一种MEMS氢气传感芯片及其制备方法与流程

本发明属于微电子机械系统传感器，具体涉及一种mems氢气传感芯片及其制备方法。

背景技术：

1、随着社会的发展，氢气作为一种新能源被广泛开发应用。但是氢气极易燃，和氧气、一氧化碳以及空气混合均有爆炸的危险，这就对氢气的快速高效检测提出了新的要求。相比于其他常见的气体检测方法，气体传感器因具有较快的反应速度、较高的灵敏度，同时具有体积小、能耗低、价格低廉等优点，被应用于环境检测、工业安全生产气体检测等多个领域。

2、二氧化锡是一种电子型半导体材料，其对于氧化和还原性气体都具有良好的气敏响应，为常用的敏感材料。但是这种“普遍性”的性状，限制了二氧化锡对某种特定气体响应的选择性。现有技术通常采用掺杂的方法以提高传感器的选择性和灵敏度。钯(pd)只跟氢气发生反应，具有较好的吸氢和透氢性，常作为掺杂的材料。当二氧化锡表面存在钯时，会形成一种“过滤膜”，能够提高材料对氢气的选择性；此外钯对氢气反应具有催化作用，有效降低气体反应所需的能量、工作温度、提高响应恢复速度；且钯和二氧化锡之间形成了肖特基势垒，能够提高响应值、降低检测限度。但是仍然存在工作温度低、选择性差等问题，难以满足复杂环境下氢气的检测。

3、目前，基于微电子机械系统(mems)的金属氧化物半导体气体传感器已成为研究重点，通过mems工艺将气敏材料集成制备在微热板上，可在较低的功耗下达到较高的温度，并实现传感器的批量化生产。因此，亟需探索一种新型氢气传感器的制备方法，以满足复杂环境下氢气的检测，这对与气体传感器的改进具有重要意义。

技术实现思路

1、本发明的目的之一在于提供一种mems氢气传感芯片的制备方法，该制备方法简单易操作。

2、为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、一种mems氢气传感芯片的制备方法，包括以下步骤：

4、(1)制备正面绝缘层、背面掩蔽层：在硅片的正面、背面通过热氧化法制备490～510nm的sio2薄膜，在sio2薄膜上通过等离子体增强化学气相沉积法沉积240～260nm的si3n4薄膜，于500～600℃保护气体下退火处理5～6h，制得正面绝缘层、背面掩蔽层；本发明采用sio2和si3n4堆叠而成的复合薄膜结构，利用两类薄膜不同的应力状态进行补偿，提高绝缘层和掩蔽层的稳定性；

5、(2)制备气敏材料：在步骤(1)制得的硅片正面通过匀胶光刻显影法制作气敏材料掩膜；然后射频溅射沉积100～150nm的sio2薄膜、直流溅射沉积5～10nm的钯薄膜；经剥离、500～600℃保护气体下退火处理，制得气敏材料；本发明通过磁控溅射工艺在材料表面沉积钯，基于沉积钯含量较低时，催化效果较差；当沉积钯含量较高形成连续薄膜时，会导致导通，因此本发明严格控制钯含量为5～10nm；

6、(3)制备电极层：在步骤(2)制得的硅片正面通过匀胶光刻显影法制作电极层掩膜；通过电子束蒸发依次沉积30～50nm的cr粘附层、200～250nm的au电极层；经剥离、退火处理制得电极层；本发明的电极层由测试电极、加热电极、引线盘组成，测试电极设计成叉指结构，覆盖在气敏材料上，加热电极充分包围气敏材料，确保加热均匀，以提供稳定的工作温度；

