专利汇可以提供一种基于单个加热元件的甲烷传感器及制备方法和应用专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且一种基于单个加热元件的甲烷 传感器 及制备方法和应用,适用于工矿企业中使用。该甲烷传感器包括加热元件、测量元件、环境 温度 测量元件。该甲烷传感器的加热元件的加热器和测量元件的测量构件通过 支撑 臂悬置于空气中,加热元件单独加热到高温工作状态,测量元件单独用于检测瓦斯气体浓度, 环境温度 测量元件检测片上温度用于温度补偿。该甲烷传感器加工工艺与CMOS工艺兼容。该传感器的优点为:结构简单、功耗低、灵敏度高、抗干扰性好、成本低。,下面是一种基于单个加热元件的甲烷传感器及制备方法和应用专利的具体信息内容。
1.一种基于单个加热元件的甲烷传感器,其特征在于:它包括加热元件(101)、测量元件(102)与环境温度测量元件(103);所述环境温度测量元件(103)设在支座(100)上;所述加热元件(101)由两个固定端(1001)、两个并排设置的支撑臂A(1012)与加热器(1011)构成,两个支撑臂A(1012)的两端分别与固定端(1001)和加热器(1011)相连接,形成二端子器件;所述每个支撑臂A(1012)的长度至少300μm;所述测量元件(102)由两个固定端(1001)、测量构件(1021)和两个支撑臂B(1022)构成,两个支撑臂B(1022)分别与测量构件(1021)的两端相连接,两个支撑臂B(1022)的另一端分别与两个固定端(1001)相连,构成二端子器件;所述每个支撑臂B(1022)的长度至少100μm;所述加热元件(101)的固定端(1001)与测量元件(102)的固定端(1001)相互独立的设在支座(100)上,其余部分悬置在空气中;加热元件(101)和测量元件(102)在结构上都为悬臂梁结构;所述加热元件(101)的加热器(1011)与测量元件(102)的测量构件(1021)不接触,相距2μm至200μm;
所述支座(100)包括衬底(11)与设在衬底(11)上的隔离氧化硅层(12),及设在隔离氧化硅(12)上的顶层单晶硅层(13);加热元件(101)、测量元件(102)与环境温度测量元件(103)采用设在隔离氧化硅(12)上的顶层单晶硅层(13)加工形成,加热元件(101)、测量元件(102)与环境温度测量元件(103)的硅结构分别与隔离氧化硅(12)上的其它的顶层单晶硅层(13)隔离不相连接;所述衬底(11)为硅或其它可采用MEMS工艺加工的材料;所述设在支座(100)上的环境温度测量元件(103)包括两个电极引出端(1031)及测量电阻(1032);
加热元件(101)与测量元件(102)的固定端(1001)及环境温度测量元件(103)的电极引出端(1031)由顶层单晶硅层(13)加工形成,在顶层单晶硅层(13)外有氧化硅层(23),在氧化硅层(23)上设有电引出焊盘金属(22);所述固定端(1001)与电极引出端(1031)的顶层单晶硅层(13)内设有掺杂硅层(24);所述电引出焊盘金属(22)通过氧化硅层(23)的窗口与固定端(1001)的掺杂硅层(24)相接触构成欧姆接触;
所述加热元件(101)的伸出在空气中的支撑臂A(1012)与加热器(1011)以及测量元件(102)的伸出在空气中的测量构件(1021)、支撑臂B(1022)的外表面设有钝化保护层(14);
所述环境温度测量元件(103)的测量电阻(1032)的外表面同样设有钝化保护层(14);所述钝化保护层(14)为氧化硅,或氧化铪,或氧化硅/氧化铝复合层,或氧化铪/氧化铝复合层,或氧化铪/氮化硅复合层,或氧化铝/氮化硅复合层,或氧化硅/氮化硅复合层,或氧化硅、氧化铪、氧化铝、氮化硅四种材料组合形成的复合层;其中氧化硅的厚度至少10nm,氧化铪的厚度至少为5nm,氧化铝厚度至少6nm,氮化硅厚度至少10nm,整个钝化保护层的厚度不超过
