专利名称：电热双参数检测芯片及其制备方法
技术领域：
本发明属于传感技术领域，特别是涉及空气、水以及生物体中某种化学物质的检测，如空气中的易燃易爆气体、有毒气体、生化武器、爆炸物以及水中的毒素、污染物和食品中的残余农药、兽药及添加剂等。
背景技术：
随着社会的进步和科技的发展，人们对环境安全性和生活舒适性的要求越来越高，对空气、水源以及食品的安全越来越重视，这些都涉及到对空气、水以及生物体中某些化学物质的检测。目前的检测手段主要是化学分析方法，需要采样后在专业实验室中进行，分析时间长，成本高，很不方便。一些化学物质也可利用试条/试剂进行现场检测，但这种方法可靠性比较差，而且需要专业人员来进行操作。目前，也有一些可现场工作的检测仪器，但存在着成本高、体积大、功耗高以及检测准确性低等问题。
最近几年里，一些高分子敏感材料被广泛应用于易燃易爆气体、有毒气体以及水中的毒素、污染物以及食品中残余农药、兽药的检测。根据检测原理基于高分子材料的传感器主要可以分为以下几种1、阻抗型传感器，根据高分子材料电容或电阻的变化来检测被测物。2、半导体型传感器，根据高分子材料接触被测物后其半导体参数(如二极管特性)的变化来检测被测物。3、谐振型传感器，由于高分子材料吸附被测物质后质量或者弹性模量发生变化导致器件谐振频率发生改变，通过测量谐振频率的改变检测被测物。4、电化学传感器，根据电极电位或者电流与被测物浓度的特定函数关系检测被测物，可分为电位计式、电流计式等。5、量热型传感器，主要原理是测量被测物与高分子材料之间的物理或化学过程中导致的温度变化。6、光纤式传感器，其原理是基于敏感薄膜上光传播、吸收或发射特性的变化，并最终输出一个光学信号。可能的结构包括光导发光型、纤芯型、被覆型、干涉仪及其它的光纤传感器。
由于能与某种高分子敏感材料发生物理或者化学反应的有多种物质，所以这些基于高分子敏感材料的传感器虽然灵敏度很高，但由于选择性不高而使得整体性能不能令人满意。
发明内容
本发明的目的是提出一种基于微电子机械系统(MEMS)技术的电热双参数检测芯片，通过同时测量敏感材料电参数与热参数的变化，提高了对被测物的选择性，进而提高了检测的可靠性。
本发明的再一目的是提供一种制备方法，使本发明的电热双参数检测芯片能采用该方法实现低成本、大批量制备。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下一种电热双参数检测芯片，基于微电子机械系统(MEMS)技术，包括衬底、起支撑作用的支撑膜片、测量热参数变化的温度传感器、测量电参数变化的测量电极以及与被测物作用后会发生某种可逆或不可逆物理化学变化的敏感膜；其特征在于芯片衬底为框形，中心部位有一通孔，其上表面固接一支撑膜片，支撑膜片上表面中心部，位于通孔的中心，固接有一敏感膜，在支撑膜片的上表面和敏感膜下表面之间，有至少一对测量电极和至少一个温度传感器。
所述的电热双参数检测芯片，其还包括用于控制芯片工作温度的至少一个加热电极，位于支撑膜片的上表面和敏感膜下表面之间；加热电极是由金属薄膜或是由多晶硅制成的。
所述的电热双参数检测芯片，其还包括至少一层绝缘膜，位于支撑膜片与敏感膜之间，所述至少一对测量电极，固接于绝缘膜的上表面或下表面；至少一个温度传感器，固接于绝缘膜的下表面或上表面；至少一个加热电极，固接于绝缘膜的下表面或上表面。
所述的电热双参数检测芯片，其所述测量电极，是一对或多对叉指电极，由铂/钽薄膜材料制成。
所述的电热双参数检测芯片，其所述支撑膜片，为完整膜片或者是由梁支撑的悬膜；支撑膜片和绝缘膜的材料是硅、氧化硅、氮化硅、金属、金属氧化物、陶瓷、玻璃中的一种，或上述各种材料组成的复合膜。
所述的电热双参数检测芯片，其所述温度传感器，是金属薄膜热电阻或多晶硅热电阻；或是由金属、硅或者金属化合物组成的热偶或热堆；或是由微电子工艺制备的其它温度传感器。
