納米尺度微型溫度傳感器的製作方法

2023-05-09 04:03:11

專利名稱：納米尺度微型溫度傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及傳感器領域中的一種納米尺度微型溫度傳感器的製作方法，本發明製作的器件特別適用於微流體傳感器等要求體積較小的場合作為精確溫度測量及IC晶片、傳感器晶片等嵌入式在片溫度測量的傳感器裝置。
背景技術：
溫度傳感器被廣泛的應用於個人計算機、行動電話、汽車、醫用設備、遊戲控制臺、微流體傳感器等設備中。隨著IC集成度的提高和筆記本電腦、移動終端、PDA等可攜式設備的普及，功耗散熱問題變得越來越突出。只有對晶片的工作溫度進行精確的控制，才能保證設備穩定工作。微流體傳感器中也需要體積很小的溫度傳感器來敏感氣流的溫度。傳統的溫度傳感器由於體積大、功耗高、線性度不好等不足，從而制約了其進一步發展和應用。
納電子機械系統又稱NEMS，是在微電子系統(MEMS)基礎上發展起來的、特徵尺寸在0.1-100納米範圍內的一種新興技術。納米技術的主要應用領域有光通信、微波通信、醫學、家電等，因此採用納米技術製作溫度傳感器，來進一步提高電子產品的性能已成為關鍵技術。

發明內容
本發明的目的在於避免上述背景技術中的不足之處而提供一種採用微機械加工工藝的納米尺度微型溫度傳感器的製作方法，並且本發明方法製作的器件還具有體積極小、溫度測量範圍極寬、結構簡單、重量輕、熱容量小、響應速度快、測量精度高、線性度好、功耗低、可靠性高、一致性好、成本低等特點。
本發明的目的是這樣實現的，它包括步驟
①在單晶矽片1上面採用低壓化學氣相澱積工藝或等離子增強化學氣相澱積工藝澱積、熱生長一層二氧化矽膜層8；②在單晶矽片1下面採用低壓化學氣相澱積工藝或等離子增強化學氣相澱積工藝澱積一層下層氮化矽膜層2；③二氧化矽膜層8上面採用低壓化學氣相澱積工藝或等離子增強化學氣相澱積工藝澱積一層上層氮化矽膜層3；④在上層氮化矽膜層3上面塗一層光刻膠，採用光刻工藝光刻形成溫敏電阻層5的結構圖形；⑤採用磁控濺射工藝在上層氮化矽膜層3上、溫敏電阻層5的結構圖形上濺射一層粘附層4；⑥採用磁控濺射工藝在粘附層4上面濺射一層溫敏電阻層5；⑦採用磁控濺射工藝在溫敏電阻層5上面濺射一層導電層6；⑧將單晶矽片1放入酒精容器內，採用超聲剝離工藝剝離掉溫敏電阻層5結構圖形以外的粘附層4、溫敏電阻層5、導電層6，單晶矽片1上兩側露出上層氮化矽膜層3，形成粘附層4、溫敏電阻層5、導電層6結構層；⑨在導電層6結構層上塗一層光刻膠，採用光刻工藝光刻形成導電層6電極結構圖形；⑩採用碘化鉀溼法腐蝕工藝，腐蝕溫敏電阻層5上面中間部位的導電層6，露出中間部位的溫敏電阻層5，形成導電層6電極結構；在單晶矽片1上露出的兩側上層氮化矽膜層3上、露出中間部位的溫敏電阻層5上、導電層6電極結構上面塗一層光刻膠，光刻出懸臂梁7結構圖形；採用等離子體刻蝕工藝在上層氮化矽膜層3上面刻蝕形成懸臂梁7結構，露出上層氮化矽膜層3下面的二氧化矽膜層8；採用氫氟酸緩衝液腐蝕掉露出上層氮化矽膜層3下面的二氧化矽膜層8、懸臂梁7結構下面的二氧化矽膜層8，形成懸空的懸臂梁7結構；採用矽各向異性溼法腐蝕工藝腐蝕單晶矽片1形成腔體結構，懸臂梁7、粘附層4、溫敏電阻層5、導電層6懸空固定在單晶矽片1腔體上，完成納米尺度微型溫度傳感器製作。
