CN108760070B - 一种v形梁结构lc谐振的温度传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种V形梁结构LC谐振的温度传感器，该温度传感器包括衬底、形成在衬底上的V形梁热驱动结构和LC谐振电路，其中，V形梁热驱动结构用于驱动LC谐振电路，V形梁热驱动结构包括V形梁、第一推杆、介质层、第二推杆，所述第一推杆设置在所述V形梁的顶端连接处，所述介质层上下两侧分别连接所述第一推杆和所述第二推杆，所述LC谐振电路包括位于所述第二推杆左右两侧的第一电感和第二电感，所述第一电感的左侧连接第一微波信号端口；所述第二电感的右侧连接电容、所述电容的右侧连接第二微波信号端口。与现有技术相比，本发明的温度传感器结构简单，实现了传感器的小型化；选用V形梁热驱动结构来反馈温度的变化，测量灵敏度可以达到较高水平，测量误差小。
Description
技术领域
本发明涉及微电子技术领域，特别地涉及一种V形梁结构LC谐振的温度传感器及其制备方法。
背景技术
温度是一个和日常生活密切相关的物理量，也是一个在科学实验和生产活动中需要测量和控制的重要物理量之一。因此，温度传感器是一种应用及其广泛的传感器。传统的温度传感原理包括电阻式、PN结式、热电式、辐射式、光纤式、超声波式、声表面波式和频率式等，各类原理的温度传感器在工作温度范围、灵敏度、误差、稳定性、一致性、线性度、体积、响应速度、功耗、成本等方面各有优缺点，适用于各种不同的应用场合。近年来，国内外提出了几种基于MEMS技术的温度传感器结构，它们通过MEMS结构实现温度的测量，包括悬臂梁压阻式温度传感器、双谐振器式数字温度传感器、悬臂梁电容式温度传感器，这些温度传感器通过MEMS技术实现了结构的小型化、高灵敏度、高一致性、低功耗、低成本等优点，具备广阔的应用前景。
但是对于温度传感器而言，追求低成本和高灵敏度是永恒的，现有的温度传感器仍然具有改进空间。
发明内容
本发明的目的是提供一种V形梁结构LC谐振的温度传感器，该温度传感器包括衬底、形成在衬底上的V形梁热驱动结构和LC谐振电路，其中，V形梁热驱动结构用于驱动LC谐振电路，V形梁热驱动结构包括V形梁、第一推杆、介质层、第二推杆，所述第一推杆设置在所述V形梁的顶端连接处，所述介质层上下两侧分别连接所述第一推杆和所述第二推杆，所述LC谐振电路包括位于所述第二推杆左右两侧的第一电感和第二电感，所述第一电感的左侧连接第一微波信号端口；所述第二电感的右侧连接电容、所述电容的右侧连接第二微波信号端口。
优选地，所述V形梁热驱动结构及LC谐振电路通过第一锚区和第二锚区与衬底相连接。
优选地，所述衬底的材质包括硅或者砷化镓。
优选地，所述V形梁的材质包括金、镍、铜、铝金属。
优选地，所述介质层的材质包括氮化硅、二氧化硅。
优选地，所述电容为叉指电容结构。
优选地，所述第一电感和/或所述第二电感为折叠梁结构。
本发明还提供了一种V形梁结构LC谐振的温度传感器的制备方法，所述制备方法包括：
在衬底上沉积一层金属种子层，涂覆光刻胶、光刻显影出V形梁和电感的锚区及电容结构；
淀积一层介质层，涂覆光刻胶，光刻并刻蚀形成介质层结构；
溅射一层金属种子层，涂覆光刻胶、光刻显影出V形梁和电感结构区域；
电镀V形梁和电感区域，并刻蚀掉未被电镀的金属层；
去除牺牲层，释放V形梁和可动电感结构，以形成V形梁结构和LC谐振电路。
优选地，所述制备方法还包括对称形成在衬底上的两个第一锚区和两个第二锚区，所述第一锚区用于锚固V形梁，所述第二锚区用于锚固所述可动电感结构。
优选地，所述可动电感结构为对称设置在介质层两侧的第一电感和第二电感，所述第一电感和/或所述第二电感为折叠梁结构；所述温度传感器通过V形梁结构驱动所述所述第一电感和所述第二电感，以通过改变电感大小来测量温度。
本发明的有益效果：
与现有技术相比，具有以下优点：
一、该温度传感器结构简单，整个传感器通过微电子加工工艺，结构尺寸的精度可以达到较高水平，尺寸大小可以大幅缩小，有利于实现传感器的小型化；
二、该温度传感器选用V形梁热驱动结构来反馈温度的变化，测量灵敏度可以达到较高水平；
三、该温度传感器结构简单、体积小，可以实现高可靠、微型化和低功耗的应用需求；四、该温度传感器的制作无需特殊的材料并且与Si或GaAs工艺完全兼容。
另外，本发明中的V形梁结构LC谐振的温度传感器，突破了传统检测原理的思维限制，灵敏度和体积都有较大的提升。同时，该温度传感器还具有结构简单、微波信号相位/幅度输出测量范围大、测量误差小、功耗低、工艺兼容等优势。
