微热板气体传感器的MEMS工艺研究

发布时间：2017-11-07 07:36

  本文关键词：微热板气体传感器的MEMS工艺研究

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【摘要】：气体传感器广泛应用于检测可燃性气体、有毒气体以及大气成分。以MEMS工艺为基础的微热板式气体传感器以其低功耗、体积小、易集成的特点成为当前气体传感器领域的研究热点。大多数MEMS气体传感器采用铂金为加热丝,采用背面体硅加工技术实现微热板的悬空。钨是一种性能稳定的加热丝材料,替代铂金可降低成本；并且背面体硅加工存在尺寸偏大和功耗较高等问题。本文分别以化学性质稳定的钨和铂金作为加热丝,采用正面体硅腐蚀结构,对制造微热板过程中的MEMS工艺进行了研究。首先,根据微热板气体传感器的设计要求以及大连理工大学微系统中心MEMS工艺线的加工能力,设计了器件的层次和平面结构。利用Mentor Graphics设计软件,绘制了以4寸晶圆为基底的微热板气体传感器掩模版图。版图共分为三层,分别为加热丝层、腐蚀窗层、气敏电极层,其中的微热板采用四臂支撑结构,加热丝采用蛇形走线,宽度为7αm,微热板中心尺寸为100¨m*100岬。其次,根据现有设备条件,利用MEMS工艺开始微热板的制作,主要加工工艺包括：热氧化隔离工艺、制备氮化硅支撑层、铂金和钨加热丝加工、制备介质保护层、开腐蚀窗、制备气敏电极、切片、正面体硅腐蚀工艺、打印气敏材料、以及封装。加工过程中,考虑到微热板的结构稳定性以及残余应力的释放,调整了氧化硅以及氮化硅的沉积厚度和相对比例；考虑到加热丝的成膜质量以及图形化效果,采用了射频磁控溅射和剥离的方式；考虑到腐蚀悬空所用的碱性溶液在加热条件下会腐蚀钨,采用加入硅酸和过硫酸铵来降低溶液PH值的方法,既保护了钨也实现了正面体硅腐蚀。实现了MEMS工艺下铂金丝和钨丝微热板的全流程制作。最后,对引线封装后的芯片进行测试,包括加热丝阻值一致性测试、温阻特性测试、稳定性测试、功耗测试、热响应时间以及气敏测试。结果表明,正面体硅加工的MEMS技术可以获得集成度高、功耗低、热响应速度快、灵敏度高的微热板气体传感器。采用铂金加热丝的器件,在300℃以下的温阻特性稳定,并且由于铂金优异的耐腐蚀特性,在加工腐蚀过程中成品率极高。采用溅射工艺制备的钨加热丝电阻率显著高于体材料值,并且温敏特性不理想,这是由于溅射制备的钨薄膜处于亚稳态,可以通过溅射后高温热退火或者改变钨的镀膜工艺获得稳定的钨丝,从而制造出性能优良的钨丝微热板气体传感器。
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP212

【参考文献】

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本文编号：1151496