一种微型原子氧密度传感器的制造方法

技术领域

本发明涉及空间环境探测技术领域，具体涉及一种微型原子氧密度传感器的制造方法。

背景技术

作为低地球轨道(200～700Km)上残余大气气氛的主要成分，原子氧是危害航天器空间环境安全及寿命的主要因素之一。虽然原子氧热能很低(-0.2eV)，但航天器～8Km/s的相对运动速度可使撞击能量达5eV，进而对航天器表面材料造成严重的影响。对于太阳阵、柔性天线、热控多层等聚合物或复合结构材料，原子氧与材料表面发生氧化、剥蚀效应将引起材料力、热、光、电等性质的改变衰退，甚至导致材料失效，威胁低轨道航天器的安全运行。

在空间原子氧效应和航天器原子氧防护技术的研究中，对空间环境原子氧浓度或通量的精确探测尤为重要，不仅可为低地球轨道航天器原子氧防护设计提供关键数据支撑，也为原子氧地面模拟试验提供相应基准依据。因此，研究和发展空间原子氧探测技术，开展原子氧环境的实时在轨监测，是空间原子氧效应研究面临的最重要工作之一。

从上世纪七十年代开始，国内外便开始空间原子氧在轨探测技术研发，开发了包括质谱分析仪、样品回收法、石英晶体微天平、化学热探测法、电阻分析法、半导体探测法等多种探测方法。近些年来，受航天器轻质、小尺寸、低功耗、可在线监测等搭载要求推动，电阻型、半导体型原子氧传感器受到了广泛关注，并已成功实现在轨测试。其中，电阻型原子氧传感器如锇膜、银膜、碳膜、石墨烯等通过测量与原子氧反应氧化后电阻变化实现原子氧密度探测，其膜厚与灵敏度成反比，但与使用寿命成正比，两者存在相互制约，因此难以实现长期高灵敏度在轨监测。而以ZnO为代表的半导体型原子氧传感器，利用半导体表面吸附原子氧后载流子浓度的降低——即半导体电阻阻值变化量获得原子氧密度数据，并可通过加热等方法引起的氧脱附实现再生重复使用，具有体积小、反应快、寿命长、稳定性高、可在轨连续监测等优点。但目前基于磁控溅射、脉冲激光沉积等工艺制备的ZnO薄膜传感器，由于敏感薄膜结构致密、吸附比表面积小，存在氧吸脱附速度即响应速率慢、探测灵敏度低等问题；另一方面，现有半导体型传感器件加热再生功能采用半导体加热片或厚膜加热电阻，加热功耗过大。

因此，基于ZnO半导体薄膜原子氧传感器件在航天器在轨环境下的应用仍受诸多关键问题制约，如何制造一种灵敏度高、小尺寸、低功耗的原子氧密度传感器成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中原子氧密度传感器存在的灵敏度低、寿命短、响应速率慢、功耗高的缺陷，从而提供一种灵敏度高、小尺寸、低功耗、可实现空间在轨高精度、长寿命的原子氧环境连续监测的原子氧密度传感器的制造方法。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明提供一种微型原子氧密度传感器的制造方法，包括以下步骤：

