CN102865938B

CN102865938B - 热电偶及其形成方法

Info

Publication number: CN102865938B
Application number: CN201210331662.8A
Authority: CN
Inventors: 伍晓明; 肖柯; 吕宏鸣; 钱鹤; 吴华强
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2012-09-07
Filing date: 2012-09-07
Publication date: 2014-02-19
Anticipated expiration: 2032-09-07
Also published as: CN102865938A

Abstract

本发明公开了一种热电偶及其形成方法，该方法包括：提供衬底；在衬底之上形成介质层；在介质层之上形金属层；对金属层进行光刻及刻蚀处理以形成第一压焊块、第二压焊块和热偶金属条，其中第二压焊块与热偶金属条相连；在介质层之上形成碳基薄膜，其中，碳基薄膜的一端与压焊块接触，另一端与热偶金属条接触；在第一压焊块形成第一金属接触，并在第二压焊块之上形成第二金属接触。本发明的热电偶采用石墨烯，具有很高的塞贝克系数，且可以通过栅电压进行调制，因此制作的热电偶灵敏性高；利用气压形成的碳基薄膜平整、致密、质量好；形成碳基薄膜之后的工序少，对碳基薄膜的沾污或损害少；最终形成两面夹结构的电极，强度更大，接触电阻更小。

Description

热电偶及其形成方法

技术领域

本发明涉及温度测量领域，特别涉及一种热电偶及其形成方法。

背景技术

红外探测器应用领域非常广阔，可以用于非接触式的温度测量，气体成分分析，无损探伤，热像检测，红外遥感以及军事目标的侦察、搜索、跟踪和通信等。热电偶测温的基本原理是两种不同成份的材质导体组成闭合回路，当两端存在温度梯度时，回路中就会有电流通过，此时两端之间就存在电动势——热电动势，这就是所谓的塞贝克效应(Seebeck effect）。其中热电动势的大小与温度差成正相关函数关系，故可以通过检测电动势的大小来计算被测温度。实际应用中，为了获得更明显的、易检测出的电信号，通常将若干个热电偶串联，如图1（b）所示。

现有技术中，最常见的热电偶材料为两种金属的组合，例如铂铑-纯铂、镍铬-镍硅、纯铜-铜镍、铁-铜镍、镍铬-铜镍等等，以及近年来新出现了硅-金属材料的组合。由于上述材料的电阻温度系数大，导电率低，比热大，热电势与温度之间线性关系差，不够灵敏，适用温度范围狭窄等原因，限制了其在热电偶上的应用。

发明内容

本发明的目的旨在至少解决上述技术缺陷之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种热电偶的形成方法，该方法具有工艺简单、稳定可靠的优点。

本发明的实施例公开了一种热电偶的形成方法，包括以下步骤：提供衬底；在所述衬底之上形成介质层；在所述介质层之上形金属层；对所述金属层进行光刻及刻蚀处理，以形成第一压焊块、第二压焊块和热偶金属条，其中所述第二压焊块与所述热偶金属条相连；在所述介质层之上形成碳基薄膜，其中，所述碳基薄膜的一端与所述压焊块接触，另一端与所述热偶金属条接触；以及在所述第一压焊块形成第一金属接触，并在所述第二压焊块之上形成第二金属接触。

在本发明的一个实施例中，所述衬底为Si，所述介质层为通过热氧化形成的SiO₂或通过沉积形成的Si₃N₄。

在本发明的一个实施例中，所述碳基薄膜包括单层石墨烯、双层石墨烯或多层石墨烯。

在本发明的一个实施例中，通过Cu衬底上CVD后化学湿法转移，或者Pt衬底上CVD后电化学法转移以形成所述碳基薄膜。

在本发明的一个实施例中，所述热偶金属条为Bi。

在本发明的一个实施例中，所述衬底的背面经过减薄处理。

根据本发明的热电偶的形成方法，具有如下优点：（1）采用石墨烯材料，石墨烯具有很高的塞贝克系数，且可以通过栅电压进行调制，因此制作的热电偶灵敏性高；（2）利用气压形成的碳基薄膜平整、致密、质量好；形成碳基薄膜之后的工序少，对碳基薄膜的沾污或损害少；（3）最终形成两面夹结构的电极，强度更大，接触电阻更小。

