CMOS兼容微热板式气体传感器的研制

摘要

微热板具有尺寸小、低功耗、响应速度快以及易集成等优点，被广泛应用于真空传感器、微量热计、微气体传感器等微型器件中，因此微热板式气体传感器成为微型器件的一个重要研究方向。本文主要从制造工艺设计、器件制作和性能测试等方面对CMOS兼容微热板式气体传感器进行了详细的研究。
　　首先，从可加工性角度出发，设计了CMOS兼容微热板式气体传感器的基本结构和工艺流程。考虑到CMOS工艺的兼容性以及气体传感器的稳定性，选择CMOS工艺中连接第一层金属和第二层金属的过孔材料钨作为微热板的加热电阻和测温电阻。另外，考虑到长期高温下铝表面易被氧化的问题，在铝电极上制作贵金属电极;考虑到微热板绝热性设计以及气敏薄膜的制备工艺特点，微热板的释放悬空工艺采用正面体硅微加工技术。根据本实验室工艺条件设计了两套可行的Post-CMOS加工工艺方案。
　　其次，基于上述设计方案流片实现了该CMOS兼容微热板式气体传感器的加工，并重点研究和优化了后加工工艺。器件的加工可分为CMOS加工和Post-CMOS加工。通过芯片代工厂的加工实现了钨微热板及铝气敏电极的初步制作。随后，通过桥体悬空工艺、贵金属气敏电极制作以及气敏薄膜的滴涂制备完成了器件的加工。分析并讨论了两种不同后加工工艺方案存在的问题，并给出了优化后的整体加工工艺方案，提高了后加工效率和成品率。这为实现气体传感器与电路的单片集成奠定了基础。
　　最后，对制作的CMOS兼容微热板式气体传感器的进行性能测试，包括钨加热/测温电阻的性能测试、热特性以及气敏测试。测量结果表明，钨电阻的加工工艺一致性良好，阻值分布在210Ω～230Ω之间，同时钨具有较大的温阻系数(1.9‰/℃)，适合作为加热电阻和测温电阻。该钨电阻具有良好的热稳定性，当工作在300℃时，连续通电336h，钨电阻变化小于0.3％。该气体传感器具有低功耗和快速热响应的特点，当工作在300℃时，功耗仅为19mW，而且仅需8ms就可以将微热板加热到300℃。溅射淀积气敏薄膜后，该气体传感器对50ppm的乙醇有良好的响应。以上测试结果完全满足CMOS兼容微热板式气体传感器的设计目标，验证了结构设计和工艺方案的合理性与可行性。