专利名称：微纳尺度材料赛贝克系数的测量机构及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种测量微纳尺度材料性能的机构及其制备方法，尤其是一种微纳尺度材料赛贝克系数的测量机构及其制备方法。
背景技术：
基于温差电效应(赛贝克效应)的MEMS红外探测器——MEMS热电堆红外探测器是传感探测领域的一种典型器件，可用于组成温度传感器、气敏传感器、人体感测系统、防盗报警装置等。热电堆红外探测器与基于其它工作原理的红外探测器(如热释电型红外探测器和热敏电阻型红外探测器等)相比具有可测恒定辐射量、无需加偏置电压、无需斩波器、更适用于移动应用与野外应用等明显的综合优点。因而，MEMS热电堆红外探测器对于实现更为宽广的红外探测应用具有非常重要的意义，其民用、军用前景广阔，商业价值和市场潜力非常巨大。热电转换材料是热电堆探测器的敏感元件，也是该探测器最为关键的构件；赛贝克系数是表征热电转换材料热电性能的参数，直接决定着热电堆探测器的性能，因此也是该探测器最为核心的一项参数。从这个角度讲，如何准确测量材料的赛贝克系数具有重要的现实意义。赛贝克系数是指在一定温度梯度条件下材料两端所产生的开路电压与材料两端的温度差之比。仅从理论上讲，赛贝克系数是一个很容易测量的参量。然而，实际的测量过程中不可避免地会出现测量误差，有时候误差会大到严重干扰测量结果准确性的程度。对于MEMS热电堆红外探测器而言，其热电敏感单元的结构尺寸一般为微米量级甚至达到纳米量级，这种情况下，基于这些微纳米结构的赛贝克系数的测量就更为困难。
发明内容
本发明的目的是补充现有技术中存在的不足，提供一种微纳尺度材料赛贝克系数的测量机构及其制备方法，其结构简单便于实现，能够实现微纳尺度材料赛贝克系数的测量，同时易于与MEMS热电堆红外探测器集成制备，因而其测量结果可为MEMS热电堆红外探测器提供直接的数值参考，将为基于赛贝克效应的器件性能的标定提供便利条件。本发明采用的技术方案是
一种微纳尺度材料赛贝克系数的测量机构，包括衬底，所述衬底上设有释放阻挡带，所述释放阻挡带内封闭有热隔离腔体；所述热隔离腔体的正上方设有一对热电偶，即第一热偶条和第二热偶条，第一热偶条和第二热偶条的材料特性不同；热隔离腔体的上方一侧设置有第一加热电阻条，上方另一侧设置有第二加热电阻条；第一加热电阻条的电阻值小于第二加热电阻条的电阻值；所述第一加热电阻条的两端分别连接第二金属电极和第三金属电极；所述第二加热电阻条的两端分别连接第四金属电极和第五金属电极。第一金属电极位于第一加热电阻条之上，且通过释放保护膜和电绝缘热导通结构实现与第一加热电阻条的电学隔离和热学导通；所述第一金属电极连接第一热偶条的一端和第二热偶条的一端。第一热偶条的另一端和第二热偶条的另一端分别连接第六金属电极和第七金属电极；所述第六金属电极和第七金属电极位于第二加热电阻条之上，且通过释放保护膜和电绝缘热导通结构实现与第二加热电阻条的电学隔离和热学导通。所述热电偶对中第一热偶条采用P型掺杂的多晶硅，第二热偶条采用N型掺杂的多晶硅；或者所述热电偶对中第一热偶条采用N型掺杂的多晶硅，第二热偶条采用P型掺杂的多晶硅。所述第一加热电阻条的电阻值和第二加热电阻条的电阻值通过改变加热电阻条的掺杂浓度和/或调整加热电阻条的尺寸参数得到所需的电阻值。一种微纳尺度材料赛贝克系数的级联测量机构，包括衬底，所述衬底上设有释放阻挡带，所述释放阻挡带内封闭有热隔离腔体；热隔离腔体的上方一侧设置有第一加热电阻条，上方另一侧设置有第二加热电阻条；第一加热电阻条的电阻值小于第二加热电阻条的电阻值；所述第一加热电阻条的两端分别连接第二金属电极和第三金属电极；所述第二加热电阻条的两端分别连接第四金属电极和第五金属电极。所述热隔离腔体的正上方并行设有多对热电偶，每对热电偶包括第一热偶条和第二热偶条，第一热偶条和第二热偶条的材料特性不同；对应每对热电偶设置一个第一金属电极、一个第六金属电极和一个第七金属电极。每对热电偶对应的第一金属电极位于第一加热电阻条之上，且通过释放保护膜和电绝缘热导通结构实现与第一加热电阻条的电学隔离和热学导通；每对热电偶的第一热偶条的一端和第二热偶条的一端连接对应的第一金属电极。