CN110143564A - 温度传感器、电极与温度敏感膜的连接结构及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及温度传感器、电极与温度敏感膜的连接结构及制备方法，所述结构包括绝缘基底、电极及温度敏感膜，所述绝缘基底上设置所述电极，在所述电极上设置所述温度敏感膜；在所述电极与所述温度敏感之间设置电极过渡层，所述电极过渡层为金属薄膜，所述金属薄膜为钼、铬、钛中任意一种。本发明电极测量敏感膜的值更符合敏感膜的性质，能够有效提高敏感膜有效电阻输出，减少测试误差，提高深低温温度传感器测试温度准确性。

Description

温度传感器、电极与温度敏感膜的连接结构及制备方法
技术领域
本发明涉及的是深低温温度传感器技术领域，尤其涉及的是一种电阻式深低温温度传感器中电极与温度敏感膜的连接结构及其制备方法。
背景技术
低温测量广泛用在航空航天、生物医疗、超导电子学、高能物理、能源等尖端科技领域，其中电阻式深低温温度传感器在低温测量中占有重要的地位。由于电阻式深低温温度传感器根据敏感膜的电阻对温度变化而变化特性测量温度，所以敏感膜材料的性能决定了电阻式深低温温度传感器的性能。
在电阻式深低温温度传感器中，氮氧化锆薄膜温度传感器具有很多温度计理想的性能，如宽的使用温度范围、高的灵敏度、低磁阻、抗离子辐射和优秀的长期稳定性等优点，是低温领域中综合性能最好的低温温度传感器。作为温度传感器敏感膜的氮氧化锆薄膜，其主要成分为氮化锆、氮氧化锆和纳米氧化锆，主体结构为氮化锆，氮氧化锆和氧化锆主要以掺杂的形式分散在主体氮化锆结构中，所以氮氧化锆和氧化锆在氮化锆中的掺杂程度和结构微观变化对其灵敏度和导电性能有决定性的影响。
经过对现有技术文件检索发现，Lake Shore Cryotronics公司在《Cryogenics》Vol.684,pp.393-398.上撰文“A standardized CernoxTM cryogenic temperature sensorfor aerospace applications”(“Cernox标准低温温度传感器在航空领域的应用”)，该文提及在反应溅射敏感膜后，经过一系列的MEMS工艺，图形化敏感膜，然后再制作电极。经过这样的过程后，敏感膜表面容易被氧化，成分结构发生变化，这样导致氧化增多，氮化物减少，这样用电极测量的是其表面的电阻，使测量值比实际值大，同时传感器灵敏度下降。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出了一种温度传感器、电极与温度敏感膜的连接结构及制备方法，通过在绝缘基底上先制作电极，然后再制作温度敏感膜，从而有效提高敏感膜有效电阻输出，减少测试误差。
为实现上述目的，本发明采用以下技方案：
根据本发明的第一方面，提供一种电极与温度敏感膜的连接结构，所述结构包括绝缘基底、电极及温度敏感膜，所述绝缘基底上设置所述电极，在所述电极上设置所述温度敏感膜；在所述电极与所述温度敏感之间设置电极过渡层，所述电极过渡层为金属薄膜，所述金属薄膜为钼、铬、钛中任意一种。
本发明不同于传统工艺在敏感膜上制备电极，首先在绝缘基底上制备电极，在所述电极上制备温度敏感膜，优先点在于电极测量敏感膜的值更符合敏感膜的性质，能够有效提高敏感膜有效电阻输出，减少测试误差，提高深低温温度传感器测试温度准确性。
优选地，为提高温度传感器灵敏度与抗冲击性，需同时兼顾绝缘基底导热快且抗冲击，所述绝缘基底的厚度一般为200-1000μm、所述电极的厚度为10-500nm，所述电极过渡层的厚度为5-80nm。
优选地，所述绝缘基底选用热导率较高材料，如蓝宝石、氧化铝陶瓷、氧化铍陶瓷、氮化铝陶瓷、氮化硅陶瓷、碳化硅陶瓷或氧化硅基片中的任意一种或者两种以上的复合材料。
优选地，所述电极的材料为高电导率的金或铜。
