【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及mems气体传感器，尤其涉及一种基于mems技术的甲烷气体传感器及其制备方法。
技术介绍
1、半导体气体传感器采用金属氧化物作为敏感材料，其工作原理是在一定工作温度下，待测气体会在金属氧化物半导体表面发生氧化/还原反应，并使金属氧化物的阻值发生变化，通过测量电阻变化量实现待测气体浓度的定量检测。
2、随着mems技术的发展，气体传感器实现了在一个微小芯片上的集成，这类传感器具有体积小、功耗低、灵敏度高、成本低等特点，被广泛应用于家用燃气报警等领域。目前气体传感器通常由加热平台和气敏材料两部分构成，其中加热平台采用悬膜结构为主，传感器结构由上至下包括气敏薄膜、检测电极层、隔离层、加热电极层、支撑层和衬底。由于气敏材料的工作温度通常在200℃以上，会因为各层薄膜之间热膨胀系数的差异发生形变，导致器件内部存在较大的热应力，使得气敏薄膜和电极层结构发生变形甚至脱落，进而影响气体传感器的性能，对传感器的使用性能和寿命造成重大影响。
3、为了避免多层薄膜结构在高温下使用造成的热应力和热膨胀系数匹配方面产生的问题，提升气体传感器在高温工作环境下结构的稳定性，申请号为cn201911371286.3的专利公开了一种基于mems集成式的气体传感器及其制作方法器，包括相对设置的加热单元和气体敏感单元，其中，所述气体敏感单元包括测试电极和气体敏感结构，所述气体敏感结构与所述测试电极电连接；所述加热单元包括与所述测试电极相匹配的加热层，所述加热层朝向所述气体敏感结构，且所述加热层与所述气体敏感结构无直接接触。该方法
技术实现思路
1、鉴于上述的分析，本专利技术实施例旨在提供一种基于mems技术的甲烷气体传感器及其制备方法。
2、为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：
3、一种基于mems技术的甲烷气体传感器，所述气体传感器包括衬底以及相对设于衬底表面的加热模块与气敏模块。衬底上刻蚀有背腔。所述加热模块包括衬底上表面沉积有氧化硅和氮化硅的支撑平台，所述支撑平台上溅射有加热电极；所述支撑平台位于背腔上方，设有隔热腔。
4、所述气敏模块是在所述加热电极层上沉积有氧化硅的隔离层，并位于所述隔离层上溅射检测电极，所述检测电极上沉积有气敏材料，所述气敏材料由敏感材料和催化保护材料组成，含有半导体金属氧化物、贵金属催化剂和催化剂载体等。
5、所述支撑平台上设有悬空梁支撑结构。
6、所述加热电极采用蛇形电极，所述检测电极采用叉指电极，所述加热电极和检测电极通过悬空支撑梁与传感器的四个电极窗口相连，所述支撑悬空梁采用“万”字形方式布置。
7、所述衬底厚度为200 ~ 300 μm，所述支撑层平台厚度为1 μm ~ 2 μm，所述加热电极厚度为400 nm ~ 600 nm，所述隔离层厚度为1 μm ~ 2 μm，所述检测电极厚度为400 nm~ 600 nm，所述气敏材料厚度为200 nm ~ 600 nm。
8、所述衬底可为单晶硅、多晶硅、石英、蓝宝石、氧化钇、多孔阳极氧化铝或多孔硅等中的一种；所述气敏材料由敏感材料和催化保护材料组成，其中敏感材料由贵金属催化剂掺杂半导体金属氧化物组成，催化保护材料由贵金属催化剂掺杂催化剂载体组成。
9、所述半导体金属氧化物选用sno2、zno、in2o3、wo3等中的一种，所述贵金属催化剂选用pt、pd、au等中的一种，所述催化剂载体选用al2o3、zro2、ceo2等中的一种。
10、所述加热电极采用溅射ti/pt、检测电极采用溅射ti/au，其中ti作为电极的粘附层，粘附层的厚度为50 nm ~ 100 nm。
11、本专利技术实施例还提出一种如上所述的基于mems技术的甲烷气体传感器的制备方法，包括如下步骤：
12、第一步：清洗并干燥衬底，在衬底的上、下表面进行热氧化处理，并在衬底两侧的氧化硅上沉积氮化硅薄膜，形成支撑平台层；
13、第二步：旋涂光刻胶并烘干，采用光刻工艺，得到加热电极图形，经溅射、剥离后，形成加热电极层；
14、第三步：在加热电极层上方，沉积氧化硅，形成隔离层；
15、第四步：利用光刻工艺，在衬底的下表面得到背部窗口图形，并利用反应离子刻蚀去除刻蚀窗口下暴露的氧化硅和氮化硅，得到背腔窗口；
16、第五步：利用光刻工艺，在隔离层表面得到加热电极窗口图形，利用反应离子刻蚀去除刻蚀窗口下暴露的氧化硅，得到加热电极窗口；
17、第六步：利用光刻工艺，得到检测电极图形，经溅射、剥离后，形成检测电极层；
18、第七步：采用共溅射的方式，将敏感材料和催化保护材料沉积于检测电极上，经退火后，形成气敏材料：
19、第八步：利用湿法刻蚀工艺，通过背部刻蚀窗口，对衬底进行刻蚀，得到背腔；
20、第九步：采用光刻工艺，得到刻蚀窗口图形，利用反应离子刻蚀去除刻蚀窗口下暴露的氧化硅及氮化硅，最后利用湿法刻蚀形成隔热腔。
21、 所述制备气敏材料时的退火温度为450℃ ~ 550℃，热处理时间为1 ~ 3 h。
