[发明专利]一种基于纳米TiO2的低功耗微纳气体传感器及制备方法

说明书

本发明公开了一种基于纳米TiO₂的低功耗微纳气体传感器及制备方法，该传感器自下而上分别为SiO₂‑Si₃N₄掩蔽层、硅基底、SiO₂‑Si₃N₄‑SiO₂‑Si₃N₄复合绝缘层、电极层、敏感材料层。通过布置测温电极，实时测量芯片中心温度。Si基底下通过湿法腐蚀去掉绝大部分Si，形成SiO₂‑Si₃N₄‑SiO₂‑Si₃N₄复合悬膜结构，悬膜之上为按中心对称、螺旋布置的加热电极和敏感电极。敏感材料位于敏感电极之上，在敏感材料区域内依次溅射TiO₂薄膜、Ti薄膜，其中TiO₂薄膜用于定义后续纳米棒的生长区，热盐酸蒸汽法将Ti源氧化为TiO₂纳米棒制备敏感层，使TiO₂纳米棒生长在TiO₂薄膜上。本发明纳米棒桥接相连，具有极高的比表面积和更好的气体响应特性；优化了悬膜的机械性能，减少热传递，温度精确可控。简化了工序，避免了寄生电场的产生。

技术领域

本发明涉及一种基于纳米TiO₂的低功耗微纳气体传感器结构及制备方法。

背景技术

国民生产生活的许多领域都对气体种类和浓度的检测有着广泛的需求。比如，家居、办公间、车厢等密闭空间内的空气质量直接影响人的舒适度，如果有毒有害气体得不到及时的检测、引发报警，甚至会威胁人的生命安全。在工业生产领域，如石化、制药、橡胶、皮革等，特别是产生有毒易燃或恶臭气体的工作场所，需要对生产中各类有毒气体进行检测、监测与报警。以及在农业领域，氧气或二氧化碳的含量会直接影响作物的生长。

气体传感器是气体检测的有效手段，可以实现对特定气体的实时监测以及对气体成分的分析等，在国民生产生活相关领域存在着巨大的应用潜力。自1962 年半导体金属氧化物陶瓷气体传感器问世以来，半导体气体传感器已经成为当前应用最普遍、最具有实用价值的一类气体传感器。半导体气体传感器是采用金属氧化物半导体材料做成的元件，在一定温度下，与气体相互作用时产生表面吸附或反应，引起以载流子运动为特征的电导率或伏安特性或表面电位变化。所以，金属氧化物气体传感器一般由金属氧化物敏感元件和加热元件组成。

其中敏感元件由最初的块体形态变为基于丝网印刷技术的厚膜形态，到现如今基于MEMS技术的薄膜形态，使敏感材料的比表面积不断增大，气体响应特性逐渐增强。尤其是近些年研究的各种形态的金属氧化物纳米材料，如纳米棒、纳米球、纳米线等，由无数纳米单体桥接而成的薄膜材料有着极高的气敏特性。

加热元件也朝着体积不断减小、各结构高度集成的方向发展，将加热元件、敏感元件等集成在一个微米级别的器件上，实现快速加热、快速电阻测量等功能，并通过释放绝热槽形成悬臂梁或悬膜结构等来降低功耗，与普通传感器相比，更容易符合当今各行各业对便携、低功耗气体传感器的要求。但由各层薄膜组成的微加热器由于工艺的复杂和薄膜应力容易出现破裂，降低了器件的成品率。

此外，纳米薄膜材料与低功耗的微加热板相集成是如今制备微纳气体传感器的难点。如何将具有高灵敏度的纳米薄膜材料与制备低功耗微加热板的工艺相融合是研究的热点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服纳米材料制备与传统MEMS工艺不兼容问题，使纳米敏感材料在保持较高灵敏度的前提下定位均匀生长。同时，改善气体传感器悬膜的机械特性，并设置温度控制电极，由此提供一种金属氧化物气体传感器及制备方法，简化传感器集成工艺，制备出精确控温的可大批量生产的低功耗气体传感器。

为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：