每对热电偶对应的第六金属电极和第七金属电极位于第二加热电阻条之上，且通过释放保护膜和电绝缘热导通结构实现与第二加热电阻条的电学隔离和热学导通；每对热电偶的第一热偶条的另一端和第二热偶条的另一端分别连接第六金属电极和第七金属电极。多对热电偶之间形成级联连接，本级热电偶对对应的第六金属电极连接上一级热电偶对对应的第七金属电极；本级热电偶对对应的第七金属电极连接下一级热电偶对对应的第六金属电极。所述热电偶对中第一热偶条采用P型掺杂的多晶硅，第二热偶条采用N型掺杂的多晶硅；或者所述热电偶对中第一热偶条采用N型掺杂的多晶硅，第二热偶条采用P型掺杂的多晶硅。所述第一加热电阻条的电阻值和第二加热电阻条的电阻值通过改变加热电阻条的掺杂浓度和/或调整加热电阻条的尺寸参数得到所需的电阻值。一种微纳尺度材料赛贝克系数测量机构的制备方法，包括以下步骤，
(a)步骤，提供衬底，并在所述衬底上形成释放阻挡带与介质支撑膜；
(b)步骤，在上述介质支撑膜上设置热偶条和加热电阻条，其中加热电阻条包括第一加热电阻条和第二加热电阻条，热偶条包括第一热偶条与第二热偶条，其中第一加热电阻条和第二加热电阻条掺杂浓度和/或尺寸参数不同，使得第一加热电阻条的电阻值小于第二加热电阻条的电阻值；第一热偶条和第二热偶条的材料特性不同；第一热偶条和第二热偶条跨越释放阻挡带； (C)步骤，在上述加热电阻条和热偶条上方设置释放保护膜，所述释放保护膜同时作为金属与热偶条、金属与加热电阻条之间的电绝缘材料层，其覆盖的区域包括除金属与加热电阻条连接位置、金属与热偶条连接位置以及金属电极与加热电阻条交叠位置外的基底上表面所有区域；
(d)步骤，在上述金属电极与加热电阻条交叠位置处设置电绝缘热导通结构；
(e)步骤，在上述已制作电绝缘热导通结构的基底上溅射金属层，选择性地掩蔽和刻蚀上述金属层，实现金属层的图形化，形成金属电极及金属连接线；金属电极及金属连接线包括各金属电极和金属电极上的突出部，其中，金属电极包括第一金属电极、第二金属电极、第三金属电极、第四金属电极、第五金属电极、第六金属电极和第七金属电极；每个金属电极上的突出部为金属连接线，用于和加热电阻条或热偶条连接；
(f)步骤，选择性地掩蔽和刻蚀释放保护膜，以在释放保护膜上形成介质支撑膜刻蚀窗口，利用所述介质支撑膜刻蚀窗口对介质支撑膜进行刻蚀，直至刻蚀到介质支撑膜刻蚀窗口正下方的释放材料层，以形成腐蚀释放通道；
(g)步骤，利用腐蚀释放通道腐蚀介质支撑膜正下方的释放材料层，以得到热隔离腔体。进一步地，所述(a)步骤包括以下子步骤
(a-Ι)子步骤，提供衬底，在衬底上形成衬底保护层，所述衬底保护层为SiO2材料层；在衬底保护层上生长释放材料层和通孔掩蔽层；所述释放材料层的材料为多晶硅；通孔掩蔽层的材料为SiO2 ；
(a-2)子步骤，在通孔掩蔽层上采用反应离子刻蚀SiO2的方法形成释放材料层刻蚀窗口，通过释放材料层刻蚀窗口，采用RIE技术各向异性刻蚀释放材料层，形成通孔；
(a-3)子步骤，去除通孔掩蔽层，随后在已经形成通孔的基底上，淀积生长介质支撑膜，所述介质支撑膜的材料为SiO2 ;使用SiO2材料完全填充通孔，并与介质支撑膜以及衬底保护层共同形成释放阻挡带。所述衬底的材料为单晶硅、多晶硅或SOI基片；所述金属层的材料为Al或钛。本发明的优点1、结构简单，仅由热电偶、加热电阻条、金属电极及金属连接线构成；2、该机构可用于多种热电偶材料赛贝克系数的测量，材料适用面广；3、该机构可用于不同尺度、不同形貌热电偶结构的赛贝克系数的测量，结构适用范围广；4、热电偶数量可调，可相互级联，进而可以提高测量的精度；5、利用这一测量机构，还可同时实现微纳尺度材料电阻率的测量，并可用于研究微纳尺度材料电阻率的温度特性；6、该测量机构的制备工艺简单，易于实现，其工艺流程与常规微电子工艺相兼容，进而可与热电转换传感器件集成制备；7、该测量机构总体尺寸小，可作为并行器件与传感器件同时制作，在排除工艺差异因素的前提下，可以提高其作为测量及标定机构的可行性。
