一种基于SiCOI的主动激发式无线无源高温热流传感器

本发明属于传感器领域，特别涉及一种基于sicoi的主动激发式无线无源高温热流传感器。

背景技术：

1、传感器主要负责把其他形式的信号转化为电信号，方便后端的信号处理单元进行处理，因此传感器是电子系统的信号获取源。航天航空、核电、炼铁领域都离不开对热流的检测。如何在高温下有效的检测热流并将信号成功输出是亟需解决的难题。在众多种类的传感器中，传统热流传感器无法在高流速、大温场等恶劣环境下进行连续不断的监测，且传统热流传感器的信号输出方式都是通过补偿导线进行传输的，补偿导线在高温大热流的环境下可能出现断裂、破损等问题，增加了系统在超高温环境下的不稳定性，这种不稳定性对于航空航天来说是致命的。mems技术制造的薄膜热电偶在超高温度、大热流的恶劣环境下，极容易因为应力分布的不均以及外力的干扰导致薄膜破裂损坏。

2、sic作为一种宽带隙半导体，具有高熔点、高热导率、高载流子迁移率和高击穿电压，是高温传感器件的理想材料。但是由于sic材料的成本较高，相同大小的晶圆价格是si的5-7倍。另外，硬度高也造成了非常难以利用现有的刻蚀技术，这些问题限制了利用sic制备高深宽比器件结构。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是提供一种基于sicoi的主动激发式无线无源高温热流传感器，用于解决现有热流传感器薄膜易破裂、信号响应小、电极易被氧化信号传输困难的问题，从而实现航空航天、冶金等高温恶劣环境中热流密度的快速、准确测量。

2、本发明提供了一种基于sicoi的主动激发式无线无源高温热流传感器，所述传感器由下至上依次包括：sicoi晶圆、下绝缘层、下金属层、上绝缘层和上金属层；其中，

3、所述sicoi晶圆由下至上包括衬底、薄膜支撑层和热电敏感材料层；隔热腔位于所述衬底内部，且沿所述衬底的厚度方向贯穿所述衬底，与所述薄膜支撑层下表面相连；

4、所述上金属层的上表面一端设置电感器，另一端设置微带天线。

5、进一步的，所述热电敏感材料层设有沟槽，沟槽沿两个半圆环方向上贯穿所述sic热电敏感材料层。

6、进一步的，所述下绝缘层上设有下绝缘层引线孔，所述下绝缘层引线孔垂直方向上贯穿所述下绝缘层，所述下绝缘层引线孔连接下金属层。

7、进一步的，左热电臂、右热电臂位于所述热电敏感材料层上表面，所述左热电臂通过下绝缘层引线孔与下金属层且远离隔热腔方向处相连；所述右热电臂通过所述下绝缘层引线孔与所述下金属层且靠近沟槽方向处相连。

8、进一步的，所述上绝缘层上设有上绝缘层引线孔，所述上绝缘层引线孔靠近沟槽左侧。

9、进一步的，电容插指位于所述热电敏感材料层内部，一端与所述上金属层、所述电感器相连，另一端与所述上金属层、所述电感器不相连。

10、进一步的，晶体管位于所述热电敏感材料层内部，一端与所述微带天线连，另一端与所述右热电臂相连。

11、进一步的，所述下金属层部分作为所述微带天线地线，所述上金属层部分作为曲折形槽；馈电微带穿过所述上绝缘层连接所述曲折形槽和所述地线。

12、进一步的，所述衬底为si衬底或sic衬底。所述si衬底为厚度525um的单抛、双抛硅片，所述sic衬底为厚度350um的单抛、双抛sic片。

13、进一步的，所述薄膜支撑层为厚度0.5um～10um的绝缘材料，所述绝缘材料包括氧化硅、氮化硅或其他金属氧化物中的一种或几种。

14、进一步的，所述热电敏感材料层采用的材料为α-sic、β-sic中的至少一种；所述热电敏感材料层的厚度在0.3um～3um。

15、进一步的，所述上绝缘层和下绝缘层采用的材料为氮化硅、氧化铝、氧化硅、氮化铝中的至少一种；绝缘层的厚度在0.1um～2um。

16、进一步的，所述上金属层和下金属层采用的材料为pt、pt-ira％、pt-rh a％、ir-rha％中的至少一种，所述a％为合金成分占比，a的范围为10-90；金属电层的厚度在0.1um～0.3um。