7、(4)制备悬臂窗口：在步骤(3)制得的硅片正面通过匀胶光刻显影法制作悬臂窗口掩膜，通过干法刻蚀绝缘层，制得悬臂窗口；

8、(5)制备绝热槽：清洗步骤(4)制得的硅片，通过匀胶光刻显影法在硅片的背面制作绝热槽掩膜；通过干法刻蚀依次进行背面掩蔽层刻蚀、深硅循环刻蚀，制得绝热槽；

9、(6)清洗、切片：对步骤(5)制得的硅片进行清洗、激光隐切，制得mems氢气传感芯片。

10、进一步地，所述步骤(2)制得气敏材料的尺寸为(90～110)μm×(90～110)μm，气敏材料位于传感芯片的中心位置。

11、进一步地，所述步骤(4)悬臂窗口的个数为六个，尺寸为(150～170)μm×(60～80)μm，悬臂窗口围绕气敏材料呈矩形分布，其中矩形的长边设置两个悬臂窗口，短边设置一个悬臂窗口；所述步骤(4)干法刻蚀具体为，采用蚀刻机分别刻蚀si3n4层190～210s、sio2层190～210s。

12、进一步地，所述步骤(5)干法刻蚀具体为，采用蚀刻机分别刻蚀si3n4层190～210s，sio2层190～210s，然后通过深硅循环刻蚀去除硅衬底；其中循环过程中钝化和刻蚀胶交替进行，刻蚀至绝缘层停止；所述步骤(5)绝热槽的尺寸为(430～450)μm×(430～450)μm。

13、进一步地，所述步骤(2)、(3)匀胶光刻显影法，包括分别在低速450～550r/min、5～7s，高速1400～1600r/min、38～42s旋涂粘附剂六甲基二硅胺烷，120℃烘干8～12min；然后分别在低速450～550r/min、5～7s，高速900～1100r/min、38～42s旋涂光刻胶epg535，95℃烘干4～6min；将掩模版和硅片进行对准，曝光6～8s、显影17～25s，110℃烘干18～22min。

14、进一步地，所述步骤(4)匀胶光刻显影法，包括分别在低速450～550r/min、5～7s，高速2800～3200r/min、45～55s旋涂光刻胶az4620，95℃烘干4～6min；将掩模版和硅片进行对准，曝光28～32s、显影75～100s，110℃烘干18～22min，135℃下坚膜55～65min。

15、进一步地，所述步骤(5)匀胶光刻显影法，包括在硅片正面分别在低速450～550r/min、5～7s，高速900～1100r/min、38～42s旋涂光刻胶epg535，95℃烘干4～6min；在硅片背面分别在低速450～550r/min、5～7s，高速2800～3200r/min、45～55s旋涂光刻胶az4620，95℃下烘干4～6min；将掩模版和硅片进行对准，曝光28～32s、显影75～100s，110℃烘干18～22min，135℃下坚膜55～65min。

16、进一步地，所述步骤(3)、(4)剥离是将制得硅片在丙酮溶液中浸泡1～2h，超声处理5～10min；然后依次在无水乙醇、去离子水中浸泡超声4～6min；经氮气枪吹干，110℃下烘干18～22min。

17、进一步地，所述步骤(5)、(6)的清洗具体为，将制得的硅片依次在丙酮溶液中浸泡5～10min、无水乙醇中浸泡4～6min、去离子水中浸泡4～6min，于110℃下烘干18～22min。

18、本发明的目的之二在于提供一种mems氢气传感芯片，该芯片适用于制备高性能氢气传感器。

19、为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

20、一种mems氢气传感芯片，采用上述mems氢气传感芯片的制备方法制备得到。

21、本发明与现有技术相比，其有益效果为：

22、(1)本发明通过双面干法刻蚀制备悬浮式结构的氢气传感芯片，悬浮式结构的氢气传感芯片的悬臂较短，不易发生变形，具有承受更高的温度，高机械强度的优点；

23、(2)本发明提供的制备方法，具有效率高、易于控制的优点；

24、(3)本发明通过大量试验证明，采用该传感芯片制得的氢气传感器，具有良好的稳定性、较快的响应恢复速度，能够满足复杂工况环境下的气体测量，即本发明的氢气传感芯片适用于制备高性能的氢气传感器。