图1至图9为本发明实施例工艺步骤剖视图，其中
图1为本发明实施例在衬底上形成衬底保护层、释放材料层和通孔掩蔽层后的剖视图。图2为本发明实施例形成通孔后的剖视图。
图3为本发明实施例形成释放阻挡带和介质支撑膜后的剖视图。图4为本发明实施例设置热偶条和加热电阻条后的剖视图。图5为本发明实施例设置释放保护膜后的剖视图。图6为本发明实施例设置电绝缘热导通结构后的剖视图。图7为本发明实施例形成金属电极及金属连接线后的剖视图。图8为本发明实施例形成腐蚀释放通道后的剖视图。图9为本发明实施例腐蚀释放材料层形成热隔离腔体后的剖视图。图10为本发明总体结构顶视图。图11为本发明多对热电偶级联后的结构示意图。
具体实施例方式下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。如图9、图10所示一种微纳尺度材料赛贝克系数的测量机构，包括衬底101，所述衬底101上设有释放阻挡带302，所述释放阻挡带302内封闭有热隔离腔体901 ;释放阻挡带302能够在腐蚀释放材料层103形成热隔离腔体901的过程中起到阻挡腐蚀的作用；所述热隔离腔体901的正上方设有一对热电偶，即第一热偶条8和第二热偶条9，第一热偶条8和第二热偶条9的材料特性不同；热隔离腔体901的上方一侧设置有第一加热电阻条10，上方另一侧设置有第二加热电阻条11 ;第一加热电阻条10的电阻值小于第二加热电阻条11的电阻值；所述第一加热电阻条10的两端分别连接第二金属电极2和第三金属电极3 ；所述第二加热电阻条11的两端分别连接第四金属电极4和第五金属电极5 ；
第一金属电极I位于第一加热电阻条10之上，且通过释放保护膜501和电绝缘热导通结构601实现与第一加热电阻条10的电学隔离和热学导通；所述第一金属电极I连接第一热偶条8的一端和第_.热偶条9的一端；
第一热偶条8的另一端和第二热偶条9的另一端分别连接第六金属电极6和第七金属电极7 ;所述第六金属电极6和第七金属电极7位于第二加热电阻条11之上，且通过释放保护膜501和电绝缘热导通结构601实现与第二加热电阻条11的电学隔离和热学导通。所述热电偶对中第一热偶条8采用P型掺杂的多晶硅，第二热偶条9采用N型掺杂的多晶硅(本实施例中采用此方案)；或者所述热电偶对中第一热偶条8采用N型掺杂的多晶硅，第二热偶条9采用P型掺杂的多晶硅。所述第一加热电阻条10的电阻值和第二加热电阻条11的电阻值通过改变加热电阻条402的掺杂浓度和/或调整加热电阻条402的尺寸参数得到所需的电阻值。如图11所示，一种微纳尺度材料赛贝克系数的级联测量机构，包括衬底101，所述衬底101上设有释放阻挡带302，所述释放阻挡带302内封闭有热隔离腔体901 ;热隔离腔体901的上方一侧设置有第一加热电阻条10,上方另一侧设置有第二加热电阻条11 ;第一加热电阻条10的电阻值小于第二加热电阻条11的电阻值；所述第一加热电阻条10的两端分别连接第二金属电极2和第三金属电极3 ;所述第二加热电阻条11的两端分别连接第四金属电极4和第五金属电极5 ；
所述热隔离腔体901的正上方并行设有多对热电偶，每对热电偶包括第一热偶条8和第二热偶条9，第一热偶条8和第二热偶条9的材料特性不同；对应每对热电偶设置一个第一金属电极1、一个第六金属电极6和一个第七金属电极7 ；
每对热电偶对应的第一金属电极I位于第一加热电阻条10之上，且通过释放保护膜501和电绝缘热导通结构601实现与第一加热电阻条10的电学隔离和热学导通；每对热电偶的第一热偶条8的一端和第二热偶条9的一端连接对应的第一金属电极I ;
每对热电偶对应的第六金属电极6和第七金属电极7位于第二加热电阻条11之上，且通过释放保护膜501和电绝缘热导通结构601实现与第二加热电阻条11的电学隔离和热学导通；每对热电偶的第一热偶条8的另一端和第二热偶条9的另一端分别连接第六金属电极6和第七金属电极7 ；
