微电子温度传感器及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种微电子温度传感器及其制备方法，具体是一种基于post?COMS MEMS微加工技术的氧化石墨烯电容式温度传感器，由于氧化石墨烯材料是具有很高介电常数，且介电常数值随温度变化迅速变化的新型纳米材料。相比常用的Pt电阻，PN结等温度传感器，该温度传感器由于没有电流通过器件，避免了测量时候自加热效应对于测量过程的影响，从而使其具有测量误差小、热损耗低、动态响应时间短等优点。且由于氧化石墨烯在低温时，其介电常数随着温度上升而迅速上升，其实现了在低温检测所需高灵敏度温度传感器的一种方法。结合post?COMS MEMS微加工技术，该温度传感器体积小，成本低，响应时间短。
【专利说明】
微电子温度传感器及其制备方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种微电子温度传感器及其制备方法，尤其是一种基于post-COMSMEMS微加工技术的氧化石墨烯电容式温度传感器及其制备方法，属于微电子机械系统与新材料相结合的技术领域。
【背景技术】
[0002]温度是反应系统外界环境非常重要的参数，对环境监测、空气调节和工农业的生产有重要影响，因此温度检测具有重要的实际意义。众所周知，通用的温度传感器一般灵敏度较低，特别在低温领域的温度检测精度亦受到限制。若要通过后期检测电路来修正，其成本高，控制复杂，且需要经常维护，同时具有高功耗等缺点。有文献报道电容式微机械电容式温度温度传感器具有低功耗，低成本，抗电磁干扰等特点，其通常采用温度变化导致电容间距或者交叠面积变化的原理来检测温度。其灵敏度较低，同时由于采用的是表面硅微机械加工工艺，工艺复杂，成本高。所以如何实现低功耗，低成本，加工工艺简单，且应用范围更为广泛的高灵敏度温度传感器成为了温度传感器的设计的一个重要问题。
【发明内容】
[0003]目的:为解决现有技术的不足，提供一种基于氧化石墨烯材料的微电子温度传感器及其制备方法，低功耗，低成本，加工工艺简单，且应用范围更为广泛，灵敏度高。
[0004]技术方案:为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为:
一种微电子温度传感器，其特征在于:包括玻璃衬底、单晶硅锚区、单晶硅梳齿结构；以体娃MEMS结构为电容极板，在玻璃衬底上表面的上方中心，设置两排与玻璃衬底上表面存有间距的单晶硅梳齿结构，两排单晶硅梳齿结构互相交叉排布且不接触，形成相连通的叉齿缝隙，叉齿缝隙中填充有氧化石墨烯电容介质;两排单晶硅梳齿结构分别通过设置左右两侧对称的单晶硅锚区来连接支撑;单晶硅锚区与玻璃衬底之间各溅射有一层Au膜，用于实现单晶硅锚区与玻璃衬底之间Au-Au键合连接;在玻璃衬底上设置有Au焊盘和Au引线用来引出单晶硅锚区，通过检测两排单晶硅梳齿结构的电容值以检测温度变化。
[0005]所述的微电子温度传感器的制备方法，其特征在于:包括以下步骤:
步骤1)、选取单晶硅衬底，并在单晶硅衬底上涂光刻胶，光刻梳齿结构区域的窗口，然后采用ICP或RIE反应离子刻蚀硅形成1-10μπι深的浅槽，去掉光刻胶后再重新氧化单晶硅衬底；
步骤2)、在单晶硅衬底上先后溅射Ti与Au并光刻，形成键合区域；
步骤3)、同时在玻璃衬底上建设相同材料与厚度的金属并光刻形成键合区域和引线压焊区域；
步骤4)、将单晶硅衬底和玻璃衬底采用Au-Au键合，并且采用化学机械抛光使单晶硅衬底减薄至所需厚度，再采用光刻和ICP硅刻蚀/深反应离子刻蚀DRIE单晶硅衬底至被刻穿释放形成单晶硅梳齿结构； 步骤5)、将氧化石墨烯材料溶于乙醇中制成氧化石墨烯溶液，并涂敷至单晶硅梳齿结构上，待乙醇挥发后，氧化石墨烯电容介质沉积在单晶硅梳齿结构的叉齿缝隙中。
[0006]作为优选方案，步骤2)中，在单晶硅衬底上先后溅射厚度为0.05μπι的Ti与厚度为
0.1ym的Auο
[0007]有益效果:本发明提供的微电子温度传感器，是一种电容式温度传感器，所以没有电流通过器件，没有压阻式温度传感器在工作时存在着的电流对器件的加热现象，也就没有无法消除的测量误差，从而也使其热损耗低、动态响应时间短的优点。同时，与采用表面硅微结构相比，采用体硅结构梳齿状电极是为了使得由梳齿组成的平行板电容器具有更大的电容极板面积，以便填充更多的氧化石墨烯温度敏感材料，降低器件边缘电容的影响，从而可以提高传感器的灵敏度。同时相对于表面微机械结构，体硅微机械结构具有机械性能良好，稳定性高等特点。并且制备方法利用硅片和玻璃的Au-Au键合，RIE和ICP刻蚀工艺就可以完成传感器的加工，工艺步骤简单可靠。整个加工过程不会影响硅片正面已有的CMOS电路，所以温度传感器可以采用post-CMOS加工工艺进行加工，从而进一步的实现芯片的单片智能化，也可以降低芯片的尺寸和成本。
【附图说明】
[0008]图1是本发明制作的流程示意图；
图2是的本发明俯视图。
