用半导体工艺制作平面式气体传感器基底的方法.pdf

本发明提供了一种用半导体工艺制作平面式气体传感器基底的方法，利用MEMS加工工艺在硼化玻璃或石英平面上制作平面型管芯，从而提供一种与敏感材料结合紧密的气体传感器的基底，包括以下步骤：(1)预备基底材料：切割并抛光硼化玻璃或石英；(2)金属电极溅射前预处理：用缓冲氢氟酸溶液浸泡基底后，清洗并吹干；(3)溅射方法制备金属电极：第一次光刻，胶厚0.5至2.0微米；采用间歇式溅射方法在基底表面依次溅射Cr、Pt、Au三层金属薄膜；第二次光刻，胶厚0.5至2.0微米；腐蚀；清洗；(4)金属电极溅射后处理：基底在氮气保护下高温退火；用硫酸浸泡后清洗干净并吹干；划片；裂片。

权利要求书
1、  一种用半导体工艺制作平面式气体传感器基底的方法，包括如下步骤：
(1)预备基底材料：
将硼化玻璃或石英切割成厚度为0.15至0.5毫米的薄片，然后抛光，使其表面粗糙度达到颗粒直径为0.5至5微米，再用稀硫酸煮沸20至60分钟后，分别放入去离子水和无水乙醇中用超声波清洗干净，再用压缩空气吹干；
(2)金属电极溅射前预处理：
将步骤(1)预备好的硼化玻璃或石英置于浓度为20％至80％的缓冲氢氟酸溶液中，用超声波搅拌1至5分钟，接着先后在去离子水和无水乙醇中用超声波清洗干净，再用压缩空气吹干；
(3)溅射方法制备金属电极，包括如下步骤：
第一次光刻，胶厚0.5至2.0微米；
采用间歇式溅射方法在基底表面依次溅射Cr、Pt、Au三层金属薄膜；
第二次光刻，胶厚0.5至2.0微米；
腐蚀；
清洗；
(4)金属电极溅射后处理，包括如下步骤：
基底在氮气保护下，200℃至500℃温度范围内退火5至60分钟；
保持氮气，冷至室温取出；
在浓度为5％至25％的硫酸中浸泡2至10秒钟；
先后放入去离子水和无水乙醇中用超声波清洗干净；
用压缩空气吹干；
划片，余厚20至100微米；
裂片。

2、  如权利要求1所述的用半导体工艺制作平面式气体传感器基底的方法，其特征在于，所述的步骤(3)还包括对基底表面进行三次轰击活化的步骤，且所述的三次轰击活化步骤分别处于溅射三层金属之前，每次时间为5至30分钟。

3、  如权利要求2所述的用半导体工艺制作平面式气体传感器基底的方法，其特征在于，所述的步骤(3)还包括在溅射第二层金属之后和对基底表面进行第三次轰击活化之前对基底进行剥离和清洗的步骤。

4、  如权利要求2或3所述的用半导体工艺制作平面式气体传感器基底的方法，其特征在于，所述的三层金属薄膜Cr、Pt、Au的厚度分别为：100至400、1000至4000、200至1000。

