微電子溫度傳感器及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種微電子溫度傳感器及其制備方法，具體是一種基于post?COMS MEMS微加工技術(shù)的氧化石墨烯電容式溫度傳感器，由于氧化石墨烯材料是具有很高介電常數(shù)，且介電常數(shù)值隨溫度變化迅速變化的新型納米材料。相比常用的Pt電阻，PN結(jié)等溫度傳感器，該溫度傳感器由于沒有電流通過器件，避免了測量時(shí)候自加熱效應(yīng)對于測量過程的影響，從而使其具有測量誤差小、熱損耗低、動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)。且由于氧化石墨烯在低溫時(shí)，其介電常數(shù)隨著溫度上升而迅速上升，其實(shí)現(xiàn)了在低溫檢測所需高靈敏度溫度傳感器的一種方法。結(jié)合post?COMS MEMS微加工技術(shù)，該溫度傳感器體積小，成本低，響應(yīng)時(shí)間短。
【專利說明】
微電子溫度傳感器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種微電子溫度傳感器及其制備方法，尤其是一種基于post-COMSMEMS微加工技術(shù)的氧化石墨烯電容式溫度傳感器及其制備方法，屬于微電子機(jī)械系統(tǒng)與新材料相結(jié)合的技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]溫度是反應(yīng)系統(tǒng)外界環(huán)境非常重要的參數(shù)，對環(huán)境監(jiān)測、空氣調(diào)節(jié)和工農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)有重要影響，因此溫度檢測具有重要的實(shí)際意義。眾所周知，通用的溫度傳感器一般靈敏度較低，特別在低溫領(lǐng)域的溫度檢測精度亦受到限制。若要通過后期檢測電路來修正，其成本高，控制復(fù)雜，且需要經(jīng)常維護(hù)，同時(shí)具有高功耗等缺點(diǎn)。有文獻(xiàn)報(bào)道電容式微機(jī)械電容式溫度溫度傳感器具有低功耗，低成本，抗電磁干擾等特點(diǎn)，其通常采用溫度變化導(dǎo)致電容間距或者交疊面積變化的原理來檢測溫度。其靈敏度較低，同時(shí)由于采用的是表面硅微機(jī)械加工工藝，工藝復(fù)雜，成本高。所以如何實(shí)現(xiàn)低功耗，低成本，加工工藝簡單，且應(yīng)用范圍更為廣泛的高靈敏度溫度傳感器成為了溫度傳感器的設(shè)計(jì)的一個(gè)重要問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]目的:為解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于氧化石墨烯材料的微電子溫度傳感器及其制備方法，低功耗，低成本，加工工藝簡單，且應(yīng)用范圍更為廣泛，靈敏度高。
[0004]技術(shù)方案:為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:
一種微電子溫度傳感器，其特征在于:包括玻璃襯底、單晶硅錨區(qū)、單晶硅梳齒結(jié)構(gòu)；以體娃MEMS結(jié)構(gòu)為電容極板，在玻璃襯底上表面的上方中心，設(shè)置兩排與玻璃襯底上表面存有間距的單晶硅梳齒結(jié)構(gòu)，兩排單晶硅梳齒結(jié)構(gòu)互相交叉排布且不接觸，形成相連通的叉齒縫隙，叉齒縫隙中填充有氧化石墨烯電容介質(zhì);兩排單晶硅梳齒結(jié)構(gòu)分別通過設(shè)置左右兩側(cè)對稱的單晶硅錨區(qū)來連接支撐;單晶硅錨區(qū)與玻璃襯底之間各濺射有一層Au膜，用于實(shí)現(xiàn)單晶硅錨區(qū)與玻璃襯底之間Au-Au鍵合連接;在玻璃襯底上設(shè)置有Au焊盤和Au引線用來引出單晶硅錨區(qū)，通過檢測兩排單晶硅梳齒結(jié)構(gòu)的電容值以檢測溫度變化。
[0005]所述的微電子溫度傳感器的制備方法，其特征在于:包括以下步驟:
