CN112885949A - 一种易集成微型原子层热电堆热流传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于热流传感器技术领域，具体涉及一种易集成微型原子层热电堆热流传感器及其制备方法。本发明基于横向热电效应，采用n‑1根导电膜将n根热电堆线条串联导通；可用单一材料实现缩减了成本。可通过MEMS技术制造，具有体积小、重量轻、响应速度快等特点，同时采用的热电堆结构简单，制备过程简单，可控性强，与现有成熟的半导体工艺具有良好的兼容性，适用于工业化大批量生产；在保证响应速度的前提下，可根据实际测量需求设计线条数来倍增响应信号，从而大幅度提高器件灵敏度，以满足不同的测量要求，进一步扩展其应用范围；采用额外m处电极导电膜的设计时，能够兼容不同量程的信号接收器。
Description
技术领域
本发明属于热流传感器技术领域，具体涉及一种易集成微型原子层热电堆热流传感器及其制备方法。
背景技术
在热流传感器技术领域，通过测量物体的温度梯度，可以确定通过物体的热流参数。一种典型的器件类型是薄膜热电堆传感器，它利用了传统纵向热电效应的原理，至少需要两种具有显著差异的塞贝克系数的材料。这将大大增加薄膜热电堆传感器的成本，在一定程度上阻碍其广泛应用。
原子层热电堆热流传感器(ALTP)就是基于横向塞贝克效应制备的一种新型用于瞬态热流测量的高速传感器。其工作原理是，当倾斜生长的薄膜上下表面存在温度梯度时，即可产生一个横向(平行于薄膜表面方向)的热电势。
为了对各向异性导电薄膜的倾斜生长进行严格的取向控制，ALTP热流传感器通常都制作在以一定角度斜切的单晶表面。在单晶基片上外延生长出来的薄膜具有较高的取向一致性和确定的倾斜角度，容易控制其特性。ALT薄膜因各向异性会形成原子级的热电偶，在整个薄膜中多对热电偶相互串联，形成原子层热电堆，其结构如图1所示。因此，原子层热电堆中形成的“热电偶”线密度非常高(>106个/cm，而传统热电堆热电偶的节点密度远远低于ALTP热流传感器)，小尺寸传感器即可以输出相当大的热电势信号，使其具有非常高的灵敏度；同时由于载流子在“热电偶”节点中需要扩散的距离比目前传统热电堆热电偶节点要小得多，因此ALTP的响应时间明显快于传统热电堆。总之，ALTP热流传感器在灵敏度及响应速度上具有一定优势。
ALTP热流传感器可以在导热、对流和辐射大范围热流测量中获得高快速响应的热流数据，在传热传质、涡轮机械、动力工程、气动热与热防护试验等方面具有良好的应用前景。但是到目前为止还没有大规模的商业化应用，主要是这类器件的成本较高，输出信号较弱，并且基于当前科技发展的可集成(工艺兼容)小型化需求也急需解决。然而国内外目前研究重点主要还是针对ALTP热流传感器本身热电材料特性的优化，忽视了基于传感器结构和小型化方面的优化设计。
发明内容
针对上述存在问题或不足，本发明要解决的关键技术问题是，提供一种易集成微型原子层热电堆热流传感器及其制备工艺，使其在微机电系统中广泛应用成为可能。
一种易集成微型原子层热电堆热流传感器，包括单晶基底、功能层薄膜、导电膜和外接导线。
所述单晶基底为倾斜取向。
所述功能层薄膜设于基片上，为ALT材料，由互不相交的n根热电堆线条构成，n≥50。
所述导电膜有两种，分别为电极导电膜和线状导电膜，线状导电膜设于相邻热电堆线条之间，共计n-1根，用于将n根热电堆线条串联导通；电极导电膜有两处，分别连接串联导通后的首尾两根热电堆线条。
所述外接导线有两根，分别连接两处电极导电膜，作为传感器对外连接的端头。
进一步的，采用薄膜技术和微加工工艺，实现整个多线条的微型原子层热电堆热流传感器的亚微米级制备，以实现集成小型化。
进一步的，所述电极导电膜还有m处，分别一一对应的设置于串联导通后首尾两根热电堆线条以外的其余n-2根热电堆线条上，1≤m≤n-2，以实现输出信号放大倍数的向下调整，从而兼容不同量程的信号接收器。
如图2所示，在薄膜上下表面存在温度梯度的情况下，由于横向塞贝克效应，每根热电堆线条会产生一个横向并垂直于薄膜上下表面温度梯度方向的热电势，并通过n-1根导电膜将n根热电堆线条首尾依次两两串联，可实现多个线条热电信号的叠加，因此，相同热流条件下，n根热电堆线条产生的热电势即为单根线条热电势的n倍。总之，在相同尺寸条件下，采用本发明结构的ALTP热流传感器具有高灵敏度系数和高信噪比，可用于低热流的精确测量；在相同性能要求下，通过采用微加工工艺，线条尺寸可至亚微米级，这大大减小了传感器尺寸，便于集成封装，可实现其后期集成小型化的应用。
如图3所示，其具体的制备工艺流程为：
