CN1272235C

CN1272235C - 气敏元件及其制造方法

Info

Publication number: CN1272235C
Application number: CNB008145342A
Authority: CN
Inventors: 李源培; 李昊骏
Original assignee: Shizhong Industrial Co ltd; Seju Engineering Co Ltd
Current assignee: Seju Engineering Co Ltd
Priority date: 1999-10-19
Filing date: 2000-10-17
Publication date: 2006-08-30
Anticipated expiration: 2020-10-17
Also published as: JP2003512606A; US6997040B1; WO2001028915A1; EP1226090A1; KR20010037655A; TW506942B; ATE372297T1; EP1226090A4; KR100438190B1; JP3682603B2; EP1226090B1; KR20020060694A; AU7967500A; DE60036301D1; CN1379731A

Abstract

一种气敏元件，包括：硅基片，它设有通过以预定深度形成图案而形成的凹槽；形成在除了所述凹槽之外的硅基片的顶部上的绝缘层；形成金属图案的导电层，它越过凹槽并且固定在绝缘层上，从而与硅基片电绝缘，该导电层包括相互间隔且绝缘的第一和第二单元体；和形成在第一和第二单元体之间的气体探测部分。

Description

气敏元件及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种气敏元件及其制造方法；并且更具体地说涉及高灵敏度、低能耗、低热容和低热损耗的气敏元件及其制造方法，其中通过采用半导体制造工艺使加热线和读出线与基片分开形成，并且气敏材料的陶瓷块形成遍布在加热线和读出线上面。

背景技术

一般来说，陶瓷气敏元件用来探测特定的气体。当气敏元件暴露在特定的气体上时，作为气敏材料的陶瓷的电导率改变或产生出电动势，从而就可以通过测量出电导率或电动势来探测特定的气体。在上述陶瓷气敏元件中，为了改善对于特定气体的灵敏度和选择性，将催化材料掺进陶瓷中，另外应该将温度保持在300℃以上。因此，该陶瓷气敏元件的能耗要高于其它传感元件的能耗。因而，为了扩大该陶瓷气敏元件的应用范围，最重要的是使该陶瓷气敏元件保持在高温下其能耗仍然较低。

参照图1，该图给出了在名称为“气敏元件”的美国专利No.5759367中所披露的一种普通气敏元件100的剖视图。该普通的气敏元件包括形成在硅基片上的绝缘玻璃薄膜4、由金(Au)制成的形成在绝缘玻璃薄膜4的顶部上的加热薄膜8，10、绝缘层14、形成在绝缘层14的顶部上的探测电极18，20以及包围着探测电极18，20的气敏薄膜16。在该气敏元件100中，加热薄膜6使气敏薄膜16变热，并且根据流进其中的气体的变化通过采用探测电极18，20来探测出气敏薄膜16的变化。

如上所述的气敏元件100的缺点在于，气敏薄膜16设置在探测电极18，20上面，从而制造工艺变得复杂。也就是说，使加热薄膜8，10和探测电极18，20形成图案分别需要一个掩模。而且，由于气敏薄膜16形成在加热薄膜6的顶部表面上并且加热薄膜6的底部部分直接与绝缘玻璃薄膜4接触，所以进入硅基片中的热损耗变得相当大。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种高灵敏度且热容和损耗最小的气敏元件，其中加热线和读出线与硅基片分隔开，并且作为气敏材料的陶瓷以块状形成遍布在加热线和读出线上方。

因此，本发明的另一个目的在于提供一种制造高灵敏度且热容和损耗最小的气敏元件的方法。

根据本发明的实施方案，提供一种气敏元件，包括：硅基片，它设有通过以预定深度形成图案而形成的凹槽；形成在除了所述凹槽之外的硅基片的顶部上的绝缘层；形成金属图案的导电层，它越过凹槽并且固定在绝缘层上，从而与硅基片电绝缘，该导电层包括相互间隔且绝缘的第一和第二单元体；和形成在第一和第二单元体之间的气体探测部分。

根据本发明的另一个实施方案，提供一种制造气敏元件的方法，该方法包括以下步骤：a)在硅基片上形成绝缘层；b)通过使一部分绝缘层形成图案来形成窗口；c)在由窗口暴露出的硅基片和绝缘层上形成具有金属图案的导电层，该导电层包括第一和第二单元体；d)通过将硅基片浸到碱性水溶液中以使暴露到窗口的基片形成图案并且形成窗口形状的凹槽，从而使第一和第二单元体与硅基片分开；并且e)在第一和第二单元体之间形成气体探测部分。