多对热电偶之间形成级联连接，本级热电偶对对应的第六金属电极6连接上一级热电偶对对应的第七金属电极7 ;本级热电偶对对应的第七金属电极7连接下一级热电偶对对应的第六金属电极6。所述热电偶对中第一热偶条8采用P型掺杂的多晶硅，第二热偶条9采用N型掺杂的多晶硅；或者所述热电偶对中第一热偶条8采用N型掺杂的多晶硅，第二热偶条9采用P型掺杂的多晶硅。所述第一加热电阻条10的电阻值和第二加热电阻条11的电阻值通过改变加热电阻条402的掺杂浓度和/或调整加热电阻条402的尺寸参数得到所需的电阻值。在使用微纳尺度材料赛贝克系数的测量机构的测量过程中，在第二金属电极2和第三金属电极3之间加电压U1，同时通过红外测温仪测量第一金属电极I上靠近热电偶位置处的温度Tl ;在第四金属电极4和第五金属电极5之间加载电压U2，同时通过红外测温仪分别测量第六金属电极6和第七金属电极7上靠近热电偶位置处的温度T2 ;所述电压Ul的值大于电压U2的值。由于相同时间内第一加热电阻条10 (低电阻发热电阻条)产生的热量比第二加热电阻条11(高电阻发热电阻条)产生的热量高，所以温度Tl高于温度T2，进而引起热电偶两端产生温度差与第一金属电极I相连的一端为高温端一热端，分别与第
六金属电极6、第七金属电极7相连的一端为低温端-冷端；此时，测量第六金属电极6、
第七金属电极7之间的电压AU，那么，微纳尺度材料的赛贝克系数可以根据AU/(T1-T2)计算得到。当使用微纳尺度材料赛贝克系数的级联测量机构进行测量时，可以测量所有热电偶对级联后产生的总的电压值，然后除以热电偶的对数，得到电压平均值。随后根据电压平均值/ (Τ1-Τ2)计算得到赛贝克系数的平均值。多个热电偶对级联后产生的总的电压值大于单个热电偶对产生的电压，因此更容易测量。计算平均值的办法也可以使测量结果更加准确。如图1-图9所示上述微纳尺度材料赛贝克系数的测量机构可以采用下述工艺步骤实现。下述实施例中，如无特殊说明，工艺步骤均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。具体地包括
(a)步骤，提供衬底101，并在所述衬底101上形成释放阻挡带302与介质支撑膜301。具体包括下面三个子步骤
(a-Ι)子步骤，提供衬底101，在衬底101上形成衬底保护层102，所述衬底保护层102为SiO2材料层；在衬底保护层102上生长释放材料层103和通孔掩蔽层104 ;所述释放材料层103的材料为多晶硅；通孔掩蔽层104的材料为SiO2 ；(a-2)子步骤，在通孔掩蔽层104上采用反应离子刻蚀(RIE) SiO2的方法形成释放材料层刻蚀窗口 201，通过释放材料层刻蚀窗口 201，采用RIE技术各向异性刻蚀释放材料层103，形成通孔202 ；
(a-3)子步骤，去除通孔掩蔽层104，随后在已经形成通孔202的基底上，淀积生长介质支撑膜301，所述介质支撑膜301的材料为SiO2 ;使用SiO2材料完全填充通孔202，并与介质支撑膜301以及衬底保护层102共同形成释放阻挡带302。下面结合附图1-3对(a)步骤的三个子步骤作详细说明。如图1所示提供衬底101，衬底101的材料包括单晶硅、多晶硅或SOI基片，在衬底101的表面通过干氧氧化的方法生长SiO2材料层，以形成衬底保护层102，衬底保护层102的厚度为5000A，干氧氧化时温度为950°C，氧气的含量为60% ;在衬底保护层102上利用LPCVD (低压化学汽相淀积)技术生长释放材料层103和通孔掩蔽层104，其中释放材料层103的材料为多晶硅，厚度为2 μ m ;通孔掩蔽层104的材料为SiO2,厚度为2000A。LPCVD技术生长释放材料层103时，工作炉管为620°C，压强为200mTorr (毫托)，SiH4的流量为130sccm (standard-state cubic centimeter per minute) ;LPCVD 技术生长通孔掩蔽层104时采用TEOS (Tetraethyl Orthosilicate，正硅酸乙酯)源，源的温度为50°C，炉管温度为720°C，压强为300mTorr，氧气流量为200sCCm。所述衬底101采用常规的材料，衬底101的材料包括硅。