步骤1、通过薄膜制备方法(溅射、金属有机化学气相沉积或脉冲激光沉积等)在倾斜取向的单晶基底上外延生长功能层薄膜；
步骤2、通过第一次光刻工艺将薄膜刻蚀成n根互不相交的热电堆线条(如图4所示)；
步骤3、通过第二次光刻和薄膜生长工艺制备n-1根线状导电膜和电极导电膜(如图5所示)；n-1根线状导电膜分别分布在相邻热电堆线条之间，实现n根热电堆线条的依次串联；两处电极导电膜分别与串联导通后的首尾两根热电堆线条连通；
步骤4、在两处电极导电膜上，分别连接两根外接导线，通过外接导线对外连接(如用于传感器的外接测试)。
进一步的，所述步骤3中的电极导电膜还设置有m处，分别一一对应设置在串联导通后首尾两根热电堆线条以外的其余n-2根热电堆线条上，1≤m≤n-2。
本发明提供的传感器具有明显的优势：采用MEMS技术制造热流传感器件，具有体积小、重量轻、响应速度快等特点，同时采用简单的热电堆结构，制备过程简单，可控性强，与现有成熟的半导体工艺具有良好的兼容性，适用于工业化大批量生产；在保证响应速度的前提下，可根据实际测量需求设计线条数来倍增响应信号，从而大幅度提高器件灵敏度，以满足不同的测量要求，进一步扩展其应用范围；采用微加工工艺，可以将传感器尺寸做得很小，适应各形状物体表面热流测量，无需额外加工，从而降低成本并且能更精确的测量物体特定点热流数据。特别的，还采用多处电极导电膜的设计，以实现输出信号放大倍数的向下调整，从而实际使用中能够兼容不同量程的信号接收器。并且由于设计机理是横向热电效应，是基于材料本身各向异性的塞贝克系数，可以在单一材料中产生热电势；有别于现有热电堆热流传感器采用纵向热电效应的原理，至少需要两种具有显著差异的塞贝克系数的材料，缩减了成本。
综上所述，本发明提出的易集成微型原子层热电堆热流传感器，可以在有限尺寸条件下，使用微加工工艺，实现热电电压信号的倍增，使得ALTP热流传感器具有非常高的灵敏度，并且朝着微型化、集成化方向发展，便于形成集成传感器芯片模块，充分发挥微系统可标准化批量化生产的特点，为热流传感器批量化生产提供了技术保障；当采用额外m处电极导电膜的设计时，能够兼容不同量程的信号接收器。
附图说明
图1是单晶上倾斜生长的ALT薄膜结构取向关系图。
图2是本发明多线条热电势信号叠加的器件结构原理示意图。
图3是本发明的工艺制备流程图。
图4是本发明热电堆线条的结构示意图。
图5是本发明导电膜的结构示意图。
图6是实施例样品的结构示意图。
图7是实施例样品的激光感生电信号测试安装示意图。
图8(a)是单根线条的激光感生电信号曲线测试结果，(b)是两根线条的激光感生电信号曲线测试结果。
图9是实施例样品的XRD测试图，(a)YBCO薄膜的
扫描图谱，(b)YBCO薄膜(006)峰的ω扫描图谱。
附图标记：其中，1-单晶基底，2-功能层薄膜，3-导电膜，4-外接导线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，详述本发明的技术方案。
步骤1、采用直流磁控溅射外延生长YBCO功能层薄膜。
首先，将表面清洗过的钛酸锶单晶基片装入沉积腔体内，真空抽至2.0310-3Pa，调节加热温度810℃、氧分压10Pa、氩气分压20Pa、溅射电流0.5A，沉积薄膜5小时(YBCO薄膜～250nm)；然后，将其置于加热温度450℃、氧气压100000Pa条件下退火45分钟，完成YBCO薄膜的制备。
步骤2、采用第一次光刻工艺实现YBCO薄膜图形化。
首先进行正性光刻胶旋涂，调节转速为1000r/s，运行10s，接着开启高速模式3000r/s，运行30s，使光刻胶均匀地覆盖在薄膜表面；将样品放置在100℃的加热台上前烘1min，提高光刻胶与样品表面的黏附性；使用掩模版进行接触式曝光3s；将样品浸入显影液，并轻轻晃动以溶解曝光部分的光刻胶，随后进行清洗和烘干；使用氩离子轰击样品表面将无光刻胶保护的薄膜刻蚀掉，并用丙酮去除基片表面剩余的光刻胶，形成YBCO多线条图形。
步骤3、采用第二次光刻工艺和直流磁控溅射实现金膜(导电膜线条)的图形化制备。
首先进行负性光刻胶旋涂，调节转速为1000r/s，运行10s，接着开启高速模式3000r/s，运行30s，使光刻胶均匀旋涂在薄膜表面；将基片放置在100℃的加热台上前烘1min，提高光刻胶与样品表面的黏附性；使用掩模版进行接触式曝光3s；将基片放置在120℃的加热台烘烤90s，随后泛曝光45s；将样品浸入显影液，并轻轻晃动以溶解未曝光部分光刻胶，随后进行清洗和烘干。然后将样品放入腔体内，真空抽至2.1310-3Pa，调节氧分压0.5Pa，溅射电流0.15A，计时20s；然后关闭氧气，待气压降低并稳定后调节氩气分压0.7Pa，溅射电流0.2A，计时3.5min，此时金膜厚度约为300nm；最后使用丙酮去除基片表面剩余的光刻胶，形成多根金线条图形，以及与首尾两根热电堆线条的端头分别连接的引线金膜(如图6所示导电膜)。