S1：准备基底；

S2：在所述基底表面制备下绝缘层；

S3：在所述下绝缘层表面制备加热及测温电阻薄膜；

S4：在所述加热及测温电阻薄膜表面制备上绝缘层，使其包覆于所述上绝缘层和下绝缘层中；

S5：在所述上绝缘层中制备加热及测温引线窗口以将所述加热及测温电阻薄膜的引出端引出；

S6：在所述上绝缘层的表面制备传感电极；

S7：在所述传感电极的表面制备纳米氧化锌薄膜，并与所述传感电极之间形成电连接；

S8：处理所述基底的背面以在所述下绝缘层下方形成悬空支撑结构。

进一步地，所述基底选择SOI衬底器件，包括底层硅、埋氧层和顶层硅；

在S2之前还包括在基底底面制备背面绝缘层的步骤；

S8包括采用背面套刻工艺，刻蚀所述背面绝缘层、底层硅及埋氧层，剩余所述顶层硅形成悬空支撑结构。

进一步地，所述底层硅厚度为200～500μm，所述埋氧层厚度为0.5～2μm，所述顶层硅厚度为2～60μm；

S8中采用深反应离子刻蚀工艺刻蚀所述背面绝缘层、底层硅及埋氧层。

进一步地，所述基底选择单晶硅衬底；

所述制造方法还包括或不包括在所述基底与所述下绝缘层之间制备支撑层的步骤；

所述支撑层的材料为多晶硅、氮化硅、碳化硅、氧化硅中的至少一种；

在S2之前还包括在基底底面制备氮化硅薄膜的步骤；

S8中利用KOH湿法腐蚀所述氮化硅薄膜和单晶硅衬底，暴露出所述支撑层或下绝缘层的底面。

进一步地，所述单晶硅衬底的厚度为200～500μm，所述支撑层的厚度为0.4～20μm；

当所述支撑层选择氮化硅、碳化硅或氧化硅时，所述支撑层同时作为所述下绝缘层；

在所述单晶硅衬底底面采用低压力化学气相沉积工艺制备所述氮化硅薄膜。

进一步地，S2中采用热氧化工艺制备所述下绝缘层；

S4中采用等离子增强化学气相沉积工艺制备所述上绝缘层；

所述上绝缘层和下绝缘层的材料为氧化硅和/或氮化硅，厚度为50～500nm。

进一步地，S3中光刻、沉积铂薄膜，剥离形成所述加热与测温电阻薄膜；

所述加热及测温电阻薄膜图形化为蛇形或双螺旋形；

所述加热及测温电阻薄膜的引出端为至少两根，用于与控温及测温电路连接，优选的，所述加热及测温电阻薄膜的引出端为四根，并分别与单个所述加热及测温引线窗口相连；

S5中采用光刻或反应离子刻蚀工艺制备所述加热及测温引线窗口。

进一步地，S6中采用光刻、沉积金或铂薄膜，剥离形成所述传感电极；

所述传感电极图形化为叉指电极对；

所述传感电极的引出端为至少两根，用于与原子氧传感电路连接。

进一步地，所述纳米氧化锌薄膜为氧化锌纳米颗粒、纳米线、纳米柱、纳米片中的至少一种。

进一步地，所述纳米氧化锌薄膜的制备方法包括：

磁控溅射制备非晶锌薄膜，在刻蚀器件基底前在气氛炉中高温氧化、或获得成品器件后通过器件自加热，获得多孔纳米氧化锌薄膜，氧化反应温度400～450℃；

或者，将Zn(CH

本发明技术方案，具有如下优点：

与目前采用半导体加热器结合热电偶测温的氧化锌半导体原子氧探测系统相比，本发明利用MEMS技术制备了高集成度微型原子氧密度传感器，利用基底和支撑层的结构设计在ZnO敏感薄膜区域形成超薄悬空支撑结构，结合加热及测温电阻薄膜技术，通过温度控制及测量元件及原子氧敏感元件的一体化集成，显著降低了器件尺寸及功耗，符合现阶段航天器载荷搭载的轻质低耗要求；此外，悬空支撑层加热区具有的低热质量及衬底大热沉效应特点，可大幅提高器件升降温速率进而使纳米氧化锌薄膜敏感元件可在传感-再生状态迅速切换，有利于提高加热再生型传感器件的检测精度。

针对磁控溅射、脉冲激光沉积等工艺制备的氧化锌薄膜致密度高、氧吸/脱附比表面积小、传感灵敏度低等问题，本发明通过制备纳米氧化锌薄膜(氧化非晶金属锌薄膜、水热法合成氧化锌纳米线/纳米片，解决了半导体型器件在原子氧探测中高致密度N型半导体薄膜氧吸附、反应速率慢，灵敏度低等问题。

本发明利用纳米结构增强ZnO半导体薄膜原子氧传感灵敏度、高集成度微型传感MEMS器件设计降低系统尺寸及功耗等有益方案的结合，可实现空间原子氧密度的在轨连续监测，具有高灵敏度、高寿命、快速响应、小尺寸、低功耗等优点。该传感器可用于地面模拟设备原子氧密度和空间环境中的原子氧密度探测。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1和实施例2提供的微型原子氧密度传感器的俯视图；

图2为本发明实施例1提供的微型原子氧密度传感器的结构示意图；

图3为本发明实施例2提供的微型原子氧密度传感器的结构示意图；

图4为本发明实施例1提供的微型原子氧密度传感器的加工流程。

附图标记说明：

1-基底；2-支撑层；3-下绝缘层；4-上绝缘层；5-加热及测温电阻薄膜；6-加热及测温引线窗口：7-传感电极；8-纳米氧化锌薄膜。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

如图1～3所示，本发明提供一种微型原子氧密度传感器，包括基底1、支撑层2、下绝缘层3、上绝缘层4、加热及测温电阻薄膜5、加热及测温引线窗口6、传感电极7和纳米氧化锌薄膜8，