如图2所示，在通孔掩蔽层104的表面旋涂光刻胶，并通过光刻工艺在光刻胶上形成封闭开口，随后利用反应离子刻蚀(RIE) SiO2的方法将光刻胶上封闭开口的图形转移到通孔掩蔽层104中，形成位于通孔掩蔽层104中的封闭开口图形，即释放材料层刻蚀窗口201 ;利用氧等离子体干法去胶与硫酸/双氧水湿法去胶相结合的方法去除基底表面的光刻胶；采用RIE技术各向异性刻蚀释放材料层103，将通孔掩蔽层104中的封闭开口图形转移到释放材料层103中，形成释放材料层103中的封闭开口图形即通孔202，所形成的通孔202的宽度为I μ m。其中，RIE通孔掩蔽层104的RF功率为300W，腔体压力为200mTorr，刻蚀气体为CF4、CHF3> He混合气体，对应的流量为10/50/12sccm。RIE释放材料层103时采用的刻蚀气体为Cl2和He的混合`气体，其流量分别为180和400SCCm，RF功率为350W，腔体压力为400 HiTorr0如图3所示，利用反应离子刻蚀(RIE) SiO2的方法完全去除通孔掩蔽层104 ;在已经形成通孔202的基底上，通过LPCVD技术淀积生长介质支撑膜301，所述介质支撑膜301的材料为SiO2,介质支撑膜301的厚度为8000Α，使用SiO2材料完全填充通孔202，并与介质支撑膜301以及衬底保护层102共同形成SiO2释放阻挡带302。(b)步骤，在上述介质支撑膜301上设置热偶条401和加热电阻条402，其中加热电阻条402包括第一加热电阻条10和第二加热电阻条11，热偶条401包括第一热偶条8与第二热偶条9，其中第一加热电阻条10和第二加热电阻条11的掺杂浓度和/或尺寸参数不同，使得第一加热电阻条10的电阻值小于第二加热电阻条11的电阻值；第一热偶条8和第二热偶条9的材料特性不同；第一热偶条8和第二热偶条9跨越释放阻挡带302。本实施例中，第一热偶条8采用P型掺杂的多晶硅，第二热偶条9采用N型掺杂的多晶硅。如图4所示，在上述介质支撑膜301上设置热偶条401和加热电阻条402，其中加热电阻条402包括第一加热电阻条10和第二加热电阻条11，其中第一加热电阻条10的阻值小于第二加热电阻条11 ;热偶条401包括第一热偶条8与第二热偶条9，分别采用P型掺杂和N型惨杂的多晶娃；具体如下所述
在设置了介质支撑膜301和释放阻挡带302的基底上通过LPCVD技术生长多晶硅结构层，用于形成热偶条401和加热电阻条402，所述结构层的材料为多晶硅，厚度为2000A ;在多晶娃的表面旋涂光刻胶，并通过光刻工艺在光刻胶上对应于第一加热电阻条10和第一热偶条8的位置制作光刻胶开口图形，并对其进行P型掺杂，掺杂浓度为5e22Cnr3，掺杂能量为30KeV ;利用氧等离子体干法去胶与硫酸/双氧水湿法去胶相结合的方法去除基底表面的光刻胶；再次在多晶硅的表面旋涂光刻胶，并通过光刻工艺在光刻胶上对应于第二加热电阻条11和第二热偶条9的位置形成光刻胶的开口图形，并对其进行N型掺杂，掺杂浓度为4el9Cnr3，掺杂能量为80KeV，利用氧等离子体干法去胶与硫酸/双氧水湿法去胶相结合的方法去除基底表面的光刻胶。在多晶硅的表面第三次旋涂光刻胶，并通过光刻工艺在光刻胶上对应于加热电阻条402和热偶条401的位置形成光刻胶图形，以该光刻胶图形为掩膜，采用RIE技术各向异性刻蚀多晶硅结构层，形成加热电阻条402和热偶条401。所述热偶条401的长度为200 μ m， 宽度为10 μ m;所述第一加热电阻条10的长度为300 μ m，宽度为50 μ m,第二加热电阻条11的长度为1000 μ m,宽度为3 μ m。(c)步骤，在上述加热电阻条402和热偶条401上方设置释放保护膜501，所述释放保护膜501同时作为金属与热偶条401、金属与加热电阻条402之间的电绝缘材料层，其覆盖的区域包括除金属与加热电阻条连接位置504 (参见附图10中的标记位置)、金属与热偶条连接位置502以及金属电极与加热电阻条交叠位置503外的基底上表面所有区域；