17、进一步的，所述电感器采用的材料为pt、pt-ira％、pt-rh a％、ir-rha％中的至少一种，所述a％为合金成分占比，a的范围为10-90。

18、进一步的，所述晶体管为npn、pnp、nmos、pmos中的至少一种。

19、有益效果

20、(1)本发明利用电-声-电转换，实现热流信号的无线传输。大热流的变化使热流传感单元产生一定幅值的电压信号，无线信号发射单元产生相对应频率的波，热流传感单元产生的电压信号加载在无线信号发射单元产生的高频波上，该包含热流信息的波通过天线发射出去，由外界的接收电路将热流信息解调出来。本发明利用无线无源技术，主动向信号接收器发送实时的热流信号；避开了超高温极端环境引线连接难，传统热电偶高温下测量偏差较大，有线传感器安装空间受限的缺点，使超高温下信号传输得以实现。

21、(2)本发明利用sicoi技术，简化流片步骤，避开sic刻蚀难点。使用sicoi材料，在兼容常规cmos和mems工艺平台的同时还能发挥sic的性能特点。

22、(3)本发明利用无线传输特性提高了测量的精确度，避开信号读取困难的同时，降低了制作成本，保留了sic材料耐高温的特性；可实现超高温恶劣环境中热流密度的快速、准确测量。

技术特征：

1.一种基于sicoi的主动激发式无线无源高温热流传感器，其特征在于：所述传感器由下至上依次包括：sicoi晶圆(10)、下绝缘层(20)、下金属层(30)、上绝缘层(40)和上金属层(50)；其中，

2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述热电敏感材料层(104)设有沟槽(60)，沟槽(60)沿两个半圆环方向上贯穿所述热电敏感材料层(104)。

3.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述下绝缘层(20)上设有下绝缘层引线孔(201)，所述下绝缘层引线孔(201)垂直方向上贯穿所述下绝缘层(20)，所述下绝缘层引线孔(201)连接下金属层(30)。

4.根据权利要求3所述的传感器，其特征在于：左热电臂(1042)、右热电臂(1043)位于所述热电敏感材料层(104)上表面，所述左热电臂(1042)通过下绝缘层引线孔(201)与下金属层(30)且远离隔热腔(101)方向处相连；所述右热电臂(1043)通过所述下绝缘层引线孔(201)与所述下金属层(30)且靠近沟槽(60)方向处相连。

5.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述上绝缘层(40)上设有上绝缘层引线孔(401)，所述上绝缘层引线孔(401)靠近沟槽(60)左侧。

6.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：电容插指(1041)位于所述热电敏感材料层(104)内部，一端与所述上金属层(50)、所述电感器(501)相连，另一端与所述上金属层(50)、所述电感器(501)不相连。

7.根据权利要求4所述的传感器，其特征在于：晶体管(1044)位于所述热电敏感材料层(104)内部，一端与所述微带天线(502)连，另一端与所述右热电臂(1043)相连。

8.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述下金属层(30)部分作为所述微带天线地线(5023)，所述上金属层(50)部分作为曲折形槽(5021)；馈电微带(5022)穿过所述上绝缘层(40)连接所述曲折形槽(5021)和所述地线(5023)。

技术总结
本发明涉及一种基于SiCOI的主动激发式无线无源高温热流传感器，所述传感器由下至上依次包括：SiCOI晶圆(10)、下绝缘层(20)、下金属层(30)、上绝缘层(40)和上金属层(50)。本发明利用无线传输特性提高了测量的精确度，避开信号读取困难的同时，降低了制作成本，保留了SiC材料耐高温的特性，可实现超高温恶劣环境中热流密度的快速、准确测量。

技术研发人员：李铁,叶智玮,周宏,刘延祥,陆仲明
受保护的技术使用者：中国科学院上海微系统与信息技术研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/3/24