优选地，所述温度敏感膜层的材料为钛、锆、铌或钽的金属氮氧物中任意一种。本发明的优先点在于电极测量敏感膜的值更符合敏感膜的性质，能够有效提高敏感膜有效电阻输出，减少测试误差，提高深低温温度传感器测试温度准确性。
根据本发明的第二方面，提供一种电阻式深低温温度传感器，包括所述的电极与温度敏感膜的连接结构。
根据本发明的第三方面，提供一种电极与温度敏感膜的连接结构的制备方法，包括：在绝缘基底上制作图形化电极，在所述图形化电极上制作图形化电极过渡层，之后在所述图形化电极过渡层上制作图形化温度敏感膜。
优选地，所述图形化电极的结构为平行的两个电极结构或多个电极的叉指结构或者环形叉指电极结构中的任意一种。
更加优选地，按以下步骤执行：
S1：在所述绝缘基底上制作图形化电极，具体指，在所述绝缘基底上甩5μm的光刻胶Ⅰ，并将所述光刻胶Ⅰ图形化，然后依次溅射30nm的电极过渡层钼和300nm的电极层金，最后采用lift-off工艺去掉周围的所述光刻胶Ⅰ，形成所述图形化电极。
S2：在所述图形化电极上制作图形化电极过渡层，在所述绝缘基底上甩5μm的光刻胶Ⅱ，并将所述光刻胶Ⅱ图形化，然后溅射30nm钼作为所述电极过渡层，再采用lift-off工艺去掉周围的所述光刻胶Ⅱ，形成所述图形化电极过渡层。
S3：在所述图形化电极过渡层制作图形化温度敏感膜，具体指：采用刻蚀图形化薄膜或图形化金属掩膜版做掩模后，在所述图形化电极过渡层上反应溅射所述温度敏感膜，溅射所述温度敏感膜为200nm，然后去掉所述掩模，形成所述图形化温度敏感膜。
优选地，所述S1中所述图形化电极的结构为平行的两个电极结构、多个电极的叉指结构或者环形叉指电极结构中的任意一种。
与现有技术相比，本发明具有以下的有益效果：
本发明有益效果在于：将传统工艺中顶部电极制备改进为底部电极制备，所述电极测量敏感膜的值更符合敏感膜的性质，能够有效提高敏感膜有效电阻输出，减少测试误差，提高深低温温度传感器测试温度准确性。
附图说明
图1为本发明一较优实施例中结构示意图；
图2为本发明一较优实施例中实施工艺步骤示意图；
图中标号分别表示为：绝缘基底1、电极2、电极过渡层3、温度敏感膜层4、光刻胶Ⅰ5、光刻胶Ⅱ6、金属掩膜版7。
具体实施方式
以下结合附图通过实施例对本发明特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解；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。
实施例1
如图1所示，图中为一种电阻式深低温温度传感器中电极与温度敏感膜的连接结构的结构示意图，图中包括绝缘基底1、电极2、温度敏感膜层4，在绝缘基底1依次设置电极2、温度敏感膜层4，在电极2与温度敏感膜层4之间设置电极过渡层3。
本发明不同于传统工艺在敏感膜上制备电极，首先在绝缘基底上制备电极，在所述电极上制备温度敏感膜，优先点在于电极测量敏感膜的值更符合敏感膜的性质，能够有效提高敏感膜有效电阻输出，减少测试误差，提高深低温温度传感器测试温度准确性。
在部分优选实施例中，为提高温度传感器灵敏度与抗冲击性，需同时兼顾绝缘基底导热快且抗冲击，所述绝缘基底的厚度一般为200-1000μm、所述电极的厚度为10-500nm，所述电极过渡层的厚度为5-80nm。
在部分优选实施例中，所述绝缘基底选用热导率较高材料，可以选蓝宝石、氧化铝陶瓷、氧化铍陶瓷、氮化铝陶瓷、氮化硅陶瓷、碳化硅陶瓷和氧化硅基片，或者它们的复合材料。
在部分优选实施例中，电极2的材料选用具有高电导率的材料，可以选金、铜等薄膜材料。
在部分优选实施例中，电极过渡层3的材料为钼、铬、钛金属薄膜金属薄膜，厚度为5-80nm。
在部分优选实施例中，温度敏感膜层4的材料为反应溅射的钛、锆、铌和钽的金属氮氧物薄膜。
本发明的优先点在于电极测量温度敏感膜的值更符合敏感膜的性质，能够有效提高敏感膜有效电阻输出，减少测试误差，提高深低温温度传感器测试温度准确性。