如图5所示，在上述设置了加热电阻条402和热偶条401的基底表面上通过LPCVD技术生长释放保护膜501，所述释放保护膜501的材料为SiO2,厚度为4000A ;在所述SiO2层的表面旋涂光刻胶，并通过光刻工艺在光刻胶上对应于金属与加热电阻条连接位置504、金属与热偶条连接位置502以及金属电极与加热电阻条交叠位置503形成光刻胶的开口图形，利用RIE SiO2方法形成释放保护膜501的图形化；最后利用氧等离子体干法去胶与硫酸/双氧水湿法去胶相结合的方法去除基底表面的光刻胶。(d)步骤，在上述金属电极与加热电阻条交叠位置503处设置电绝缘热导通结构601，用于实现加热电阻条402与热偶条401之间的热学导通与电学隔离；
如图6所示，在设置了释放保护膜501的基底上通过LPCVD技术生长并设置电绝缘热导通结构601，所述电绝缘热导通结构601的材料为Si3N4，厚度为2000A ;在所述Si3N4材料的表面旋涂光刻胶，并通过光刻工艺在光刻胶上对应于金属电极与加热电阻条交叠位置503处形成光刻胶图形，利用RIE技术形成Si3N4材料的图形化，即形成电绝缘热导通结构601 ;最后利用氧等离子体干法去胶与硫酸/双氧水湿法去胶相结合的方法去除基底表面的光刻胶。(e)步骤，在上述已制作电绝缘热导通结构601的基底上溅射金属层，选择性地掩蔽和刻蚀上述金属层，实现金属层的图形化，形成金属电极及金属连接线701 ;金属电极及金属连接线701包括各金属电极和金属电极上的突出部(金属连接线)，其中，金属电极包括第一金属电极1、第二金属电极2、第三金属电极3、第四金属电极4、第五金属电极5、第六金属电极6和第七金属电极7 ;每个金属电极上的突出部为金属连接线，用于和加热电阻条402或热偶条401连接。
如图7所示，在所述设置了电绝缘热导通结构601的基底上溅射金属层，所述金属层本例采用的材料为Al，厚度为8000 A ;通过光刻工艺使Al金属层图形化，使之填充上述金属与加热电阻条连接位置504、金属与热偶条连接位置502，并覆盖于上述电绝缘热导通结构601上；随后采用有机清洗的方法去除基底表面的光刻胶。其中，Al金属的图形化采用Al腐蚀液湿法腐蚀的方法实现，Al腐蚀液中磷酸(浓度为609Γ80%):醋酸(浓度为O. 1%)硝酸(浓度为O. 5%):水的比例为16 :1 :1 :2。(f)步骤，选择性地掩蔽和刻蚀释放保护膜501，以在释放保护膜501上形成介质支撑膜刻蚀窗口 801，利用所述介质支撑膜刻蚀窗口 801对介质支撑膜301进行刻蚀，直至刻蚀到介质支撑膜刻蚀窗口 801正下方的释放材料层103，以形成腐蚀释放通道802 ；
如图8所示，在设置了 Al金属电极的基底上旋涂光刻胶，通过光刻工艺使光刻胶在对应于腐蚀释放通道802的位置形成光刻胶的开口图形；随后，利用RIE SiO2技术将光刻胶的开口图形转移到释放保护膜501中，形成介质支撑膜刻蚀窗口 801 ;继续RIE SiO2，直至穿通介质支撑膜301，达到释放材料层103，最终形成腐蚀释放通道802。(g)步骤，利用腐蚀 释放通道802腐蚀介质支撑膜301正下方的释放材料层103，以得到热隔离腔体901，同时获得器件结构。如图9所示，由于释放材料层103的材料为多晶硅，因此采用XeF2气体干法刻蚀技术各向同性腐蚀器件结构中的释放材料层103，通过腐蚀释放通道802将释放材料层103的多晶硅腐蚀掉，进而形成热隔离腔体901。释放阻挡带302能够在腐蚀释放材料层103形成热隔离腔体901的过程中起到阻挡腐蚀的作用，从而形成封闭在释放阻挡带302内的热隔离腔体901。
权利要求
