CN112097936B - 一种温度传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种温度传感器，包括基板、两个热驱动V形梁结构、框架形机械超材料结构、应变敏感薄膜。两个热驱动V形梁结构分别位于框架形机械超材料结构的两侧。应变敏感薄膜位于框架形机械超材料结构的中心位置。当周围环境温度发生变化时，悬空热驱动V型梁受到温度的影响发生膨胀或收缩，驱动刚性绝缘连接线带动框架形机械超材料结构产生多方向的扩张或收缩，机械超材料结构的扩张或收缩通过刚性绝缘连接线传递到应变敏感薄膜，应变敏感薄膜将多方向应变转化为电阻值的变化，通过检测电阻变化实现对周围环境温度的测量，器件的检测灵敏度因此获得了较大的提升。
Description
技术领域
本发明涉及一种温度传感器，属于微电子器件技术领域。
背景技术
温度传感器是一种将周围环境温度变化转换为电学量变化的传感器，按照制造材料及敏感原理可分为热电阻温度传感器与热电偶温度传感器。热电偶温度传感器响应速度快，可测量快速变化的温度但结构较复杂，而热电阻温度传感器结构简单、检测方便，是目前应用最为广泛的温度检测方式。随着微电子技术和集成电路产业的发展，温度传感器趋向于微型化和集成化。微温度传感器是MEMS工艺制造的新型温度传感器，与传统温度传感器相比，微温度传感器具有体积小、易集成、功耗低、成本低等优势，同时也是信息化社会实现万物互联必不可缺的关键组成。在这样的发展前景下，开展温度传感器产业化方面的工作是非常有意义的。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术，提出一种基于机械超材料结构的温度传感器，实现高灵敏度、低误差和低功耗，并且能够将传统MEMS工艺融入制造过程。
技术方案：一种温度传感器，包括基板、两个热驱动V形梁结构，框架形机械超材料结构、应变敏感薄膜；所述基板上设有若干锚点，两个热驱动V形梁结构分别位于框架形机械超材料结构的两侧，并左右对称设置；所述热驱动V形梁结构包括一对呈V型设置的条形梁以及位于条形梁之间的条形连接块，条形梁的一端与所述条形连接块固定连接，条形梁的另一端与基板上的锚点固定连接；两个所述条形连接块的一端分别通过一根第一绝缘刚性连接线连接到所述框架形机械超材料结构上；应变敏感薄膜位于所述框架形机械超材料结构的中心位置，通过上下对称的两根电连接线将所述应变敏感薄膜的边缘与基板上的锚点固定连接，并通过位于四角的四根第二绝缘刚性连接线连接到所述框架形机械超材料结构上。
进一步的，所述框架形机械超材料结构包括左右对称的两个口字形框架以及上下对称的两个半口字形框架构成；所述两个半口字形框的左右相对侧边向内侧弯折，侧边的端点分别与左右对称的所述两个口字形框架的内侧顶角连接；所述口字形框架的左右相对侧边向内侧呈V形内凹，所述条形连接块通过所述第一绝缘刚性连接线与所述框架形机械超材料结构的连接点即所述口字形框架外侧边的中点，所述应变敏感薄膜四角连接的所述第二绝缘刚性连接线与所述框架形机械超材料结构的连接点即位于构成所述口字形框架内侧边的上下两段上。
有益效果：本发明的一种温度传感器，利用机械超材料结构将温度变化产生的单方向应变转化为应变敏感薄膜的多方向应变。当周围环境温度发生变化时，固定于锚点的悬空热驱动V型梁受到温度的影响发生膨胀或收缩，驱动刚性绝缘连接线带动框架形机械超材料结构产生多方向的扩张或收缩，机械超材料结构的扩张或收缩通过刚性绝缘连接线传递到应变敏感薄膜，应变敏感薄膜将多方向应变转化为电阻值的变化，通过检测电阻变化实现对周围环境温度的测量。本发明利用机械超材料结构作为应变的放大装置，将悬空热驱动V形梁在单个方向上的热应变转化为应变敏感薄膜多个方向上的应变，器件的检测灵敏度因此获得了较大的提升。
同时，本发明具有机械超材料结构的温度传感器还具有结构简单并且能够将传统MEMS工艺融入制造过程，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，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，从而为实现基于机械超材料结构的温度传感器在集成电路中的产业化应用提供了支持和保证。
