CN106959169B - 一种新型多功能传感器芯片及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种新型多功能传感器芯片及其制备方法，包括硅基衬底，以及设于硅基衬底上的氧化硅绝缘层、温度传感器、C4D电导率传感器、BST薄膜保护层，其中：氧化硅绝缘层覆盖在硅基衬底上方，C4D电导率传感器的四个敏感电极被氧化硅绝缘层包围，温度传感器置于氧化硅绝缘层上方，BST薄膜保护层覆盖在温度传感器、C4D电导率传感器上表面并露出引线电极；当所述芯片置于被测溶液中时，由C4D测量原理，C4D电导率传感器输出被测溶液的阻抗图，将其与标准的阻抗谱比对后即得到相应电导率值；同时，温度传感器输出相应温度。本发明同时实现温度与电导率测量，具有结构简单、体积小、成本低、耐腐蚀、响应速度快、测量范围大、测量精度高的特点。

Description

一种新型多功能传感器芯片及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种微机电技术领域的多功能传感器芯片，具体地说，是涉及一种新型多功能传感器芯片及其制备方法。
背景技术
生物化学和生物技术过程受很多物理参数的影响，如温度、压力及电解液的电导率等。因此，为了保证工艺过程的稳定性和可靠性，必须监控这些参数。以溶液电导率的测量为例，电导率测量是分析化学，工业过程，食品分析和水质量控制中常用的手段，也用于药物、血液和尿素分析。通常电导率的测量用接近理想极化的惰性电极，如Pt或者Au，电极与电解液直接接触，由于电解作用和氧化还原反应常会产生气泡，以及电极的污染。因此电解质电导率传感器的寿命短。若电极上加一层保护层，与电解质溶液之间绝缘，不直接接触，则可以避免产生气泡和电极老化。但是这层保护层会引入额外的电容，增加了电极阻抗，与接触型电导率检测方法相比，灵敏度降低了。保护层的电容比没有电极保护层的双层电容要低很多，需要更高的测量频率才能保证灵敏度。为了克服这个问题，提高灵敏度，科学家们提出了各种方法，例如，增加检测面积，减小杂散电容，用高介电常数薄膜，如Ta2O5,SiC作为电极保护材料。钙钛矿结构材料(BST)由于其多功能及高介电常数，将是这种电容耦合型不接触电导率检测(C4D)电极的理想保护材料。
此外，由于对多物理参数测量的需求日益强烈，多功能传感器的研发与制备也愈受关注。目前多功能传感器要么涉及到的材料多，制造工艺复杂，要么传感原理单一，如基于ISFET结构的pH值、流速、温度传感器，各测量参数间互相干扰。因此，迫切需要开发一种新型多功能传感器，可以检测生物-化学以及物理参数，如电导率、温度甚至更多参数，而且集成的材料尽可能少，工艺尽可能简单，以简化工艺、降低成本。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足之处，提出一种新型多功能传感器芯片及其制备方法，其能够同时实现对温度与电导率的测量，具有结构简单，体积小，成本低，耐腐蚀，响应速度快，测量范围大，测量精度高等优点。
本发明是通过以下技术方案实现的：
根据本发明的一个方面，提供一种新型多功能传感器芯片，包括：硅基衬底、氧化硅绝缘层、电阻型温度传感器、电容耦合型不接触(C4D)电导率传感器、BST薄膜保护层，其中：
所述氧化硅绝缘层、所述电阻型温度传感器、所述电容耦合型不接触(C4D)电导率传感器、所述BST薄膜保护层均设在所述硅基衬底上；所述氧化硅绝缘层覆盖在所述硅基衬底的上方；所述电容耦合型不接触(C4D)电导率传感器由四个敏感电极构成，四个敏感电极被所述氧化硅绝缘层包围；所述电阻型温度传感器置于所述氧化硅绝缘层的上方；所述BST薄膜保护层覆盖在所述电阻型温度传感器、所述电容耦合型不接触(C4D)电导率传感器的上表面，同时露出电阻型温度传感器和电容耦合型不接触电导率传感器的引线电极；
