一層Si₃O₄薄膜(2)，第一層Si₃O₄薄膜(2)的表面均設置有Pt薄膜加熱絲(3)，第一層Si₃O₄薄膜(2)和Pt薄膜加熱絲(3)的表面均設置有第二層Si₃O₄薄膜(4)，第二層Si₃O₄薄膜(4)的表面設置有Au薄膜氣敏電極(5)，Au薄膜氣敏電極(5)的表面設置有氣敏薄膜(9)，由第一層Si₃O₄薄膜(2)、Pt薄膜加熱絲(3)、第二層Si₃O₄薄膜(4)、Au薄膜氣敏電極(5)以及氣敏薄膜(9)構成的多層復合薄膜被上表面腐蝕窗(6)穿過從而具有橋式結構，所述Si襯底(1)的下表面設置的第一層Si₃O₄薄膜(2)和第二層Si₃O₄薄膜(4)被下表面腐蝕窗(7)穿過從而具有孔洞結構，上表面腐蝕窗(6)、下表面腐蝕窗(7)與通孔(8)連接形成穿透式通道，在Si襯底(1)同時制造多個上述結構從而構成穿透式多通道氣體傳感器。

2.一種MEMS工藝的穿透式多通道氣體傳感器的MEMS工藝，包括如下步驟：

1)選材：選取厚度為500微米、直徑100毫米、100晶向的單面拋光硅片，備用；

2)制作第一層Si₃O₄薄膜(2)：在(1)中的硅片的硅襯底(1)的上下表面沉積Si₃O₄薄膜(2)，采用LPCVD或者PECVD等化學氣相沉積方式完成該工藝，得到厚度為300納米的低應力Si₃O₄薄膜(2)；

3)制作Pt薄膜加熱絲(3)：在完成第(2)步的硅片的上表面制作Pt薄膜加熱絲(3)，先涂覆光刻膠并進行光刻，使硅片只露出需要濺射加熱絲的位置，而其他部分被光刻膠保護好；濺射鉻金屬過渡層和Pt薄膜，厚度100納米；將硅片浸泡在光刻膠腐蝕液里，采用剝離的方式完成Pt薄膜的圖形化加工，再用酒精和去離子水清洗硅片；

4)制作第二層Si3N4薄膜(4)：在完成第(3)步的硅片上下表面沉積Si₃O₄薄膜，采用LPCVD或者PECVD等化學氣相沉積方式完成該工藝，Si₃O₄薄膜厚度300納米；

5)制作Au薄膜氣敏電極(5)：在完成第(4)步的硅片的上表面制作Au薄膜氣敏電極，先涂覆光刻膠并進行光刻，使硅片只露出需要淀積氣敏電極的位置，而其他部分被光刻膠保護好；濺射鉻金屬過渡層和Au薄膜，厚度100納米；將硅片浸泡在光刻膠腐蝕液里，采用剝離的方式完成Au薄膜的圖形化加工，再用酒精和去離子水清洗硅片；

6)制作上表面腐蝕窗(6)和下表面腐蝕窗(7)：分別對完成第(5)步的硅片的上表面進行光刻，定義上表面腐蝕窗(6)，采用干法刻蝕工藝腐蝕Si₃O₄薄膜，直至露出硅襯底以及金屬加熱絲的焊盤；再對該硅片的下表面進行光刻，定義下表面腐蝕窗(7)，采用干法刻蝕工藝腐蝕Si₃O₄薄膜，直至露出硅襯底(1)；

7)腐蝕Si襯底形成通孔(8)：將完成第(6)步的硅片浸泡在20％濃度TMAH即為(CH₃)₄NOH的溶液，選取85攝氏度水浴，腐蝕時間4-6小時，使硅襯底穿透形成通孔(8)，并且通孔(8)上面的由第一層Si₃O₄薄膜(2)、Pt薄膜加熱絲(3)、第二層Si₃O₄薄膜(4)以及Au薄膜氣敏電極(5)構成的多層復合薄膜完全懸空；

8)制作氣敏薄膜(9)：在完成第(7)步的硅片的懸空的多層復合薄膜上方采用氣敏墨水打印的方式完成氣敏薄膜加工，完成多通道穿透式氣體傳感器的加工；

9)切片與封裝：采用激光切割工藝，將完成第(8)步的硅片切割成多通道穿透式氣體傳感器芯片(10)；在芯片底面非通孔處涂抹銀漿，將其通孔對準封裝外殼的通孔粘貼到底座(13)上，利用馬弗爐從室溫25℃開始，經過30分鐘的時間使其升溫至150℃，在150℃的條件下保持一個小時之后自然冷卻，完成銀漿的退火固化；采用金絲球壓焊機用金絲實現芯片的焊盤與封裝底座的焊盤的連接；將封裝外殼的蓋子(12)粘接固定在底座(13)上方。