MEMS离子栅门及制备方法

本发明属于离子迁移传感器技术，具体涉及到用于离子迁移传感器的微电机械系统(mems)离子栅门及制备方法，更具体地为mems离子栅门及制备方法。本发明可以提高离子栅门的电极密度、共面度和热稳定性，提升离子迁移传感器物质检测分辨力，同时便于实现陶瓷迁移管的一体化封接，简化迁移管的制备过程。

背景技术：

1、离子栅门是离子从离化区进入迁移区的通道，是利用电场对离子通过与否进行控制的装置。离子栅门的作用是为离子的漂移运动提供时间上的起点，使其“同时”开始向法拉第盘运动，从而得到不同离子的谱图。

2、离子栅门有bn(bradbury-nielson)型和tp(tyndall)型两种，两者在结构和控制原理上均存在差异。bn离子栅门将两组相互绝缘的细金属丝在同一平面以很小的间距平行排列，形成叉指状。当需要离子门关闭时，在相邻两个金属丝间施加一电势差，两组金属丝之间即会产生垂直于漂移电场方向的电场eg，离子在eg作用下运动方向发生偏转，最终碰撞在金属丝上被中和；当需要离子门开启时，将相邻两金属丝电势差设置为0，垂直方向电场消失，离子即可正常通过离子栅门并到达法拉第盘。tp离子栅门同样由两组相互绝缘的金属丝构成，但其并未形成叉指状，而是拉开一定距离后相对排列。当需要离子门关闭时，两组金属丝间形成与漂移电场方向相反的电场eg，当反向电场eg足够强时，即可将离子阻隔；当需要离子门开启时，通过改变外加电压将eg方向变为与漂移电场方向相同，离子即可顺利通过。tp离子栅门结构更加简单，便于加工制造。但是，其存在离子注入效率低、离子损失较大的问题。因此，离子迁移传感器多采用bn门结构。图1为离子栅门结构及工作原理示意图。

3、离子栅门电极线条宽度、间距及共面度直接影响离子迁移传感器的灵敏度及分辨力。如何改善离子栅门结构及制备方法以实现离子栅门电极的细线条、高密度及平行共面，并使离子栅门同迁移管的金属陶瓷封接工艺兼容从而实现一体化加工是本领域的难点之一。

4、传统的bn离子栅门制备方法为金属丝绕线法，即将两组相互交替的平行金属丝绕到一个带焊盘的绝缘基底上，之后通过焊接固定金属丝。该方法中金属丝间距和平行度的控制难度较大，且在后续离子迁移谱传感器漂移管的温循过程中容易变形。同时，受制于金属丝和焊料的热特性，该方法制备的离子栅门无法满足迁移管金属陶瓷封接工艺要求，一般采用胶粘方法实现离子栅门同迁移管离化区、漂移区的连接，机械强度难以保证。

技术实现思路

1、本发明利用微电机械系统(mems)加工技术制备离子栅门，提高离子栅门的加工精度进而提升离子迁移传感器物质检测分辨力，同时实现迁移管的一体化封接，简化迁移管的制备过程。

2、本发明采用以下技术方案：

3、一种mems离子栅门，所述mems离子栅门由硅片或者soi片制备；所述mems离子栅门由硅框架和两组相互平行的栅网电极构成，其中一组栅网电极与硅框架外侧电极焊盘相连，另外一组栅网电极通过硅框架外侧电极处的硅通孔(tsv)连接到mems离子栅门背面电极焊盘；栅网电极中设置有加固梁。

4、一种如上所述的mems离子栅门的制备方法，包括以下步骤：

5、(a)清洗低阻soi硅片；(b)分别采用光刻、薄膜沉积工艺在soi硅片器件层及衬底层表面硅框架位置沉积厚度100nm～500nm的金/铬或铂金/钛等金属层作为电极及电极焊盘；(c)在器件层硅表面光刻形成掩模图形，采用硅深刻蚀工艺去除部分器件层硅形成栅网电极，并在器件层硅框外侧电极处形成硅通孔(tsv)；(d)采用硬掩膜或光刻工艺，结合刻蚀工艺去除硅通孔(tsv)底部埋氧层氧化硅；(e)采用薄膜沉积工艺在硅通孔内沉积金属，联通对应器件层电极和衬底层硅；(f)背面光刻，硅深刻蚀或者各向异性湿法腐蚀去除栅网电极所在区域的衬底层硅，并形成加固梁结构；(g)背面刻蚀去除电极所在区域的埋氧层氧化硅，释放栅网电极结构。

6、进一步地，本发明中低阻soi硅片是指电阻率为5×10-5ωcm～1×10-2ωcm的soi硅片。

7、一种如上所述的mems离子栅门的制备方法，包括以下步骤：

8、(a)清洗低阻soi硅片；(b)采用光刻、薄膜沉积工艺在soi硅片衬底层表面硅框架位置沉积厚度100nm～500nm的金/铬或铂金/钛等金属层作为电极焊盘；(c)在器件层硅表面光刻形成电极焊盘及栅网电极图形，沉积厚度100nm～500nm的金/铬、铂金/钛等金属层作为电极、电极焊盘及栅网电极导电层；(d)采用硅深刻蚀工艺去除部分器件层硅形成栅网电极，并在器件层形成硅通孔(tsv)；(e)采用硬掩膜或光刻工艺，结合刻蚀工艺去除硅通孔(tsv)底部埋氧层氧化硅；(f)采用薄膜沉积工艺在硅通孔内沉积金属，联通对应器件层电极和衬底层硅；(g)背面光刻，硅深刻蚀或者各向异性湿法腐蚀去除栅网电极所在区域的衬底层硅，并形成加固梁结构；(h)背面刻蚀去除电极所在区域的埋氧层氧化硅，释放栅网电极结构。

9、一种离子栅门组件，所述离子栅门组件由如上所述的mems离子栅门、两个可伐合金连接片及陶瓷环构成；两个可伐合金连接片与陶瓷环利用高温焊料，采用陶瓷金属封接工艺连接；同时，两个可伐合金连接片的弹性连接结构与mems离子栅门上下两面的电极焊盘通过高温焊料焊接固定并实现电气联通。

10、进一步地，两组栅网电极共面度小于2μm，栅网电极厚度为5μm—400μm，宽度为10μm—300μm，间距为100μm—1500μm。

11、有益效果：

12、与现有技术相比，本发明实现了细线条、高密度、低热应力、大面积平行共面离子栅门的高精度批量加工，避免了传统离子栅门因装配误差导致的开关同步性差问题；同时，借助单晶硅热稳定性和抗疲劳性能好高的优异特性，避免了传统离子栅门电极温循形变导致谱峰分辨力降低的问题。

技术特征：

1.一种mems离子栅门，其特征在于：

2.一种如权利要求1所述的mems离子栅门的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

3.一种如权利要求1所述的mems离子栅门的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

4.一种离子栅门组件，其特征在于：

技术总结一种MEMS离子栅门及制备方法，具体涉及到用于离子迁移传感器的微电机械系统(MEMS)离子栅门及制备方法。本发明通过引入MEMS工艺进行离子栅门的加工，可以提高离子栅门的电极密度、共面度和热稳定性，进而提升离子迁移传感器物质检测分辨力，同时便于实现迁移管的一体化封接，简化迁移管的制备过程。技术研发人员：高晓光,何秀丽,贾建受保护的技术使用者：中国科学院空天信息创新研究院技术研发日：技术公布日：2024/2/6