法律状态公告日
法律状态信息
法律状态
2019-02-19
授权
授权
2016-11-23
实质审查的生效 IPC(主分类):G01N27/00 申请日:20160825
实质审查的生效
2016-10-26
公开
公开
技术领域
本发明涉及一种环形加热器的Al2O3-AlN陶瓷微热板气体传感器。
背景技术
目前,现有的硅衬底结构微热板气体传感器具有工艺程序复杂、敏感膜兼容性差和高温热稳定性不理想等缺点,制约了微结构气体传感器的发展和应用。
发明内容
为了克服现有微热板传感器膜兼容性和热稳定性不足,本发明提供一种环形加热器的Al2O3-AlN陶瓷微热式气体传感器。该传感器结构设计包括:衬底1、导热介质层2、加热器电极3、信号电极4、焊盘5、热隔离通孔6、敏感膜7。传感器衬底1表面形成导热介质层2;传感器的中心加热器电极3为环形结构;在加热器电极3内部是信号电极4,信号电极4为梳状对称结构;加热器电极3外围是热隔离通孔6,热隔离通孔6为半环状结构。传感器四个角为焊盘5,分别与加热器电极3和信号电极4连接;敏感膜7在传感器中心的信号电极4之间。
所述衬底1为Al2O3陶瓷基片。
所述导热介质层2为AlN陶瓷薄膜。
所述加热器电极3为Pt膜。
所述信号电极4为Pt膜。
所述焊盘5为Pt膜。
所述敏感膜7为半导体氧化物敏感材料,敏感材料成分根据检测目标气体类型而定。
本发明所采用的工艺制备方法是:一、清洗Al2O3陶瓷基片;二、利用磁控溅射工艺,在Al2O3陶瓷基片表面镀一层AlN陶瓷薄膜;三、在镀有AlN陶瓷薄膜的Al2O3陶瓷基片表面通过柔性机械光刻剥离工艺制备Pt膜加热器电极、信号电极及与其相连焊盘;四、通过激光刻蚀工艺在加热器电极外围刻蚀热隔离通孔;五、利用半导体敏感材料成膜技术在信号电极中心形成敏感膜。
所述的Al2O3陶瓷基片厚度0.2mm。
所述的AlN陶瓷薄膜厚度为10μm。
所述的Pt膜厚度为500nm。
所述的热隔离通孔的孔深0.210μm。
所述的加热电极3与信号电极4和焊盘5厚度一致。
具体实施工艺步骤
步骤一:选用Al2O3陶瓷基片为衬底,将Al2O3陶瓷基片浸入在丙酮溶液中,并采用在50kHz频率的超声波对其进行清洗10~15min后,取出Al2O3陶瓷基片再浸入酒精溶液中,在30kHz频率下进行超声波清洗10~15min,再取出Al2O3陶瓷基片在120℃干燥箱中进行烘干,获得烘干后的Al2O3陶瓷基片;
步骤二:利用步骤一中烘干后的Al2O3陶瓷基片,放入磁控溅射镀膜机中,在真空条件下通入一定比例氩气和氮气,进行磁控溅射镀膜,获得镀有氮化铝(AlN)薄膜的Al2O3陶瓷基片衬底;
步骤三:对步骤二中获得镀有氮化铝薄膜的Al2O3陶瓷基片,进行正性光刻胶匀胶工艺,并在100-120℃进行10-15min烘烤处理,在镀有氮化铝薄膜的Al2O3陶瓷基片上形成一层光刻胶;
步骤四:对步骤三中涂有光刻胶的Al2O3陶瓷基片,以带有传感器图形的掩模版为制版模具对涂有光刻胶的Al2O3陶瓷基片进行光刻,并放入正性胶显影液中显影,直至图案清晰,取出并用去离子水冲洗掉显影液,放入90℃干燥箱中烘烤10-15min,获得带有光刻胶传感器图案的Al2O3陶瓷基片;
步骤五:将步骤四中带有光刻胶传感器图案的Al2O3陶瓷基片放入磁控溅射镀膜机中,用铂金靶材作为溅射靶材,进行磁控溅射镀膜,形成带有铂膜的Al2O3陶瓷基片;
步骤六:将步骤五中带有铂膜的Al2O3陶瓷基片放入丙酮溶液中浸泡,溶解光刻胶,同时对带有铂膜的Al2O3陶瓷基片在30kHz频率下进行超声30s处理加速溶解光刻胶,取出后采用柔性机械光刻剥离法剥离掉不需要的铂金属膜,获得Al2O3陶瓷基片上与掩膜版图案相反的铂金属传感器电极结构;
步骤七:将步骤六中带有铂膜传感器电极结构的Al2O3陶瓷基片,利用激光划片机在Al2O3陶瓷基片铂膜加热器电极外围进行激光刻蚀,刻蚀形成两个环状热隔离通孔;
步骤八:将步骤七中带有刻蚀热隔离通孔的Al2O3陶瓷基片放入800℃高温炉中退火处理2h,获得热隔离结构和环形加热器的Al2O3-AlN陶瓷微热板气体传感器芯片;
步骤九:将步骤八中Al2O3-AlN陶瓷微热板气体传感器芯片,通过半导体敏感材料成膜工艺,在芯片中心的梳状信号电极间形成敏感膜,获得一种环形加热器的Al2O3-AlN陶瓷微热板气体传感器。
附图说明
图1是本发明一种环形加热器的Al2O3-AlN陶瓷微热板气体传感器的平面结构图。
