CN103472097B - 一种可回收重复制备的微瓦斯传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种可回收重复制备的微瓦斯传感器及其制备方法，属于微瓦斯传感器及其制备方法。该微瓦斯传感器的硅加热器中间有散热-支撑硅块；硅悬臂的一端与硅微加热器一侧相连，硅悬臂的另一端与硅支座上的固定端连接；固定端设在硅支座的埋层氧化硅上，固定端的硅层内设有掺杂硅层，金属层通过氧化硅层的窗口与固定端的掺杂硅层相接触构成欧姆接触；硅加热器完全嵌入在催化剂载体中，催化剂载体贯穿于硅加热器的中间，催化剂载体自身形成一个整体结构；采用MEMS加工的用于煤矿井下检测瓦斯浓度的低功耗瓦斯传感器，制备工艺与CMOS工艺兼容，可批量生产；该瓦斯传感器可以回收后重复制备催化剂载体及催化剂，硅微传感器使用寿命长、性能稳定、体积小、成本低。
Description
技术领域
本发明涉及一种微瓦斯传感器及其制备方法，特别是一种可回收重复制备的微瓦斯传感器及其制备方法。
背景技术
目前基于传统铂丝加热的催化燃烧式瓦斯传感器仍在煤矿井下广泛应用，但其功耗较大，不能很好的满足物联网对低功耗瓦斯传感器的应用需求。而其它的瓦斯传感器则无法适应煤矿井下高湿度的环境，尤其是井下便携装备的应用需求。
现有报道的微瓦斯传感器，大多仍是采用金属铂作为加热材料，加热用的金属铂制作在硅支撑材料上，金属铂制作的加热电阻同时也是测温电阻，催化剂载体负载在支撑面上，由于制作的铂电阻是薄层电阻、淀积铂之前需要粘附性的材料，这些导致了铂电阻的寿命较短，从而直接影响到了传感器的寿命。传统的催化燃烧式瓦斯传感器，由于绕制使用的铂丝直径小、绕制后的铂丝长度有限，即使在溶解掉催化剂载体后也无法重新绕制，因此无法进行重新制备，因此使用过后的传感器只有被遗弃掉。
发明内容
技术问题：本发明的目的是提供一种可回收重复制备的微瓦斯传感器及其制备方法，解决现有技术的热催化燃烧式瓦斯传感器等气体传感器无法通过重新制备催化剂载体与催化剂而延长传感器加热元件使用时间、降低生产与使用成本的问题。
技术方案：本发明的目的是这样实现的：该微瓦斯传感器包括硅支座、固定端、对称设置的硅悬臂、硅加热器及催化剂载体；所述的硅加热器较佳为圆环形，圆环形硅加热器的中间较佳设有两个对称内伸的散热-支撑硅块；所述的硅支座包括硅衬底与设在硅衬底上的埋层氧化硅；所述的硅悬臂、硅加热器均包括支撑硅层、设在支撑硅层外的氧化硅层；所述硅悬臂的一端与硅加热器一侧相连，另一端与硅支座上的固定端连接；所述固定端设在硅支座的埋层氧化硅上，固定端包括支撑硅层、设在支撑硅层外的氧化硅层、设在氧化硅层上的作为电引出焊盘Pad的金属层，固定端的支撑硅层内设有掺杂硅层，所述电引出焊盘Pad的金属层通过氧化硅层的窗口与固定端的掺杂硅层相接触以形成欧姆接触；所述硅加热器完全嵌入在催化剂载体中，尤其催化剂载体贯穿于硅加热器的中间，催化剂载体是一个完整的整体结构。
制备方法包括：首次制备方法与重复制备方法；
首次制备方法包括：分离硅器件制备方法、引线键合方法与催化剂载体包裹硅加热器的方法；分离硅器件制备方法的具体步骤为：
第一步，在SOI硅片上制备氧化硅层；图形化顶层硅即支撑硅层之上的氧化硅层；开窗后掺杂或离子注入；淀积金属，图形化金属形成电引出焊盘Pad的金属；
第二步，刻蚀SOI硅片顶层硅即支撑硅层，刻蚀停止于埋层氧化硅，形成固定端、硅悬臂与硅加热器的图形；
第三步，湿法刻蚀或干法刻蚀SOI硅片底层硅，即硅衬底，刻蚀停止于埋层氧化硅，在SOI硅片背面形成硅杯结构；
第四步，湿法或干法刻蚀上一步形成硅杯后所暴露出的埋层氧化硅，释放出硅悬臂与硅加热器结构；
第五部，按照划线槽划片，得到微瓦斯传感器的分离硅器件，划片后仅保留与硅加热器相连的固定端一侧的硅支座材料；