所述的电热双参数检测芯片，其所述敏感膜，由至少一种在被测物作用下会发生某种可逆或不可逆物理化学变化的组分构成，其面积小于衬底通孔上口的面积。
所述的电热双参数检测芯片，其所述敏感膜，是金属氧化物薄膜，有机聚合物薄膜，生物膜中的一种，优选是包埋有金属氧化物纳米颗粒、金属氧化物纳米线、金属纳米颗粒、金属纳米线、碳黑纳米颗粒、碳纳米管或者酶的有机膜。
所述的电热双参数检测芯片，其芯片输出的电热参数信号为差分信号。
所述的电热双参数检测芯片，其所述芯片为硅材料，可组成阵列芯片。
一种如权利要求1所述的电热双参数检测芯片的制备方法，是采用微电子机械系统(MEMS)工艺制成的，包括1、准备衬底100晶向的双面抛光硅片；2、制备支撑膜在炉温1150，采用O2/H2O/O2交替氧化条件下热氧化300nm的氧化硅，低压化学气相沉积(LPCVD)200nm的低应力氮化硅；3、制备温度传感器光刻铂电阻，剥离制备铂电阻，作为温度传感器；4、制备测量电参数的测量电极光刻叉指电极，溅射铂/钽(Pt/Ta)200nm，剥离制备叉指电极，作为测量电参数的测量电极；5、形成膜片结构光刻背面腐蚀窗口，用六氟化硫(SF6)反应离子刻蚀(RIE)氮化硅膜，用氢氟酸缓冲液(BHF)腐蚀氧化硅，然后用氢氧化钾(KOH)溶液各向异性腐蚀硅形成膜片结构；6、制备敏感膜将有机聚合物溶于溶剂中并掺入适量炭纳米颗粒，采用生物点样的办法将其沉积到芯片上；7、裂片、封装。
所述的电热双参数检测芯片的制备方法，其第(2)步骤的低压化学气相沉积，条件为炉温850，源为硅烷SiH4、氨气NH3及氮气N2。
所述的电热双参数检测芯片的制备方法，其第(3)、(4)步骤的顺序可以交换或合并为一步工艺；其中光刻，为正性光刻胶，胶膜厚度在1微米到5微米之间。
所述的电热双参数检测芯片的制备方法，其第(5)步骤的光刻背面腐蚀窗口，是正性光刻胶，胶膜厚度在2微米到5微米之间。
所述的电热双参数检测芯片的制备方法，其第(6)、(7)步骤的顺序可以交换。
所述的电热双参数检测芯片的制备方法，其加工工艺是体硅加工技术或是表面加工技术或是体硅加工技术与表面加工技术的结合。
本发明的优点与积极效果本发明可以同时检测电热两个参数，大大提高了检测准确性；本发明采用微电子机械系统(MEMS)技术制备，降低了检测系统的成本、体积以及功耗；更为重要的是，本发明采用微电子机械系统(MEMS)技术制备使得膜片的热容量很小，热参数的测量精度大大提高。
图1为本发明电热双参数检测芯片的结构示意图；图2为本发明电热双参数检测芯片的几种不同结构示意图；其中(a)所示结构为完整支撑膜片2；(b)所示为悬膜结构的支撑膜片2；(c)所示结构为完整支撑膜片2；(d)所示为悬膜结构的支撑膜片2；图3为电热双参数检测芯片的制备工艺流程示意图。
具体实现方式如图1所示，为本发明电热双参数检测芯片的结构示意图。图中1为衬底，2为支撑膜片，3为用于电参数测量的电极，4为用于热参数测量的温度传感器，5为敏感膜。衬底1为框形，材料为硅片，中心部位有一通孔6。衬底1的上表面固接一支撑膜片2，支撑膜片2是以氧化硅与氮化硅构成的复合膜，其上表面中心部，位于通孔6的中心，固接有一敏感膜5，其面积小于通孔6上口的面积，敏感膜5是包埋有炭纳米颗粒的有机聚合物薄膜。在支撑膜片2的上表面和敏感膜5下表面之间，有铂/钽(Pt/Ta)叉指电极3和用薄膜铂电阻制备的温度传感器4。叉指电极3作为测量电参数的电极，温度传感器4用来测量热参数，同时铂电阻也是控制芯片工作温度的加热器。
