CN106197731B - 一种电感式温度传感器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种电感式温度传感器，所述电感式温度传感器为三明治结构，包括：底层衬底、上层盖片和设置于底层衬底和上层盖片之间的检测电感；所述检测电感包括电感模具，电感模具为中通的螺旋形凹槽结构，螺旋形凹槽内注有作为液态电感的液态金属合金；螺旋形凹槽内、液态金属合金的上表面设有一层氧化物保形层；氧化物保形层的高度低于螺旋形凹槽上表面的高度。当温度发生变化时，电感模具的形状会由于热胀冷缩而发生变化，进而引起液态金属合金的形貌发生变化即引起电感值发生变化，从而实现温度测量功能。本发明提出的电感式温度传感器结构简单、制作成本低、灵敏度高且响应较快。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于微电子机械系统工艺的温度传感器，尤其是一种电感式温度传感器及其制作方法。
背景技术
温度传感器是最早开发，应用广泛的一类传感器。温度传感器的种类繁多，其中多种传统温度传感器难与MEMS工艺兼容。MEMS温度传感器与传统传感器相比，具有体积小、重量轻的特点。应用于MEMS领域的传感器主要有电阻式温度传感器和电容式温度传感器，电阻式温度传感器的自加热效应常会影响其测量精度，而MEMS电容式温度传感器具有灵敏度高、动态响应时间短、热损耗极小等特点，但现存的较常见的电容式温度传感器是基于双金属效应的双层悬臂梁结构的电容式温度传感器，这种温度传感器输出电容与温度之间的非线性比较大，且加工工艺比较复杂，不但需要表面释放工艺，更需要硅与玻璃的键合工艺，传感器的成本较高。而电感式的温度传感器至今没有相关研究。
发明内容
发明目的：为解决上述技术问题，提供一种针对MEMS领域的、灵敏度高、响应较快且结构简单的电感式温度传感器，本发明提出一种电感式温度传感器及其制作方法。
技术方案：本发明提出的技术方案为：
一种电感式温度传感器，所述电感式温度传感器为三明治结构，包括：底层衬底1、上层盖片5和设置于底层衬底1和上层盖片5之间的检测电感；所述检测电感包括电感模具3，电感模具3上设有螺旋形凹槽，螺旋形凹槽内注有作为液态电感的液态金属合金2；螺旋形凹槽内、液态金属合金2的上表面设有一层氧化物保形层4；氧化物保形层4的高度低于螺旋形凹槽上表面的高度。将液态金属合金2注入到电感模具3中形成螺旋电感。液态金属合金2采用低黏度的液态合金，在室温下将液态金属合金2灌入到柔性电感模具中并在液态金属合金2上表面形成一层氧化物保形层4，液态金属合金2有着较高的表面性能，氧化物保形层4的存在可以保证电感模具3中的液态金属合金2的机械性能稳定。
本发明的特点是,无需机械研磨和刻蚀加工，仅通过柔性光刻技术以及快速成型的方法即可实现电感的加工。其工作原理为：当温度发生变化时，电感模具3的形状会由于热胀冷缩而发生变化，进而引起液态金属合金的形貌发生变化即引起电感值发生变化，从而实现温度测量功能。
进一步的，所述液态金属合金2为共融镓铟合金。
进一步的，所述底层衬底1、上层盖片5和电感模具3均由材料PDMS制成。PDMS(聚二甲基硅氧烷)是一种高分子有机硅化合物，具有光学透明，因其成本低，使用简单，同硅片之间具有良好的粘附性，而且具有良好的化学惰性等特点，广泛应用于生物MEMS微流控等领域。
进一步的，所述底层衬底1、上层盖片5和电感模具3均可由材料N-异丙基丙烯酰胺制成。
本发明还提出一种电感式温度传感器的制作方法，该方法包括以下步骤：
(1)首先，制作底层衬底1、上层盖片5和电感模具3的阳模；
(2)将PDMS树脂和固化剂按体积比10：1的剂量配比，充分搅拌，真空抽气取出所有气泡，并浇注到成型的阳模上，再次去除气泡后，置于75℃烘箱中2h以上进行固化；
(3)固化后将整片PDMS揭下，得到三张膜片；将其中一片按需要的形状光刻出螺旋形凹槽，使用空心针钻孔作为流体进出口，用氮气吹掉残余细屑，即制备出电感模具3；
(4)将电感模具3与另一片作为底层衬底1的PDMS膜片对准贴合，置于80℃烘箱中加热，实现底层衬底1与电感模具3底部密封；
(5)在电感模具3上的螺旋形凹槽中注入液态金属合金2，并在液态金属合金2上表面生成氧化物保形层4，氧化物保形层4的厚度为50nm～1μm；
(6)最后，将做为上层盖片5的膜片与电感模具3上表面进行对准贴合，实现密封。
衬底1、上层盖片5和电感模具3的制作还可以采用各向异性变形的膜材料如N-异丙基丙烯酰胺，这样形变的可控性更高。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优势：
1、结构简单，制作难度较低；
2、制作材料成本低、制作工艺简单、且成品敏感量大。
附图说明
图1为本发明实施例的结构图；
图2为本发明实施例中的检测电感的俯视图；