附图说明

从下面实施方案的说明中并参照附图将更加清楚本发明的其它目的和方面。

图1为普通气敏元件的剖视图；

图2为根据本发明的气敏元件的透视图；

图3A-3E为用于说明制造本发明气敏元件的方法的沿着图1 I-I线剖开的剖视图；并且

图4A-4F为根据本发明的实施方案的气敏元件的探测部分的剖视图。

具体实施方式

下面，将参照附图对本发明的优选实施方案进行详细说明。

参照图2，该图显示出本发明的气敏元件200。在该图中，绝缘层212形成在硅基片210的顶部上。例如，绝缘层212由诸如二氧化硅、氮化硅、碳化硅等材料制成。绝缘层212形成的厚度大约在0.1-10μm的范围内，优选为2μm。此外，该硅基片优选具有<100>晶体取向。

在硅基片210的中心中，具有在剥离绝缘层212之后形成的凹槽220。该凹槽220为具有预定深度的矩形。为了便于制造，该凹槽优选形成为矩形，但是可以形成为圆形或其它形状。在该矩形凹槽上面，设有彼此平行的加热线216和读出线218。该加热线216和读出线218与基片210隔开地在矩形凹槽220的上面延伸。

如图2中所示，加热线216和读出线218分别与形成在绝缘层212的顶部上的金属片214a、214b、214c和214d连接。金属片214a、214b、214c和214d形成在绝缘层212上，从而与硅基片210电绝缘并且与外部电源或外部电路电连接。这里，在单元体中优选形成有包括有金属片214a、214b、214c和214d、加热线216和读出线218的金属图案。也就是说，金属片214a、214b和加热线216形成在一个单元体中，同时读出线218和其它金属片214c、214d形成在一个单元体中。

如上的金属图案优选由例如铂(Pt)、涂覆有金(Au)或钯(Pd)的镍(Ni)以及掺有硼(B)的多晶硅薄膜材料制成。优选的是，金属图案的厚度大约为0.1-20μm，最优选为5μm。此外，陶瓷块222设置在相互平行的加热线216和读出线218上面。这里，陶瓷块222具有由例如乙醇、甲烷、LPG等可燃材料和例如SnO₂、ZnO、Fe₂O₃等半导体材料制成的气敏材料，用于探测二氧化碳(CO₂)。并且为了改善气敏材料的灵敏度，可以掺杂含量为0.5-1wt％的催化材料例如Pt，Pd。

陶瓷气敏元件的工作机理如下所示。当给加热线216供应电流时，由于加热线216的电阻而产生出热量，并且陶瓷块222的温度也升高。这时，包含用于探测的气体在内的空气流进陶瓷块222，从而使陶瓷块222的电阻率改变，其中通过测量出加热线216和读出线218之间的电阻来测量出陶瓷块222的电阻率。

例如，在下面描述了测量陶瓷块222的电阻率的方法。首先，将加热线216的两个端部连接在加热电源上，然后这样制作出电路，读出线218的一个端部与基片的外部电阻(R₁)连接，并且向外部电阻(R₁)的端部施加电压(V_cc)。这时，如已经描述的一样，加热电压(V_H)由加热电源提供，从而由加热线216的电阻产生出的热量使得陶瓷块222的温度上升到探测温度。在该温度下，在外部电阻的端部处测量出电压(V_cc)，从而就能够估算出陶瓷块222的电阻(R_s)。一般来说，假设加热电阻(R_H)为几个或几十个欧姆(Ω)，则陶瓷块222的电阻超过几十个kΩ，并且V_H大大低于V_cc，通过下式计算出V_out，从而能够估算出陶瓷块222的电阻(R_s)。

V_out≈[R_s/(R₁+R_s)]×V_cc

要注意的是，上式可以用来在上述假设条件下近似地估算出数值，但是可以通过使用一种没有任何上述假设的更复杂的等式来计算出更精确的数值。

因此，由于陶瓷块222的电阻率变化与空气中含有的特定气体的含量有关，所以就可以从所测量出的电阻中计算出空气中特定气体的含量。

接着，参照图3A-3E，这些图是用来说明制造本发明气敏元件的方法的剖视图。

参照图3A，其厚度总体为0.1-10μm优选为2μm的绝缘层211、212形成在具有<100>晶体取向的硅基片210的两个侧面上。这里，绝缘层211、212由例如二氧化硅、氮化硅、碳化硅等材料制成。