说明书用半导体工艺制作平面式气体传感器基底的方法
技术领域
本发明涉及一种气体传感器基底的制作方法，特别涉及一种用半导体工艺制作平面式气体传感器基底的方法。
背景技术
传统气体传感器为陶瓷管结构的管芯，由手工制作而成，有两个缺点：一是敏感电极用金浆手工描制而成，一致性差，不适合大批量生产；二是加热方式是通过陶瓷管基底间接加热，热量利用率底，体积大，元件加热功耗高，不适合便携式仪表及楼宇智能控制弱电系统的要求。对平面式气体传感器元件也有探索，一般分为两种，一种是平面厚膜元件，利用丝网印刷方法在陶瓷平面上印制加热丝、信号电极，成膜方式也是丝网印刷，此法解决了管芯电极的一致性问题，但由于丝网制版技术局限，管芯面积仍较大，而且功耗高的问题依然没有得到解决；另一种是半导体工艺技术制造的溅射薄膜元件，此法既解决了管芯电极的一致性问题，又使管芯面积缩小，大大提高元件的一致性和降低元件功耗，但这种平面式管芯的成膜方式为溅射成膜，制得的敏感膜组分不易控制，对气体的灵敏度太低，最重要的是稳定性差，难以产品化。因此，对于目前的气体传感器，在保证一定灵敏度、稳定性的前提下，实现加热功耗低、一致性好、适合批量生产的气体传感器，是市场所急需的。
目前新的涂膜方式即溅射法制备敏感材料薄膜对管芯基底的要求是：敏感材料与管芯表面粘附性好。
发明内容
本发明克服了现有技术的不足，提供了一种用半导体工艺制作平面式气体传感器基底的方法，利用MEMS(microeletromechanical-system，微机电系统)加工工艺对平面式气体传感器的基底材料进行物理、化学处理，从而实现了与敏感材料结合紧密的平面式气体传感器基底的工业化生产。具体地说，本发明是利用MEMS技术在硼化玻璃或石英上制作平面型管芯，从而提供一种与敏感材料结合紧密的气体传感器的基底。
本发明提供的用半导体工艺制作平面式气体传感器基底的方法包括如下步骤：
1、预备基底材料：
选择以二氧化硅为主要成分地硼化玻璃或石英作为基底材料，经过切割、抛光后，制成表面具有一定粗糙度的薄片。其中，一定粗糙程度的表面可以保证敏感薄膜的抗机械冲击能力。
2、金属电极溅射前预处理：
在溅射金属电极之前，先用酸性溶液活化玻璃表面，再清洗干净，以保证基底材料表面达到足够的粗糙程度，同时保证表面洁净无污染，以增加金属电极与基底材料的粘附性及敏感材料与基底的粘附性。
3、溅射方法制备金属电极：
在玻璃平面上，利用半导体工艺的光刻、溅射、划片技术制造微小尺寸，即，管芯尺寸至1mm×3mm，金属电极达μm级)的管芯电极结构，并进行物理、化学活化处理。
4、电极溅射后处理：
在基底上溅射电极之后，经过高温退火，使金属与基底结合紧密，即可制成能与敏感材料紧密结合的平面式气体传感器的基底。
其中，在上述第1个步骤中，还包括如下步骤：
(1)、将硼化玻璃或石英切割成厚为0.15至0.5毫米的薄片；
(2)、抛光，使薄片表面达到一定的粗糙度，表面颗粒直径为0.5至5微米；
(3)、先用去离子水超声波清洗，接着用无水乙醇超声波清洗；
(4)、压缩空气吹干基底。
其中，在上述第2个步骤中，还包括如下步骤：
(1)、将基底材料放入浓度为20％至80％的缓冲氢氟酸溶液中，超声波搅拌1至5分钟；
(2)、将基底材料先放入去离子水中超声波清洗，接着放入无水乙醇中超声波清洗，直至干净为止；
(3)、用压缩空气吹干基底材料。
其中，在上述第3个步骤中，还包括如下步骤：
(1)、第一次光刻，胶厚0.2至2.0微米；
(2)、溅射：三层金属及其厚度分别为：第一层Cr，100~400；第二层Pt，1000~4000；第三层Au，200~1000。采用间歇式溅射，以防止温度过高将光刻胶烤坏；
(3)、第二次光刻，胶厚0.2至2.0微米；
(4)、腐蚀；
(5)、清洗。
进一步地，在上述步骤(2)中，每次溅射金属之前均对基底表面进行轰击活化，时间5至30分钟。
进一步地，在上述步骤(2)中，在溅射第二层金属之后、第三次轰击活化基底之前，还包括对基底进行剥离和清洗的步骤。
其中，上述第4个步骤还包括：
(1)、高温退火，基底在氮气保护下，200℃至500℃退火5至60分钟；
(2)、酸腐蚀，基底在浓度为5％至25％的硫酸中浸泡2至10秒钟；
(3)、清洗，先后用去离子水和无水乙醇超声波清洗干净；
(4)、压缩空气吹干；
(5)、划片，余厚为20至100微米；
(6)、裂片。