1μm。
2.一种使用权利要求1所述基于单个加热元件的甲烷传感器的单个加热元件的甲烷传感器的应用,其特征在于:所述加热元件的甲烷传感器的加热元件(101)通以较大电流或施加较大电压进入电流-电阻特性曲线中转折点左侧的工作区域、加热器(1011)的加热温度在500℃以上,所述转折点为电阻随电流或电压增大而出现的电阻最大点,当电流或电压继续增大时,电阻不再继续增大反而减小;测量元件(102)与环境温度测量元件(103)则都通以不产生明显高于环境空气温度的微小电流;当没有甲烷气体时,测量元件(102)受加热元件(101)的加热高温影响温度升高,电阻也增大;当甲烷气体出现及浓度增加时,加热元件(101)的温度降低,独立的测量元件(102)受其影响温度也降低,导致自身电阻的降低,通过电学测量方法检测测量元件(102)的电学参数:电阻的变化实现甲烷浓度的测量;采用环境温度测量元件(103)测量环境温度,用以调整加热元件(101)的加热状态,还可用以对测量所获得的数据进行温度补偿。
3.一种使用权利要求1所述基于单个加热元件的甲烷传感器的基于单个加热元件的甲烷传感器的制备方法,其特征在于;
制备方法(一)的步骤为:
第一步,以SOI硅片为基片,在SOI硅片的正面,也即顶层单晶硅层(13)上制备氧化硅层(23);
第二步,图形化顶层单晶硅层(13)之上的氧化硅层(23),形成掺杂或离子注入所需的窗口;
第三步,掺杂或离子注入形成掺杂硅层(24);
第四步,在SOI硅片的正面通过淀积或蒸发形成金属层;
第五步,图形化第四步形成的金属层,形成电引出焊盘金属(22),退火形成欧姆接触;
第六步,光刻形成制备加热元件(101)、测量元件(102)与环境温度测量元件(103)结构形状所需的刻蚀窗口图形,随后采用RIE(Reactive Ion Etching,反应离子刻蚀)方法干法刻蚀氧化硅层(23)及顶层单晶硅层(13),刻蚀停止于隔离氧化硅层(12),在隔离氧化硅层(12)上形成加热元件(101)、测量元件(102)与环境温度测量元件(103)的结构;
第七步,在SOI硅片的正面制备刻蚀保护层,保护层为光刻胶或PSG(磷硅玻璃),所述刻蚀保护层覆盖整个SOI硅片的正面;
第八步,在SOI硅片背面图形光刻后形成背面硅刻蚀窗口的图形,采用湿法刻蚀或ICP(Inductively Coupled Plasma,感应耦合离子体刻蚀)或DRIE(Deep Reactive Ion Etching,深反应离子刻蚀)干法刻蚀方法刻蚀去除SOI硅片背面硅刻蚀窗口图形内的底层硅,即衬底(11),刻蚀停止于隔离氧化硅层(12);
第九步,采用氢氟酸溶液或氢氟酸气雾湿法刻蚀从衬底(11)露出的隔离氧化硅层(12),释放出加热元件(101)与环境温度测量元件(103);
第十步,去除第七步所形成的刻蚀保护层;
第十一步,对暴露出的硅进行氧化,形成薄层氧化硅层;
第十二步,采用保护层覆盖SOI硅片的正面,所述保护层覆盖除加热元件(101)、测量元件(102)悬空结构以及环境温度测量元件(103)的测量电阻(1032)以外的SOI硅片正面部分;
第十三步,采用ALD(原子层沉积)方法在加热元件(101)、测量元件(102)的悬空结构以及环境温度测量元件(103)的测量电阻(1032)的外表面制备氧化铪,或制备氧化铝薄膜,或制备氧化铪/氧化铝复合薄膜,或制备氧化硅/氧化铪/氧化铝复合薄膜,与第十一步形成的薄层氧硅层共同构成钝化保护层(14);
第十四步,去除第十二步使用的保护层,干燥;
第十五步,对SOI硅片进行划片与裂片,得到由加热元件(101)、测量元件(102)与环境温度测量元件(103)集成在一起的甲烷传感器;
或制备方法(二)步骤为:
第一步,以SOI硅片为基片,在顶层单晶硅层(13)上制备氧化硅层(23);
第二步,图形化顶层单晶硅层(13)之上的氧化硅层(23),形成掺杂或离子注入所需的窗口;