当所述的多功能传感器芯片置于被测溶液中时，由C4D测量原理，所述电容耦合型不接触(C4D)电导率传感器输出被测溶液的阻抗图，将其与标准的阻抗谱比对后即得到相应的电导率值；同时，所述电阻型温度传感器输出相应的温度。
优选地，所述的氧化硅绝缘层为采用热氧化工艺形成的二氧化硅薄膜，热氧化工艺形成的二氧化硅具有良好的绝缘性、稳定的介电性能、较高的抗腐蚀性能。
优选地，所述的电阻型温度传感器采用磁控溅射方法沉积薄膜、利用掩膜溅射方法或lift-off工艺实现图形化，敏感材料选用铂。
优选地，所述的电容耦合型不接触(C4D)电导率传感器采用磁控溅射方法沉积薄膜、利用掩膜溅射方法或lift-off工艺实现图形化，材料选用铂。
所述的电阻型温度传感器为Pt薄膜热敏电阻，所述的电容耦合型不接触(C4D)电导率传感器为Pt薄膜电极，用一种敏感薄膜同时实现两种参数的测量。
优选地，所述的电容耦合型不接触(C4D)电导率传感器的四个敏感电极被氧化硅绝缘层包围，并以BST薄膜保护层覆盖，有效避免了电容耦合型不接触(C4D)电导率传感器的四个敏感电极与可能存在的杂质之间的耦合作用，同时也避免了与电阻型温度传感器之间的相互干扰。
优选地，所述的BST薄膜保护层采用BST薄膜，BST薄膜结构稳定、介电常数高，是良好的绝缘层和钝化保护层。
更优选地，所述的BST薄膜保护层为磁控溅射的高介电常数BST薄膜保护层，以避免低介电常数保护层导致电导率测量的灵敏度降低。
本发明中，所述的多功能传感器芯片集成了温度和电导率传感器，可以同时测量溶液的温度与电导率；其中温度传感器可以补偿温度对电导率的影响。
根据本发明的另一个方面，提供一种新型多功能传感器芯片的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
第一步、采用热氧化的方法，在硅基衬底表面形成一层氧化硅绝缘层；
第二步、利用掩膜刻蚀的方法，在第一步形成的氧化硅绝缘层上刻蚀出电容耦合型不接触(C4D)电导率传感器的四个敏感电极的位置，电容耦合型不接触(C4D)电导率传感器的四个敏感电极的面积大小根据设计要求灵活调节；
第三步、采用磁控溅射方法，在第二步刻蚀过的氧化硅绝缘层上溅射一层Ti/Pt，同时得到电阻型温度传感器和电容耦合型不接触(C4D)电导率传感器；
第四步、在第三步的基础上在上在电阻型温度传感器和电容耦合型不接触(C4D)电导率传感器上表面溅射一层BST薄膜，并露出电阻型温度传感器和电容耦合型不接触(C4D)电导率传感器的引线电极。
优选地，第三步中：
Ti作为连接层，其厚度为10nm～30nm；
Pt的厚度200-500nm之间灵活选择。
与现有技术相比较，本发明的有益效果是：
本发明所述的新型多功能传感器芯片，利用薄膜技术，具有体积小、响应速度快的特性，能同时进行电导率和温度的测量；选用BST薄膜具有耐高温，结构稳定、高介电常数的特性。
进一步的，本发明所述多功能传感器芯片可以即时得到被测液体的温度和电导率，不需要分别测量分别读取。
进一步的，本发明中，采用BST薄膜保护层作为保护层，这层高介电常数薄膜作为保护层，避免了一般低介电常数保护层会引入后导致电导率测量的灵敏度降低。
进一步的，本发明中，电阻型温度传感器和电容耦合型不接触(C4D)电导率传感器均采用铂材料，可以增强所述传感器芯片在高温下工作的稳定性。
进一步的，本发明中，电容耦合型不接触(C4D)电导率传感器的四个敏感电极深埋于氧化硅绝缘层之中，避免了敏感电极与电阻之间、电极与电极之间的相互干扰，减少了信号串扰。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是本发明一实施例的多功能传感器芯片的剖面图；
图2是本发明一实施例的多功能传感器芯片的整体结构俯视示意图；