在随后的步骤中，参照图3B，使形成在硅基片210的一个侧面上的一个绝缘层212的中心部分局部地形成图案以获得窗口219和形成图案的绝缘层213。这时，一部分硅基片210通过窗口219暴露出。通过采用在半导体制造过程中所采用的普通方法例如光刻和蚀刻工艺来使绝缘层212形成图案。

之后，参照图3C，将金属图案形成在窗口219和形成图案的绝缘层213上面，其中该金属图案包括形成在窗口219顶部上的加热线216和读出线218、形成在绝缘层213顶部上的金属片214a、214b、214c和214d。这里，如上所述的加热线216形成为电阻线以便向陶瓷块222提供热量，并且读出线218形成用来测量陶瓷块222的电阻变化。并且金属片214a、214b、214c和214d形成在形成图案的绝缘层213的顶部上以便与硅基片210电绝缘。此外，金属片214a、214b、214c和214d不仅支撑着加热线和读出线而且还提供了用来与外部电源或其它外部电路连接的装置。优选的是，为了便于制造，如上所述的金属图案在金属片214a、214b和加热线216的单元体中以及在金属片214c、214d和读出线218的单元体中制造。厚度优选为0.1-20μm，最优选为5μm。金属图案优选由例如铂(Pt)、掺有金(Au)或钯(Pd)的镍(Ni)以及掺有硼(B)的多晶硅薄膜材料制成。此外，为了提高金属图案和形成图案的绝缘层213之间的粘附力，可以采用涂覆有Cr的Pt，其中Cr的厚度优选大约为0.02μm。

在下面的步骤中，参照图3D，将整个硅基片210浸在碱性水溶液中，并且使通过窗口219暴露的部分硅基片以预定的深度形成图案。这里，例如二氧化硅层的绝缘层和例如Pt的金属图案在碱性水溶液中没有被蚀刻，从而在硅基片210上形成具有预定深度的凹槽。因此，如图2和图3D所示的加热线216和读出线218通过凹槽220与硅基片隔开。这里所用的碱性水溶液是氢氧化钾水溶液或乙二胺和邻苯二酚的混合溶液。例如，当该基片在80℃下在氢氧化钾水溶液中浸泡2个小时时，可以获得厚度大约为150μm的凹槽。

在随后的步骤中，参照图3E，在将糊状陶瓷前体小滴滴在加热线216和读出线218的预定范围上之后，通过热处理形成陶瓷块222。这里，陶瓷前体例如是由具有90wt％的SnO₂作为气敏材料、9wt％的硅溶胶作为粘接剂以及1wt％的PdCl₂作为催化剂的混合物制成的。在陶瓷前体具有上述组分的情况下，添加预定量的包含5％乙基纤维素的α萜品醇，然后粘度变成几百cps。之后，在使该前体成糊状之后将该前体滴在加热线216和读出线218上面。在滴完陶瓷前体小滴之后进行热处理的条件没有限制，只要能够使在陶瓷糊中所包含的溶剂能够挥发。

如上所述，除了陶瓷块的成形之外，通过采用例如基于半导体制造方法的微加工技术的方法制作出本发明的气敏元件。因此，用在本发明的气敏元件200中的加热线216、读出线218和陶瓷块222的体积非常小。另外，加热线216、读出线218和陶瓷块222与硅基片隔开，从而热容和损耗较小。而且，因为在本发明的气敏元件200中采用了陶瓷块作为气敏材料，所以其探测和物理性能要优于其它采用薄膜陶瓷的气敏元件。此外，本发明的方法的优点在于，使窗口219和金属图案形成图案只需要两个掩模。另外，作为半导体制造方法的优点的成批处理型的巨大生产率仍然适用于制造本发明的气敏元件200，从而可以降低制造成本。

同时，参照图4A-4F，这些图给出了一种根据本发明的另一个实施方案的包括加热线216、读出线218和陶瓷块222的探测部分。如图2所示，如果加热线和读出线相互平行地形成并且在其上形成有陶瓷块222，则只有一部分热量用来加热陶瓷块222，并且陶瓷块222的温度变得不均匀，因为电阻在加热线216上面是不均匀地分布的。这个问题可以通过如图4A-4F所述一样改进探测部分的结构来克服。