附图说明
图1是实施例1的一种V形梁结构LC谐振的温度传感器的结构示意图。
图2是实施例2的一种V形梁结构LC谐振的温度传感器的制备工艺流程图。
其中有：衬底、V形梁热驱动结构1和LC谐振电路2；其中，V形梁热驱动结构1包括V形梁1a、介质层1b、第一推杆1c1、第一推杆1c2；其中，LC谐振电路2包括第一电感2a1、第二电感2a2、电容2b、第一微波信号端口2c1、第二微波信号端口2c2。
具体实施方式
下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。本发明可以以多种不同的形式来实现，并不限于本实施例所描述的实施方式。
实施例1
参照图1，本发明提供了一种V形梁结构LC谐振的温度传感器，该温度传感器包括衬底、形成在衬底上的V形梁热驱动结构1和LC谐振电路2，其中，V形梁热驱动结构1包括V形梁1a、第一推杆1c1、第二推杆1c2、用于连接第一推杆1c1和第二推杆1c2的介质层1b；第一推杆1c1设置在V形梁1a的顶端连接处，介质层1b上下两侧分别连接第一推杆1c1和第二推杆1c2；LC谐振电路2包括位于第二推杆1c2左右两侧的第一电感2a1和第二电感2a2，第一电感2a1的左侧连接第一微波信号端口2c1；第二电感2a2的右侧连接电容、该电容的右侧连接第二微波信号端口2c2；第一电感2a1、第二电感2a2通过第二推杆1c2相连接。
进一步地，V形梁1a通过第一锚区与衬底相连接；第一微波信号端口2c1、第二微波信号端口2c2对应于LC谐振电路的第二锚区，在本实施方式中，第一锚区和第二锚区均为固支锚区；第一电感2a1和/或第二电感2a2为折叠梁结构；衬底的材质包括硅或者砷化镓；V形梁1a的材质包括金、镍、铜、铝金属。
工作原理
V形梁热驱动结构1在环境温度发生变化后，V形梁因其材料受热发生热膨胀，驱动第一推杆1c1、介质层1b、第二推杆1c2前推(图1中，从下向上推)，导致LC谐振电路2中第一电感2a1、第二电感2a2的大小发生变化，进而影响第一微波信号端口2c1、第二微波信号端口2c2之间信号的传输，从而实现温度的测量。
由于LC谐振电路2中第一电感2a1和第二电感2a2的大小发生变化，导致第一微波信号端口2c1和第二微波信号端口2c2之间信号的幅度和相位都发生了变化，微波信号在第一微波信号端口2c1和第二微波信号端口2c2之间的幅度变化公式为：
其中，Z0为第一微波信号端口2c1和第二微波端口2c2的特性阻抗，L1为第一电感2a1的初始电感量，ΔL1为第一电感2a1的电感变化量，L2为第二电感2a2的初始电感量，ΔL2为第二电感2a2的电感变化量，C为电容2b的电容量，ω为角频率。
微波信号在第一微波信号端口2c1和第二微波信号端口2c2之间的相位变化公式为：
其中，Z0为第一微波信号端口2c1和第二微波端口2c2的特性阻抗，L1为电感2a1的初始电感量，ΔL1为第一电感2a1的电感变化量，L2为第二电感2a2的初始电感量，ΔL2为电感2a2的电感变化量，C为电容2b的电容量，ω为角频率。
本发明的温度传感器利用V形梁热驱动结构感应温度的变化，改变LC谐振电路中电感的大小，进而影响微波信号端口之间信号的传输，从而实现温度的测量，选用V形梁热驱动结构来反馈温度的变化，测量灵敏度可以达到较高水平，并且能与CMOS工艺相兼容，解决在材料、工艺、可靠性、可重复性和生产成本等诸多方面的问题，从而为实现V形梁结构LC谐振的温度传感器在微波集成系统中的产业化应用提供了支持和保证。
另外，本发明的温度传感器结构简单，整个传感器通过微电子加工工艺，结构尺寸的精度可以达到较高水平，体积大幅缩小，有利于实现传感器的小型化；该温度传感器选用V形梁热驱动结构来反馈温度的变化，测量灵敏度可以达到较高水平，测量误差小。
实施例2
参见图2，本发明还提出一种V形梁驱动结构LC谐振的温度传感器的制备方法，具体地，包括如下步骤：
在衬底上淀积一层金属种子层，其中金属例如为金、镍、铜、铝金属等；
涂覆光刻胶、光刻显影出V形梁和电感的第一锚区以和第二锚区及叉指电容结构；
电镀并刻蚀掉未被电镀的金属种子层；
涂覆牺牲层、光刻显影出V形梁和电感的锚区结构；
淀积一层介质层，介质层可以为氮化硅层或者二氧化硅层，但是还可以为氮氧化硅等的沉积层，还可以其它适用的介质层；
涂覆光刻胶，光刻并刻蚀形成氮化硅介质层结构；
溅射一层金属种子层，其中金属例如为金等；
涂覆光刻胶、光刻显影出V形梁和电感结构区域；
电镀V形梁和电感区域，并刻蚀掉未被电镀的金种子层；