如图2所示，为本发明电热双参数检测芯片的几种不同结构示意图，其中(a)所示结构为完整支撑膜片2，用于电参数测量的电极3、温度传感器4(以及加热电极)处于支撑膜片2的同一层上；(b)所示为悬膜结构的支撑膜片2，用于电参数测量的电极3、温度传感器4(以及加热电极)处于支撑膜片2的同一层上；(c)所示结构为完整支撑膜片2，用于电参数测量的电极3、温度传感器4(以及加热电极)处于膜片的不同层上，彼此之间由绝缘膜7隔离；(d)所示为悬膜结构的支撑膜片2，用于电参数测量的电极3、温度传感器4(以及加热电极)处于膜片的不同层上，彼此之间由绝缘膜7隔离。绝缘膜7和支撑膜片2，都是以氧化硅与氮化硅构成的复合膜。
支撑膜片2和绝缘膜7的材料是硅、氧化硅、氮化硅、金属、金属氧化物、陶瓷、玻璃中的一种，或上述各种材料组成的复合膜。
温度传感器4(以及加热电极)，是金属薄膜热电阻或多晶硅热电阻；或是由金属、硅或者金属化合物组成的热偶或热堆；或是由微电子工艺制备的其它温度传感器。
敏感膜5，由至少一种在被测物作用下会发生某种可逆或不可逆物理化学变化的组分构成，其是金属氧化物薄膜，有机聚合物薄膜，生物膜中的一种，优选是包埋有金属氧化物纳米颗粒、金属氧化物纳米线、金属纳米颗粒、金属纳米线、碳黑纳米颗粒、碳纳米管或者酶的有机膜。
本发明的电热双参数检测芯片，输出的电热参数信号为差分信号，可组成阵列芯片。
如图3所示，为电热双参数检测芯片的制备工艺流程示意图，其中(1)为准备衬底，(2)为制备支撑膜，(3)为制备温度传感器和测量电参数的测量电极，(4)为形成膜片结构，(5)为制备敏感膜，(6)为裂片、封装。
下面是制备电热双参数检测芯片的代表工艺流程1)准备衬底300微米厚，100晶向的双面抛光硅片。
2)制备支撑膜热氧化300nm的氧化硅(炉温1150，采用O2/H2O/O2交替氧化)，低压化学气相沉积(LPCVD)200nm的低应力氮化硅(炉温850，源为硅烷SiH4、氨气NH3及氮气N2)。
3)制备铂电阻及叉指电极光刻铂电阻及叉指电极(正性光刻胶，胶膜厚度在1微米到5微米之间，典型值为2微米)，溅射铂/钽(Pt/Ta)(200nm)，剥离制备铂电阻及叉指电极分别作为温度传感器及测量电参数的测量电极。
4)形成膜片结构光刻背面腐蚀窗口(正性光刻胶，胶膜厚度在2微米到5微米之间，典型值为4微米)，用六氟化硫(SF6)反应离子刻蚀(RIE)氮化硅膜，用氢氟酸缓冲液(BHF)腐蚀氧化硅，然后用氢氧化钾(KOH)溶液各向异性腐蚀硅形成膜片结构。
5)制备敏感膜将有机聚合物溶于溶剂中并掺入适量碳纳米颗粒，采用生物点样的办法将其沉积到芯片上。
6)裂片、封装。
权利要求
1.一种电热双参数检测芯片，基于微电子机械系统(MEMS)技术，包括衬底、起支撑作用的支撑膜片、测量热参数变化的温度传感器、测量电参数变化的测量电极以及与被测物作用后会发生某种可逆或不可逆物理化学变化的敏感膜；其特征在于芯片衬底为框形，中心部位有一通孔，其上表面固接一支撑膜片，支撑膜片上表面中心部，位于通孔的中心，固接有一敏感膜，在支撑膜片的上表面和敏感膜下表面之间，有至少一对测量电极和至少一个温度传感器。
2.如权利要求1所述的电热双参数检测芯片，其特征在于还包括用于控制芯片工作温度的至少一个加热电极，位于支撑膜片的上表面和敏感膜下表面之间；加热电极是由金属薄膜或是由多晶硅制成的。
3.如权利要求1所述的电热双参数检测芯片，其特征在于还包括至少一层绝缘膜，位于支撑膜片与敏感膜之间，所述至少一对测量电极，固接于绝缘膜的上表面或下表面；至少一个温度传感器，固接于绝缘膜的下表面或上表面；至少一个加热电极，固接于绝缘膜的下表面或上表面。
4.如权利要求1或3所述的电热双参数检测芯片，其特征在于所述测量电极，是一对或多对叉指电极，由铂/钽薄膜材料制成。
5.如权利要求1或3所述的电热双参数检测芯片，其特征在于所述支撑膜片，为完整膜片或者是由梁支撑的悬膜；支撑膜片和绝缘膜的材料是硅、氧化硅、氮化硅、金属、金属氧化物、陶瓷、玻璃中的一种，或上述各种材料组成的复合膜。
