微電子溫度傳感器及其制備方法
【專利摘要】本發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，且介電常數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，避免了測量時候自加熱效應對于測量過程的影響，從而使其具有測量誤差小、熱損耗低、動態響應時間短等優點。且由于氧化石墨烯在低溫時，其介電常數隨著溫度上升而迅速上升，其實現了在低溫檢測所需高靈敏度溫度傳感器的一種方法。結合post?COMS MEMS微加工技術，該溫度傳感器體積小，成本低，響應時間短。
【專利說明】
微電子溫度傳感器及其制備方法
技術領域
[0001]本發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，屬于微電子機械系統與新材料相結合的技術領域。
【背景技術】
[0002]溫度是反應系統外界環境非常重要的參數，對環境監測、空氣調節和工農業的生產有重要影響，因此溫度檢測具有重要的實際意義。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，控制復雜，且需要經常維護，同時具有高功耗等缺點。有文獻報道電容式微機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，其通常采用溫度變化導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，同時由于采用的是表面硅微機械加工工藝，工藝復雜，成本高。所以如何實現低功耗，低成本，加工工藝簡單，且應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計的一個重要問題。
【發明內容】
[0003]目的:為解決現有技術的不足，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，且應用范圍更為廣泛，靈敏度高。
[0004]技術方案:為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案為:
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、單晶硅梳齒結構；以體娃MEMS結構為電容極板，在玻璃襯底上表面的上方中心，設置兩排與玻璃襯底上表面存有間距的單晶硅梳齒結構，兩排單晶硅梳齒結構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;兩排單晶硅梳齒結構分別通過設置左右兩側對稱的單晶硅錨區來連接支撐;單晶硅錨區與玻璃襯底之間各濺射有一層Au膜，用于實現單晶硅錨區與玻璃襯底之間Au-Au鍵合連接;在玻璃襯底上設置有Au焊盤和Au引線用來引出單晶硅錨區，通過檢測兩排單晶硅梳齒結構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，光刻梳齒結構區域的窗口，然后采用ICP或RIE反應離子刻蝕硅形成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，形成鍵合區域；
步驟3)、同時在玻璃襯底上建設相同材料與厚度的金屬并光刻形成鍵合區域和引線壓焊區域；
步驟4)、將單晶硅襯底和玻璃襯底采用Au-Au鍵合，并且采用化學機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/深反應離子刻蝕DRIE單晶硅襯底至被刻穿釋放形成單晶硅梳齒結構； 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構上，待乙醇揮發后，氧化石墨烯電容介質沉積在單晶硅梳齒結構的叉齒縫隙中。
[0006]作為優選方案，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存在著的電流對器件的加熱現象，也就沒有無法消除的測量誤差，從而也使其熱損耗低、動態響應時間短的優點。同時，與采用表面硅微結構相比，采用體硅結構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。同時相對于表面微機械結構，體硅微機械結構具有機械性能良好，穩定性高等特點。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加工工藝進行加工，從而進一步的實現芯片的單片智能化，也可以降低芯片的尺寸和成本。
【附圖說明】
[0008]圖1是本發明制作的流程示意圖；
圖2是的本發明俯視圖。
[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7、梳齒結構8。
【具體實施方式】
[0010]下面結合實例對本發明做具體說明:
實施例1:
如圖1所示，本發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進行低溫Au-Au鍵合，鍵合工藝溫度約為350°C；
(e)通過化學機械拋光CMP工藝從鍵合片背面將單晶硅襯底I減薄至40μπι;
(f)通過深反應離子刻蝕DRIE工藝在單晶硅襯底I背面進行刻蝕，直至硅片被刻穿，形成單晶娃梳齒結構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，以一定的溫度和時間烘干，使得紅膠固化，再利用金絲球壓焊機，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滴至單晶硅梳齒結構8上；
(i)最后將傳感器置于45°C的溫度箱中烘干I小時，形成氧化石墨烯電容介質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，光刻梳齒結構8區域的窗口，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，形成鍵合區域，同時在玻璃襯底3上建設相同材料與厚度的金屬并光刻形成鍵合區域和引線壓焊區域，將單晶硅襯底I和玻璃襯底3采用Au-Au鍵合，并且采用化學機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結構，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叉齒結構上，待乙醇揮發后，氧化石墨烯電容介質7沉積在單晶娃梳齒結構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，溫度傳感器的輸出電容隨著溫度的增加呈現指數級增加;而在測試區間為40°C-50°C時，隨著溫度增加，測得的電容值迅速減小。初步分析認為在-70°C-4(TC時，氧化石墨烯介電常數隨著溫度的增加而增加，但在測試區間為40°C-50°C時，隨著溫度增加，氧化石墨烯介電常數隨著溫度的增加而減小。
[0013]以上已以較佳實施例公開了本發明，然其并非用以限制本發明，凡采用等同替換或者等效變換方式所獲得的技術方案，均落在本發明的保護范圍之內。
【主權項】
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、單晶硅梳齒結構；以體娃MEMS結構為電容極板，在玻璃襯底上表面的上方中心，設置兩排與玻璃襯底上表面存有間距的單晶硅梳齒結構，兩排單晶硅梳齒結構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;兩排單晶硅梳齒結構分別通過設置左右兩側對稱的單晶硅錨區來連接支撐;單晶硅錨區與玻璃襯底之間各濺射有一層Au膜，用于實現單晶硅錨區與玻璃襯底之間Au-Au鍵合連接;在玻璃襯底上設置有Au焊盤和Au引線用來引出單晶硅錨區，通過檢測兩排單晶硅梳齒結構的電容值以檢測溫度變化。2.根據權利要求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，光刻梳齒結構區域的窗口，然后采用ICP或RIE反應離子刻蝕硅形成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，形成鍵合區域； 步驟3)、同時在玻璃襯底上建設相同材料與厚度的金屬并光刻形成鍵合區域和引線壓焊區域； 步驟4)、將單晶硅襯底和玻璃襯底采用Au-Au鍵合，并且采用化學機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/深反應離子刻蝕DRIE單晶硅襯底至被刻穿釋放形成單晶硅梳齒結構； 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構上，待乙醇揮發后，氧化石墨烯電容介質沉積在單晶硅梳齒結構的叉齒縫隙中。3.根據權利要求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
【發明人】蔡春華, 楊棟
【申請人】河海大學常州校區