22、本专利技术实施例的有益效果在于：
23、本专利技术通过正面释放和背面刻蚀工艺制备具有悬膜空腔结构的支撑平台，通过薄膜共溅射工艺在传感器的检测电极上制备气敏材料，将mems支撑平台与气敏材料稳定地结合在一起制成气体传感器，使得该传感器具有灵敏度高、功耗低的技术效果；本方案通过mems工艺制备，有助于提升传感器的一致性，具有实际生产前景。
24、由于空气的热导率远小于衬底，本专利技术通过正面释放工艺制备悬膜结构，有利于加热电极层产生的热量能够很好地保存在气敏膜上，提升了传感器的保温效果；通过制备背腔和隔热腔等空腔结构，能减小传感器的导热面积，有利于降低传感器的功耗；通过调节支撑层和绝缘层中平台氮化硅和氧化硅的厚度比，有利于减小加热平台在高温下的形变，有助于提高传感器在测试时的稳定性。
25、在保证传感器机械性能稳定和加热保温性能良好的前提下，本专利技术采用共溅射的方式在传感器的检测电极上沉积气敏材料，与常规的化学合成法相比，该方案制备得到的气敏材料一致性高、成本较低、适合大规模生产；通过采用贵金属pd掺杂sno2作为敏感材料，增大sno2的表面电子耗尽层宽度，使得气体响应后电阻变化值增大，使得材料具有较高的灵敏度；通过引入具有较强储氧能力的zro2材料作为助催化剂，同时掺杂贵金属pt，在进一步提升传感器灵敏度的同时，也改善了传感元件的高温稳定性和抗湿能力。
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1.一种基于MEMS技术的甲烷气体传感器，其特征在于，包括衬底以及相对设置于衬底表面的加热模块与气敏模块；所述衬底上刻蚀有背腔；
2.根据权利要求1所述的基于MEMS技术的甲烷气体传感器，其特征在于，所述支撑平台上设有悬空梁支撑结构。
3.根据权利要求1所述的基于MEMS技术的甲烷气体传感器，其特征在于，所述加热电极采用蛇形电极，所述检测电极采用叉指电极，所述加热电极和检测电极通过悬空梁与传感器的四个电极窗口相连，所述悬空梁采用“万”字形方式布置。
4.根据权利要求1所述的基于MEMS技术的甲烷气体传感器，其特征在于，所述衬底厚度为200 ~ 300 μm，所述支撑平台厚度为1 μm ~ 2 μm，所述加热电极厚度为400 nm ~ 600nm，所述隔离层厚度为1 μm ~ 2 μm，所述检测电极厚度为400 nm ~ 600 nm，所述气敏材料厚度为200 nm ~ 600 nm。
5.根据权利要求1所述的基于MEMS技术的甲烷气体传感器，其特征在于，所述敏感材料由贵金属催化剂掺杂半导体金属氧化物组成，所述催化保护材料由贵金属催化
6.根据权利要求1所述的基于MEMS技术的甲烷气体传感器，其特征在于，所述半导体金属氧化物选用SnO2、ZnO、In2O3、WO3中的一种，所述贵金属催化剂选用Pt、Pd、Au中的一种，所述催化剂载体选用Al2O3、ZrO2、CeO2中的一种。
7.根据权利要求1所述的基于MEMS技术的甲烷气体传感器，其特征在于，所述加热电极采用溅射Ti/Pt、检测电极采用溅射Ti/Au，其中Ti作为电极的粘附层，粘附层的厚度为50nm ~ 100 nm。
8.一种如权利要求1至7任一所述的基于MEMS技术的甲烷气体传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
9.根据权利要求8所述的基于MEMS技术的甲烷气体传感器的制备方法，其特征在于，制备气敏材料时的退火温度为450℃ ~ 550℃，热处理时间为1 ~ 3 h。
...【技术特征摘要】
1.一种基于mems技术的甲烷气体传感器，其特征在于，包括衬底以及相对设置于衬底表面的加热模块与气敏模块；所述衬底上刻蚀有背腔；
2.根据权利要求1所述的基于mems技术的甲烷气体传感器，其特征在于，所述支撑平台上设有悬空梁支撑结构。
3.根据权利要求1所述的基于mems技术的甲烷气体传感器，其特征在于，所述加热电极采用蛇形电极，所述检测电极采用叉指电极，所述加热电极和检测电极通过悬空梁与传感器的四个电极窗口相连，所述悬空梁采用“万”字形方式布置。
4.根据权利要求1所述的基于mems技术的甲烷气体传感器，其特征在于，所述衬底厚度为200 ~ 300 μm，所述支撑平台厚度为1 μm ~ 2 μm，所述加热电极厚度为400 nm ~ 600nm，所述隔离层厚度为1 μm ~ 2 μm，所述检测电极厚度为400 nm ~ 600 nm，所述气敏材料厚度为200 nm ~ 600 nm。
5.根据权利要求1所述的基于mems技术的甲...
【专利技术属性】
技术研发人员：周浩楠，韩明杰，李宋，张亚婷，
申请(专利权)人：北京智芯传感科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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