本发明的有益效果在于，选用熔点高、热膨胀系数与敏感材料相近的硼化玻璃或石英作为基底材料，并利用MEMS工艺对基底材料进行物理和化学活化处理，从而提供了一种能与敏感材料紧密结合的平面式气体传感器基底；同时，MEMS工艺作为一种成熟的工艺，也保证了利用本发明提供的方法能实现上述平面式传感器基底的工业化生产。
具体实施方式
实施例一：
1、预备基底材料：
(1)硼化玻璃经过切割、抛光，制成0.15mm厚的薄片，表面颗粒度为0.5微米；
(2)用稀硫酸煮沸20分钟；
(3)分别用无水乙醇和去离子水超声波清洗干净；
(4)用压缩空气吹干；
2、金属电极溅射前预处理：
(1)置于浓度为20％的缓冲氢氟酸溶液中，超声波搅拌1分钟；
(2)先后置于去离子水和无水乙醇中，用超声波清洗干净；
(3)压缩空气吹干；
3、溅射方法制备金属电极：
(1)第一次光刻，胶厚0.5微米；
(2)基底表面第一次轰击活化，时间5分钟；
(3)溅射粘附层金属，即第一层金属，Cr，厚度100；
(4)基底表面第二次轰击活化，时间5分钟；
(5)溅射第二层金属，Pt，厚度为1000；
(6)剥离；
(7)清洗；
(8)基底表面第三次轰击活化，时间10分钟；
(9)溅射第三层金属，Au，厚度为200；
(10)第二次光刻，胶厚0.5微米；
(11)腐蚀；
(12)清洗；
4、金属电极溅射后处理：
(1)基底在氮气保护下，200℃高温退火5分钟；
(2)保持氮气，冷至室温取出；
(3)在5％的硫酸中浸泡10秒钟；
(4)先后放入去离子水和无水乙醇中，用超声波清洗干净；
(5)压缩空气吹干；
(5)划片，余厚20微米；
(6)裂片。
实施例二：
1、预备基底材料：
(1)硼化玻璃经过切割、抛光，制成0.3mm厚的薄片，表面颗粒度为5微米；
(2)用稀硫酸煮沸40分钟；
(3)分别用无水乙醇和去离子水超声波清洗干净；
(4)用压缩空气吹干；
2、金属电极溅射前预处理：
(1)置于浓度为50％的缓冲氢氟酸溶液中，超声波搅拌3分钟；
(2)先后置于去离子水和无水乙醇中，超声波清洗干净；
(3)用压缩空气吹干；
3、溅射方法制备金属电极：
(1)第一次光刻，胶厚1.2微米；
(2)基底表面第一次轰击活化，时间15分钟；
(3)溅射粘附层金属，即第一层金属，Cr，厚度200；
(4)基底表面第二次轰击活化，时间15分钟；
(5)溅射第二层金属，Pt，厚度为2000；
(6)剥离；
(7)清洗；
(8)基底表面第三次轰击活化，时间15分钟；
(9)溅射第三层金属，Au，厚度为500；
(10)第二次光刻，胶厚1.2微米，；
(11)腐蚀；
(12)清洗；
4、金属电极溅射后处理：
(1)基底在氮气保护下，350℃高温退火30分钟；
(2)保持氮气，冷至室温取出；
(3)在15％的稀硫酸中浸泡5秒钟；
(4)先后置于去离子水和无水乙醇中，用超声波清洗干净；
(5)压缩空气吹干；
(5)划片，余厚60微米；
(6)裂片。
实施例三：
1、预备基底材料：
(1)石英经过切割、抛光，制成0.5mm厚的薄片，表面颗粒度为2.5微米；
(2)用稀硫酸煮沸60分钟；
(3)分别放入无水乙醇和去离子水中，用超声波清洗干净；
(4)用压缩空气吹干；
2、金属电极溅射前预处理：
(1)置于浓度为80％的缓冲氢氟酸溶液中，超声波搅拌5分钟；
(2)先后放入去离子水和无水乙醇中，用超声波清洗干净；
(3)用压缩空气吹干；
3、溅射方法制备金属电极：
(1)第一次光刻，胶厚2.0微米；
(2)基底表面第一次轰击活化，时间30分钟；
(3)溅射粘附层金属，即第一层金属，Cr，厚度400；
(4)基底表面第二次轰击活化，时间30分钟；
(5)溅射第二层金属，Pt，厚度为4000；
(6)剥离；
(7)清洗；
(8)基底表面第三次轰击活化，时间30分钟；
(9)溅射第三层金属，Au，厚度为1000；
(10)第二次光刻，胶厚2.0微米；
(11)腐蚀；
(12)清洗；
4、金属电极溅射后处理：
(1)基底在氮气保护下，500℃高温退火60分钟；
(2)保持氮气，冷至室温取出；
(3)在25％的硫酸中浸泡2秒钟；
(4)先后放入去离子水和无水乙醇中，用超声波清洗干净；
(5)压缩空气吹干；
(5)划片，余厚100微米；
(6)裂片。
以上通过实施例对本发明进行了详细的描述，本领域的技术以人员应当理解，在不超出本发明的精神和实质的范围内，对本发明做出一定的修改和变形，比如用其他方式代替压缩空气吹干基底，仍然可以实现本发明的目的。