步驟1)、選取單晶硅襯底，并在單晶硅襯底上涂光刻膠，光刻梳齒結(jié)構(gòu)區(qū)域的窗口，然后采用ICP或RIE反應(yīng)離子刻蝕硅形成1-10μπι深的淺槽，去掉光刻膠后再重新氧化單晶硅襯底；
步驟2)、在單晶硅襯底上先后濺射Ti與Au并光刻，形成鍵合區(qū)域；
步驟3)、同時(shí)在玻璃襯底上建設(shè)相同材料與厚度的金屬并光刻形成鍵合區(qū)域和引線壓焊區(qū)域；
步驟4)、將單晶硅襯底和玻璃襯底采用Au-Au鍵合，并且采用化學(xué)機(jī)械拋光使單晶硅襯底減薄至所需厚度，再采用光刻和ICP硅刻蝕/深反應(yīng)離子刻蝕DRIE單晶硅襯底至被刻穿釋放形成單晶硅梳齒結(jié)構(gòu)； 步驟5)、將氧化石墨烯材料溶于乙醇中制成氧化石墨烯溶液，并涂敷至單晶硅梳齒結(jié)構(gòu)上，待乙醇揮發(fā)后，氧化石墨烯電容介質(zhì)沉積在單晶硅梳齒結(jié)構(gòu)的叉齒縫隙中。
[0006]作為優(yōu)選方案，步驟2)中，在單晶硅襯底上先后濺射厚度為0.05μπι的Ti與厚度為
0.1ym的Auο
[0007]有益效果:本發(fā)明提供的微電子溫度傳感器，是一種電容式溫度傳感器，所以沒有電流通過器件，沒有壓阻式溫度傳感器在工作時(shí)存在著的電流對器件的加熱現(xiàn)象，也就沒有無法消除的測量誤差，從而也使其熱損耗低、動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間短的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，與采用表面硅微結(jié)構(gòu)相比，采用體硅結(jié)構(gòu)梳齒狀電極是為了使得由梳齒組成的平行板電容器具有更大的電容極板面積，以便填充更多的氧化石墨烯溫度敏感材料，降低器件邊緣電容的影響，從而可以提高傳感器的靈敏度。同時(shí)相對于表面微機(jī)械結(jié)構(gòu)，體硅微機(jī)械結(jié)構(gòu)具有機(jī)械性能良好，穩(wěn)定性高等特點(diǎn)。并且制備方法利用硅片和玻璃的Au-Au鍵合，RIE和ICP刻蝕工藝就可以完成傳感器的加工，工藝步驟簡單可靠。整個(gè)加工過程不會影響硅片正面已有的CMOS電路，所以溫度傳感器可以采用post-CMOS加工工藝進(jìn)行加工，從而進(jìn)一步的實(shí)現(xiàn)芯片的單片智能化，也可以降低芯片的尺寸和成本。
【附圖說明】
[0008]圖1是本發(fā)明制作的流程示意圖；
圖2是的本發(fā)明俯視圖。
[0009]圖中:單晶硅襯底l、Au2、玻璃襯底3、Au 4,Au引線5、氧化石墨烯溶液6、氧化石墨烯電容介質(zhì)7、梳齒結(jié)構(gòu)8。
【具體實(shí)施方式】
[0010]下面結(jié)合實(shí)例對本發(fā)明做具體說明:
實(shí)施例1:
如圖1所示，本發(fā)明提供的微電子溫度傳感器通過以下步驟制備:
(a)通過反應(yīng)離子刻蝕RIE工藝在單晶硅襯底I上刻蝕5μπι深的淺槽；
(b)在單晶硅襯底I上先濺射500Α的Ti，作為Au與Si襯底之間的粘附材料;然后濺射1000A的Au 2，作為低溫Au-Au鍵合工藝的連接材料；
(c)在Pyrex7740玻璃襯底3上先后先濺射500A的Ti作為Au與玻璃襯底之間的粘附材料，然后濺射1000A的Au 4，作為低溫Au-Au鍵合工藝的連接材料；
(d)將玻璃襯底3和單晶硅襯底I進(jìn)行低溫Au-Au鍵合，鍵合工藝溫度約為350°C；
(e)通過化學(xué)機(jī)械拋光CMP工藝從鍵合片背面將單晶硅襯底I減薄至40μπι;
(f)通過深反應(yīng)離子刻蝕DRIE工藝在單晶硅襯底I背面進(jìn)行刻蝕，直至硅片被刻穿，形成單晶娃梳齒結(jié)構(gòu)8 ；
(g)利用紅膠將芯片粘貼在PCB基板上，然后將粘貼好芯片的基板放置于烘箱中，以一定的溫度和時(shí)間烘干，使得紅膠固化，再利用金絲球壓焊機(jī)，將玻璃襯底3上的Au盤通過Au弓丨線5引至PCB電路板上的焊點(diǎn)上；
(h)用滴管取3滴1.8mg/ml的氧化石墨烯溶液6滴至單晶硅梳齒結(jié)構(gòu)8上；
(i)最后將傳感器置于45°C的溫度箱中烘干I小時(shí)，形成氧化石墨烯電容介質(zhì)7。利用45?50°C的溫度加熱烘干過程可以避免氧化石墨烯材料中的含氧官能團(tuán)因高溫而分解。
