CN104891425A - 基于石墨烯的流量传感器芯片及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于石墨烯的流量传感器芯片及其制备方法，其中芯片包括衬底、隔离层、石墨烯电阻和金属电极，隔离层设置在衬底上表面，石墨烯电阻位于隔离层上，石墨烯电阻两端设有金属电极；衬底下表面部分设有空腔结构。本发明基于石墨烯的热膜式流量传感器通过测量气体流过石墨烯电阻表面后石墨烯电阻阻值的变化来测量气体流量，具有体积小，结构简单，功耗低等优点，克服了现有MEMS流量传感器结构复杂，制造工艺繁琐，成本高和功耗大的问题。

Description

基于石墨烯的流量传感器芯片及其制备方法

技术领域

本发明涉及MEMS器件领域，涉及一种基于石墨烯的流量传感器及其制备方法。

背景技术

MEMS气体流量传感器是随着MEMS制造技术的不断发展而出现的。现有的MEMS气体流量传感器主要是基于硅衬底的MEMS流量传感器，通过在硅衬底上沉积金属薄膜并进行薄膜图形化制造金属电阻，金属电极和衬底之间有隔离层隔开，金属电阻的阻值随温度变化，当气体流过金属电阻表面后，金属电阻的温度发生变化导致其阻值变化，通过检测金属电阻的阻值变化来测量气体流量的大小。为了提高MEMS气体流量传感器的灵敏度并降低功耗，往往将金属电极下方的衬底材料腐蚀掉而形成空腔，空腔结构可以有效降低金属电阻和衬底的热交换，进而提高传感器的灵敏度并降低功耗。基于硅衬底的MEMS气体流量传感器的制造涉及到光刻工艺，金属薄膜沉积工艺，化学气象沉积工艺，刻蚀工艺等，其加工工艺比较复杂，金属电阻常采用铂等贵金属，成本高。MEMS气体流量传感器的一个发展趋势是低功耗，目前MEMS气体流量传感器芯片的功耗一般都在几十毫瓦左右，功耗过大难以和其他微型传感器芯片兼容。

发明内容

针对现有MEMS气体流量传感器的缺陷，本发明提供了一种基于石墨烯的流量传感器芯片及其制备方法，其目的在于，解决现有MEMS气体流量传感器结构和制造工艺复杂、成本高和功耗大的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

提供一种基于石墨烯的流量传感器芯片，包括衬底、隔离层、石墨烯电阻和金属电极，隔离层设置在衬底上表面，石墨烯电阻位于隔离层上，石墨烯电阻两端设有金属电极；衬底下表面部分设有空腔结构。