本发明的另一个目的在于提出一种热电偶，该方法具有灵敏度高、稳定可靠的优点。

本发明的实施例公开了一种热电偶，包括以下部分：衬底；形成在所述衬底之上的介质层；形成在所述介质层之上的第一压焊块和第二压焊块；形成在所述介质层之上的碳基薄膜和热偶金属条，其中，所述碳基薄膜的一端与所述第一压焊块相连，另一端与所述热偶金属条相连，所述热偶金属条的另一端与所述第二压焊块相连；以及形成在所述第一压焊块之上的第一金属接触和形成在所述第二压焊块之上的第二金属接触。

在本发明的一个实施例中，所述碳基薄膜通过Cu衬底上CVD后化学湿法转移，或者Pt衬底上CVD后电化学法转移形成。

在本发明的一个实施例中，所述热偶金属条为Bi。

在本发明的一个实施例中，所述衬底的背面经过减薄处理。

根据本发明的热电偶，具有如下优点：（1）采用石墨烯材料，石墨烯具有很高的塞贝克系数，且可以通过栅电压进行调制，因此制作的热电偶灵敏性高；（2）利用气压形成的碳基薄膜平整、致密、质量好；形成碳基薄膜之后的工序少，对碳基薄膜的沾污或损害少；（3）最终形成两面夹结构的电极，强度更大，接触电阻更小。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为热电偶及热电堆的工作原理图；

图2-图8为本发明一个实施例的热电偶的形成方法的示意图；

图9为本发明一个实施例的热电偶的结构示意图；和

图10为本发明一个实施例的两组三个热电偶串联的结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

为使本领域技术人员更好地理解本发明，先对石墨烯材料的气敏性质做简单介绍。

石墨烯（Graphene）是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料。是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜。理论和实验研究表明，石墨烯材料具有很高的塞贝克系数，且可以通过栅电压进行调制，因此能够用来制作高灵敏度的温度、红外传感器。由石墨烯和另一种金属（例如铋，Bi）就可以构成一个热电偶传感器。为了进一步提高传感器的灵敏度，可以将多个金属/石墨烯热电偶对串联起来，形成热电堆。热电偶的支撑层用刻蚀的方式减薄，降低其传热能力，进一步提高器件的灵敏度。

下面参考图2至图8来具体阐述根据本发明实施例的热电偶的形成方法。

本发明提出的一种热电偶形成方法，包括以下步骤：

步骤S1，提供衬底100。

具体地，如图2所示，提供衬底100。衬底100可采用单面抛光的高阻Si衬底，晶向<100>。

步骤S2，在衬底100之上形成介质层200。

具体地，如图3所示，对衬底100的上表面进行热氧化处理使Si转变为SiO₂，或者对衬底100的上表面沉积Si₃N₄，作为介质层200，用于电气隔离，防止测试电极短路。一般地，该介质层200厚度为0.7-1μm。

步骤S3，在介质层200之上形成金属层300。

具体地，可通过溅射等方式在介质层200上形成金属层（例如：Bi）材料，厚度约0.7μm。

步骤S4，对金属层300进行光刻和刻蚀，以形成第一压焊块301和第二压焊块302以及热偶金属条310，其中第二压焊块302与热偶金属条310相连。

需要说明的是，当压焊块与热偶金属条为同一种金属时，可以通过步骤S3和步骤S4的一次溅射金属然后加工完成。若压焊块与热偶金属条为不同金属时，也可通过两次溅射不同金属材料，先形成压焊块后形成热偶金属条来完成。

步骤S5，在介质层200之上形成碳基薄膜400，该碳基薄膜400的一端与第一压焊块301接触，另一端与热偶金属条310接触。其中，碳基薄膜400可为单层石墨烯、双层石墨烯、多层石墨烯等等。

具体地，在一个优选实施例中，通过Cu衬底上CVD后化学湿法转移，或者Pt衬底上CVD后电化学法转移方法，在介质层200之上形成碳基薄膜400。该过程中，碳基薄膜可以利用气压平整紧密地贴合在介质层上，与旋涂并烧结形成薄膜相比，所得的薄膜质量更好。

步骤S6，在第一压焊块301形成第一金属接触501，并在第二压焊块302之上形成第二金属接触502。

具体地，可以通过蒸发、溅射等工艺在碳基薄膜400两侧上方形成几十纳米（通常取经验值40nm）厚度的金属材料及金属材料的组合，以形成第一金属接触501和第二金属接触502。位于上方的金属接触、位于中间的碳基薄膜或热偶金属条以及位于下方的压焊块组成两面夹形式的热偶电极，可通过测两个热偶电极之间的电动势来测量温度。

