CN110567593A - 基于单面工艺的非接触式红外温度传感器的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于单面工艺的非接触式红外温度传感器的制作方法，包括：于基底中刻蚀凹槽；于凹槽中填充低温气化材料；于基底及低温气化材料上制作非接触式红外温度传感器结构，保留气化通孔；以及在气化气氛下加热低温气化材料，使低温气化材料气化并藉由气化通孔排出，释放出凹槽，以形成非接触式红外温度传感器的绝热空腔。本发明利用常态下呈固体，在气化气氛下加热可以气化而被完全消耗的低温气化材料，采用单面工艺替代传统的双面工艺对硅衬底进行加工形成绝热腔，完成非接触式红外温度传感器的制作。本发明解决了双面工艺对准精度要求高、耗时长，成本高等缺点，可大大提高生产效率，降低产品成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种非接触式红外温度传感器的制作方法，特别是涉及一种基于单面工艺的非接触式红外温度传感器的制作方法。
背景技术
温度是表示物体冷热程度的物理量，也是人类时时刻刻需要感测的物理量。1593年意大利科学家伽利略发明第一支空气温度计，这种气体温度计是用一根细长的玻璃管制成的。它的一端制成空心圆球形；另一端开口，事先在管内装进一些带颜色的水，并将这一端倒插入盛有水的容器中。在玻璃管上等距离地标上刻度。利用气体热胀冷缩原理，当外界温度升高时，玻璃球内气体膨胀，使玻璃管中水位降低；反之，温度较低时，玻璃球内气体收缩，玻璃管中的水位就会上升。1654年，伽利略的学生斐迪南研制出了世界上第一支酒精温度计；1659年，法国天文学家布里奥首度制成水银温度计。随着科学技术的发展，人们对测温仪器的要求越来越高。到了19世纪末20世纪初，许多科学家运用各种物理原理，发明了多种形式的新型温度计，如电阻式温度计、辐射式高温计、光测高温计、氢温度计等。
其中水银温度计由于使用方便、成本低等优点被全世界广泛使用，几乎每家每户都有常备水银温度计的习惯，各大医疗机构也在大批量使用。不过，由于水银对人类和环境造成的危害极大，一支家用水银体温计含汞约1克被打碎后，外泄的汞会蒸发，一旦汞蒸气被人吸入，会通过血液循环进入人体，损坏中枢神经系统。中国每年大约生产1.2亿支含汞体温计，每年因水银体温计破损而当作废物处理的水银就有10吨以上。2013年，由联合国环境规划署主办的《水俣公约》外交全权大会上，包括中国在内的92个国家和地区代表签署由世界卫生组织倡议的《水俣公约》，目标是到2020年逐步淘汰包括水银温度计在内的众多产品。该公约是全球首个就水银这种高毒性金属签署的具有法律约束力的公约，并与2016年开始生效。我国已承诺2016年起水银体温计7年内全部淘汰。
在这种情况下，电子体温计尤其是红外体温计逐步被人们所接受，红外体温计具有测温灵敏度高、勘探规模广、速度快、不搅扰被测方针、运用安全等特色，具有非触摸式测温、精确度高，体温偏高时声响提示功用。在欧美国家，红外体温计基本上存在于每个家庭和医院，而我国在这边面也在加速普及建设。据统计2017年，中国的医院预计将有700万个左右的水银温度计被替换，到2020年将有3500万个水银温度计被替换，庞大的市场空间和前景，带来了大量的商机。
现有的非接触式红外温度传感器的加工广泛采用的是双面工艺，通常做法是在硅衬底正面做好热电材料后，为了达到好的绝热效果，需要从硅衬底背面将导热性极好的硅刻蚀干净，只保留导热性比较差的支撑结构。然而，双面工艺对光刻对准精度要求高、加工设备昂贵，而且耗时长，是非接触式红外温度传感器量产的瓶颈工艺。