附图说明
图1是本发明温度传感器结构示意图；
图2是图1沿A-A′的剖面图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
如图1、图2所示，一种温度传感器，包括基板1、两个热驱动V形梁结构、框架形机械超材料结构、应变敏感薄膜2。基板1上设有若干锚点，两个热驱动V形梁结构分别位于框架形机械超材料结构的两侧，并左右对称设置。其中，热驱动V形梁结构包括一对条形梁3以及位于一对条形梁3之间的条形连接块4，条形梁3的一端与条形连接块4固定连接，条形梁3的另一端与基板上的锚点5固定连接。两个条形连接块4的一端分别通过一根第一绝缘刚性连接线6连接到框架形机械超材料结构上。应变敏感薄膜2位于框架形机械超材料结构的中心位置，通过上下对称的两根电连接线7将应变敏感薄膜的边缘与基板上的锚点8固定连接，并通过位于四角的四根第二绝缘刚性连接线9连接到框架形机械超材料结构上。
框架形机械超材料结构包括左右对称的两个口字形框架以及上下对称的两个半口字形框架构成。两个半口字形框的左右相对侧边向内侧弯折，侧边的端点分别与左右对称的两个口字形框架的内侧顶角连接。口字形框架的左右相对侧边向内侧呈V形内凹，条形连接块4通过第一绝缘刚性连接线6与框架形机械超材料结构的连接点即口字形框架外侧边的中点；应变敏感薄膜2四角连接的第二绝缘刚性连接线9与框架形机械超材料结构的连接点即位于构成口字形框架内侧边的上下两段上。第二绝缘刚性连接线9呈现出X状发散的四个方向与框架形机械超材料结构相连接，四个方向的倾斜角设计在30度到45度之间，倾斜角的不同可以调整水平方向和垂直方向之间的应变分量大小，从而改变应变敏感薄膜2的电阻值变化，进而可以调节温度传感器的灵敏度。
当环境温度发生变化时，条形梁3发生热膨胀或收缩，引起V形梁的条形连接块4的位移，通过第一刚性绝缘连接线6将V形梁的条形连接块4的位移转变为对框架形机械超材料结构在单一方向上的应变，然后框架形机械超材料结构将单一方向上的应变转变为多个方向的应变，通过第二刚性绝缘连接线9将多方向上的应变传递到应变敏感薄膜2，应变敏感薄膜2将应变转化为电阻值的变化，通过检测电阻变化实现对周围环境温度的测量。
本发明的温度传感器不同于其它的MEMS温度传感器，具有以下主要特点：一、框架形机械超材料结构将热驱动V形梁因温度变化产生的单方向应变转化为多方向应变传递到应变敏感薄膜，因此器件具有更高的灵敏度；二、该温度传感器结构简单、体积小，且检测机理简单可靠，可以满足高可靠、微型化和低功耗的应用需求；三、该温度传感器的制作无需特殊的材料并且与传统MEMS制造技术兼容。
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 (1)
1.一种温度传感器，其特征在于，包括基板、两个热驱动V形梁结构，框架形机械超材料结构、应变敏感薄膜；所述基板上设有若干锚点，两个热驱动V形梁结构分别位于框架形机械超材料结构的两侧，并左右对称设置；所述热驱动V形梁结构包括一对呈V型设置的条形梁以及位于条形梁之间的条形连接块，条形梁的一端与所述条形连接块固定连接，条形梁的另一端与基板上的锚点固定连接；两个所述条形连接块的一端分别通过一根第一绝缘刚性连接线连接到所述框架形机械超材料结构上；应变敏感薄膜位于所述框架形机械超材料结构的中心位置，通过上下对称的两根电连接线将所述应变敏感薄膜的边缘与基板上的锚点固定连接，并通过位于四角的四根第二绝缘刚性连接线连接到所述框架形机械超材料结构上；
所述框架形机械超材料结构包括左右对称的两个口字形框架以及上下对称的两个半口字形框架构成；所述两个半口字形框的左右相对侧边向内侧弯折，侧边的端点分别与左右对称的所述两个口字形框架的内侧顶角连接；所述口字形框架的左右相对侧边向内侧呈V形内凹，所述条形连接块通过所述第一绝缘刚性连接线与所述框架形机械超材料结构的连接点即所述口字形框架外侧边的中点，所述应变敏感薄膜四角连接的所述第二绝缘刚性连接线与所述框架形机械超材料结构的连接点即位于构成所述口字形框架内侧边的上下两段上。
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