其中，基底1上依次层叠设置支撑层2、下绝缘层3和上绝缘层4；基底1呈框状，与支撑层2之间形成悬空支撑结构；下绝缘层3和上绝缘层4中包覆有加热及测温电阻薄膜5，加热及测温引线窗口6开设于上绝缘层4中，并与加热及测温电阻薄膜5的引出端相连；上绝缘层4表面依次层叠设置传感电极7和纳米氧化锌薄膜8，传感电极7与纳米氧化锌薄膜8电连接。

本发明提供的微型原子氧密度传感器的工作原理如下：微型原子氧密度传感器的基底1与支撑层2之间形成悬空支撑结构，并通过支撑层2同时集成有用于原子氧传感的纳米氧化锌薄膜8(通过传感电极7为其提供电学连接)，以及具有对纳米氧化锌薄膜8进行加热再生并监控纳米氧化锌薄膜8实时温度功能的加热及测温电阻薄膜5(包覆在上绝缘层4和下绝缘层3中)。当需要单次探测空间环境原子氧密度时，加热及测温电阻薄膜5经与之连接的控温及测温电路输入一定大小的电流或电压产生焦耳热，从而使纳米氧化锌薄膜8升温至特定温度进行氧脱附再生处理；待纳米氧化锌薄膜8电阻趋于稳定后，降低加热温度或关闭加热电路，使纳米氧化锌薄膜8温度迅速降低至传感温度；随后，与传感电极7连接的原子氧监测电路测量传感温度下纳米氧化锌薄膜8在空间原子氧作用下阻值变化，同时，控温及测温电路实时监测纳米氧化锌薄膜8温度值以实现薄膜电阻的温度补偿；最终，结合地面标定的纳米氧化锌薄膜8阻值变化与原子氧密度、以及温度问关系，计算获得单次采集下的空间原子氧密度值。单次采集完成后，利用加热及测温电阻重新加热纳米氧化锌薄膜8，对器件进行再一次再生处理后即可用于第二次采集；经多次再生-采集-再生循环，实现空间原子氧密度在轨连续监测。

为实现对加热及测温电阻薄膜5以及纳米氧化锌薄膜8的悬空支撑，将基底1设置为框状结构，暴露出支撑层2的底面。作为本发明的可选实施方式，基底1的材料为单晶硅、绝缘层上硅、碳化硅、氧化硅、氧化铝中的一种；基底1的厚度为0.2～0.5mm，基底1外框的尺寸为2～10mm×2～10mm。

如图2所示，作为基底1的一种可选实施方式，基底1选择SOI(绝缘层上硅)衬底，SOI衬底包括底层硅、埋氧层和顶层硅，顶层硅即作为支撑层2(即通过刻蚀掉部分底层硅和埋氧层形成悬空支撑结构)。优选的，底层硅厚度为200～500μm，埋氧层厚度为0.5～2μm，顶层硅厚度为2～60μm。

如图3所示，作为基底1的另一种可选实施方式，基底1选择单晶硅衬底(通过腐蚀单晶硅衬底形成悬空支撑结构)，支撑层2的材料为多晶硅、氮化硅、碳化硅、氧化硅中的至少一种。优选的，单晶硅衬底的厚度为200～500μm，支撑层2的厚度为0.4～20μm。需要说明的是，当支撑层2选择具有高介电性能的氮化硅、碳化硅或氧化硅时，支撑层2可同时作为下绝缘层3，即省去制备下绝缘层3的工艺步骤。

上绝缘层4和下绝缘层3用于包覆加热及测温电阻薄膜5，起到绝缘作用，作为本发明的可选实施方式，上绝缘层4和下绝缘层3的材料为氧化硅和/或氮化硅，厚度为50～500nm。

加热及测温电阻薄膜5用于对纳米氧化锌薄膜8进行加热再生并监控纳米氧化锌薄膜8实时温度。加热及测温电阻薄膜5包覆在上绝缘层4和下绝缘层3中，并通过上绝缘层4开设的加热及测温引线窗口6将薄膜的引出端引出，用于与控温及测温电路连接。作为本发明的可选实施方式，加热及测温电阻薄膜5图形化为蛇形或双螺旋形；加热及测温电阻薄膜5的引出端为至少两根，优选的，加热及测温电阻薄膜5的引出端为四根(如图1所示)，并分别与单个加热及测温引线窗口6相连，实现四电极法下的高精度温度加载及测量；优选的，加热及测温电阻薄膜5的材料为铂。

传感电极7用于为纳米氧化锌薄膜8提供电连接。作为本发明的可选实施方式，传感电极7图形化为叉指电极对；传感电极7的引出端为至少两根，用于与原子氧传感电路连接；优选的，传感电极7的材料为金或铂。