图2是图1中A-B两点截面结构图。
图3是图1中加热器电极结构图。
图4是图1中信号电极结构图。
图1和图2中,1- 衬底,2- 导热介质层,3-加热器电极,4-信号电极,5-焊盘,6-热隔离通孔,7- 敏感膜。
具体实施方式
具体实施方式一、结合图1和图2说明本实施方式,本实施方式所述一种环形加热器的Al2O3-AlN陶瓷微热板气体传感器,该传感器结构包括:衬底1、导热介质层2、加热器电极3、信号电极4、焊盘5、热隔离通孔6、敏感膜7。传感器衬底1表面形成导热介质层2;传感器的中心加热器电极3为环形结构;在加热器电极3内部是信号电极4,信号电极4为梳状对称结构;加热器电极3外围是热隔离通孔6,热隔离通孔6为半环状结构。传感器四个角为焊盘5,分别与加热器电极3和信号电极4连接;敏感膜7在传感器中心的信号电极4之间。
本实施方式中所述热隔离通孔,有效的降低了传感器热传导功耗损失,提高了温度效率。
本实施方式中所述衬底1为Al2O3陶瓷基片。
本实施方式中所述导热介质层2为AlN陶瓷薄膜。
本实施方式中所述加热器电极3、信号电极4、焊盘5均为Pt膜。
本实施方式中所述敏感膜7指半导体敏感材料所成的膜。
具体实施方式二、结合图1、图2、图3和图4说明本实施方式,本实施方式所述一种环形加热器的Al2O3-AlN陶瓷微热板气体传感器,具体实施工艺步骤为:
步骤一:选用Al2O3陶瓷基片为衬底,将Al2O3陶瓷基片浸入在丙酮溶液中,并采用在50kHz频率的超声波对其进行清洗10~15min后,取出Al2O3陶瓷基片再浸入酒精溶液中,在30kHz频率下进行超声波清洗10~15min,再取出Al2O3陶瓷基片在120℃干燥箱中进行烘干,获得烘干后的Al2O3陶瓷基片;
步骤二:利用步骤一中烘干后的Al2O3陶瓷基片,放入磁控溅射镀膜机中,在真空条件下通入一定比例氩气和氮气,进行磁控溅射镀膜,获得镀有氮化铝(AlN)薄膜的Al2O3陶瓷基片衬底;
步骤三:对步骤二中获得镀有氮化铝薄膜的Al2O3陶瓷基片,进行正性光刻胶匀胶工艺,并在100-120℃进行10-15min烘烤处理,在镀有氮化铝薄膜的Al2O3陶瓷基片上形成一层光刻胶;
步骤四:对步骤三中涂有光刻胶的Al2O3陶瓷基片,以带有传感器图形的掩模版为制版模具对涂有光刻胶的Al2O3陶瓷基片进行光刻,并放入正性胶显影液中显影,直至图案清晰,取出并用去离子水冲洗掉显影液,放入90℃干燥箱中烘烤10-15min,获得带有光刻胶传感器图案的Al2O3陶瓷基片;
步骤五:将步骤四中带有光刻胶传感器图案的Al2O3陶瓷基片放入磁控溅射镀膜机中,用铂金(Pt)靶材作为溅射靶材,进行磁控溅射镀膜,形成带有铂膜的Al2O3陶瓷基片;
步骤六:将步骤五中带有铂膜的Al2O3陶瓷基片放入丙酮溶液中浸泡,溶解光刻胶,同时对带有铂膜的Al2O3陶瓷基片在30kHz频率下进行超声30s处理加速溶解光刻胶,取出后采用柔性机械光刻剥离法剥离掉不需要的铂金属膜,获得Al2O3陶瓷基片上与掩膜版图案相反的铂金属传感器电极结构;
步骤七:将步骤六中带有铂膜传感器电极结构的Al2O3陶瓷基片,利用激光划片机在Al2O3陶瓷基片铂膜加热器电极外围进行激光刻蚀,刻蚀形成两个环状热隔离通孔;
步骤八:将步骤七中带有刻蚀热隔离通孔的Al2O3陶瓷基片放入800℃高温炉中退火处理2h,获得热隔离结构和环形加热器的Al2O3-AlN陶瓷微热板气体传感器芯片;
步骤九:将步骤八中Al2O3-AlN陶瓷微热板气体传感器芯片,通过半导体敏感材料成膜工艺,在芯片中心的梳状信号电极间形成敏感膜,获得一种环形加热器的Al2O3-AlN陶瓷微热板气体传感器。
本实施方式中所述步骤一中衬底Al2O3陶瓷基片厚度0.2mm。
本实施方式中所述步骤二中AlN陶瓷薄膜厚度为10μm。
本实施方式中所述步骤五中Pt膜厚度为500nm。
本实施方式中所述步骤七中热隔离通孔的孔深0.210μm。
机译: 具有低泄漏电流和改善的颜色均匀性的Aln半导体陶瓷加热器的制造方法和具有低泄漏电流和改善的颜色均匀性的Aln半导体陶瓷加热器的制造方法
机译: 用于加热气体传感器元件的棱镜陶瓷加热器,包括该棱镜陶瓷加热器的多层结构的棱镜气体传感器元件以及制造该棱镜陶瓷加热器和棱镜气体传感器元件的方法
机译: 用于加热气体传感器元件的棱镜陶瓷加热器,包括该棱镜陶瓷加热器的多层结构的棱镜气体传感器元件以及制造该棱镜陶瓷加热器和棱镜气体传感器元件的方法