图中：1为硅基衬底、2为氧化硅绝缘层、3为电阻型温度传感器、4为电容耦合型不接触(C4D)电导率传感器、5为BST薄膜保护层。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1所示，一种新型多功能传感器芯片，包括：硅基衬底1、氧化硅绝缘层2、电阻型温度传感器3、电容耦合型不接触(C4D)电导率传感器4、BST薄膜保护层5，其中：
所述氧化硅绝缘层2、所述电阻型温度传感器3、所述电容耦合型不接触(C4D)电导率传感器4、所述BST薄膜保护层5都设在所述硅基衬底1上；所述氧化硅绝缘层2覆盖在所述硅基衬底1的上方；所述电容耦合型不接触(C4D)电导率传感器的四个敏感电极被所述氧化硅绝缘层2包围；所述电阻型温度传感器3置于所述氧化硅绝缘层2的上方；所述BST薄膜保护层5覆盖在所述电阻型温度传感器3、所述电容耦合型不接触(C4D)电导率传感器4的上方，同时露出电阻型温度传感器3和电容耦合型不接触电导率传感器4的引线电极；
当所述的多功能传感器芯片置于被测溶液中时，由C4D测量原理，电容耦合型不接触(C4D)电导率传感器4将会输出被测溶液的阻抗图，将其与标准的阻抗谱比对后可以得到相应的电导率值；同时，电阻型温度传感器3将会输出相应的温度。
如图2所示，所述电阻型温度传感器3处于电容耦合型不接触(C4D)电导率传感器4位置的下方，相互之间没有任何接触。
作为优选的实施方式，所述电阻型温度传感器3、所述电容耦合型不接触(C4D)电导率传感器4为采用掩膜溅射方法制备的金属条，其中所述电阻型温度传感器3选用高温下稳定性良好的铂Pt形成。
进一步的，所述电阻型温度传感器3、所述电容耦合型不接触(C4D)电导率传感器4的形状是由掩膜的形状而设定，可以是弧形、长条形或其他形状。
作为优选的实施方式，所述氧化硅绝缘层2采用热氧化形成，用于保护电容耦合型不接触(C4D)电导率传感器4的四个敏感电极，同时减弱敏感电极与电阻型温度传感器3之间的耦合作用
作为优选的实施方式，所述BST薄膜保护层5采用磁控溅射方法直接溅射而成，BST薄膜保护层5将电阻型温度传感器3和电容耦合型不接触(C4D)电导率传感器4完全覆盖以形成保护层，同时露出电阻型温度传感器3和电容耦合型不接触(C4D)电导率传感器4的引线电极。
上述的新型多功能传感器芯片结构，可以采用以下制备方法进行制备，包括如下步骤：
第一步、采用热氧化的方法，在硅基衬底1的表面形成一层氧化硅绝缘层2；
第二步、利用掩膜刻蚀的方法，在第一步形成的氧化硅绝缘层2上刻蚀出电容耦合型不接触(C4D)电导率传感器4的四个敏感电极的位置，电容耦合型不接触(C4D)电导率传感器4的四个敏感电极面积大小根据设计要求灵活调节；
第三步、采用磁控溅射方法，在第二步刻蚀过的氧化硅绝缘层2上溅射一层Ti/Pt，同时得到电阻型温度传感器3和电容耦合型不接触(C4D)电导率传感器4，其中10nm～30nm厚的Ti作为连接层，Pt的厚度200-500nm之间灵活选择；
第四步、在第三步的基础上在上在电阻型温度传感器3和电容耦合型不接触(C4D)电导率传感器4上表面溅射一层BST薄膜5，并露出电阻型温度传感器3和电容耦合型不接触(C4D)电导率传感器4的引线电极。
本发明提出一种新型多功能传感器芯片及其制备方法，所述传感器芯片能够同时实现对温度与电导率的测量，具有结构简单、体积小、成本低、耐腐蚀、响应速度快、测量范围大、测量精度高等优点；
选用硅基衬底，具有耐高温、与氧化物绝缘层有良好的热匹配的特性；
电阻型温度传感器和电容耦合型不接触(C4D)电导率传感器由Ti/Pt溅射形成，其中Ti作为连接层，有效的增大了Pt与氧化硅绝缘层的结合力；
利用将电容耦合型不接触(C4D)电导率传感器的四个敏感电极埋于氧化硅绝缘层之中，可以有效的减少杂质电容的耦合；