如图2所示，一种电阻式深低温温度传感器中电极与温度敏感膜的连接结构的制作方法的流程图，具体包括以下步骤：
(1)在绝缘基底1上制作图形化电极，其微加工工艺是甩胶、光刻、显影、溅射和lift-off工艺。具体指：本实施例中绝缘基底1的材料为蓝宝石基底，如图2中(a)所示在绝缘基底1上甩5μm的光刻胶Ⅰ5，并使光刻胶Ⅰ5图形化，然后依次溅射30nm的电极过渡层钼和300nm的电极材料金，最后采用lift-off工艺去掉周围的光刻胶Ⅰ5，如图2中(b)所示，完成电极2的图形化。
(2)在电极2上制作图形化电极过渡层3，其微加工工艺是甩胶、光刻、显影、溅射和lift-off工艺。具体指：如图2中(c)所示在绝缘基底1上甩5μm的光刻胶Ⅱ6，并将光刻胶Ⅱ6图形化，然后溅射30nm钼作为电极过渡层3，再采用lift-off工艺去掉周围的光刻胶Ⅱ6，如图2中(d)所示，完成电极过渡层3的图形化。
(3)在电极2上制作图形化温度敏感膜层4，其微加工工艺是光刻，显影，刻蚀图形化薄膜或者用图形化金属掩膜版做掩模后反应溅射温度敏感膜层。具体指：用图形化后的金属掩膜版7做掩模和绝缘基底1结合，如图2中(e)所示，然后溅射200nm温度敏感膜层4，去掉金属掩膜版7，如图2中(f)所示，完成温度敏感膜的图形化。
其中，步骤(1)中电极2的图形化结构可以为平行的两个电极结构或多个电极的叉指结构或者环形叉指电极结构，其中叉指对数为5-20，叉指电极宽度为10-100μm，指间距为10-500μm。
实施例2
绝缘基底1的材料采用氧化硅基片、电极2材料为铜、温度敏感膜层4的材料为氮氧化锆，在绝缘基底1依次设置电极2、温度敏感膜层4，在电极2与温度敏感膜层4之间设置电极过渡层3。电极过渡层3的材料为铬。
一种电阻式深低温温度传感器中电极与温度敏感膜的连接结构的制作方法的流程图，具体包括以下步骤：
(1)在绝缘基底1上制作图形化电极，其微加工工艺是甩胶、光刻、显影、溅射和lift-off工艺。具体指：本实施例中绝缘基底1的材料为氧化硅基片，如图2中(a)所示在绝缘基底1上甩5μm的光刻胶Ⅰ5，并使光刻胶Ⅰ5图形化，然后依次溅射20nm的电极过渡层铬和400nm的电极材料铜，最后采用lift-off工艺去掉周围的光刻胶Ⅰ5，如图2中(b)所示，完成电极2的图形化。
(2)在电极2上制作图形化电极过渡层3，其微加工工艺是甩胶、光刻、显影、溅射和lift-off工艺。具体指：如图2中(c)所示在绝缘基底1上甩5μm的光刻胶Ⅱ6，并将光刻胶Ⅱ6图形化，然后溅射20nm铬作为电极过渡层3，再采用lift-off工艺去掉周围的光刻胶Ⅱ6，如图2中(d)所示，完成电极过渡层3的图形化。
(3)在电极2上制作图形化温度敏感膜层4，其微加工工艺是光刻，显影，刻蚀图形化薄膜或者用图形化金属掩膜版做掩模后反应溅射温度敏感膜层。具体指：用图形化后的金属掩膜版7做掩模和绝缘基底1结合，如图2中(e)所示，然后溅射200nm氮氧化锆温度敏感膜层4，去掉金属掩膜版7，如图2中(f)所示，完成温度敏感膜的图形化。
其中，步骤(1)中电极2的图形化结构为平行的两个电极结构。
实施例3
绝缘基底1的材料采用氧化铝陶瓷、电极2材料为金、温度敏感膜层4的材料为氮氧化铌，在绝缘基底1依次设置电极2、温度敏感膜层4，在电极2与温度敏感膜层4之间设置电极过渡层3。电极过渡层3的材料为钛。
一种电阻式深低温温度传感器中电极与温度敏感膜的连接结构的制作方法的流程图，具体包括以下步骤：
(1)在绝缘基底1上制作图形化电极，其微加工工艺是甩胶、光刻、显影、溅射和lift-off工艺。具体指：本实施例中绝缘基底1的材料为氧化铝陶瓷，如图2中(a)所示在绝缘基底1上甩5μm的光刻胶Ⅰ5，并使光刻胶Ⅰ5图形化，然后依次溅射60nm的电极过渡层钛和400nm的电极材料金，最后采用lift-off工艺去掉周围的光刻胶Ⅰ5，如图2中(b)所示，完成电极2的图形化。