[0011]本傳感器首先選取單晶硅襯底1，并在其上涂光刻膠，光刻梳齒結(jié)構(gòu)8區(qū)域的窗口，然后采用ICP或RIE刻蝕硅形成1-10μπι淺槽，去掉光刻膠后再重新氧化硅片，然后先后濺射厚度為0.05μπι的Ti與厚度為0.Ιμπι的Au 2并光刻，形成鍵合區(qū)域，同時(shí)在玻璃襯底3上建設(shè)相同材料與厚度的金屬并光刻形成鍵合區(qū)域和引線壓焊區(qū)域，將單晶硅襯底I和玻璃襯底3采用Au-Au鍵合，并且采用化學(xué)機(jī)械拋光使單晶硅襯底減薄至所需厚度，再采用光刻和ICP硅刻蝕單晶硅襯底釋放整個(gè)結(jié)構(gòu)，利用超聲將氧化石墨烯材料溶于乙醇中制成氧化石墨烯溶液6，并涂敷至體娃MEMS叉齒結(jié)構(gòu)上，待乙醇揮發(fā)后，氧化石墨烯電容介質(zhì)7沉積在單晶娃梳齒結(jié)構(gòu)8的縫隙中。
[0012]氧化石墨烯電容式MEMS溫度傳感器在溫度為_70°C-40°C范圍內(nèi)，溫度傳感器的輸出電容隨著溫度的增加呈現(xiàn)指數(shù)級增加;而在測試區(qū)間為40°C-50°C時(shí)，隨著溫度增加，測得的電容值迅速減小。初步分析認(rèn)為在-70°C-4(TC時(shí)，氧化石墨烯介電常數(shù)隨著溫度的增加而增加，但在測試區(qū)間為40°C-50°C時(shí)，隨著溫度增加，氧化石墨烯介電常數(shù)隨著溫度的增加而減小。
[0013]以上已以較佳實(shí)施例公開了本發(fā)明，然其并非用以限制本發(fā)明，凡采用等同替換或者等效變換方式所獲得的技術(shù)方案，均落在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種微電子溫度傳感器，其特征在于:包括玻璃襯底、單晶硅錨區(qū)、單晶硅梳齒結(jié)構(gòu)；以體娃MEMS結(jié)構(gòu)為電容極板，在玻璃襯底上表面的上方中心，設(shè)置兩排與玻璃襯底上表面存有間距的單晶硅梳齒結(jié)構(gòu)，兩排單晶硅梳齒結(jié)構(gòu)互相交叉排布且不接觸，形成相連通的叉齒縫隙，叉齒縫隙中填充有氧化石墨烯電容介質(zhì);兩排單晶硅梳齒結(jié)構(gòu)分別通過設(shè)置左右兩側(cè)對稱的單晶硅錨區(qū)來連接支撐;單晶硅錨區(qū)與玻璃襯底之間各濺射有一層Au膜，用于實(shí)現(xiàn)單晶硅錨區(qū)與玻璃襯底之間Au-Au鍵合連接;在玻璃襯底上設(shè)置有Au焊盤和Au引線用來引出單晶硅錨區(qū)，通過檢測兩排單晶硅梳齒結(jié)構(gòu)的電容值以檢測溫度變化。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微電子溫度傳感器的制備方法，其特征在于:包括以下步驟: 步驟1)、選取單晶硅襯底，并在單晶硅襯底上涂光刻膠，光刻梳齒結(jié)構(gòu)區(qū)域的窗口，然后采用ICP或RIE反應(yīng)離子刻蝕硅形成1-10μπι深的淺槽，去掉光刻膠后再重新氧化單晶硅襯底； 步驟2)、在單晶硅襯底上先后濺射Ti與Au并光刻，形成鍵合區(qū)域； 步驟3)、同時(shí)在玻璃襯底上建設(shè)相同材料與厚度的金屬并光刻形成鍵合區(qū)域和引線壓焊區(qū)域； 步驟4)、將單晶硅襯底和玻璃襯底采用Au-Au鍵合，并且采用化學(xué)機(jī)械拋光使單晶硅襯底減薄至所需厚度，再采用光刻和ICP硅刻蝕/深反應(yīng)離子刻蝕DRIE單晶硅襯底至被刻穿釋放形成單晶硅梳齒結(jié)構(gòu)； 步驟5)、將氧化石墨烯材料溶于乙醇中制成氧化石墨烯溶液，并涂敷至單晶硅梳齒結(jié)構(gòu)上，待乙醇揮發(fā)后，氧化石墨烯電容介質(zhì)沉積在單晶硅梳齒結(jié)構(gòu)的叉齒縫隙中。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的微電子溫度傳感器的制備方法，其特征在于:步驟2)中，在單晶硅襯底上先后濺射厚度為0.05μπι的Ti與厚度為0.Ιμπι的Au。
【文檔編號】G01K7/34GK105967136SQ201610305557
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年5月10日
【發(fā)明人】蔡春華, 楊棟
【申請人】河海大學(xué)常州校區(qū)