CN102564623A - 一种垂直结构场发射微机械温度传感器结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种垂直结构场发射微机械温度传感器结构，其特征是：包括台阶状的衬底、覆盖在衬底上表面的绝缘层、悬臂梁和尖端阴极；悬臂梁一端与台阶上层的绝缘层连接，另一端为自由端，处于悬空状态；尖端阴极位于台阶下层的绝缘层上，其尖端位于悬臂梁的自由端下部，两者间隙设置；所述悬臂梁为双层结构，上下两层材质为金属，且两种金属材质的热膨胀系数不等。本发明制造工艺简单，灵敏度高，温度测量范围宽，可以在零下80度低温下工作，采用微机械加工，可批量生产器件，使成本降低和一致性等性能得到提高。
Description
技术领域
本发明涉及一种垂直结构场发射微机械温度传感器结构，尤其是采用体硅微机械加工技术实现的垂直锥尖场发射结合表面微机械工艺释放形成的温度传感器结构。
背景技术
温度传感器是应用范围极其广泛，其类型也非常多。如传统的热电偶、热敏电阻、水银或酒精温度计和半导体温度传感器等。传统的热电偶、热敏电阻等结构简单，成本低。但测量精度有一定限制。半导体温度传感器具有灵敏度高、体积小、功耗低、时间常数小、自热温升小、抗干扰能力强等诸多优点,但其工作温度范围窄( - 55～150 ℃左右)，难以应用到一些特殊低温应用领域如探空仪等。微机电系统的发展为温度传感器的设计提供了新途径。该技术具有在微米甚至亚微米级进行复杂精细加工的能力。因此采用微机械方法设计新型温度传感器以满足特殊领域的需要成为目前的一个技术发展方向。
发明内容
本发明要解决的技术问题是现有的温度传感器结构简单的测量精度低，测量精度高的，工作温度范围窄，难以应用到一些特殊低温应用领域。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种垂直结构场发射微机械温度传感器结构，其特征是：包括台阶状的衬底、覆盖在衬底上表面的绝缘层、悬臂梁和尖端阴极；悬臂梁一端与台阶上层的绝缘层连接，另一端为自由端，处于悬空状态；尖端阴极位于台阶下层的绝缘层上，其尖端位于悬臂梁的自由端下部，两者间隙设置；所述悬臂梁为双层结构，上下两层材质为金属，且两种金属材质的热膨胀系数不等。
工作时，当在悬臂梁与尖端阴极之间加一合适的正电压时，将在尖端阴极处产生尖端放电现象，形成电子发射，也即场发射。该发射电流的大小取决于悬臂梁和尖端间距的长短；环境温度的变化会导致由双层具有不同热膨胀系数材料构成的悬臂梁产生弯曲，从而改变了悬臂梁和尖端阴极的间距，进而使发射电流发生改变；通过测量该发射电流的大小就可反应环境温度的变化。
本发明的优点是：制造工艺简单，灵敏度高，温度测量范围宽，可以在零下80度低温下工作，采用微机械加工，可批量生产器件，使成本降低和一致性等性能得到提高。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的制作流程示意图（过程一）。
图3为本发明的制作流程示意图（过程二）。
图4为本发明的制作流程示意图（过程三）。
图5为本发明的制作流程示意图（过程四）。
图6为本发明的制作流程示意图（过程五）。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明包括台阶状的衬底1、覆盖在衬底1上表面的绝缘层2、悬臂梁4和尖端阴极3；悬臂梁4一端与台阶上层的绝缘层2连接，另一端为自由端，处于悬空状态；尖端阴极3位于台阶下层的绝缘层2上，其尖端位于悬臂梁4的自由端下部，两者处于垂直状态上的间隙设置；所述悬臂梁4为双层结构，上下两层均为金属材质，且材质的热膨胀系数不等。
工作时，当悬臂梁4和尖端阴极3之间加一合适的正向电压时，尖端阴极3的尖端处电场集中，将发生场发射。该发射电流满足F-N公式：
式中，A，B为常数；f为金属表面功函数；E为尖端阴极4表面的电场；t2(y)近似等于1.1；q(y)=0.95-y2,其中
。由上式可见，发射电流的大小和尖端阴极3表面的电场呈指数变化关系，而电场和悬臂梁4与尖端阴极3之间的间距成反比；因此，只要很小的间距变化就会引起很大的发射电流大小的变化。
悬臂梁4主要由两个具有较大热膨胀系数差异的金属导电材料构成，因此当环境温度变化时，将引起悬臂梁4自由端发生弯曲，从而改变其与尖端阴极3的间距，最终使发射电流产生较大变化。
该传感器结构的制作过程为：
如图2所示，首先，选取（100）晶向的半导体材料制作衬底1，如硅片，然后氧化形成湿法腐蚀保护层，光刻并腐蚀上面的氧化层，形成场发射锥尖的保护帽。
如图3所示，然后进行硅的各向异性腐蚀，由于采用（100）硅片，因此经过腐蚀，硅片表面会形成类金字塔结构的硅尖。
如图4所示，去掉表面氧化层进行重新生长，形成绝缘层2；接下来在绝缘层2上淀积生长金属材料并光刻成尖端阴极3。
如图5所示，然后涂光刻胶填充腐蚀窗口并光刻露出位于尖端阴极3左部的绝缘层2。
如图6所示，进行悬臂梁4的淀积并光刻，形成悬臂梁4结构；最后利用氧等离子去掉位于尖端阴极3右部的腐蚀槽中的光刻胶，使悬臂梁4下部悬空。
Claims (1)
1.一种垂直结构场发射微机械温度传感器结构，其特征是：包括台阶状的衬底、覆盖在衬底上表面的绝缘层、悬臂梁和尖端阴极；悬臂梁一端与台阶上层的绝缘层连接，另一端为自由端，处于悬空状态；尖端阴极位于台阶下层的绝缘层上，其尖端位于悬臂梁的自由端下部，两者间隙设置；所述悬臂梁为双层结构，上下两层材质为金属，且两种金属材质的热膨胀系数不等。
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