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原文传递一种多功能薄膜高灵敏度CMUTs气体传感器及其制备方法

专利名称：	一种多功能薄膜高灵敏度CMUTs气体传感器及其制备方法
摘要：	本发明公开了一种多功能薄膜高灵敏度CMUTs气体传感器及其制备方法，本发明采用石墨烯、二硫化钼以及MXenes(二维过渡金属碳化物或氮化物)等同时具有高弹性模量、气体敏感性以及导电性的多功能材料作为CMUTs敏感元件，即单层悬空薄膜同时用作CMUTs振动薄膜、上电极以及敏感材料层，实现了振动薄膜、上电极以及敏感材料层等多层复合薄膜的一体化设计，可有效减小薄膜质量、提高单元一致性以及谐振频率，进而可实现CMUTs气体传感器检测极限及检测灵敏度等综合性能的大幅提高。
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;罗国希;赵一鹤;李杰;徐廷中;郭帅帅;刘子晨;贾钦相
专利状态：	有效
申请日期：	2019-07-30T00:00:00+0800
发布日期：	2019-11-01T00:00:00+0800
申请号：	CN201910696430.4
公开号：	CN110398536A
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：	1.一种多功能薄膜高灵敏度CMUTs气体传感器，其特征在于，由上而下依次包括敏感薄膜、空腔(4)、绝缘层(6)以及基底(7)，敏感薄膜用作振动薄膜、上电极以及敏感材料层；基底(7)能够导电，基底(7)用作下电极。 2.根据权利要求1所述的一种多功能薄膜高灵敏度CMUTs气体传感器，其特征在于，敏感薄膜采用石墨烯薄膜、二硫化钼薄膜或MXenes，石墨烯薄膜、二硫化钼薄膜或MXenes同时具有高弹性模量、气体敏感性以及导电性，所述敏感薄膜的弹性模量高于单晶硅、多晶硅、二氧化硅以及氮化硅的弹性模量。 3.根据权利要求1所述的一种多功能薄膜高灵敏度CMUTs气体传感器，其特征在于，绝缘层(6)以及空腔(4)周围的支柱(5)采用的材料为二氧化硅、氮化硅或碳化硅。 4.根据权利要求1所述的一种多功能薄膜高灵敏度CMUTs气体传感器，其特征在于，基底(7)采用低阻硅基底或低阻多晶硅基底。 5.权利要求1-4任意一项所述的多功能薄膜高灵敏度CMUTs气体传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤： S1，采用氧化方法在第一单晶硅片表面生长二氧化硅层，未被氧化的单晶硅作为基底(7)； S2，光刻、图形化空腔形状，刻蚀第一单晶硅片上的二氧化硅层，刻蚀停止于第一单晶硅未被氧化的单晶硅表面；取第二单晶硅片，在第二单晶硅片上表面溅射用于生长敏感薄膜的金属层； S3，再次氧化第一单晶硅片，在第一单晶硅片表面生成二氧化硅层，形成多功能薄膜高灵敏度CMUTs气体传感器的支柱(5)及绝缘层(6)；采用化学气相沉积方法在第二单晶硅上的金属层表面生长敏感薄膜； S4，将支柱(5)和敏感薄膜表面进行活化处理，在真空环境中将支柱(5)和敏感薄膜直接键合，形成多功能薄膜高灵敏度CMUTs气体传感器的空腔(4)； S5，先采高浓度刻蚀液去除80％的第二单晶硅片，再用缓冲刻蚀液去除剩余20％第二单晶硅片，露出金属层； S6，采用湿法腐蚀的方法刻蚀金属层，释放敏感薄膜； S7，在敏感薄膜上旋涂光刻胶、光刻，并溅射金属层，采用剥离方法形成上电极焊盘，并进行高温退火以减小敏感薄膜与上电极焊盘之间的接触电阻，得到所述多功能薄膜高灵敏度CMUTs气体传感器。 6.