[发明专利]一种MEMS气体传感器及其制备方法

说明书

本发明属于气体传感器技术领域，涉及一种MEMS气体传感器及其制备方法。本发明的MEMS气体传感器依次包括基底、微梁结构和气敏层，所述气敏层由Li原子掺杂的少层黑磷材料制成。本发明的气体传感器可用于CO气体的检测，具有较高的稳定性和灵敏性。

技术领域

本发明属于气体传感器技术领域，涉及一种MEMS气体传感器及其制备方法。

背景技术

作为大气污染中典型的污染源，一氧化碳CO的日益增长一部分源于自然因素，一部分源自人为因素。随着社会工业化的不断发展，城市交通压力的不断增大，来自人为因素的CO污染源范围越来越大，大到化学工业，交通运输，小到厨房油烟，烟花爆竹等，因此CO在大气中所占的比例越来越高。与其他大气污染物中的有毒气体一样，CO也具有很高的毒性，当该气体进入人体内时，极易与血液中的血红蛋白结合，大大超过了氧气和血红蛋白的结合速度，使得血红蛋白的携氧能力大大下降。CO在极低浓度下就会使人遭受缺氧性的伤害。中毒患者中轻者头痛，四肢无力，呼吸困难。重者恶心，昏迷甚至会因为心律失常和呼吸麻痹而死亡。因此对CO检测的准确性和及时性就变得尤为重要。而CO无色，无嗅，不通过专业性的检测设备很难发觉它的存在。

MEMS微气体传感器比传统气体传感器的体积更小，重量更轻，成本和功耗也相对较低，在实现集成和智能化的过程中有利于批量化的生产。与目前常见的金属氧化物和有机高分子聚合物相比，新型的二维材料黑磷因为具有独特的原子结构，优秀的半导体性质，高度的各向异性等，因此在电子器件方面有着得天独厚的优势，逐渐成为半导体材料研究的热点，也被认为是能够替代石墨烯的新时代材料。以黑磷作为气体敏感材料的微气体传感器可以根据现有的半导体制备工艺加以改进，大大降低了制备方面的复杂性，而且与传统异质结的气敏材料如金属氧化物、石墨烯等相比，同一类物质做气敏材料避免发生晶格失配，简化了制备工艺流程。最重要的是黑磷由于具有较高的表面积-体积比，因此气体吸附量更大。不同金属掺杂黑磷在吸附气体后所产生的性质变化也提高了微气体传感器的选择性和灵敏度。

采用传统工艺所制作的带有温控装置固体电解质CO气体传感器，具有体积大、材料消耗多、一致性差、功耗大等缺点，而采用MEMS技术进行微型化可克服这些缺点，是固体电解质气体传感器发展的必然趋势。如中国专利申请(201010218524.X)公开了一种微悬臂梁气体传感器及其制作方法，利用有机/无机纳米复合薄膜的气敏特性与压阻特性，将有机/无机纳米复合薄膜同时作为微悬臂梁气体传感器的气敏层和压敏电阻，但是其在稳定性和精确度上还有待提高。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的上述问题，提出了一种对CO稳定性和灵敏性高的MEMS气体传感器。

本发明的目的可通过下列技术方案来实现：

一种MEMS气体传感器，所述MEMS气体传感器依次包括基底、微梁结构和气敏层，所述气敏层由Li原子掺杂的少层黑磷材料制成。

作为优选，所述基底依次包括硅基衬底、SiO₂保护层、SiN_x多晶硅层和形成于SiN_x多晶硅层之上的微梁结构接触区和电容区。

作为优选，所述硅基衬底为晶向为(100)的N型硅片，厚度为170-230μm。

作为优选，所述微梁结构包括悬臂梁或固支梁。

作为优选，所述微梁结构由SiN_x层构成。所述微梁结构具有锚区。

作为优选，所述气敏层的厚度为10-20个原子层厚度。

作为优选，所述气敏层中掺杂的Li原子在黑磷结构中所占比例最大为22.2％。

本发明的另一目的在于提供一种MEMS气体传感器的制备方法，所述的制备方法包括以下步骤，