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原文传递一种多参数高选择性CMUTs气体传感器及其使用与制备方法

专利名称：	一种多参数高选择性CMUTs气体传感器及其使用与制备方法
摘要：	本发明公开了一种多参数高选择性CMUTs气体传感器及其使用与制备方法，本发明采用SnO2、ZnO、Fe2O3、WO3等半导体金属氧化物，将其同时用作CMUTs上电极以及敏感识别材料，利用其吸附气体后同时引起薄膜质量及上电极电阻变化的特性，实现物理、化学性质相近或相似气体分子的高选择性敏感。薄膜质量的变化会引起CMUT谐振频率的变化；上电极电阻的变化会引起CMUT上下电极间交流电压幅值的变化，进而引起CMUT薄膜振动幅值的变化，通过谐振频率和薄膜振动位移幅值这两种输出参数的变化可实现气体分子的高选择性检测。此外，由于半导体氧化物敏感材料在温度调节下具有可重复使用性，因此本发明CMUT气体传感器除了具有高选择性外，还具有很好的重复性。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	陕西;61
申请人：	西安交通大学
发明人：	李支康;王书蓓;蒋庄德;赵立波;赵一鹤;李杰;徐廷中;郭帅帅;刘子晨;罗国希;李磊
专利状态：	有效
申请日期：	2019-07-30T00:00:00+0800
发布日期：	2019-10-22T00:00:00+0800
申请号：	CN201910696445.0
公开号：	CN110361445A
代理机构：	西安通大专利代理有限责任公司
代理人：	李鹏威
分类号：	G01N29/02(2006.01);G;G01;G01N;G01N29
申请人地址：	710049 陕西省西安市咸宁西路28号
主权项：	1.一种多参数高选择性CMUTs气体传感器，其特征在于，从上至下依次包括敏感薄膜(1)、电绝缘薄膜(2)、空腔(4)、衍射光栅(6)和透明基底(8)；所述敏感薄膜(1)用作上电极，具有气体敏感性以及能够在与气体作用后电阻发生变化的性能；衍射光栅(6)用作下电极；敏感薄膜(1)与电绝缘薄膜(2)共同构成振动薄膜。 2.根据权利要求1所述的一种多参数高选择性CMUTs气体传感器，其特征在于，敏感薄膜(1)为具有气体敏感性的半导体金属氧化物薄膜，敏感薄膜(1)与被测气体作用后能够同时引起敏感薄膜(1)的质量和电阻发生变化。 3.根据权利要2所述的一种多参数高选择性CMUTs气体传感器，其特征在于，敏感薄膜(1)采用SnO2薄膜、ZnO薄膜、Fe2O3薄膜或WO3薄膜。 4.根据权利要求1所述的一种多参数高选择性CMUTs气体传感器，其特征在于，敏感薄膜(1)覆盖于电绝缘薄膜(2)上，且仅覆盖空腔(4)正上方对应的区域。 5.根据权利要求1所述的一种多参数高选择性CMUTs气体传感器，其特征在于，衍射光栅(6)位于空腔(4)内部，衍射光栅(6)的各光栅之间以及衍射光栅(6)与周围结构之间设置电连接(7)，衍射光栅(6)用于将由振动薄膜反射的光进行衍射。 6.根据权利要求1所述的一种多参数高选择性CMUTs气体传感器，其特征在于，电绝缘薄膜(1)、空腔(4)周围的支柱(3)、衍射光栅(6)以及透明基底(8)中任意两种所选用材料的热膨胀系数相差不大于20％。 7.权利要求1-6任意一项所述多参数高选择性CMUTs气体传感器的使用方法，其特征在于，过程包括：当被测气体与敏感薄膜(1)相互作用后，敏感薄膜(1)的质量以及电阻同时发生改变；通过对振动薄膜的谐振频率和振动位移这两种输出参数的检测能够实现被测气体的检测。 8.根据权利要求7所述的使用方法，其特征在于，敏感薄膜(1)为具有气体敏感性的半导体金属氧化物薄膜，敏感薄膜(1)与被测气体作用后能够同时引起波敏感薄膜(1)的质量和电阻发生变化；通过调节所述多参数高选择性CMUTs气体传感器的温度，实现所述多参数高选择性CMUTs气体传感器对被测气体的多次重复性检测。 9.