专利名称：基于碳纳米螺旋微热传导的运动传感器及其制备方法
技术领域：
本发明属于微机电系统技术领域，具体涉及以碳纳米螺旋作为微加热元件的运动 传感器及其制备方法。
背景技术：
微热传导运动传感器通过探测运动过程中封闭腔室内温度分布的变化反映描述 运动的变量如加速度、姿态等，其中的主要元件为微加热器，不含可动部件，比传统的含有 振动质量块的运动传感器稳定可靠，在导航、游戏机、姿态输入等领域具有广泛的应用前景。现有的微热传导运动传感器技术一般采用多晶硅作为加热器，功耗在几十毫瓦甚 至几百毫瓦，功耗较大。采用碳纳米螺旋(Carbon Nanocoil)作为加热元件，可使其功耗大 大降低，有利于该传感器的系统集成特别是在移动式及手持式的系统中的应用推广。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于碳纳米螺旋加热元件的运动传感器，由于碳纳米 螺旋在电信号作用下产生的焦耳热具有高密度的特点，该传感器具有功耗低的特点；本发 明还提供了制备该传感器的方法，该方法工艺与半导体IC工艺兼容。本发明提供的一种基于碳纳米螺旋微热传导的运动传感器，其特征在于衬底为 玻璃片或生长有氧化层的硅片，其上设置有至少一个碳纳米螺旋微加热器，碳纳米螺旋微 加热器由碳纳米螺旋、二个金电极以及二氧化硅层构成；碳纳米螺旋微加热器多于一个时 为阵列排布；二个金电极设置在衬底上，在二个金电极与衬底之间镀有钛粘结层，钛粘结层的 厚度为10 50nm，二个金电极之间的距离为1 15 μ m，金电极的厚度为300 500nm ；碳 纳米螺旋架设或生长于二个金电极之间，碳纳米螺旋的直径为50 500nm ；碳纳米螺旋与 金电极的接触部位覆盖有厚度为500 IOOOnm的二氧化硅层；基底为玻璃，开有凹槽，基底 与衬底键合形成封闭的微腔室，所述至少一个碳纳米螺旋微加热器位于该微腔室内。上述运动传感器的制备方法，其步骤包括(1)按照步骤(Al A3)在衬底上制作碳纳米螺旋微加热器，按照步骤(Bi) (B5)对基底进行处理(Al)采用电子束蒸发或溅射，在清洗后的衬底上依次形成厚度为10 50nm的钛 膜和厚度为300 500nm金膜；再利用剥离工艺形成二个金电极，二个金电极之间的距离为 1 15 μ m ；(A2)在二个金电极之间生长碳纳米螺旋；(A3)在碳纳米螺旋与金电极的接触部位形成厚度为500 IOOOnm的二氧化硅层， 形成碳纳米螺旋微加热器；(Bi)在清冼后的玻璃基底的上下表面溅射形成金属铬保护层，厚度为0.3 0. 5 μ m，利用光刻胶通过剥离工艺在玻璃的任意一个表面露出凹槽的窗口 ；(B2)刻蚀玻璃表面，得到凹槽；(B3)去除玻璃盖板表面的剩余金属铬保护层；(2)将基底和衬底相对，键合形成微腔室，使碳纳米螺旋微加热器位于该微腔室 内。本发明采用碳纳米螺旋作为基本加热元件，利用其中的高密度焦耳热，通过检测 其周围微尺度空间内热分布的变化得到系统的运动参数。该传感器功耗低，不含可动部件。 本发明克服了传统微加热器功耗大和传统运动传感器中可动部件可靠性低的缺点，并具有 良好的集成潜力，在移动式、手持式的相关应用领域具有广泛的应用前景。
图1为本发明碳纳米螺旋运动传感器的纵向结构示意图。图2为传感器剖视示意图，其中，图2(a)为A A向剖视图，图2 (b)为B B向 剖视图。