图中：1、底层衬底，2、液态金属合金，3、电感模具，4、氧化物保形层，5、上层盖片。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1所示为本发明实施例的结构图，包括：底层衬底1、上层盖片5和设置于底层衬底1和上层盖片5之间的检测电感；所述检测电感包括电感模具3，电感模具3上设有螺旋形凹槽，螺旋形凹槽内注有作为液态电感的液态金属合金2；螺旋形凹槽内、液态金属合金2的上表面设有一层氧化物保形层4；氧化物保形层4的高度低于螺旋形凹槽上表面的高度。底层衬底1位于检测电感的底部，起基座作用，氧化物保形层4的作用是保证液态金属合金电感的机械稳定性。
在本实施例中，底层衬底选用PDMS衬底，液态金属合金2为液态共融镓铟合金(EGaIn)，电感模具3为PDMS，氧化物保形层4为金属氧化物，上层盖片5为PDMS。
本实施例所述电感式温度传感器的制作过程如下：首先，制作SU-8阳模，将PDMS树脂和固化剂按体积比10：1的剂量配比，充分搅拌，真空抽气取出所有气泡，并浇注到成型的阳模上，再次去除气泡后，置于75℃烘箱中2h以上进行固化。固化后将整片PDMS膜片揭下，按需要的形状光刻出螺旋形凹槽作为微通道，使用空心针钻孔作为流体进出口，氮气吹掉残余细屑，即制备出PDMS电感模具3；其次，将电感模具3与另一片PDMS基片对准贴合，置于80℃烘箱中1h，实现电感模具3与衬底基板的密封；再次注入液态金属合金2材料，并在液态金属合金2上表面生成氧化物保形层4；最后将作为上层盖片5的膜片与电感模具3上表面进行对准贴合，实现密封。
在本实施例中，电感由液态金属合金2注入到微通道中形成，仅需要通过软光刻以及快速成形的方法，流体电感的制作比传统的微电感制作简单，液态金属合金2采用共融镓铟合金(EGaIn)，在室温时是低粘度的液体，在注入微通道后其上表面形成氧化物保形层4使得液态金属合金2在弹性通道内保持机械稳定性。因为是液体导电，机械特性和电感的形状由弹性通道所决定，通道的材料是PDMS。PDMS材料随温度变化而会发生形变，进而引起液态电感的形貌发生变化，从而可以改变其电感值。由于PDMS电感磨具可以忍受可逆的机械形变，因此可以反复测量温度的变化值。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种电感式温度传感器，其特征在于，所述电感式温度传感器为三明治结构，包括：底层衬底(1)、上层盖片(5)和设置于底层衬底(1)和上层盖片(5)之间的检测电感；所述检测电感包括设有螺旋形凹槽的电感模具(3)，螺旋形凹槽内注有作为液态电感的液态金属合金(2)；螺旋形凹槽内、液态金属合金(2)的上表面设有一层氧化物保形层(4)；氧化物保形层(4)的高度低于螺旋形凹槽上表面的高度。
2.根据权利要求1所述的一种电感式温度传感器，其特征在于，所述液态金属合金(2)为共融镓铟合金。
3.根据权利要求1所述的一种电感式温度传感器，其特征在于，所述底层衬底(1)、上层盖片(5)和电感模具(3)均由材料PDMS制成。
4.根据权利要求1所述的一种电感式温度传感器，其特征在于，所述底层衬底(1)、上层盖片(5)和电感模具(3)均由材料N-异丙基丙烯酰胺制成。
5.根据权利要求1所述的一种电感式温度传感器，其特征在于，氧化物保形层(4)为金属氧化物层。
6.一种电感式温度传感器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)首先，制作底层衬底(1)、上层盖片(5)和电感模具(3)的阳模；
(2)将PDMS树脂和固化剂按体积比10：1的剂量配比，充分搅拌，真空抽气取出所有气泡，并浇注到成型的阳模上，再次去除气泡后，置于75℃烘箱中2h以上进行固化；
(3)固化后将整片PDMS揭下，分割为三张膜片；在其中一片膜片上按需要的形状光刻出螺旋形凹槽，使用空心针钻孔作为流体进出口，用氮气吹掉残余细屑，即制备出电感模具(3)；
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Address after: 210093 Nanjing University Science Park, 22 Hankou Road, Gulou District, Nanjing City, Jiangsu Province Patentee after: SOUTHEAST University Address before: 211189 No. 2 Southeast University Road, Jiangning District, Nanjing, Jiangsu Patentee before: Southeast University |
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| CP02 | Change in the address of a patent holder | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20180223 |