基于以上所述，提供一种可以有效降低光刻对准精度要求以及可有效降低成本的非接触式红外温度传感器的制作方法实属必要。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于单面工艺的非接触式红外温度传感器的制作方法，用于解决现有技术中双面工艺对光刻对准精度要求高、加工设备昂贵，而且耗时长的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于单面工艺的非接触式红外温度传感器的制作方法，所述制作方法包括：1)提供一基底，于所述基底中刻蚀凹槽；2)于所述凹槽中填充低温气化材料，所述低温气化材料在第一温度下呈固体，且在气化气氛环境下第二温度或以上气化呈气体，其中，所述第二温度大于所述第一温度；3)研磨去除所述基底表面的所述低温气化材料，保留所述凹槽内的所述低温气化材料，使得所述低温气化材料的顶面与所述基底的顶面处于同一平面；4)在非气化气氛环境下，于所述基底及所述低温气化材料上制作非接触式红外温度传感器结构，所述非接触式红外温度传感器结构中保留有气化通孔，所述气化通孔显露所述低温气化材料；以及5)在气化气氛环境下加热所述低温气化材料至所述第二温度或以上，使所述低温气化材料气化并藉由所述气化通孔排出，释放出所述凹槽，以形成所述非接触式红外温度传感器的绝热空腔。
优选地，所述第一温度的范围介于0～350℃之间，所述第二温度介于350℃～400℃之间。
优选地，步骤2)中，采用旋涂方式于所述凹槽中填充所述低温气化材料，并固化所述低温气化材料，以保证其支撑强度。
优选地，步骤4)包括：4-1)于所述基底及所述低温气化材料表面形成绝热支撑层，并于所述绝热支撑层中形成气化通孔；以及4-2)于所述绝热支撑层上形成热电结构，所述热电结构包括热节及冷节，所述热节及所述冷节分别位于所述热电结构两端，其中，当所述热节与冷节之间存在温度差时，所述热电结构中的载流子在从所述热节流向所述冷节，产生检测电动势。
优选地，所述热电结构制作于所述绝热空腔上方的所述绝热支撑层表面，以使所述热电结构藉由所述绝热支撑层及所述空腔与所述基底隔离，以提高所述热电结构的检测精度。
优选地，采用化学气相沉积工艺于所述基底及所述低温气化材料表面形成所述绝热支撑层。
优选地，所述基底包括硅衬底，所述绝热支撑层包括二氧化硅层、氮化硅层及氮氧化硅层中的一种。
优选地，所述气化通孔呈圆形，其直径范围介于1μm～10μm之间，以提高所述低温气化材料的气化效率。
优选地，在气化气氛下将所述低温气化材料加热至350℃～400℃温度范围之间，使所述低温气化材料气化并藉由所述气化通孔排出。
优选地，所述凹槽的深度范围介于20μm～100μm之间，以提高所述绝热空腔的绝热性能的同时，提高所述低温气化材料的加热气化效率，以将所述低温气化材料完全去除。
优选地，步骤5)中，所述气化在减压气氛下进行，以提高所述低温气化材料的气化速率。
如上所述，本发明的基于单面工艺的非接触式红外温度传感器的制作方法，具有以下有益效果：
本发明利用常态下呈固体，在气化气氛环境下加热可以气化而被完全消耗的低温气化材料，采用单面工艺替代传统的双面工艺对硅衬底进行加工形成绝热腔，完成非接触式红外温度传感器的制作。本发明解决了双面工艺对准精度要求高、耗时长，成本高等缺点，可大大提高生产效率，降低产品成本。
附图说明
图1显示为本发明的基于单面工艺的非接触式红外温度传感器的制作方法的步骤流程示意图。
图2～图8显示为本发明的基于单面工艺的非接触式红外温度传感器的制作方法各步骤所呈现的结构示意图。
元件标号说明
101 基底
102 凹槽
103 低温气化材料
104 绝热支撑层
105 气化通孔
106 热电结构
107 冷节
108 热节
S11～S15 步骤1)～步骤5)
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1～图8。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
如图1～图8所示，本实施例提供一种基于单面工艺的非接触式红外温度传感器的制作方法，所述制作方法包括：