本发明所述的流量传感器芯片中，金属电极包含粘附层和金属层。

本发明所述的流量传感器芯片中，石墨烯电阻为条形弯曲结构。

本发明所述的流量传感器芯片中，衬底上的空腔结构通过从衬底上无隔离层的表面刻蚀衬底材料形成。

本发明所述的流量传感器芯片中，衬底的材料为硅或者玻璃。

本发明所述的流量传感器芯片中，隔离层的材料为二氧化硅或者氮化硅。

本发明所述的流量传感器芯片中，金属电极的粘附层的材料为钛、镍或者铬，金属电极的金属层的材料为金或者铝。

本发明所述的流量传感器芯片中，隔离层为由一层或者多层氮化硅或者二氧化硅构成的薄膜。

本发明所述的流量传感器芯片中，位于石墨烯电阻下方与隔离层接触的衬底材料被完全刻蚀形成空腔，或者只刻蚀剩下一层薄衬底。

本发明所述的流量传感器芯片中，隔离层厚度为50nm～100μm；粘附层厚度为20～50nm，金属层材料厚度为200～20μm。

本发明还提供一种基于石墨烯的流量传感器芯片的制备方法，包括以下步骤：

(1)通过刻蚀在衬底的一面形成空腔结构；

(2)在衬底没有刻蚀空腔结构的另一表面沉积隔离层；

(3)将石墨烯薄膜转移到隔离层表面，通过刻蚀或者剥离工艺将石墨烯薄膜图形化形成石墨烯电阻；

(4)在石墨烯电阻表面通过溅射或者热蒸发沉积金属层，利用刻蚀或者剥离工艺制作出金属电极。

本发明产生的有益效果是：本发明所提供的基于石墨烯的流量传感器芯片只有一个测量电阻，结构更简单，制作流程更加简单，成本更低，其测量气体流速电阻采用高导电率材料石墨烯，相比铂等贵金属具有更小的体积和更低的功耗。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明所提供的基于石墨烯的流量传感器芯片截面图；

图2是本发明所提供的基于石墨烯的流量传感器芯片石墨烯电阻和金属电极示意图；

图3-1是本发明所提供的基于石墨烯的流量传感器芯片衬底示意图；

图3-2是本发明所提供的基于石墨烯的流量传感器芯片衬底刻蚀空腔示意图；

图3-3是本发明所提供的基于石墨烯的流量传感器芯片在刻蚀空腔后的衬底上沉积隔离层示意图；

图3-4是本发明所提供的基于石墨烯的流量传感器芯片在隔离层上制作的石墨烯电阻示意图；

图4是本发明所提供的基于石墨烯的流量传感器芯片石墨烯电阻和隔离层下方衬底材料被全部刻蚀的芯片示意图；

图5是本发明所提供的基于石墨烯的流量传感器芯片由多层二氧化硅或者氮化硅薄膜组成隔离层的芯片示意图；

图6是本发明所提供的基于石墨烯的流量传感器芯片以玻璃为衬底，无隔离层结构的芯片示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例的基于石墨烯的流量传感器芯片，如图1所示，包括衬底1、隔离层2、石墨烯电阻3和金属电极4，隔离层2设置在衬底1的上表面，石墨烯电阻3位于隔离层2上，石墨烯电阻3两端设有金属电极4；衬底1下表面部分设有空腔结构5。金属电极4用于芯片和外部之间的电连接。

本发明所提供的基于石墨烯的流量传感器芯片工作原理为：通过在金属电极4两端施加一个恒定的电压或者电流，石墨烯电阻3被通电加热，当气体流过石墨烯电阻3表面时，石墨烯电阻3被气体冷却，其温度会发生变化，其电阻随温度变化，则在金属电极4施加恒定电压或电流时，金属电极4两端的电流或者电压信号会发生变化，气体的流量大小和电信号的变化幅度呈正相关关系，通过检测电信号的变化即可测量气体的流量。

本发明所提供的基于石墨烯的流量传感器芯片工作时气体会流过石墨烯电阻表面，由于石墨烯薄膜仅仅只有不到十层的碳原子薄膜构成，其结构比较脆弱，容易在加工时(半导体工艺中的清洗，吹干，刻蚀等工艺)发生薄膜破裂，因此为了确保传感器芯片制作工艺的可行性，空腔结构5从衬底上没有石墨烯电阻的表面制作，用刻蚀工艺实现。空腔结构5可以进一步降低石墨烯电阻3向衬底1传递的热量，降低传感器芯片的热损失，进而降低传感器芯片的功耗。衬底上的空腔结构可以通过将石墨烯电阻和隔离层下方衬底材料全部腐蚀掉或者也可以只留下极薄的衬底材料未腐蚀形成，隔离层或者隔离层和未腐蚀完的衬底材料为石墨烯电阻3提供支撑。

上述实施例的基于石墨烯的流量传感器芯片的制备方法，包括以下步骤：

(1)通过刻蚀在衬底的一面形成空腔结构；

(2)在衬底没有刻蚀空腔结构的另一表面沉积隔离层；

(3)将石墨烯薄膜转移到隔离层表面，通过刻蚀或者剥离工艺将石墨烯薄膜图形化形成石墨烯电阻；

(4)在石墨烯电阻表面通过溅射或者热蒸发沉积金属层，利用刻蚀或者剥离工艺制作出金属电极。

位于石墨烯电阻3下方与隔离层2接触的衬底材料被完全刻蚀形成空腔，或者只刻蚀剩下一层薄衬底。衬底材料可为硅或者玻璃，衬底上的空腔结构通过半导体工艺中的刻蚀工艺实现。