本發明下層氮化矽膜層2的厚度尺寸為300納米至3000納米；上層氮化矽膜層3的厚度尺寸為300納米至3000納米；粘附層4的厚度尺寸為5納米至500納米；溫敏電阻層5的厚度尺寸為5納米至500納米；導電層6的厚度尺寸為5納米至3000納米。
本發明上層氮化矽膜層3可採用氮化矽、或濃硼矽、二氧化矽製作；粘附層4可採用鉻、或鈦、鎳鉻合金製作；溫敏電阻層5可採用鉑、或鎢、鎳鉻合金、鉑銠合金製作；導電層6可採用金、或銅、鋁製作。
本發明相比背景技術具有如下優點1、本發明採用微電子加工工藝製作成多層薄膜結構的溫度測量傳感器，因此本發明製作的器件體積極小；採用溫敏電阻層5作為測溫敏感元件，具有溫度測量精度高、線性度好、一致性好、性能穩定可靠、溫度測量範圍寬(可達-78℃至600℃)的優點。
2、本發明採用單晶矽片1腔體結構和懸臂梁7結構，將整體結構懸空，使本發明製作的傳感器降低熱容量、溫度響應快、功耗低。
3、本發明採用微機械工藝加工製作，使器件具有結構簡單、重量輕、加工成品率高、成本低、便於批量生產等優點。


圖1是本發明的主視結構示意圖。
圖2是本發明的三維結構示意圖。
圖1、圖2中，1為單晶矽片、2為下層氮化矽膜層、3為上層氮化矽膜層、4為粘附層、5為溫敏電阻層、6為導電層、7為懸臂梁、8為二氧化矽膜層。
具體實施例方式
參照圖1圖2，本發明製作步驟是(1)在單晶矽片1上面採用通用的低壓化學氣相澱積設備的低壓化學氣相澱積工藝或等離子增強化學氣相澱積設備的等離子增強化學氣相澱積工藝澱積、氧化爐設備的熱生長工藝熱生長一層二氧化矽膜層8結構，作為腐蝕單晶矽片1的犧牲層。實施例採用氧化爐設備熱生長一層二氧化矽膜8。
(2)在單晶矽片1下面採用通用的化學氣相澱積設備的低壓化學氣相澱積工藝或等離子增強化學氣相澱積設備的等離子增強化學氣相澱積工藝澱積一層下層氮化矽膜層2，下層氮化矽膜層2的澱積厚度為300納米至3000納米。實施例採用低壓化學氣相澱積工藝澱積下層氮化矽膜2，澱積厚度為500納米。
(3)二氧化矽膜層8上面採用通用的低壓化學氣相澱積設備的低壓化學氣相澱積工藝或等離子增強化學氣相澱積工藝澱積一層上層氮化矽膜層3結構，下層氮化矽膜層3可採用氮化矽、或濃硼矽、二氧化矽製作，澱積厚度為300納米至3000納米。實施例採用低壓化學氣相澱積工藝澱積下層氮化矽膜3，澱積厚度為500納米，採用氮化矽材料製作。
(4)在上層氮化矽膜層3上面用塗膠機塗一層正膠AZ1500型光刻膠，採用通用光刻機的光刻工藝光刻形成溫敏電阻層5的結構圖形；(5)採用磁控濺射臺的磁控濺射工藝在上層氮化矽膜層3上、溫敏電阻層5的結構圖形上濺射一層粘附層4，其作用是用來連接懸臂梁7和溫敏電阻層5，粘附層4的厚度尺寸為5納米至500納米，材料可採用鉻、或鈦、鎳鉻合金製作。實施例粘附層4的加工厚度為10納米，採用鉻材料製作。