具体实施例方式下面通过借助实施例更加详细地说明本发明，但以下实施例仅是说明性的，本发 明的保护范围并不受这些实施例的限制。如图1所示，本发明传感器的结构为采用玻璃片或生长有氧化层的硅片作为衬 底。衬底上设置有碳纳米螺旋微加热器，碳纳米螺旋微加热器多于一个时为阵列排布。碳 纳米螺旋微加热器的结构为二个金电极2、3设置在衬底1上，在金电极2、3与衬底1之 间设有钛粘结层4、5，钛粘结层的厚度为10 50nm，金电极2、3之间的距离为1 15 μ m， 金电极的厚度为300 500nm ；碳纳米螺旋6架设于金电极2、3之间，碳纳米螺旋的直径为 50 500nm ；碳纳米螺旋6与金电极的接触部分通过二氧化硅层7、8予以固定，构成碳纳米 螺旋微加热器，其中二氧化硅层的厚度为500 lOOOnm。玻璃盖板9上开有凹槽。衬底1与盖板9键合，使微加热器与凹槽相对，形成微腔 室10，将一个或多个微加热器封装在内。制备上述基于碳纳米螺旋微加热器的传感器的方法，其步骤包括(1)将衬底1按标准CMOS工艺进行表面处理和清洗；(2)将碳纳米螺旋微加热器制备在衬底1上，其过程为(2. 1)采用电子束蒸发或溅射，形成厚度为10 50nm的钛膜；(2. 2)采用电子束蒸发或溅射，形成厚度为300 500nm金膜；(2. 3)利用现有的剥离工艺(lift off)形成金电极，金电极之间的距离为1 15 μ m ；(2. 4)将直径为50 500nm碳纳米螺旋6与无水乙醇溶剂按0. 005 0. 05mg/ml 比例混合，经超声使碳纳米螺旋均勻分散；(2. 5)将0. 5 1ΜΗζ，5 10V的交流电压加载到衬底1上的金电极间，用微型注 射器将碳纳米螺旋悬浮液滴到电极间，当溶剂挥发完全时，碳纳米螺旋将电极连通并定位 在电极间，此时撤除所加电场；
也可以在二个金电极上喷涂催化剂纳米颗粒利用激光定点加热辅助的沉积方法 生长碳纳米螺旋于二个金电极之间。(2. 6)采用电子束蒸发或溅射二氧化硅，形成厚度为500 IOOOnm的二氧化硅 膜；(2. 7)利用反转光刻胶的剥离工艺，形成加固碳纳米螺旋与金电极接触的二氧化 硅层，并将定位好的碳纳米螺旋位于金电极间的部分暴露出来，形成碳纳米螺旋微加热器。(3)将玻璃盖板9按标准CMOS工艺进行表面处理和清洗；(4)将凹槽制备在玻璃基底1上，其过程为(4. 1)采用溅射方法，在玻璃基底9的上下表面形成金属铬保护层，厚度为0. 3 0. 5 μ m ；(4. 2)利用光刻工艺在其中的一个表面刻蚀金属铬保护层，得到凹槽的窗口 ；(4. 3)用反应离子刻蚀(RIE)或者ICP方法刻蚀凹槽窗口露出的盖板表面；(4. 4)采用干法或者湿法刻蚀的方法去除玻璃盖板9上下表面的剩余金属铬保护 层；(5)将玻璃盖板9和衬底1相对，通过阳极键合工艺，形成微腔室10，并制成微传感器。实施例1 (1)将生长有氧化层的硅片衬底1按标准CMOS工艺进行表面处理和清洗；(2)将碳纳米螺旋微加热器制备在衬底1上，其过程为(2. 1)采用电子束蒸发或溅射，形成厚度为IOnm的钛膜；(2. 2)采用电子束蒸发或溅射，形成厚度为300nm金膜；(2.3)利用现有的剥离工艺(lift off)形成金电极，金电极之间的距离为 1 μ m ；(2. 4)将直径为50nm 500nm碳纳米螺旋6与无水乙醇溶剂按0. 005mg/ml比例 混合，经超声使碳纳米螺旋均勻分散，得到碳纳米螺旋悬浮液；(2. 5)将0. 5MHz, 5V的交流电压加载到衬底1上的金电极间，用微型注射器将碳纳 米螺旋悬浮液滴到电极间，当溶剂挥发完全时，碳纳米螺旋将电极连通并定位在电极间，此 时撤除所加电场；(2. 6)采用电子束蒸发或溅射二氧化硅，形成厚度为500nm的二氧化硅膜；(2. 7)利用反转光刻胶的剥离工艺，形成加固碳纳米螺旋与金电极接触的二氧化 硅层，并将定位好的碳纳米螺旋位于金电极间的部分暴露出来，形成碳纳米螺旋微加热器。(3)将玻璃盖板9按标准CMOS工艺进行表面处理和清洗；(4)将凹槽制备在玻璃基底1上，其过程为(4. 1)采用溅射方法，在玻璃基底9的上下表面形成金属铬保护层，厚度为 0. 3μ ；(4. 2)利用光刻工艺在其中的一个表面刻蚀金属铬保护层，得到凹槽的窗口 ；(4. 3)用反应离子刻蚀(RIE)或者ICP方法刻蚀凹槽窗口露出的盖板表面；(4. 4)采用干法或者湿法刻蚀的方法去除玻璃盖板9上下表面的剩余金属铬保护 层；