如图1～图3所示，首先进行步骤1)S11，提供一基底101，于所述基底101中刻蚀凹槽102。
例如，所述基底101可以选用为硅衬底，可以采用干法刻蚀工艺，如感应耦合等离子(ICP)等，于所述硅衬底中刻蚀出所述凹槽102，所述凹槽102的深度范围介于20μm～100μm之间，以提高所述绝热空腔的绝热性能，提高非接触式红外温度传感器的灵敏度，同时，又能保证所述凹槽102深度不至于过大而降低后续所述低温气化材料103的加热气化效率，保证所述低温气化材料103可完全去除。
如图1及图4所示，然后进行步骤2)S12，于所述凹槽102中填充低温气化材料103，所述低温气化材料103在第一温度下呈固体，且在气化气氛环境下第二温度或以上气化呈气体，其中，所述第二温度大于所述第一温度，所述气化气氛环境是指可使所述低温气化材料产生物理反应或/及化学反应以使其实现固态-气态转化的气氛环境。
采用旋涂方式于所述凹槽102中填充所述低温气化材料103，并固化所述低温气化材料103，以保证其支撑强度。
在本实施例中，所述第一温度的范围介于0～350℃之间，以保证后续非接触式红外温度传感器结构时，所述低温气化材料103保持稳定的支撑作用，所述第二温度介于350℃～400℃之间，以保证后续气化过程中，能在较低的温度下进行，不造成非接触式红外温度传感器结构的破坏。
如图1及图5所示，接着进行步骤3)S13，研磨去除所述基底101表面的所述低温气化材料103，保留所述凹槽102内的所述低温气化材料103，使得所述低温气化材料103的顶面与所述基底101的顶面处于同一平面。
如图1及图6～图7所示，接着进行步骤4)S14，于所述基底101及所述低温气化材料103上制作非接触式红外温度传感器结构，所述非接触式红外温度传感器结构中保留有气化通孔105，所述气化通孔105显露所述低温气化材料103。
作为示例，步骤4)包括：
如图6所示，首先进行步骤4-1)，于所述基底101及所述低温气化材料103表面形成绝热支撑层104，并于所述绝热支撑层104中形成气化通孔105。
例如，可以采用化学气相沉积工艺于所述基底101及所述低温气化材料103表面形成所述绝热支撑层104。所述绝热支撑层104包括二氧化硅层、氮化硅层及氮氧化硅层中的一种。
可以采用如干法刻蚀等工艺于所述绝热支撑层104中形成气化通孔105，优选地，所述气化通孔105呈圆形，其直径范围介于1μm～10μm之间，以提高所述低温气化材料103的气化效率。
如图1及图7所示，然后进行步骤4-2)，于所述绝热支撑层104上形成热电结构106，所述热电结构106包括热节108及冷节107，所述热节108及所述冷节107分别位于所述热电结构106两端，其中，当所述热节108与冷节107之间存在温度差时，所述热电结构106中的载流子在从所述热节108流向所述冷节107，产生检测电动势。
如图1及图8所示，最后进行步骤5)S15，在气化气氛环境下加热所述低温气化材料103至所述第二温度或以上，使所述低温气化材料103气化并藉由所述气化通孔105排出，释放出所述凹槽102，以形成所述非接触式红外温度传感器的绝热空腔。
优选地，在气化气氛环境下将所述低温气化材料103加热至350℃～400℃温度范围之间，使所述低温气化材料103气化并藉由所述气化通孔105排出，该温度范围可以保证所述低温气化材料103能完全气化消耗的同时，不造成非接触式红外温度传感器结构的破坏。
优选地，步骤5)中，所述气化在减压气氛下进行，以提高所述低温气化材料103的气化速率。
优选地，所述热电结构106制作于所述绝热空腔上方的所述绝热支撑层104表面，以使所述热电结构106藉由所述绝热支撑层104及所述空腔与所述基底101隔离，以提高所述热电结构106的检测精度。
如上所述，本发明的基于单面工艺的非接触式红外温度传感器的制作方法，具有以下有益效果：