利要求1-6任意一项所述的多参数高选择性CMUTs气体传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤： S1，取第一SOI片以及透明玻璃晶片清洗、备用； S2，采用阳极键合法在低温条件下，将第一SOI片的顶层硅与透明玻璃晶片进行阳极键合； S3，采用化学机械抛光法去除第一SOI片基底硅厚度的80％，再用缓冲刻蚀液去除剩余20％的基底硅，刻蚀停止于第一SOI片埋层二氧化硅； S4，光刻、图形化空腔形状，湿法刻蚀第一SOI片埋层二氧化硅层，去除图形窗口中的二氧化硅，刻蚀停止于第一SOI片顶层硅表面，形成空腔(4)及空腔(4)周围的支柱(3)；另取一SOI片作为第二SOI片，将第二SOI片清洗、备用； S5，光刻，图形化衍射光栅形状，湿法刻蚀第一SOI片顶层硅，刻蚀停止于透明玻璃晶片上表面，形成衍射光栅(6)；氧化第二SOI片的顶层硅，在第二SOI片的顶层硅表面生成二氧化硅层； S6，采用低温熔融键合法将第一SOI片上保留的埋层二氧化硅与第二SOI片顶层硅上表面的二氧化硅层进行真空键合，此时将空腔(4)真空密封； S7，采用化学机械抛光的方法去除80％的第二SOI片基底硅，再采用缓冲刻蚀液去除剩余20％的基底硅，露出第二SOI片埋层二氧化硅；采用干法或湿法刻蚀的方法去除第二SOI片埋层二氧化硅层，露出第二SOI片经氧化后剩余的顶层硅； S8，采用缓冲刻蚀液刻蚀第二SOI片经氧化后剩余的顶层硅，刻蚀停止于第二SOI片顶层硅表面经氧化生成的二氧化硅层，释放位于第二SOI顶层硅表面的二氧化硅薄膜，形成电绝缘薄膜(2)； S9，采用磁控溅射的方法在电绝缘薄膜(2)表面溅射敏感薄膜(1)，敏感薄膜(1)用作上电极； S10，光刻，采用湿法刻蚀依次刻蚀敏感薄膜(1)、电绝缘薄膜(2)以及支柱(3)，刻蚀停止于下电极电连接(5)的上表面，露出下电极焊盘位置； S11，在敏感薄膜(1)及暴露出的下电极电连接(5)的上表面旋涂光刻胶、光刻以及溅射金属层，采用剥离法形成电极焊盘(9)，并退火以减小敏感薄膜(1)与电极焊盘之间的接触电阻，得到多参数高选择性CMUTs气体传感器。 10.利要求1-6任意一项所述的多参数高选择性CMUTs气体传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤： S1，取第一SOI片以及透明玻璃晶片清洗、备用； S2，采用阳极键合法在低温条件下，将第一SOI片的顶层硅与透明玻璃晶片进行阳极键合； S3，采用化学机械抛光法去除第一SOI片基底硅厚度的80％，再用缓冲刻蚀液去除剩余20％的基底硅，刻蚀停止于第一SOI片埋层二氧化硅； S4，光刻、图形化空腔形状，湿法刻蚀第一SOI片埋层二氧化硅层，去除图形窗口中的二氧化硅，刻蚀停止于第一SOI片顶层硅表面，形成空腔(4)及支柱(3)；另取一SOI片作为第二SOI片，将第二SOI片清洗、备用； S5，光刻，图形化衍射光栅形状，湿法刻蚀第一SOI片顶层硅，刻蚀停止于透明玻璃晶片上表面，形成衍射光栅(6)；氧化第二SOI片的顶层硅，在第二SOI片的顶层硅表面生成二氧化硅层； S6，采用低温熔融键合法将第一SOI片上保留的埋层二氧化硅与第二SOI片顶层硅上表面的二氧化硅层进行真空键合，此时将空腔(4)真空密封； S7，采用化学机械抛光的方法去除80％的第二SOI片基底硅，再采用缓冲刻蚀液去除剩余20％的基底硅，露出第二SOI片埋层二氧化硅；采用干法或湿法刻蚀的方法去除第二SOI片埋层二氧化硅层，露出第二SOI片经氧化后剩余的顶层硅； S8，采用缓冲刻蚀液刻蚀第二SOI片经氧化后剩余的顶层硅，刻蚀停止于第二SOI片顶层硅表面经氧化生成的二氧化硅层，释放位于第二SOI顶层硅表面的二氧化硅薄膜，形成电绝缘薄膜(2)； S9，采用磁控溅射的方法在电绝缘薄膜(2)表面溅射敏感薄膜(1)，敏感薄膜(1)用作上电极； S10，合成用于化学改性的溶液，将敏感薄膜(1)浸入溶液中进行表面改性，提高敏感薄膜(1)与被测气体之间的敏感性能； S11，光刻，采用湿法刻蚀依次刻蚀敏感薄膜(1)、电绝缘薄膜(2)以及支柱(3)，刻蚀停止于下电极电连接(5)的上表面，露出下电极焊盘位置； S12，在敏感薄膜(1)及暴露出的下电极电连接(5)的上表面旋涂光刻胶、光刻以及溅射金属层，采用剥离法形成电极焊盘(9)，并退火以减小敏感薄膜(1)与电极焊盘之间的接触电阻，得到多参数高选择性CMUTs气体传感器。
所属类别：	发明专利