石墨烯电阻3的材料为石墨烯，因为之前用于流量传感器温度电阻的材料主要有两种，一种是金属，比如铂、金、镍等，另外一种是掺杂的多晶硅电阻，掺杂的多晶硅相比金属电阻率太大导电性较差，而且电阻阻值加工出来的一致性较差，所以现有的市面上的产品基本上都是采用金属作为流量传感器的电阻。金属电阻电阻率较小，但是材料成本和电阻制作加工成本过高，石墨烯作为一种新型材料相比二者具有更高的导电性能，同时石墨烯薄膜的电阻随着温度升高而减小，可以制作更小的电阻，降低芯片的功耗和体积，而且石墨烯电阻相比金属电阻在成本上也具有优势。由石墨烯薄膜加工制作而成，将石墨烯利用剥离或者刻蚀工艺图形化形成石墨烯电阻。

隔离层2的主要作用一方面是用来绝缘，防止石墨烯电极和衬底之间发生漏电，另一方面是用来作为隔热层，降低石墨烯电阻和衬底之间的热交换，提高传感器芯片的工作性能，减小芯片热损耗提高效率，隔离层材料为二氧化硅或者氮化硅等常用的半导体绝缘材料，其厚度为50nm～100μm，可以由一层或者多层绝缘层材料构成，隔离层材料通过LPCVD(低压化学气相沉积)或者PECVD(等离子增强化学气相沉积)制作。

本发明的一个实施例中，金属电极4包含粘附层和金属层。金属电极的制作工艺为金属镀膜工艺，主要包括溅射、热蒸发和原子层沉积等。金属电极粘附层材料为钛(Ti)、镍(Ni)或者铬(Cr)等作为粘附层，金属层材料为金(Au)或者铝(Al)等可用来制作电极的金属材料；粘附层厚度为20～50nm，金属层材料厚度为200～20μm。

如图3所示，石墨烯电阻3为条形弯曲结构。本发明的一个实施例中，衬底上的空腔结构5可通过从衬底上无隔离层的表面刻蚀衬底材料形成。衬底的材料为硅或者玻璃。隔离层2的材料为二氧化硅或者氮化硅。

实施方式1：如图1所示，本发明所提供的基于石墨烯的流量传感器芯片包括衬底1，隔离层2，石墨烯电阻3和金属电极4，隔离层2处于衬底1的表面，衬底1没有隔离层的另一面为空腔结构，石墨烯电极3位于隔离层2之上，金属电极4位于石墨烯电极3的两端。

衬底1材料为硅，隔离层2材料为二氧化硅，隔离层厚度为5μm，石墨烯电极3为弯曲的石墨烯薄膜，金属电极以钛(Ti)作为粘附层在表面沉积金(Au)形成的金属构成，钛(Ti)厚度为30nm，金(Au)厚度为500nm。

该实施方式的石墨烯气体流量传感器的制备方法包括如下步骤：

(1)、取一硅片作为衬底1，通过刻蚀在衬底1一面形成空腔，空腔没有穿透整个硅片，如图3-1和3-2所示；

(2)、在衬底1没有刻蚀空腔的另一表面通过LPCVD(低压化学气相沉积)或者PECVD(等离子增强化学气相沉积)沉积一层5μm厚的二氧化硅作为隔离层2，如图3-3所示；

(3)、将石墨烯薄膜转移到隔离层2表面，通过刻蚀或者剥离工艺将石墨烯薄膜图形化形成弯曲结构以完成石墨烯电阻3制作，如图3-4所示；

(4)、在石墨烯电阻3表面通过溅射或者热蒸发沉积一层30nm的钛(Ti)粘附层，然后再在钛(Ti)表面沉积一层500nm的金(Au)，利用刻蚀或者剥离工艺制作出金属电极4。