本发明利用常态下呈固体，在在气化气氛环境下加热可以气化而被完全消耗的低温气化材料103，采用单面工艺替代传统的双面工艺对硅衬底进行加工形成绝热腔，完成非接触式红外温度传感器的制作。本发明解决了双面工艺对准精度要求高、耗时长，成本高等缺点，可大大提高生产效率，降低产品成本。
所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (11)
1.一种基于单面工艺的非接触式红外温度传感器的制作方法，其特征在于，所述制作方法包括：
1)提供一基底，于所述基底中刻蚀凹槽；
2)于所述凹槽中填充低温气化材料，所述低温气化材料在第一温度下呈固体，且在气化气氛环境下第二温度或以上气化呈气体，其中，所述第二温度大于所述第一温度；
3)研磨去除所述基底表面的所述低温气化材料，保留所述凹槽内的所述低温气化材料，使得所述低温气化材料的顶面与所述基底的顶面处于同一平面；
4)在非气化气氛环境下，于所述基底及所述低温气化材料上制作非接触式红外温度传感器结构，所述非接触式红外温度传感器结构中保留有气化通孔，所述气化通孔显露所述低温气化材料；以及
5)在气化气氛环境下加热所述低温气化材料至所述第二温度或以上，使所述低温气化材料气化并藉由所述气化通孔排出，释放出所述凹槽，以形成所述非接触式红外温度传感器的绝热空腔。
2.根据权利要求1所述的基于单面工艺的非接触式红外温度传感器的制作方法，其特征在于：所述第一温度的范围介于0～350℃之间，所述第二温度介于350℃～400℃之间。
3.根据权利要求1所述的基于单面工艺的非接触式红外温度传感器的制作方法，其特征在于：步骤2)中，采用旋涂方式于所述凹槽中填充所述低温气化材料，并固化所述低温气化材料，以保证其支撑强度。
4.根据权利要求1所述的基于单面工艺的非接触式红外温度传感器的制作方法，其特征在于：步骤4)包括：
4-1)于所述基底及所述低温气化材料表面形成绝热支撑层，并于所述绝热支撑层中形成气化通孔；以及
4-2)于所述绝热支撑层上形成热电结构，所述热电结构包括热节及冷节，所述热节及所述冷节分别位于所述热电结构两端，其中，当所述热节与冷节之间存在温度差时，所述热电结构中的载流子在从所述热节流向所述冷节，产生检测电动势。
5.根据权利要求4所述的基于单面工艺的非接触式红外温度传感器的制作方法，其特征在于：所述热电结构制作于所述绝热空腔上方的所述绝热支撑层表面，以使所述热电结构藉由所述绝热支撑层及所述空腔与所述基底隔离，以提高所述热电结构的检测精度。
6.根据权利要求4所述的基于单面工艺的非接触式红外温度传感器的制作方法，其特征在于：采用化学气相沉积工艺于所述基底及所述低温气化材料表面形成所述绝热支撑层。
7.根据权利要求4所述的基于单面工艺的非接触式红外温度传感器的制作方法，其特征在于：所述基底包括硅衬底，所述绝热支撑层包括二氧化硅层、氮化硅层及氮氧化硅层中的一种。
8.根据权利要求1所述的基于单面工艺的非接触式红外温度传感器的制作方法，其特征在于：所述气化通孔呈圆形，其直径范围介于1μm～10μm之间，以提高所述低温气化材料的气化效率。
9.根据权利要求1所述的基于单面工艺的非接触式红外温度传感器的制作方法，其特征在于：在气化气氛下将所述低温气化材料加热至350℃～400℃温度范围之间，使所述低温气化材料气化并藉由所述气化通孔排出。
10.根据权利要求1所述的基于单面工艺的非接触式红外温度传感器的制作方法，其特征在于：所述凹槽的深度范围介于20μm～100μm之间，以提高所述绝热空腔的绝热性能的同时，提高所述低温气化材料的加热气化效率，以将所述低温气化材料完全去除。
11.根据权利要求1～10任意一项所述的基于单面工艺的非接触式红外温度传感器的制作方法，其特征在于：步骤5)中，所述气化在减压气氛下进行，以提高所述低温气化材料的气化速率。
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