(2)在电极2上制作图形化电极过渡层3，其微加工工艺是甩胶、光刻、显影、溅射和lift-off工艺。具体指：如图2中(c)所示在绝缘基底1上甩5μm的光刻胶Ⅱ6，并将光刻胶Ⅱ6图形化，然后溅射60nm钛作为电极过渡层3，再采用lift-off工艺去掉周围的光刻胶Ⅱ6，如图2中(d)所示，完成电极过渡层3的图形化。
(3)在电极2上制作图形化温度敏感膜层4，其微加工工艺是光刻，显影，刻蚀图形化薄膜或者用图形化金属掩膜版做掩模后反应溅射温度敏感膜层。具体指：用图形化后的金属掩膜版7做掩模和绝缘基底1结合，如图2中(e)所示，然后溅射200nm氮氧化铌温度敏感膜层4，去掉金属掩膜版7，如图2中(f)所示，完成温度敏感膜的图形化。
其中，步骤(1)中电极2的图形化结构为平行的两个电极结构。
上述实施例的参数选择以及具体部件的选择均不是唯一的，在其他实施例中，本领域技术人员也可以根据实际的应用场合选择其他的参数和具体部件。
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化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种电极与温度敏感膜的连接结构，其特征在于：所述结构包括绝缘基底、电极及温度敏感膜，所述绝缘基底上设置所述电极，在所述电极上设置所述温度敏感膜；在所述电极与所述温度敏感膜之间设置电极过渡层，所述电极过渡层为金属薄膜，所述金属薄膜为钼、铬、钛中任意一种。
2.根据权利要求1所述的一种电极与温度敏感膜的连接结构，其特征在于，所述绝缘基底的厚度为200-1000μm、所述电极的厚度为10-500nm，所述电极过渡层的厚度为5-80nm。
3.根据权利要求1所述的一种电极与温度敏感膜的连接结构，其特征在于，所述绝缘基底的材料为蓝宝石、氧化铝陶瓷、氧化铍陶瓷、氮化铝陶瓷、氮化硅陶瓷、碳化硅陶瓷或氧化硅基片中的任意一种或者两种以上的复合材料。
4.根据权利要求1所述的电极与温度敏感膜的连接结构，其特征在于，所述电极的材料为金或铜。
5.根据权利要求1所述的一种电极与温度敏感膜的连接结构，其特征在于，所述温度敏感膜的材料为钛、锆、铪、铌或钽的金属氮氧物中任意一种。
6.一种电阻式深低温温度传感器，其特征在于,包括权利要求1-5任一项所述的电极与温度敏感膜的连接结构。
7.一种电极与温度敏感膜的连接结构的制备方法，其特征在于，包括：在绝缘基底上制作图形化电极，在所述图形化电极上制作图形化电极过渡层，之后在所述图形化电极过渡层上制作图形化温度敏感膜。
8.根据权利要求7所述的一种电极与温度敏感膜的连接结构的制备方法，其特征在于，所述图形化电极的结构为平行的两个电极结构或多个电极的叉指结构或者环形叉指电极结构中的任意一种。
9.根据权利要求7所述的一种电极与温度敏感膜的连接结构的制备方法，其特征在于，按以下步骤执行：
S1：在所述绝缘基底上制作图形化电极；
在所述绝缘基底上甩光刻胶Ⅰ，并将所述光刻胶Ⅰ图形化，然后依次溅射电极过渡层和电极材料，最后采用lift-off工艺去掉周围的所述光刻胶Ⅰ，形成所述图形化电极；
S2：在所述图形化电极上制备电极过渡层；
在所述图形化电极上甩光刻胶Ⅱ，并将所述光刻胶Ⅱ图形化，然后溅射电极过渡层材料，最后采用lift-off工艺去掉周围的所述光刻胶Ⅱ，形成所述图形化电极过渡层；
S3:在所述图形化电极过渡层上制作图形化温度敏感膜层；
采用刻蚀图形化薄膜或图形化金属掩膜版做掩模后，在所述图形化电极过渡层上反应溅射所述温度敏感膜，然后去掉所述掩膜，形成所述图形化温度敏感膜。
10.根据权利要求9所述的一种电极与温度敏感膜的连接结构的制备方法，其特征在于，所述S1中所述图形化电极的结构为平行的两个电极结构、多个电极的叉指结构或者环形叉指电极结构中的任意一种。
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