(6)採用磁控濺射臺的磁控濺射工藝在粘附層4上面濺射一層溫敏電阻層5，作為溫度敏感元件，其原理是周圍環境溫度的變化引起阻值的變化，從而可以測量溫度的變化。溫敏電阻層5的厚度尺寸為5納米至500納米，根據溫敏電阻層5的不同厚度可以製作成不同規格的溫度傳感器。材料可以採用鉑、或鎢、鎳鉻合金、鉑銠合金製作。實施例製作溫敏電阻層5的厚度為10納米，採用鉑材料製作，鉑材料的溫度測量範圍可製作達到-78℃至600℃，溫度測量範圍極寬。
(7)採用磁控濺射臺的磁控濺射工藝在溫敏電阻層5上面濺射一層導電層6，其作用為降低引線電阻和限定溫敏電阻層5感受溫度變化的區域。導電層6的厚度尺寸為5納米至3000納米，可以採用金、或銅、鋁製作。實施例導電層6的濺射厚度為10納米，採用金材料製作。
(8)將單晶矽片1放入酒精容器內，採用超聲設備的超聲剝離工藝剝離掉溫敏電阻層5的結構圖形以外的粘附層4、溫敏電阻層5、導電層6，單晶矽片1上兩側露出上層氮化矽膜層3，形成粘附層4、溫敏電阻層5、導電層6結構層；(9)在導電層6上用塗膠機塗一層正膠AZ1500型光刻膠，採用通用光刻機的光刻工藝光刻形成導電層6電極結構圖形；(10)採用碘化鉀溼法腐蝕工藝，腐蝕溫敏電阻層5上面中間部位的導電層6，露出中間部位的溫敏電阻層5，溫敏電阻層5兩端形成導電層6電極結構；使用時整個傳感器封裝後由導電層6電極作為外電路的接線電極。
(11)在單晶矽片1上露出的兩側上層氮化矽膜層3上、露出中間部位的溫敏電阻層5上、導電層6電極結構上塗一層正膠AZ1500型光刻膠，採用通用光刻機的光刻工藝光刻出懸臂梁7結構圖形；(12)採用等離子體刻蝕設備的等離子體刻蝕工藝在氮化矽膜層3上面刻蝕形成懸臂梁7結構，露出上層氮化矽膜層3下面的二氧化矽膜層8；(13)採用氫氟酸緩衝液腐蝕掉露出上層氮化矽膜層3下面的二氧化矽膜層8、懸臂梁7結構下面的二氧化矽膜層8，形成懸空的懸臂梁7結構；(14)採用矽各向異性溼法腐蝕工藝腐蝕單晶矽片1形成腔體結構，懸臂梁7、粘附層4、溫敏電阻層5、導電層6懸空固定在單晶矽片1腔體上，完成納米尺度微型溫度傳感器製作。
本發明的簡要工作原理如下導電層6兩端接入被測電路中，由於溫敏電阻層5周圍溫度的變化，引起溫敏電阻層5阻值的變化，從而根據阻值變化的大小可以直接轉換測出溫度變化的大小，達到測量溫度、作為傳感器的目的。特別適用於微流體傳感器等要求體積較小的場合作為精確溫度測量及IC晶片、傳感器晶片等嵌入式在片溫度測量的傳感器裝置。
權利要求
1.一種納米尺度微型溫度傳感器的製作方法，其特徵在於包括步驟①在單晶矽片(1)上面採用低壓化學氣相澱積工藝或等離子增強化學氣相澱積工藝澱積、熱生長工藝熱生長一層二氧化矽膜層(8)；②在單晶矽片(1)下面採用低壓化學氣相澱積工藝或等離子增強化學氣相澱積工藝澱積一層下層氮化矽膜層(2)；③二氧化矽膜層(8)上面採用低壓化學氣相澱積工藝或等離子增強化學氣相澱積工藝澱積一層上層氮化矽膜層(3)；④在上層氮化矽膜層(3)上面塗一層光刻膠，採用光刻工藝光刻形成溫敏電阻層(5)的結構圖形；⑤採用磁控濺射工藝在上層氮化矽膜層(3)上、溫敏電阻層(5)的結構圖形上濺