纳米氧化锌薄膜8是实现原子氧传感功能的核心部件。作为本发明的可选实施方式，纳米氧化锌薄膜8为氧化锌纳米颗粒、纳米线、纳米柱、纳米片中的至少一种。

作为一种可选实施方式，纳米氧化锌薄膜8的制备方法包括：磁控溅射制备非晶锌薄膜，在刻蚀器件基底1前在气氛炉中高温氧化、或获得成品器件后通过器件自加热，获得多孔纳米氧化锌薄膜8，氧化反应温度400～450℃。

作为另一种可选实施方式，通水热法合成具有纳米片结构的氧化锌薄膜，其制备方法包括：将醋酸锌Zn(CH

实施例1

如图4所示，本实施例提供一种上述微型原子氧密度传感器的制造方法，包括以下步骤：

S1：准备基底1材料(SOI衬底器件，包括底层硅、埋氧层和顶层硅)；

S2：在所述基底1材料表面制备下绝缘层3；

S3：在所述下绝缘层3表面制备加热及测温电阻薄膜5；

S4：在所述加热及测温电阻薄膜5表面制备上绝缘层4，使其包覆于所述上绝缘层4和下绝缘层3中；

S5：在所述上绝缘层4中制备加热及测温引线窗口6以将所述加热及测温电阻薄膜5的引出端引出；

S6：在所述上绝缘层4的表面制备传感电极7；

S7：在所述传感电极7的表面制备纳米氧化锌薄膜8，并与所述传感电极7之间形成电连接；

S8：处理所述基底1材料以暴露出部分支撑层2的底面，形成悬空支撑结构。

S2中采用热氧化工艺制备下绝缘层3；S3中光刻、沉积铂薄膜，剥离形成加热与测温电阻薄膜；S4中采用等离子增强化学气相沉积工艺制备上绝缘层4；S5中采用光刻或反应离子刻蚀(RIE)工艺制备加热及测温引线窗口6；S6中采用光刻、沉积金薄膜，剥离形成传感电极7；S7中制备、图形化纳米氧化锌薄膜8；S8中采用背面套刻工艺，刻蚀背面绝缘层(为完成器件加工，S2之前在基底1底面制备)、底层硅及埋氧层，剩余顶层硅形成悬空支撑结构，优选利用深反应离子刻蚀(DRIE)底层硅。

本实施例制备所得的器件结构如图2所示。

实施例2

本实施例提供一种上述微型原子氧密度传感器的制造方法，包括以下步骤：

S 1：准备基底1材料；

S2：在所述基底1材料表面制备支撑层2；

S3：在所述支撑层2表面制备下绝缘层3；

S4：在所述下绝缘层3表面制备加热及测温电阻薄膜5；

S5：在所述加热及测温电阻薄膜5表面制备上绝缘层4，使其包覆于所述上绝缘层4和下绝缘层3中；

S6：在所述上绝缘层4中制备加热及测温引线窗口6以将所述加热及测温电阻薄膜5的引出端引出；

S7：在所述上绝缘层4的表面制备传感电极7；

S8：在所述传感电极7的表面制备纳米氧化锌薄膜8，并与所述传感电极7之间形成电连接；

S9：处理所述基底1材料以暴露出部分支撑层2的底面，形成悬空支撑结构。

S1中基底1材料选择单晶硅衬底，S2中支撑层2材料选择多晶硅、氮化硅、碳化硅、氧化硅。优选的，当S2中支撑层2材料选择氮化硅、氧化硅、碳化硅等具有高介电性能的材料时，省去步骤S3，支撑层2同时作为下绝缘层3。

S2中采用低压化学气相沉积工艺制备支撑层2；S3中采用热氧化工艺制备下绝缘层3；S4中光刻、沉积铂薄膜，剥离形成加热与测温电阻薄膜；S5中采用等离子增强化学气相沉积工艺制备上绝缘层4；S6中采用光刻或反应离子刻蚀(RIE)工艺制备加热及测温引线窗口6；S7中采用光刻、沉积金薄膜，剥离形成传感电极7；S8中制备、图形化纳米氧化锌薄膜8；针对单晶硅衬底及多晶硅、氮化硅、碳化硅、氧化硅等支撑层2材料，在S4前在单晶硅衬底底面采用低压力化学气相沉积(LPCVD)工艺制备氮化硅薄膜，S9中利用KOH湿法腐蚀氮化硅薄膜和单晶硅衬底。

本实施例制备所得的器件结构如图3所示。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。