所述的引线键合方法为：将所述的微瓦斯传感器或其分离硅器件固定于支撑板上，固定时至少将硅加热器及硅悬臂定位伸出支撑板外，支撑板上设有金属电极；金属引线连接支撑板上的金属电极与所述微瓦斯传感器或分离硅器件上的电引出焊盘Pad的金属层；
所述的催化剂载体包裹硅加热器的方法为：将微喷印设备的喷嘴对准硅加热器，先单面对准并喷印或滴注液态或胶态催化剂载体，硅加热器及其内伸的两个散热-支撑块支撑负担催化剂载体，且催化剂载体饱满得贯穿于硅加热器的圆环中；之后再对准翻转过来的硅加热器的另一面并喷印或滴注催化剂载体，使硅加热器正反两面上的催化剂载体形成一个整体并完整包裹硅加热器，得到整体式包裹硅加热器的催化剂载体的元件；干燥后根据需要在得到的催化剂载体上以喷印、滴注或浸渍的方式制作或不制作催化剂，然后干燥；
所述的重复制备方法：将回收的负载有催化剂载体的硅加热器及部分硅悬臂浸入化学溶液中进行腐蚀，其余部分则保持在化学溶液的液面之上，待去除催化剂载体后，清洗并烘干；采用催化剂载体包裹硅加热器的方法重新制备催化剂载体及催化剂；采用重复制备方法可进行多次重复制备。
有益效果，本发明提供了从MEMS器件结构、到其加工制备、器件定位、引线键合、催化剂载体制作与重新制备的微瓦斯传感器的系统制备方法。本发明的可回收重复制备的微瓦斯传感器，采用硅加热器加热催化剂载体，所述硅加热器同时也是检测温度的元件，施加一定的电流或电压到硅加热器使催化剂达到所需的高温工作状态，当有瓦斯气体与氧气与工作状态的传感器接触时，发生放热反应，传感器温度升高，导致其电压或电流发生变化，检测该电压或电流的变化，即可获知瓦斯的浓度。本发明的瓦斯传感器可构成惠斯通电桥检测瓦斯浓度。采用本发明的方案，当微瓦斯传感器的催化剂性能降低或劣化后，利用本发明的微加热器结构及其在支撑板的引线定位，可以再制备催化剂载体与催化剂，重新获得性能完好的瓦斯传感器。
采用本发明的方案，有利于提高加热器的电-发热效率，其使用寿命长，该加热器可重复使用；硅加热器负载整体式的催化剂，即整体式的催化剂全面包裹加热器，减少了加热器的一个散热路径，从而高效地利用了加热器的热量，保证了低功耗的性能。所提供的微瓦斯传感器，其制备方法可与CMOS工艺兼容，批量制作可降低成本、并提高一致性；传感器的功耗低而灵敏度高，能够满足煤矿井下环境物联网对瓦斯传感器的需求；尤为突出的是能回收后重新制备催化剂载体及催化剂。
优点：该微瓦斯传感器降低了功耗并具有较高的灵敏度，能够回收后重复制备催化剂载体及催化剂，相当于延长了传感器的使用寿命，降低了生产及使用成本、减少电子器件 遗弃所造成的污染。同时，本发明的微瓦斯传感器还具有低功耗、微型化的优点。
附图说明
图1为本发明的分立硅器件的俯视示意图。
图2为本发明的分立硅器件负载催化剂载体后的俯视示意图。
图3为本发明的分立硅器件负载催化剂载体后的主视示意图。
图4为本发明的微瓦斯传感器或分立硅器件的固定端的剖视图，即图2中的A-A截面剖视图。
图5为本发明的分立硅器件负载催化剂载体后的剖视图，即图2中的B-B截面剖视图。
图6为本发明的划片示意图。
图7为本发明微瓦斯传感器或分立硅器件的引线键合示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步的描述：MEMS加工实际造成的硅悬臂、硅加热器等构件的图形可能会不同于本发明的描述，仍属本发明所主张的权利要求范围。
实施例1：在图1、图2和图3中，该微瓦斯传感器包括：硅支座101、固定端102、对称设置的硅悬臂103、硅加热器104及催化剂载体106；所述的硅加热器104较佳为圆环形，圆环形硅加热器104的中间较佳设两个对称内伸的散热-支撑硅块105；所述的硅支座101包括硅衬底11与设在硅衬底11上的埋层氧化硅12；所述的硅悬臂103、硅加热器104均包括支撑硅层21、设在支撑硅层21外的氧化硅层23；所述硅悬臂103的一端与硅加热器104一侧相连，另一端与硅支座101上的固定端102连接；所述固定端102设在硅支座101的埋层氧化硅12上，固定端102包括支撑硅层21、设在支撑硅层21外的氧化硅层23、设在氧化硅层23上的作为电引出焊盘Pad的金属层22，固定端102的支撑硅层21内设有掺杂硅层24，所述电引出焊盘Pad的金属层22通过氧化硅层23的窗口与固定端的掺杂硅层24相接触以形成欧姆接触，如图4所示；所述硅加热器104完全嵌入在催化剂载体106中，尤其催化剂载体106贯穿于硅加热器104的中间，催化剂载体106是一个完整的整体结构，如图5所示。