去除牺牲层，释放V形梁和可动电感结构，以形成V形梁结构和LC谐振电路。
具体地，可动电感结构为对称设置在介质层两侧的第一电感和第二电感，第一电感和/或第二电感为折叠梁结构；通过介质层连接第一推杆和第二推杆，第二推杆与LC谐振电路(即、第一电感和第二电感)连接，第二电感与底层的叉指电容结构连接；上述制备方法还包括对称形成在衬底上的两个第一锚区，第一锚区用于锚固V形梁，由此形成本发明的温度传感器，该温度传感器结构简单、体积小，可以实现高可靠、微型化和低功耗的应用需求；制作无需特殊的材料，并且与Si或GaAs工艺完全兼容。
本发明通过：
(a)采用V形梁热驱动结构推杆位移改变电感大小来感知温度的变化，
(b)采用LC谐振电路结构，
(c)采用微波信号相位/幅度变化反馈电感的变化。
与现有技术相比，本发明的温度传感器结构简单，整个传感器通过微电子加工工艺，结构尺寸的精度可以达到较高水平，体积大幅缩小，有利于实现传感器的小型化；选用V形梁热驱动结构来反馈温度的变化，测量灵敏度可以达到较高水平，测量误差小；还具有微波信号相位/幅度输出测量范围大、功耗低、工艺兼容等优势。
以上所述，仅为本发明专利较佳的具体实施方式，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明专利的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种V形梁结构LC谐振的温度传感器，其特征在于，该温度传感器包括衬底、形成在衬底上的V形梁热驱动结构和LC谐振电路，其中，V形梁热驱动结构用于驱动LC谐振电路，V形梁热驱动结构包括V形梁、第一推杆、介质层、第二推杆，所述第一推杆设置在所述V形梁的顶端连接处，所述介质层上下两侧分别连接所述第一推杆和所述第二推杆，所述LC谐振电路包括位于所述第二推杆左右两侧的第一电感和第二电感，所述第一电感的左侧连接第一微波信号端口；所述第二电感的右侧连接电容、所述电容的右侧连接第二微波信号端口，所述第一电感和所述第二电感通过所述第二推杆相连接。
2.根据权利要求1所述V形梁结构LC谐振的温度传感器，其特征在于，所述V形梁热驱动结构及LC谐振电路通过第一锚区和第二锚区与衬底相连接。
3.根据权利要求1所述V形梁结构LC谐振的温度传感器，其特征在于，所述衬底的材质包括硅或者砷化镓。
4.根据权利要求1所述V形梁结构LC谐振的温度传感器，其特征在于，所述V形梁的材质包括金、镍、铜、铝金属。
5.根据权利要求1所述V形梁结构LC谐振的温度传感器，其特征在于，所述介质层的材质包括氮化硅、二氧化硅。
6.根据权利要求1所述的V形梁结构LC谐振的温度传感器，其特征在于，所述电容为叉指电容结构。
7.根据权利要求1所述的V形梁结构LC谐振的温度传感器，其特征在于，所述第一电感和/或所述第二电感为折叠梁结构。
8.一种V形梁结构LC谐振的温度传感器的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
在衬底上沉积一层金属种子层，涂覆光刻胶、光刻显影出V形梁和电感的锚区及电容结构；
淀积一层介质层，涂覆光刻胶，光刻并刻蚀形成介质层结构；
溅射一层金属种子层，涂覆光刻胶、光刻显影出V形梁和电感结构区域；
电镀V形梁和电感区域，并刻蚀掉未被电镀的金属层；
去除牺牲层，释放V形梁和可动电感结构，以形成V形梁结构和LC谐振电路；
所述可动电感结构为对称设置在介质层两侧的第一电感和第二电感，V形梁热驱动结构包括V形梁、第一推杆、介质层、第二推杆，所述第一推杆设置在所述V形梁的顶端连接处，所述介质层上下两侧分别连接所述第一推杆和所述第二推杆，所述第一电感的左侧连接第一微波信号端口；所述第二电感的右侧连接电容、所述电容的右侧连接第二微波信号端口，所述第一电感和所述第二电感通过所述第二推杆相连接。
9.根据权利要求8所述的V形梁结构LC谐振的温度传感器的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括对称形成在衬底上的两个第一锚区和两个第二锚区，所述第一锚区用于锚固V形梁，所述第二锚区用于锚固所述可动电感结构。
10.根据权利要求9所述的V形梁结构LC谐振的温度传感器的制备方法，其特征在于，所述第一电感和/或所述第二电感为折叠梁结构；所述温度传感器通过V形梁结构驱动所述第一电感和所述第二电感，以通过改变电感大小来测量温度。
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