实施方式2：如图4所示，本发明所提供的基于石墨烯的流量传感器芯片包括衬底1，隔离层2，石墨烯电阻3和金属电极4，隔离层2处于衬底1的表面，衬底1没有隔离层的另一面为空腔结构，石墨烯电极3位于隔离层2之上，金属电极4位于石墨烯电极3的两端。

衬底1材料为硅，隔离层2材料为二氧化硅，二氧化硅厚度为3μm，石墨烯电极3为弯曲的石墨烯薄膜，金属电极以镍(Ni)作为粘附层在表面沉积金(Au)形成的金属构成，镍(Ni)厚度为20nm，金(Au)厚度为200nm。

该实施方式的石墨烯气体流量传感器的制备方法包括如下步骤：

(1)、在衬底1一表面通过LPCVD(低压化学气相沉积)或者PECVD(等离子增强化学气相沉积)沉积一层3μm厚的二氧化硅，完成隔离层2的制作；

(2)、在衬底1无二氧化硅表面刻腐空腔，将隔离层下方的硅全部刻蚀掉；

(3)、将石墨烯薄膜转移到隔离层2表面，通过刻蚀或者剥离工艺将石墨烯薄膜图形化形成弯曲结构以完成石墨烯电阻3制作；

(4)、在石墨烯电阻3表面通过溅射或者热蒸发沉积一层20nm的镍(Ni)粘附层，然后再在镍(Ni)表面沉积一层200nm的金(Au)，利用刻蚀或者剥离工艺制作出金属电极4。

实施方式3：如图5所示，本发明所提供的基于石墨烯的流量传感器芯片包括衬底1，隔离层2，石墨烯电阻3和金属电极4，隔离层2处于衬底1的表面，衬底1没有隔离层的另一面为空腔结构，石墨烯电极3位于隔离层2之上，金属电极4位于石墨烯电极3的两端。

衬底1材料为硅，隔离层2材料为二氧化硅和氮化硅两层结构，二氧化硅厚度为3μm，氮化硅厚度为3微米，石墨烯电极3为弯曲的石墨烯薄膜，金属电极以镍(Ni)作为粘附层在表面沉积金(Au)形成的金属构成，镍(Ni)厚度为20nm，金(Au)厚度为200nm。

该实施方式的石墨烯气体流量传感器的制备方法包括如下步骤：

(1)、取一硅片作为衬底1，通过刻蚀在衬底1一面形成空腔；

(2)、在衬底1没有刻蚀空腔的另一表面通过LPCVD(低压化学气相沉积)或者PECVD(等离子增强化学气相沉积)沉积一层3μm厚的氮化硅，再在氮化硅表面沉积一层3μm二氧化硅，完成隔离层2的制作；

(3)、将石墨烯薄膜转移到隔离层2表面，通过刻蚀或者剥离工艺将石墨烯薄膜图形化形成弯曲结构以完成石墨烯电阻3制作；

(4)、在石墨烯电阻3表面通过溅射或者热蒸发沉积一层20nm的镍(Ni)粘附层，然后再在镍(Ni)表面沉积一层200nm的金(Au)，利用刻蚀或者剥离工艺制作出金属电极4。

实施方式4：如图1所示，本发明所提供的基于石墨烯的流量传感器芯片包括衬底1，隔离层2，石墨烯电阻3和金属电极4，隔离层2处于衬底1的表面，衬底1没有隔离层的另一面为空腔结构，石墨烯电极3位于隔离层2之上，金属电极4位于石墨烯电极3的两端。

衬底1材料为玻璃，隔离层2材料为氮化硅，氮化硅厚度为2μm，石墨烯电极3为弯曲的石墨烯薄膜，金属电极以镍(Ni)作为粘附层在表面沉积金(Au)形成的金属构成，镍(Ni)厚度为20nm，金(Au)厚度为200nm。