制备方法包括：首次制备方法与重复制备方法；
首次制备方法包括：分离硅器件110制备方法、引线键合方法与催化剂载体包裹硅加热器的方法；所述的首次制备次序为先采用分离硅器件制备方法制备得到分立硅器件；之后再采用引线键合方法、催化剂载体包裹硅加热器的方法，完成首次制备；
所述的分离硅器件110制备方法的具体步骤为：
第一步，在SOI硅片上制备氧化硅层23；图形化顶层硅即支撑硅层21之上的氧化硅层23；开窗后掺杂或离子注入；淀积金属，图形化金属形成电引出焊盘Pad的金属22；
第二步，刻蚀SOI硅片顶层硅即支撑硅层21，刻蚀停止于埋层氧化硅12，形成固定端102、硅悬臂103与硅加热器104的图形；
第三步，湿法刻蚀或干法刻蚀SOI硅片底层硅，即硅衬底11，刻蚀停止于埋层氧化硅12，在SOI硅片背面形成硅杯结构；
第四步，湿法或干法刻蚀上一步形成硅杯后所暴露出的埋层氧化硅12，释放出硅悬臂103与硅加热器104结构；
第五步，按照划线槽601路径划片，如图6所示；得到微瓦斯传感器的分离硅器件110，划片后仅保留与硅加热器104相连的固定端102一侧的硅支座材料；
随后采用下述的引线键合方法、催化剂载体包裹硅加热器104的方法进行首次制备：
引线键合方法：制作引线，如图7所示将所述的微瓦斯传感器固定于支撑板107上，固定时至少将硅加热器104及硅悬臂103定位伸出支撑板107外，支撑板107上设有金属电极108；金属引线109连接支撑板107上的金属电极108与所述微瓦斯传感器的分离硅器件110上的电引出焊盘Pad的金属层22；
催化剂载体包裹硅加热器104的方法为：将微喷印设备的喷嘴对准硅加热器104，先单面对准并喷印或滴注液态或胶态催化剂载体，硅加热器104及其内伸的两个散热-支撑块105支撑负担催化剂载体106，且催化剂载体饱满得贯穿于硅加热器104的圆环中；之后翻转硅器件，对准翻转过来的硅加热器104的另一面喷印或滴注催化剂载体，得到整体式包裹硅加热器的催化剂载体106的元件；干燥后根据需要在得到的催化剂载体106上以喷印、滴注或浸渍的方式制作或不制作催化剂，然后干燥；完成首次制备；
所述重复制备方法为：可回收重复制备的微瓦斯传感器的回收后的重复制备方法，其方法为，将负载有催化剂载体的硅加热器104及部分硅悬臂103浸入化学溶液中进行腐蚀，其余部分则保持在化学溶液的液面之上，待去除催化剂载体后，清洗并烘干；进行所述的催化剂载体包裹硅加热器的方法制备催化剂载体及催化剂，完成重新制备；采用重复制备方法可进行多次重复制备。
实施例2：所述的引线键合方法：制作传感器的引线，如图7所示将所述分离硅器件110固定于支撑板107上，固定时至少将硅加热器104及硅悬臂103定位伸出支撑板107外，支撑板107上设有金属电极108；金属引线109连接支撑板107上的金属电极108与所述微瓦斯传感器的分离硅器件110上的电引出焊盘Pad的金属层22。
首次制备次序为先采用分离硅器件制备方法制备得到分立硅器件110；之后再依次采用催化剂载体包裹硅加热器的方法、引线键合方法完成首次制备。
其它与实施例1同。
Claims (2)