在本发明的一个优选实施例中，还包括步骤S7，对衬底100的背面进行减薄处理，以使降低衬底传热能力，进一步提高器件的灵敏度。需要说明的是，减薄处理并非必须的，并且该步骤也可以提前至步骤S1之后、步骤S2之前进行。

本发明的还提出了一种热电偶，如图9所示，包括：衬底100；形成在衬底100之上的介质层200；形成在介质层200之上的第一压焊块301和第二压焊块302；形成在介质层200之上的碳基薄膜400和热偶金属条310，其中，碳基薄膜400的一端与第一压焊块301相连，另一端与热偶金属条310相连，热偶金属条301的另一端与第二压焊块302相连；以及形成在第一压焊块301之上的第一金属接触501和形成在第二压焊块302之上的第二金属接触502。

在本发明的一个实施例中，衬底100为Si，介质层200为通过热氧化形成的SiO₂或通过沉积形成的Si₃N₄。

在本发明的一个实施例中，碳基薄膜400包括单层石墨烯、双层石墨烯或多层石墨烯。

在本发明的一个实施例中，通过Cu衬底上CVD后化学湿法转移，或者Pt衬底上CVD后电化学法转移以形成碳基薄膜400。

在本发明的一个实施例中，热偶金属条310为Bi。

在本发明的一个实施例中，衬底100的背面经过减薄处理。

优选地，如图10所示，还可以将若干组碳基薄膜-热偶金属条串联形成测温装置，以获得更明显的检测信号。以及，还可以设置两组及以上热电偶，以便一次测得两组及更多数据求其平均值，获得更精确的测温结果。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。

Claims

1.一种热电偶的形成方法，其特征在于，包括以下步骤：

提供衬底；

在所述衬底之上形成介质层；

在所述介质层之上形成金属层；

对所述金属层进行光刻及刻蚀处理，以形成第一压焊块、第二压焊块和热偶金属条，其中所述第二压焊块与所述热偶金属条相连；

在所述介质层之上形成碳基薄膜，其中，所述碳基薄膜的一端与所述第一压焊块接触，另一端与所述热偶金属条接触；以及

在所述第一压焊块形成第一金属接触，并在所述第二压焊块之上形成第二金属接触。

2.如权利要求1所述的热电偶的形成方法，其特征在于，所述衬底为Si，所述介质层为通过热氧化形成的SiO₂或通过沉积形成的Si₃N₄。

3.如权利要求1所述的热电偶的形成方法，其特征在于，所述碳基薄膜包括单层石墨烯、双层石墨烯或多层石墨烯。

4.如权利要求1所述的热电偶的形成方法，其特征在于，通过Cu衬底上CVD后化学湿法转移，或者Pt衬底上CVD后电化学法转移以形成所述碳基薄膜。

5.如权利要求1所述的热电偶的形成方法，其特征在于，所述热偶金属条为Bi。

6.如权利要求1所述的热电偶的形成方法，其特征在于，所述衬底的背面经过减薄处理。

7.一种热电偶，其特征在于，包括以下部分：

衬底；

形成在所述衬底之上的介质层；

形成在所述介质层之上的第一压焊块和第二压焊块；

形成在所述介质层之上的碳基薄膜和热偶金属条，其中，所述碳基薄膜的一端与所述第一压焊块相连，另一端与所述热偶金属条相连，所述热偶金属条的另一端与所述第二压焊块相连；以及

形成在所述第一压焊块之上的第一金属接触和形成在所述第二压焊块之上的第二金属接触。

8.如权利要求7所述的热电偶，其特征在于，所述衬底为Si，所述介质层为通过热氧化形成的SiO₂或通过沉积形成的Si₃N₄。

9.如权利要求7所述的热电偶，其特征在于，所述碳基薄膜包括单层石墨烯、双层石墨烯或多层石墨烯。

10.如权利要求7所述的热电偶，其特征在于，所述碳基薄膜通过Cu衬底上CVD后化学湿法转移，或者Pt衬底上CVD后电化学法转移形成。

11.如权利要求7所述的热电偶，其特征在于，所述热偶金属条为Bi。

12.如权利要求7所述的热电偶，其特征在于，所述衬底的背面经过减薄处理。