[0009]图中:单晶硅衬底l、Au2、玻璃衬底3、Au 4,Au引线5、氧化石墨烯溶液6、氧化石墨烯电容介质7、梳齿结构8。
【具体实施方式】
[0010]下面结合实例对本发明做具体说明:
实施例1:
如图1所示，本发明提供的微电子温度传感器通过以下步骤制备:
(a)通过反应离子刻蚀RIE工艺在单晶硅衬底I上刻蚀5μπι深的浅槽；
(b)在单晶硅衬底I上先溅射500Α的Ti，作为Au与Si衬底之间的粘附材料;然后溅射1000A的Au 2，作为低温Au-Au键合工艺的连接材料；
(c)在Pyrex7740玻璃衬底3上先后先溅射500A的Ti作为Au与玻璃衬底之间的粘附材料，然后溅射1000A的Au 4，作为低温Au-Au键合工艺的连接材料；
(d)将玻璃衬底3和单晶硅衬底I进行低温Au-Au键合，键合工艺温度约为350°C；
(e)通过化学机械抛光CMP工艺从键合片背面将单晶硅衬底I减薄至40μπι;
(f)通过深反应离子刻蚀DRIE工艺在单晶硅衬底I背面进行刻蚀，直至硅片被刻穿，形成单晶娃梳齿结构8 ；
(g)利用红胶将芯片粘贴在PCB基板上，然后将粘贴好芯片的基板放置于烘箱中，以一定的温度和时间烘干，使得红胶固化，再利用金丝球压焊机，将玻璃衬底3上的Au盘通过Au弓丨线5引至PCB电路板上的焊点上；
(h)用滴管取3滴1.8mg/ml的氧化石墨烯溶液6滴至单晶硅梳齿结构8上；
(i)最后将传感器置于45°C的温度箱中烘干I小时，形成氧化石墨烯电容介质7。利用45?50°C的温度加热烘干过程可以避免氧化石墨烯材料中的含氧官能团因高温而分解。
[0011]本传感器首先选取单晶硅衬底1，并在其上涂光刻胶，光刻梳齿结构8区域的窗口，然后采用ICP或RIE刻蚀硅形成1-10μπι浅槽，去掉光刻胶后再重新氧化硅片，然后先后溅射厚度为0.05μπι的Ti与厚度为0.Ιμπι的Au 2并光刻，形成键合区域，同时在玻璃衬底3上建设相同材料与厚度的金属并光刻形成键合区域和引线压焊区域，将单晶硅衬底I和玻璃衬底3采用Au-Au键合，并且采用化学机械抛光使单晶硅衬底减薄至所需厚度，再采用光刻和ICP硅刻蚀单晶硅衬底释放整个结构，利用超声将氧化石墨烯材料溶于乙醇中制成氧化石墨烯溶液6，并涂敷至体娃MEMS叉齿结构上，待乙醇挥发后，氧化石墨烯电容介质7沉积在单晶娃梳齿结构8的缝隙中。
[0012]氧化石墨烯电容式MEMS温度传感器在温度为_70°C-40°C范围内，温度传感器的输出电容随着温度的增加呈现指数级增加;而在测试区间为40°C-50°C时，随着温度增加，测得的电容值迅速减小。初步分析认为在-70°C-4(TC时，氧化石墨烯介电常数随着温度的增加而增加，但在测试区间为40°C-50°C时，随着温度增加，氧化石墨烯介电常数随着温度的增加而减小。
[0013]以上已以较佳实施例公开了本发明，然其并非用以限制本发明，凡采用等同替换或者等效变换方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种微电子温度传感器，其特征在于:包括玻璃衬底、单晶硅锚区、单晶硅梳齿结构；以体娃MEMS结构为电容极板，在玻璃衬底上表面的上方中心，设置两排与玻璃衬底上表面存有间距的单晶硅梳齿结构，两排单晶硅梳齿结构互相交叉排布且不接触，形成相连通的叉齿缝隙，叉齿缝隙中填充有氧化石墨烯电容介质;两排单晶硅梳齿结构分别通过设置左右两侧对称的单晶硅锚区来连接支撑;单晶硅锚区与玻璃衬底之间各溅射有一层Au膜，用于实现单晶硅锚区与玻璃衬底之间Au-Au键合连接;在玻璃衬底上设置有Au焊盘和Au引线用来引出单晶硅锚区，通过检测两排单晶硅梳齿结构的电容值以检测温度变化。2.根据权利要求1所述的微电子温度传感器的制备方法，其特征在于:包括以下步骤: 步骤1)、选取单晶硅衬底，并在单晶硅衬底上涂光刻胶，光刻梳齿结构区域的窗口，然后采用ICP或RIE反应离子刻蚀硅形成1-10μπι深的浅槽，去掉光刻胶后再重新氧化单晶硅衬底； 步骤2)、在单晶硅衬底上先后溅射Ti与Au并光刻，形成键合区域； 步骤3)、同时在玻璃衬底上建设相同材料与厚度的金属并光刻形成键合区域和引线压焊区域； 步骤4)、将单晶硅衬底和玻璃衬底采用Au-Au键合，并且采用化学机械抛光使单晶硅衬底减薄至所需厚度，再采用光刻和ICP硅刻蚀/深反应离子刻蚀DRIE单晶硅衬底至被刻穿释放形成单晶硅梳齿结构； 步骤5)、将氧化石墨烯材料溶于乙醇中制成氧化石墨烯溶液，并涂敷至单晶硅梳齿结构上，待乙醇挥发后，氧化石墨烯电容介质沉积在单晶硅梳齿结构的叉齿缝隙中。3.根据权利要求2所述的微电子温度传感器的制备方法，其特征在于:步骤2)中，在单晶硅衬底上先后溅射厚度为0.05μπι的Ti与厚度为0.Ιμπι的Au。
【文档编号】G01K7/34GK105967136SQ201610305557
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年5月10日
【发明人】蔡春华, 杨栋
【申请人】河海大学常州校区