步骤4、采用焊接工艺将铜导线(外接导线)连接在两端金电极(引线金膜)上，至此易集成微型原子层热电堆热流传感器制备完成。
本实施例制备样品如图6所示。将上述制备好的样品进行激光感生电信号与XRD测试，结果如下：
图7为样品测试安装示意图，脉冲激光垂直入射样品表面在样品上下表面产生热梯度，照亮区域3mm×1mm，每次总能量4.8mJ,间隔10ns。采用示波器连接原子层热电堆流传感器两端，所得响应信号如图8所示。图8(a)为单根线条响应信号，其峰值为8V，响应时间为78ns；图8(b)为两根线条响应信号，其峰值为16V，与单根线条成相应倍数关系，响应时间为83ns，与单根线条基本保持一致。因此，证明了本发明结构ALTP传感器灵敏度与线条数之间的线性关系。
同时，对样品进行了XRD的2υ和
扫描，图9(a)是YBCO薄膜的2υ扫描图谱，其(006)晶面衍射峰位为46.47°；图9(b)是YBCO(006)晶面的
扫描图，其峰位为34.88°，因此，YBCO薄膜是沿基片法线倾斜11.65°方向生长(34.88°-23.23°＝11.65°)。
综上可见，本发明基于横向热电效应，采用n-1根导电膜将n根热电堆线条串联导通；可用单一材料实现，缩减了成本。可在有限尺寸条件下，使用微加工工艺，实现热电电压信号的倍增，使得ALTP热流传感器具有非常高的灵敏度，并且朝着微型化、集成化方向发展，便于形成集成传感器芯片模块，充分发挥微系统可标准化批量化生产的特点。
Claims (5)
1.一种易集成微型原子层热电堆热流传感器，其特征在于：包括单晶基底、功能层薄膜、导电膜和外接导线；
所述单晶基底为倾斜取向；
所述功能层薄膜设于基片上，为ALT材料，由互不相交的n根热电堆线条构成，n≥50；
所述导电膜有两种，分别为电极导电膜和线状导电膜，线状导电膜设于相邻热电堆线条之间，共计n-1根，用于将n根热电堆线条串联导通；电极导电膜有两处，分别连接串联导通后的首尾两根热电堆线条；
所述外接导线有两根，分别连接两处电极导电膜，作为传感器对外连接的端头。
2.如权利要求1所述易集成微型原子层热电堆热流传感器，其特征在于：所述电极导电膜还有m处，分别一一对应的设置于串联导通后首尾两根热电堆线条以外的其余n-2根热电堆线条上，1≤m≤n-2，以实现输出信号放大倍数的向下调整，从而兼容不同量程的信号接收器。
3.如权利要求1所述易集成微型原子层热电堆热流传感器，其特征在于：采用薄膜技术和微加工工艺，实现整个微型原子层热电堆热流传感器的亚微米级制备。
4.如权利要求1所述易集成微型原子层热电堆热流传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、通过薄膜制备方法在倾斜取向的单晶基底上外延生长功能层薄膜；
步骤2、通过第一次光刻工艺将薄膜刻蚀成n根互不相交的热电堆线条；
步骤3、通过第二次光刻和薄膜生长工艺制备n-1根导线状导电膜和电极导电膜；n-1根线状导电膜分别分布在相邻热电堆线条之间，实现n根热电堆线条的依次串联；两处电极导电膜分别与串联导通后的首尾两根热电堆线条连通；
步骤4、在两处电极导电膜上，分别连接两根外接导线，通过外接导线对外连接。
5.如权利要求4所述易集成微型原子层热电堆热流传感器的制备方法，其特征在于：所述步骤3中的电极导电膜还设置有m处，分别一一对应设置在串联导通后首尾两根热电堆线条以外的其余n-2根热电堆线条上，1≤m≤n-2。
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| CN202110066961.2A Pending CN112885949A (zh) | 2021-01-19 | 2021-01-19 | 一种易集成微型原子层热电堆热流传感器及其制备方法 |
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| CN (1) | CN112885949A (zh) |
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2021
- 2021-01-19 CN CN202110066961.2A patent/CN112885949A/zh active Pending
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