1.一种微纳尺度材料赛贝克系数的测量机构，包括衬底(101)，其特征在于所述衬底(101)上设有释放阻挡带(302)，所述释放阻挡带(302)内封闭有热隔离腔体(901);所述热隔离腔体(901)的正上方设有一对热电偶，即第一热偶条(8)和第二热偶条(9)，第一热偶条(8)和第二热偶条(9)的材料特性不同；热隔离腔体(901)的上方一侧设置有第一加热电阻条(10)，上方另一侧设置有第二加热电阻条(11);第一加热电阻条(10)的电阻值小于第二加热电阻条(11)的电阻值；所述第一加热电阻条(10)的两端分别连接第二金属电极(2)和第三金属电极(3);所述第二加热电阻条(11)的两端分别连接第四金属电极(4)和第五金属电极(5)； 第一金属电极(I)位于第一加热电阻条(10)之上，且通过释放保护膜(501)和电绝缘热导通结构(601)实现与第一加热电阻条(10)的电学隔离和热学导通；所述第一金属电极(I)连接第一热偶条(8)的一端和第二热偶条(9)的一端； 第一热偶条(8)的另一端和第二热偶条(9)的另一端分别连接第六金属电极(6)和第七金属电极(7);所述第六金属电极(6)和第七金属电极(7)位于第二加热电阻条(11)之上，且通过释放保护膜(501)和电绝缘热导通结构(601)实现与第二加热电阻条(11)的电学隔离和热学导通。
2.如权利要求1所述的微纳尺度材料赛贝克系数的测量机构，其特征在于所述热电偶对中第一热偶条(8)采用P型掺杂的多晶硅，第二热偶条(9)采用N型掺杂的多晶硅；或者所述热电偶对中第一热偶条(8)采用N型掺杂的多晶硅，第二热偶条(9)采用P型掺杂的多晶硅。
3.如权利要求1或2所述的微纳尺度材料赛贝克系数的测量机构，其特征在于所述第一加热电阻条(10)的电阻值和第二加热电阻条(11)的电阻值通过改变加热电阻条(402)的掺杂浓度和/或调整加热电阻条(402)的尺寸参数得到所需的电阻值。
4.一种微纳尺度材料赛贝克系数的级联测量机构，包括衬底(101)，其特征在于所述衬底(101)上设有释放阻挡带(302)，所述释放阻挡带(302)内封闭有热隔离腔体(901)；热隔离腔体(901)的上方一侧设置有第一加热电阻条(10)，上方另一侧设置有第二加热电阻条(11);第一加热电阻条(10)的电阻值小于第二加热电阻条(11)的电阻值；所述第一加热电阻条(10)的两端分别连接第二金属电极(2)和第三金属电极(3);所述第二加热电阻条(11)的两端分别连接第四金属电极⑷和第五金属电极(5)； 所述热隔离腔体(901)的正上方并行设有多对热电偶，每对热电偶包括第一热偶条(8)和第二热偶条(9)，第一热偶条(8)和第二热偶条(9)的材料特性不同；对应每对热电偶设置一个第一金属电极(I)、一个第六金属电极(6)和一个第七金属电极(7)； 每对热电偶对应的第一金属电极(I)位于第一加热电阻条(10)之上，且通过释放保护膜(501)和电绝缘热导通结构(601)实现与第一加热电阻条(10)的电学隔离和热学导通；每对热电偶的第一热偶条(8)的一端和第二热偶条(9)的一端连接对应的第一金属电极⑴; 每对热电偶对应的第六金属电极(6)和第七金属电极(7)位于第二加热电阻条(11)之上，且通过释放保护膜(501)和电绝缘热导通结构(601)实现与第二加热电阻条(11)的电学隔离和热学导通；每对热电偶的第一热偶条(8)的另一端和第二热偶条(9)的另一端分别连接第六金属电极(6)和第七金属电极(7)；多对热电偶之间形成级联连接，本级热电偶对对应的第六金属电极(6)连接上一级热电偶对对应的第七金属电极(7);本级热电偶对对应的第七金属电极(7)连接下一级热电偶对对应的第六金属电极(6)。
5.如权利要求4所述的微纳尺度材料赛贝克系数的级联测量机构，其特征在于所述热电偶对中第一热偶条(8)采用P型掺杂的多晶硅，第二热偶条(9)采用N型掺杂的多晶硅；或者所述热电偶对中第一热偶条(8)采用N型掺杂的多晶硅，第二热偶条(9)采用P型掺杂的多晶硅。
6.如权利要求4或5所述的微纳尺度材料赛贝克系数的级联测量机构，其特征在于所述第一加热电阻条(10)的电阻值和第二加热电阻条(11)的电阻值通过改变加热电阻条(402)的掺杂浓度和/或调整加热电阻条(402)的尺寸参数得到所需的电阻值。