1.一种可回收重复制备的微瓦斯传感器，其特征是：该微瓦斯传感器包括硅支座（101）、固定端（102）、对称设置的硅悬臂（103）、硅加热器（104）及催化剂载体（106）；所述硅加热器（104）为圆环形，圆环形硅加热器（104）的中间较佳设有两个对称内伸的散热-支撑硅块（105）；所述硅支座（101）包括硅衬底（11）与设在硅衬底（11）上的埋层氧化硅（12）；所述硅悬臂（103）、硅加热器（104）均包括支撑硅层（21）、设在支撑硅层（21）外的氧化硅层（23）；所述硅悬臂（103）的一端与硅加热器（104）一侧相连，另一端与硅支座（101）上的固定端（102）连接；所述固定端（102）设在硅支座（101）的埋层氧化硅（12）上，固定端（102）包括支撑硅层（21）、设在支撑硅层（21）外的氧化硅层（23）、设在氧化硅层（23）上的作为电引出焊盘Pad的金属层（22），固定端（102）的支撑硅层（21）内设有掺杂硅层（24），所述电引出焊盘Pad的金属层（22）通过氧化硅层（23）的窗口与固定端的掺杂硅层（24）相接触以形成欧姆接触；所述硅加热器（104）完全嵌入在催化剂载体（106）中，尤其催化剂载体（106）贯穿于硅加热器（104）的中间，催化剂载体（106）是一个完整的整体结构。
2.一种权利要求1所述的可回收重复制备的微瓦斯传感器的制备方法，其特征在于：包括首次制备方法与重复制备方法；
首次制备方法包括：分离硅器件（110）制备方法、引线键合方法与催化剂载体包裹硅加热器的方法；
分离硅器件（110）制备方法的具体步骤为：
第一步，在SOI硅片上制备氧化硅层（23）；图形化顶层硅即支撑硅层（21）之上的氧化硅层（23）；开窗后掺杂或离子注入；淀积金属，图形化金属形成电引出焊盘Pad的金属层（22）；
第二步，刻蚀SOI硅片顶层硅即支撑硅层（21），刻蚀停止于埋层氧化硅（12），形成固定端（102）、硅悬臂（103）与硅加热器（104）的图形；
第三步，湿法刻蚀或干法刻蚀SOI硅片底层硅，即硅衬底（11），刻蚀停止于埋层氧化硅（12），在SOI硅片背面形成硅杯结构；
第四步，湿法或干法刻蚀上一步形成硅杯后所暴露出的埋层氧化硅（12），释放出硅悬臂（103）与硅加热器（104）结构；
第五部，按照划线槽（601）划片，得到微瓦斯传感器的分离硅器件（110），划片后仅保留与硅加热器（104）相连的固定端（102）一侧的硅支座材料；
所述的引线键合方法为：将所述的微瓦斯传感器或其分离硅器件（110）固定于支撑板（107）上，固定时至少将硅加热器（104）及硅悬臂（103）定位伸出支撑板（107）外，支撑板（107）上设有金属电极（108）；金属引线（109）连接支撑板（107）上的金属电极（108）与所述分离硅器件（110）上的电引出焊盘Pad的金属层（22）；
所述的催化剂载体包裹硅加热器的方法为：将微喷印设备的喷嘴对准硅加热器（104），先单面对准并喷印或滴注液态或胶态催化剂载体，硅加热器（104）及其内伸的两个散热-支撑块（105）支撑负担催化剂载体（106），且催化剂载体饱满得贯穿于硅加热器（104）的圆环中；之后再对准硅加热器（104）的另一面并喷印或滴注催化剂载体，使硅加热器正反两面上的催化剂载体形成一个整体并完整包裹硅加热器，得到整体式包裹硅加热器（104）的催化剂载体（106）的元件；干燥后根据需要在得到的催化剂载体（106）上以喷印、滴注或浸渍的方式制作或不制作催化剂，然后干燥；
首次制备次序为先采用分离硅器件制备方法制备得到分离硅器件（110）；之后再先后采用引线键合方法、催化剂载体包裹硅加热器的方法，或先采用催化剂载体包裹硅加热器的方法再采用引线键合方法完成制备；
所述的重复制备方法：将回收的负载有催化剂载体的硅加热器（104）及部分硅悬臂（103）浸入化学溶液中进行腐蚀，其余部分则保持在化学溶液的液面之上，待去除催化剂载体(106)后，清洗并烘干；采用催化剂载体包裹硅加热器的方法重新制备催化剂载体及催化剂；采用重复制备方法可进行多次重复制备。
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