该实施方式的石墨烯气体流量传感器的制备方法包括如下步骤：

(1)、取一玻璃片作为衬底1，通过刻蚀在衬底1一面形成空腔，空腔未穿透整个玻璃片；

(2)、在衬底1没有刻蚀空腔的另一表面通过LPCVD(低压化学气相沉积)或者PECVD(等离子增强化学气相沉积)沉积一层2μm厚的氮化硅，完成隔离层2的制作；

(3)、将石墨烯薄膜转移到隔离层2表面，通过刻蚀或者剥离工艺将石墨烯薄膜图形化形成弯曲结构以完成石墨烯电阻3制作；

(4)、在石墨烯电阻3表面通过溅射或者热蒸发沉积一层20nm的镍(Ni)粘附层，然后再在镍(Ni)表面沉积一层200nm的金(Au)，利用刻蚀或者剥离工艺制作出金属电极4。

实施方式5：如图6所示，本发明所提供的基于石墨烯的流量传感器芯片包括衬底1，石墨烯电阻3和金属电极4，衬底1的一面具有空腔，石墨烯电极3位于衬底1没有空腔的面之上，金属电极4位于石墨烯电极3的两端。

衬底1材料为玻璃，石墨烯电极3为弯曲的石墨烯薄膜，金属电极以镍(Ni)作为粘附层在表面沉积金(Au)形成的金属构成，镍(Ni)厚度为20nm，金(Au)厚度为200nm。

该实施方式的石墨烯气体流量传感器的制备方法包括如下步骤：

(1)、取一玻璃片作为衬底1，通过刻蚀在衬底1一面形成空腔，石墨烯电阻下方玻璃未被完全腐蚀以提供支撑；

(2)、将石墨烯薄膜转移到衬底1没有刻蚀空腔表面上，通过刻蚀或者剥离工艺将石墨烯薄膜图形化形成弯曲结构以完成石墨烯电阻3制作；

(3)、在石墨烯电阻3表面通过溅射或者热蒸发沉积一层20nm的镍(Ni)粘附层，然后再在镍(Ni)表面沉积一层200nm的金(Au)，利用刻蚀或者剥离工艺制作出金属电极4。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于石墨烯的流量传感器芯片，其特征在于，包括衬底、隔离层、石墨烯电阻和金属电极，隔离层设置在衬底上表面，石墨烯电阻位于隔离层上，石墨烯电阻两端设有金属电极；衬底下表面部分设有空腔结构。

2.根据权利要求1所述的流量传感器芯片，其特征在于，金属电极包含粘附层和金属层。

3.根据权利要求1所述的流量传感器芯片，其特征在于，石墨烯电阻为条形弯曲结构。

4.根据权利要求1所述的流量传感器芯片，其特征在于，衬底上的空腔结构通过从衬底上无隔离层的表面刻蚀衬底材料形成。

5.根据权利要求1所述的流量传感器芯片，其特征在于，衬底的材料为硅或者玻璃。

6.根据权利要求1所述的流量传感器芯片，其特征在于，隔离层的材料为二氧化硅或者氮化硅。

7.根据权利要求2所述的流量传感器芯片，其特征在于，金属电极的粘附层的材料为钛、镍或者铬，金属电极的金属层的材料为金或者铝。

8.根据权利要求1所述的流量传感器芯片，其特征在于，隔离层为由一层或者多层氮化硅或者二氧化硅构成的薄膜。

9.根据权利要求1和2所述的流量传感器芯片，其特征在于，位于石墨烯电阻下方与隔离层接触的衬底材料被完全刻蚀形成空腔，或者只刻蚀剩下一层薄衬底。

10.一种基于石墨烯的流量传感器芯片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

通过刻蚀在衬底的一面形成空腔结构；

在衬底没有刻蚀空腔结构的另一表面沉积隔离层；

将石墨烯薄膜转移到隔离层表面，通过刻蚀或者剥离工艺将石墨烯薄膜图形化形成石墨烯电阻；

在石墨烯电阻表面通过溅射或者热蒸发沉积金属层，利用刻蚀或者剥离工艺制作出金属电极。