第三步,掺杂或离子注入形成掺杂硅层(24);
第四步,光刻形成制备加热元件(101)、测量元件(102)与环境温度测量元件(103)结构形状所需的刻蚀窗口图形;采用RIE(Reactive Ion Etching,反应离子刻蚀)方法干法刻蚀氧化硅层(23)及顶层单晶硅层(13),刻蚀停止于隔离氧化硅层(12),在隔离氧化硅层(12)上形成加热元件(101)、测量元件(102)与环境温度测量元件(103)的结构;
第五步,在SOI硅片的正面制备刻蚀保护层,刻蚀保护层为光刻胶或PSG(磷硅玻璃),所述刻蚀保护层覆盖整个SOI硅片的正面;
第六步,在SOI硅片背面图形光刻后形成背面硅刻蚀窗口的图形,采用湿法刻蚀或ICP(Inductively Coupled Plasma,感应耦合离子体刻蚀)或DRIE(Deep Reactive Ion Etching,深反应离子刻蚀)干法刻蚀方法刻蚀去除SOI硅片背面硅刻蚀窗口图形内的底层硅,即衬底(11),刻蚀停止于隔离氧化硅层(12);
第七步,采用氢氟酸溶液或气雾湿法刻蚀从衬底(11)露出的隔离氧化硅层(12),释放出加热元件(101)与环境温度测量元件(103);
第八步,去除第五步所形成的刻蚀保护层;
第九步,对暴露出的硅进行氧化,形成薄层氧化硅层;
第十步,采用保护层覆盖SOI硅片的正面,所述保护层覆盖除加热元件(101)、测量元件(102)悬空结构以及环境温度测量元件(103)的测量电阻(1032)以外的SOI硅片正面部分;
第十一步,采用ALD(原子层沉积)方法在加热元件(101)、测量元件(102)悬空结构以及环境温度测量元件(103)的测量电阻(1032)的外表面制备氧化铝或氧化铪薄膜;
第十二步,采用PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition,等离子体增强化学气相沉积法)在加热元件(101)、测量元件(102)悬空结构以及环境温度测量元件(103)的测量电阻(1032)的外表面制备氮化硅,制备温度400~450℃;制备成氧化硅/氮化硅复合薄膜,或氧化硅/氧化铝/氮化硅复合薄膜,或氧化铪/氮化硅复合薄膜,或氧化硅/氧化铪/氧化铝/氮化硅复合薄膜,与第九步形成的薄层氧硅层、第十一步形成的氧化铝或氧化铪层共同构成钝化保护层(14);
第十三步,去除第十步使用的保护层,干燥;
第十四步,在SOI硅片正面制备光刻胶,光刻后露出加热元件(101)、测量元件(102)的固定端(1001)、环境温度测量元件(103)的电极引出端(1031);
第十五步,通过淀积或蒸发在加热元件(101)、测量元件(102)的固定端(1001)、环境温度测量元件(103)的电极引出端(1031)上形成电引出焊盘金属(22);
第十六步,去除光刻胶,干燥;退火形成欧姆接触;
第十七步,对SOI硅片进行划片与裂片,得到由加热元件(101)、测量元件(102)与环境温度测量元件(103)集成在一起的甲烷传感器;
或制备方法(三)步骤为:
第一步至第十三步同制备方法(二)的第一步至第十三步,
第十四步,制备掩蔽版,所述掩蔽版上的图形与SOI硅片上的加热元件(101)、测量元件(102)的固定端(1001)、环境温度测量元件(103)的电极引出端(1031)的图形相同;掩蔽版置于SOI硅片正面之上并对准后,通过溅射、沉积方法制备金属,仅在加热元件(101)、测量元件(102)的固定端(1001)、环境温度测量元件(103)的电极引出端(1031)之上形成电引出焊盘金属(22);退火形成欧姆接触;
第十五步,对SOI硅片进行划片与裂片,得到由加热元件(101)、测量元件(102)与环境温度测量元件(103)集成在一起的甲烷传感器。
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