(5)将玻璃盖板9和衬底1相对，通过阳极键合工艺，形成微腔室10，并制成微传感器。实施例2(1)将生长有氧化层的硅片衬底1按标准CMOS工艺进行表面处理和清洗；(2)将碳纳米螺旋微加热器制备在衬底1上，其过程为(2. 1)采用电子束蒸发或溅射，形成厚度为30nm的钛膜；(2. 2)采用电子束蒸发或溅射，形成厚度为400nm金膜；(2.3)利用现有的剥离工艺(lift off)形成金电极，金电极之间的距离为 10 μ m ；(2. 4)将直径为50 500nm碳纳米螺旋6与无水乙醇溶剂按0. 01mg/ml比例混 合，经超声使碳纳米螺旋均勻分散，得到碳纳米螺旋悬浮液；(2. 5)将1MHz，5V的交流电压加载到衬底1上的金电极间，用微型注射器将碳纳米 螺旋悬浮液滴到电极间，当溶剂挥发完全时，碳纳米螺旋将电极连通并定位在电极间，此时 撤除所加电场；(2. 6)采用电子束蒸发或溅射二氧化硅，形成厚度为SOOnm的二氧化硅膜；(2. 7)利用反转光刻胶的剥离工艺，形成加固碳纳米螺旋与金电极接触的二氧化 硅层，并将定位好的碳纳米螺旋位于金电极间的部分暴露出来，形成碳纳米螺旋微加热器。(3)将玻璃盖板9按标准CMOS工艺进行表面处理和清洗；(4)将凹槽制备在玻璃基底1上，其过程为(4. 1)采用溅射方法，在玻璃基底9的上下表面形成金属铬保护层，厚度为 0. 4μ m ；(4. 2)利用光刻工艺在其中的一个表面刻蚀金属铬保护层，得到凹槽的窗口 ；(4. 3)用反应离子刻蚀(RIE)或者ICP方法刻蚀凹槽窗口露出的盖板表面；(4. 4)采用干法或者湿法刻蚀的方法去除玻璃盖板9上下表面的剩余金属铬保护 层；(5)将玻璃盖板9和衬底1相对，通过阳极键合工艺，形成微腔室10，并制成微传感器。实施例3(1)将玻璃片衬底1按标准CMOS工艺进行表面处理和清洗；(2)将碳纳米螺旋微加热器制备在衬底1上，其过程为(2. 1)采用电子束蒸发或溅射，形成厚度为50nm的钛膜；(2. 2)采用电子束蒸发或溅射，形成厚度为500nm金膜；(2.3)利用现有的剥离工艺(lift off)形成金电极，金电极之间的距离为 15 μ m ；(2. 4)将直径为50 500nm碳纳米螺旋6与无水乙醇溶剂按0. 05mg/ml比例混 合，经超声使碳纳米螺旋均勻分散，得到碳纳米螺旋悬浮液；(2. 5)将1MHz，10V的交流电压加载到衬底1上的金电极间，用微型注射器将碳纳 米螺旋悬浮液滴到电极间，当溶剂挥发完全时，碳纳米螺旋将电极连通并定位在电极间，此 时撤除所加电场；
(2. 6)采用电子束蒸发或溅射二氧化硅，形成厚度为IOOOnm的二氧化硅膜；(2. 7)利用反转光刻胶的剥离工艺，形成加固碳纳米螺旋与金电极接触的二氧化 硅层，并将定位好的碳纳米螺旋位于金电极间的部分暴露出来，形成碳纳米螺旋微加热器。(3)将玻璃盖板9按标准CMOS工艺进行表面处理和清洗；(5)将凹槽制备在玻璃基底1上，其过程为(4. 1)采用溅射方法，在玻璃基底9的上下表面形成金属铬保护层，厚度为 0. 5 μ m ；(4. 2)利用光刻工艺在其中的一个表面刻蚀金属铬保护层，得到凹槽的窗口 ；(4. 