权利要求1-4任意一项所述的多功能薄膜高灵敏度CMUTs气体传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤： S1，采用氧化方法在第一单晶硅片表面生长二氧化硅层，未被氧化的单晶硅作为基底(7)； S2，光刻、图形化空腔形状，刻蚀第一单晶硅片上的二氧化硅层，刻蚀停止于第一单晶硅未被氧化的单晶硅表面；取第二单晶硅片，在第二单晶硅片上表面溅射用于生长敏感薄膜的第一金属层； S3，再次氧化第一单晶硅片，在第一单晶硅片表面生成二氧化硅层，形成多功能薄膜高灵敏度CMUTs气体传感器的支柱(5)及绝缘层(6)；采用化学气相沉积方法在第二单晶硅上的第一金属层表面生长敏感薄膜； S4，在第一单晶硅上的二氧化硅层表面溅射第二金属层，采用与制备空腔图形结构相同的掩膜版，光刻、图形化后，采用湿法刻蚀的方法，去除位于第一单晶硅二氧化硅绝缘层上表面的第二金属层，保留支柱(5)表面的第二金属层； S5，在第二单晶硅上的敏感薄膜表面溅射第三金属层，采用与制备空腔图形结构相同的掩膜版，光刻、图形化后，采用湿法刻蚀的方法去除位于空腔区域的第三金属层，保留对应于支柱区域的第三金属层； S6，对第一单晶硅片和第二单晶硅片进行清洗，第一单晶硅上保留的第二金属层与第二单晶硅上保留的第三金属层正对，在真空、加压的条件下对第一单晶硅片和第二单晶硅片进行预键合，而后整个结构在真空条件下退火，完成键合，将空腔(4)真空密封； S7，先采高浓度刻蚀液去除80％的第二单晶硅片，再用缓冲刻蚀液(BOE)去除剩余20％的第二单晶硅片，露出第一金属层； S8，采用湿法腐蚀的方法刻蚀第一金属层，释放敏感薄膜； S9，在敏感薄膜上旋涂光刻胶、光刻，并溅射第四金属层，对第四金属层采用剥离方法形成上电极焊盘，并高温退火以减小敏感薄膜与上电极焊盘之间的接触电阻。 7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，第二金属层为Ti/Zn/Au层，第三金属层为Ti/Au层，第四金属层为铝层或金层。 8.权利要求1-4任意一项所述的多功能薄膜高灵敏度CMUTs气体传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤： S1，采用氧化方法在第一单晶硅片表面生长二氧化硅层，未被氧化的单晶硅作为基底(7)； S2，光刻、图形化空腔形状，刻蚀第一单晶硅片上的二氧化硅层，刻蚀停止于第一单晶硅未被氧化的单晶硅表面；取第二单晶硅片，在第二单晶硅片上表面溅射用于生长敏感薄膜的第一金属层； S3，再次氧化第一单晶硅片，在第一单晶硅片表面生成二氧化硅层，形成多功能薄膜高灵敏度CMUTs气体传感器的支柱(5)及绝缘层(6)；采用化学气相沉积方法在第二单晶硅上的第一金属层表面生长敏感薄膜； S4，在第一单晶硅上的二氧化硅层表面溅射第二金属层，采用与制备空腔图形结构相同的掩膜版，光刻、图形化后，采用湿法刻蚀的方法，去除位于第一单晶硅二氧化硅绝缘层上表面的第二金属层，保留支柱(5)表面的第二金属层； S5，在第二单晶硅上的敏感薄膜表面溅射第三金属层，采用与制备空腔图形结构相同的掩膜版，光刻、图形化后，采用湿法刻蚀的方法去除位于空腔区域的第三金属层，保留对应于支柱区域的第三金属层； S6，对第一单晶硅片和第二单晶硅片进行清洗，第一单晶硅上保留的第二金属层与第二单晶硅上保留的第三金属层正对，在真空、加压的条件下对第一单晶硅片和第二单晶硅片进行预键合，而后整个结构在真空条件下退火，完成键合，将空腔(4)真空密封； S7，先采高浓度刻蚀液去除80％的第二单晶硅片，再用缓冲刻蚀液(BOE)去除剩余20％的第二单晶硅片，露出第一金属层； S8，将敏感薄膜浸入用于表面化学改性的溶液中进行表面改性，以提高对目标气体的选择性吸附性能； S9，在敏感薄膜上旋涂光刻胶、光刻，并溅射第五金属层，对第五金属层采用剥离方法形成上电极焊盘，并高温退火以减小敏感薄膜与上电极焊盘之间的接触电阻。
所属类别：	发明专利