射一層粘附層(4)；⑥採用磁控濺射工藝在粘附層(4)上面濺射一層溫敏電阻層(5)；⑦採用磁控濺射工藝在溫敏電阻層(5)上面濺射一層導電層(6)；⑧將單晶矽片(1)放入酒精容器內，採用超聲剝離工藝剝離掉溫敏電阻層(5)結構圖形以外的粘附層(4)、溫敏電阻層(5)、導電層(6)，單晶矽片(1)上兩側露出上層氮化矽膜層(3)，形成粘附層(4)、溫敏電阻層(5)、導電層(6)結構層；⑨在導電層(6)結構層上塗一層光刻膠，採用光刻工藝光刻形成導電層(6)電極結構圖形；⑩採用碘化鉀溼法腐蝕工藝，腐蝕溫敏電阻層(5)上面中間部位的導電層(6)，露出中間部位的溫敏電阻層(5)，溫敏電阻層(5)兩端形成導電層(6)電極結構；在單晶矽片(1)上露出的兩側上層氮化矽膜層(3)上、露出中間部位的溫敏電阻層(5)上、導電層(6)電極結構上面塗一層光刻膠，光刻出懸臂梁(7)結構圖形；採用等離子體刻蝕工藝在上層氮化矽膜層(3)上面刻蝕形成懸臂梁(7)結構，露出上層氮化矽膜層(3)下面的二氧化矽膜層(8)；採用氫氟酸緩衝液腐蝕掉露出上層氮化矽膜層(3)下面的二氧化矽膜層(8)、懸臂梁(7)結構下面的二氧化矽膜層(8)，形成懸空的懸臂梁(7)結構；採用矽各向異性溼法腐蝕工藝腐蝕單晶矽片(1)形成腔體結構，懸臂梁(7)、粘附層(4)、溫敏電阻層(5)、導電層(6)懸空固定在單晶矽片(1)腔體上，完成納米尺度微型溫度傳感器製作。
2.根據權利要求1所述的納米尺度微型溫度傳感器的製作方法，其特徵在於下層氮化矽膜層(2)的厚度尺寸為300納米至3000納米；上層氮化矽膜層(3)的厚度尺寸為300納米至3000內米；粘附層(4)的厚度尺寸為5納米至500納米；溫敏電阻層(5)的厚度尺寸為5納米至500納米；導電層(6)的厚度尺寸為5納米至3000納米。
3.根據權利要求書1或2所述的納米尺度微型溫度傳感器的製作方法，其特徵在於上層氮化矽膜層(3)可採用氮化矽、或濃硼矽、二氧化矽製作；粘附層(4)可採用鉻、或鈦、鎳鉻合金製作；溫敏電阻層(5)可採用鉑、或鎢、鎳鉻合金、鉑銠合金製作；導電層(6)可採用金、或銅、鋁製作。
全文摘要
本發明公開了一種納米尺度微型溫度傳感器的製作方法，涉及傳感器領域中的一種納米尺度測量溫度傳感器器件的製作。本發明製作的器件由單晶矽片、下層氮化矽膜層、上層氮化矽膜層、粘附層、溫敏電阻層、導電層、懸臂梁、二氧化矽膜層構成。它採用微機械加工工藝製作溫敏電阻層作為測量溫度的敏感元件，周圍環境溫度的變化引起其阻值的變化，達到測量溫度，作為傳感器的目的。本發明製作的器件還具有體積極小、溫度測量範圍極寬、結構簡單、重量輕、熱容量小、響應速度快、線性度好、功耗低、可靠性高、一致性好、成本低等特點。特別適用於微流體傳感器等要求體積較小的場合作為精確溫度測量及IC晶片、傳感器晶片等嵌入式在片溫度測量的傳感器裝置。
文檔編號B81B7/00GK1664523SQ200510012319
公開日2005年9月7日 申請日期2005年1月13日 優先權日2005年1月13日
發明者楊擁軍, 徐淑靜, 呂樹海 申請人:中國電子科技集團公司第十三研究所