3)用反应离子刻蚀(RIE)或者ICP方法刻蚀凹槽窗口露出的盖板表面；(4. 4)采用干法或者湿法刻蚀的方法去除玻璃盖板9上下表面的剩余金属铬保护 层；(5)将玻璃盖板9和衬底1相对，通过键合工艺，形成微腔室10，并制成微传感器。以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所 公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保 护的范围。
权利要求
一种基于碳纳米螺旋微热传导的运动传感器，其特征在于衬底为玻璃片或生长有氧化层的硅片，其上设置有至少一个碳纳米螺旋微加热器，碳纳米螺旋微加热器由碳纳米螺旋、二个金电极以及二氧化硅层构成；碳纳米螺旋微加热器多于一个时为阵列排布；二个金电极设置在衬底上，在二个金电极与衬底之间镀有钛粘结层，钛粘结层的厚度为10～50nm，二个金电极之间的距离为1～15μm，金电极的厚度为300～500nm；碳纳米螺旋架设或生长于二个金电极之间，碳纳米螺旋的直径为50～500nm；碳纳米螺旋与金电极的接触部位覆盖有厚度为500～1000nm的二氧化硅层；基底上开有凹槽，基底与衬底键合形成封闭的微腔室，所述至少一个碳纳米螺旋微加热器位于该微腔室内。
2.—种权利要求1所述运动传感器的制备方法，其步骤包括(1)按照步骤Al A3在衬底上制作碳纳米螺旋微加热器，按照步骤Bl B5对基底进 行处理(Al)采用电子束蒸发或溅射，在清洗后的衬底上依次形成厚度为10 50nm的钛膜和 厚度为300 500nm金膜；再利用剥离工艺形成二个金电极，二个金电极之间的距离为1 15 μ m ；(A2)在二个金电极之间生长碳纳米螺旋；(A3)在碳纳米螺旋与金电极的接触部位形成厚度为500 IOOOnm的二氧化硅层，形成 碳纳米螺旋微加热器；(Bi)在清冼后的玻璃基底的上下表面溅射形成金属铬保护层，厚度为0. 3 0. 5 μ m， 利用光刻胶通过剥离工艺在玻璃的任意一个表面露出凹槽的窗口；(B2)刻蚀玻璃表面，得到凹槽；(B3)去除玻璃盖板表面的剩余金属铬保护层；(2)将基底和衬底相对，键合形成微腔室，使碳纳米螺旋微加热器位于该微腔室内。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤(A2)中，在上述金电极上加载交 流电压，再将碳纳米螺旋悬浮液滴到电极间，碳纳米螺旋悬浮液由碳纳米螺旋与无水乙醇 溶剂按0. 005 0. 05mg/ml比例混合而成；当碳纳米螺旋将电极连通并定位在电极间时，撤 除所加交流电压，碳纳米螺旋生长在二个金电极之间。
全文摘要
本发明公开一种基于碳纳米螺旋微加热器的运动传感器及其制备方法。传感器由制作有碳纳米螺旋微加热器的玻璃衬底或硅衬底和经微加工的玻璃盖板键合而成。碳纳米螺旋、二个金电极以及二氧化硅层构成碳纳米螺旋微加热器；碳纳米螺旋架设于金电极之间；碳纳米螺旋与金电极的接触部位覆盖二氧化硅层；在玻璃盖板的背面开有凹槽；衬底与基底键合，使碳纳米螺旋微加热器与凹槽的位置相对，形成传感器工作室。其制备方法是在衬底上制作碳纳米螺旋微加热器，在玻璃盖板上制作凹槽，再将二者键合即可。本发明克服了传统热传导运动传感器中微加热器的功耗大的缺点，具有良好的集成潜力，在移动式、手持式的相关应用领域具有广泛的应用前景。
文档编号B81B3/00GK101982401SQ20101027769
公开日2011年3月2日 申请日期2010年9月10日 优先权日2010年9月10日
发明者周文利, 赵文皓 申请人:华中科技大学