选用BST薄膜保护层作为封顶层，不仅具有良好的绝缘效果，还可以作为电容耦合型不接触(C4D)电导率传感器的敏感电极的保护层，防止电极极化。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (8)

1.一种新型多功能传感器芯片，其特征在于，包括：硅基衬底(1)、氧化硅绝缘层(2)、电阻型温度传感器(3)、电容耦合型不接触电导率传感器(4)和BST薄膜保护层(5)；所述氧化硅绝缘层(2)、所述电阻型温度传感器(3)、所述电容耦合型不接触电导率传感器(4)、所述BST薄膜保护层(5)均设在所述硅基衬底(1)上；其中：所述氧化硅绝缘层(2)覆盖在所述硅基衬底(1)的上方；所述电容耦合型不接触电导率传感器(4)由四个敏感电极组成，且埋在所述氧化硅绝缘层(2)中；所述电阻型温度传感器(3)置于所述氧化硅绝缘层(2)的上方；所述BST薄膜保护层(5)覆盖在所述电阻型温度传感器(3)、所述电容耦合型不接触电导率传感器(4)的上表面，同时露出电阻型温度传感器(3)和电容耦合型不接触电导率传感器(4)的引线电极；
当所述的传感器芯片置于被测溶液中时，由电容耦合型不接触测量原理，所述电容耦合型不接触电导率传感器(4)输出被测溶液的阻抗图，将其与标准的阻抗谱比对后即得到相应的电导率值；同时，所述电阻型温度传感器(3)输出相应的温度。
2.根据权利要求1所述的一种新型多功能传感器芯片，其特征在于，所述的电阻型温度传感器(3)利用掩膜溅射方法、掩膜刻蚀或lift-off工艺实现图形化，敏感材料选用铂。
3.根据权利要求1所述的一种新型多功能传感器芯片，其特征在于，所述的电容耦合型不接触电导率传感器(4)采用磁控溅射方法沉积薄膜、利用掩膜溅射方法或lift-off工艺实现图形化，材料选用铂。
4.根据权利要求1所述的一种新型多功能传感器芯片，其特征在于，所述的电容耦合型不接触电导率传感器(4)的四个敏感电极被氧化硅绝缘层(2)包围，并以BST薄膜保护层(5)覆盖，有效避免了电容耦合型不接触电导率传感器(4)的四个敏感电极与可能存在的杂质之间的耦合作用，同时也避免了与电阻型温度传感器(3)之间的相互干扰。
5.根据权利要求1所述的一种新型多功能传感器芯片，其特征在于，所述的BST薄膜保护层(5)为磁控溅射的高介电常数BST薄膜保护层，以避免低介电常数保护层导致电导率测量的灵敏度降低。
6.一种根据权利要求1-5任一项所述的新型多功能传感器芯片的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
第一步、采用热氧化的方法，在硅基衬底(1)上表面形成一层氧化硅绝缘层(2)；
第二步、利用掩膜刻蚀的方法，在第一步形成的氧化硅绝缘层(2)上刻蚀出电容耦合型不接触电导率传感器(4)的四个敏感电极的位置；
第三步、采用磁控溅射方法沉积薄膜，利用掩膜溅射方法或lift-off方法实现图形化，在第二步刻蚀过的氧化硅绝缘层(2)上溅射一层Ti和一层Pt，同时得到电阻型温度传感器(3)和电容耦合型不接触电导率传感器(4)，其中Ti作为连接层；
第四步、利用溅射BST薄膜的方法，在第三步的电阻型温度传感器(3)和电容耦合型不接触电导率传感器(4)上表面溅射一层BST薄膜(5)，并露出电阻型温度传感器(3)和电容耦合型不接触电导率传感器(4)的引线电极。
7.根据权利要求6所述的一种新型多功能传感器芯片的制备方法，其特征在于，第三步中：Ti作为连接层，其厚度为10nm～30nm。
8.根据权利要求6所述的一种新型多功能传感器芯片的制备方法，其特征在于，第三步中：Pt的厚度200-500nm之间灵活选择。
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