7.一种微纳尺度材料赛贝克系数测量机构的制备方法，其特征在于包括以下步骤， (a)步骤，提供衬底(101)，并在所述衬底(101)上形成释放阻挡带(302)与介质支撑膜(301)； (b)步骤，在上述介质支撑膜(301)上设置热偶条(401)和加热电阻条(402)，其中加热电阻条(402)包括第一加热电阻条(10)和第二加热电阻条(11)，热偶条(401)包括第一热偶条(8)与第二热偶条(9)，其中第一加热电阻条(10)和第二加热电阻条(11)掺杂浓度和/或尺寸参数不同，使得第一加热电阻条(10)的电阻值小于第二加热电阻条(11)的电阻值；第一热偶条(8)和第二热偶条(9)的材料特性不同；第一热偶条(8)和第二热偶条(9)跨越释放阻挡带(302)； (c)步骤，在上述加热电阻条(402)和热偶条(401)上方设置释放保护膜(501)，所述释放保护膜(501)同时作为金属与热偶条(401)、金属与加热电阻条(402)之间的电绝缘材料层，其覆盖的区域包括除金属与加热电阻条连接位置(504)、金属与热偶条连接位置(502)以及金属电极与加热电阻条交叠位置(503)外的基底上表面所有区域； (d)步骤，在上述金属电极与加热电阻条交叠位置(503)处设置电绝缘热导通结构(601)； (e)步骤，在上述已制作电绝缘热导通结构(601)的基底上溅射金属层，选择性地掩蔽和刻蚀上述金属层，实现金属层的图形化，形成金属电极及金属连接线(701);金属电极及金属连接线(701)包括各金属电极和金属电极上的突出部，其中，金属电极包括第一金属电极(I)、第二金属电极(2)、第三金属电极(3)、第四金属电极(4)、第五金属电极(5)、第六金属电极(6)和第七金属电极(7);每个金属电极上的突出部为金属连接线，用于和加热电阻条(402)或热偶条(401)连接； (f)步骤，选择性地掩蔽和刻蚀释放保护膜(501)，以在释放保护膜(501)上形成介质支撑膜刻蚀窗口(801)，利用所述介质支撑膜刻蚀窗口(801)对介质支撑膜(301)进行刻蚀，直至刻蚀到介质支撑膜刻蚀窗口(801)正下方的释放材料层(103)，以形成腐蚀释放通道(802)； (g)步骤，利用腐蚀释放通道(802)腐蚀介质支撑膜(301)正下方的释放材料层(103)，以得到热隔离腔体(901)。
8.如权利要求7所述的微纳尺度材料赛贝克系数测量机构的制备方法，其特征在于所述(a)步骤包括以下子步骤(a-1)子步骤，提供衬底(101)，在衬底(101)上形成衬底保护层(102)，所述衬底保护层(102)为SiO2材料层；在衬底保护层(102)上生长释放材料层(103)和通孔掩蔽层(104);所述释放材料层(103)的材料为多晶硅；通孔掩蔽层(104)的材料为SiO2 ； (a-2)子步骤，在通孔掩蔽层(104)上采用反应离子刻蚀SiO2的方法形成释放材料层刻蚀窗口(201)，通过释放材料层刻蚀窗口(201)，采用RIE技术各向异性刻蚀释放材料层(103)，形成通孔(202)； (a-3)子步骤，去除通孔掩蔽层(104)，随后在已经形成通孔(202)的基底上，淀积生长介质支撑膜(301)，所述介质支撑膜(301)的材料为SiO2 ;使用SiO2材料完全填充通孔(202)，并与介质支撑膜(301)以及衬底保护层(102)共同形成释放阻挡带(302)。
9.如权利要求7或8所述的微纳尺度材料赛贝克系数测量机构的制备方法，其特征在于所述衬底(101)的材料为单晶硅、多晶硅或SOI基片；所述金属层的材料为Al或钛。
全文摘要
本发明提供一种微纳尺度材料赛贝克系数的测量机构，衬底上设有释放阻挡带，释放阻挡带内封闭有热隔离腔体；热隔离腔体的正上方设有一对热电偶，第一热偶条和第二热偶条的材料特性不同；热隔离腔体的上方一侧设置有第一加热电阻条，上方另一侧设置有第二加热电阻条；第一加热电阻条的电阻值小于第二加热电阻条的电阻值；第一加热电阻条的两端分别连接第二金属电极和第三金属电极；第二加热电阻条的两端分别连接第四金属电极和第五金属电极。第一金属电极位于第一加热电阻条之上，第一金属电极连接第一热偶条和第二热偶条的一端。第一热偶条和第二热偶条的另一端分别连接第六金属电极和第七金属电极。本发明用于测量微纳尺度材料赛贝克系数。
文档编号G01N25/20GK103048350SQ201310002129
公开日2013年4月17日 申请日期2013年1月5日 优先权日2013年1月5日
发明者毛海央, 欧文, 欧毅, 陈大鹏 申请人:江苏物联网研究发展中心