参照图4A，加热线316弯曲成“U”形，读出线318的支线318a插入在其凹形中。在这种结构中，电阻集中在陶瓷块322上，另外热量分散在陶瓷块322的范围上，从而可以避免该问题，并且可以提高探测性能而且可以降低热量损失。而且，为了提高电阻聚集度以及热量在陶瓷块322上的均匀分布，如图4B所示可以将加热线416形成为Z形弯曲状，并且可以从一个方向将读出线418的支线418a插入其凹形中。另外，可以将加热线516形成为Z形弯曲状，并且可以从两个方向将两个读出线518的支线插进其凹形中。

如图4D-4F中所示，由于陶瓷块622、722、822的电阻率变化取决于使陶瓷块均匀加热，所以将加热线616、716、816在陶瓷块622、722、822中的厚度设计成比读出线618、718、818的厚度更厚。因此，在本发明的实施方案中，读出线618、718、818的宽度和厚度优选分别大约为10μm和5μm。另外，如果读出线618、718、818的宽度和厚度为10μm和5μm的话，则加热线616、716、816的宽度和厚度分别优选大约为20μm和5μm。

如上所述，本发明的优点在于，加热线与硅基片隔开，并且陶瓷的气敏材料形成为块状，从而使热容和热量损失最小化以获得能耗较低且制造成本较低的气敏元件。因此，本发明的气敏元件可以广泛地应用在例如可携带的气体探测设备的装置上。而且，与现有技术的气敏元件相比，还有另一个优点，在制造该气敏元件的方法中对于使窗口和金属图案形成图案来说只需要两个掩模，另外，半导体制造工艺例如批量处理的巨大生产率实际上仍然可以适用于本发明，因此可以降低制造成本。

虽然只是针对特定的优选实施方案对本发明进行了说明，但是在不脱离由下面权利要求提出的本发明的精神和范围的情况下可以做出其它改进和变化。

Claims

1.一种气敏元件，包括：

硅基片，它设有通过以预定深度形成图案而形成的凹槽；

形成在除了所述凹槽之外的硅基片的顶部上的绝缘层；

形成金属图案的导电层，它越过凹槽并且固定在绝缘层上，从而与硅基片电绝缘，该导电层包括相互间隔且绝缘的第一和第二单元体；和

形成在第一和第二单元体之间的气体探测部分。

2.如权利要求1所述的气敏元件，其中所述第一单元体包括一用来向气体探测部分提供热量的加热线。

3.如权利要求2所述的气敏元件，其中所述第二单元体包括至少一用来根据气体状态来探测出气体探测部分的变化的读出线。

4.如权利要求1所述的气敏元件，其中所述硅基片具有<100>的晶体取向。

5.如权利要求1所述的气敏元件，其中所述第一和第二单元体分别包括一对金属片以与外部电路电连接。

6.如权利要求5所述的气敏元件，其中所述导电层由从铂(Pt)、掺有金(Au)或钯(Pd)的镍(Ni)以及掺有硼(B)的多晶硅组成的组中选出的材料制成。

7.如权利要求3所述的气敏元件，其中所述加热线和读出线形成为平行的直线形状，或者形成为读出线插进加热线的凹形空间中的形状，或者形成为读出线插进所述加热线的一个凹形空间或两个凹形空间的形状。

8.如权利要求1所述的气敏元件，其中绝缘层由从二氧化硅、氮化硅和碳化硅组成的组中选出的材料制成。

9.一种制造气敏元件的方法，该方法包括以下步骤：

a)在硅基片上形成绝缘层；

b)通过使一部分绝缘层形成图案来形成窗口；

c)在由窗口暴露出的硅基片和绝缘层上形成具有金属图案的导电层，该导电层包括第一和第二单元体；

d)通过将硅基片浸到碱性水溶液中以使暴露到窗口的基片形成图案并且形成窗口形状的凹槽，从而使第一和第二单元体与硅基片分开；并且

e)在第一和第二单元体之间形成气体探测部分。

10.如权利要求9所述的方法，其中所述硅基片具有<100>晶体取向。

11.如权利要求9所述的方法，其中所述绝缘层由从二氧化硅、氮化硅和碳化硅组成的组中选出的材料制成。

12.如权利要求9所述的方法，其中具有第一和第二单元体的导电层由从铂(Pt)、掺有金(Au)或钯(Pd)的镍(Ni)以及掺有硼(B)的多晶硅组成的组中选出的材料制成。

13.如权利要求9所述的方法，其中所述第一单元体与所述第二单元体相互间隔且电绝缘。

14.如权利要求9所述的方法，其中碱性水溶液是氢氧化钾溶液或乙二胺和邻苯二酚的混合溶液。