6.如权利要求1所述的电热双参数检测芯片，其特征在于所述温度传感器，是金属薄膜热电阻或多晶硅热电阻；或是由金属、硅或者金属化合物组成的热偶或热堆；或是由微电子工艺制备的其它温度传感器。
7.如权利要求1所述的电热双参数检测芯片，其特征在于所述敏感膜，由至少一种在被测物作用下会发生某种可逆或不可逆物理化学变化的组分构成，其面积小于衬底通孔上口的面积。
8.如权利要求1或7所述的电热双参数检测芯片，其特征在于所述敏感膜，是金属氧化物薄膜，有机聚合物薄膜，生物膜中的一种，优选是包埋有金属氧化物纳米颗粒、金属氧化物纳米线、金属纳米颗粒、金属纳米线、碳黑纳米颗粒、碳纳米管或者酶的有机膜。
9.如权利要求1所述的电热双参数检测芯片，其特征在于芯片输出的电热参数信号为差分信号。
10.如权利要求1所述的电热双参数检测芯片，其特征在于所述芯片为硅材料，可组成阵列芯片。
11.一种如权利要求1所述的电热双参数检测芯片的制备方法，是采用微电子机械系统(MEMS)工艺制成的；其特征在于，包括(1)准备衬底100晶向的双面抛光硅片；(2)制备支撑膜在炉温1150，采用O2/H2O/O2交替氧化条件下热氧化300nm的氧化硅，低压化学气相沉积(LPCVD)200nm的低应力氮化硅；(3)制备温度传感器光刻铂电阻，剥离制备铂电阻，作为温度传感器；(4)制备测量电参数的测量电极光刻叉指电极，溅射铂/钽(Pt/Ta)200nm，剥离制备叉指电极，作为测量电参数的测量电极；(5)形成膜片结构光刻背面腐蚀窗口，用六氟化硫(SF6)反应离子刻蚀(RIE)氮化硅膜，用氢氟酸缓冲液(BHF)腐蚀氧化硅，然后用氢氧化钾(KOH)溶液各向异性腐蚀硅形成膜片结构；(6)制备敏感膜将有机聚合物溶于溶剂中并掺入适量碳纳米颗粒，采用生物点样的办法将其沉积到芯片上；(7)裂片、封装。
12.如权利要求11所述的电热双参数检测芯片的制备方法，其特征在于第(2)步骤的低压化学气相沉积，条件为炉温850，源为硅烷SiH4、氨气NH3及氮气N2。
13.如权利要求11所述的电热双参数检测芯片的制备方法，其特征在于第(3)、(4)步骤的顺序可以交换或合并为一步工艺；其中光刻，为正性光刻胶，胶膜厚度在1微米到5微米之间。
14.如权利要求11所述的电热双参数检测芯片的制备方法，其特征在于第(5)步骤的光刻背面腐蚀窗口，是正性光刻胶，胶膜厚度在2微米到5微米之间。
15.如权利要求11所述的电热双参数检测芯片的制备方法，其特征在于第(6)、(7)步骤的顺序可以交换。
16.如权利要求11所述的电热双参数检测芯片的制备方法，其特征在于加工工艺是体硅加工技术或是表面加工技术或是体硅加工技术与表面加工技术的结合。
全文摘要
本发明电热双参数检测芯片及其制备方法属于传感技术领域，特别涉及空气、水及生物体中某种化学物质的检测。该芯片包括衬底、支撑膜片、测量热参数变化的温度传感器、测量电参数变化的测量电极以及与被测物作用后会发生某种可逆或不可逆物理化学变化的敏感膜；其芯片衬底为框形，中心部位有一通孔，其上表面固接一支撑膜片，支撑膜片上表面中心部，位于通孔的中心，固接有一敏感膜，在支撑膜片上表面和敏感膜下表面之间，有至少一对测量电极和至少一个温度传感器。本发明同时检测电热两个参数，提高了检测准确性；因采用微电子机械系统技术制备，降低了检测系统成本、体积以及功耗；并使膜片的热容量很小，热参数的测量精度大大提高。
文档编号G01N27/403GK1749745SQ20041007467
公开日2006年3月22日 申请日期2004年9月13日 优先权日2004年9月13日
发明者高晓光, 李建平, 何秀丽 申请人:中国科学院电子学研究所