CN117537943A - 一种高温热学传感器及其制备方法 - Google Patents

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张建波
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Abstract

本发明属于热学传感器技术领域，涉及一种高温热学传感器及其制备方法，该传感器包括热学敏感芯片和引线互联结构，所述热学敏感芯片包括基底、覆盖于基底上的绝缘薄膜以及通过微纳加工制作布置于绝缘薄膜表面上的图形化的热学敏感电路，金属条热学敏感电路上覆盖有保护薄膜；所述引线互联结构包括三个电极、玻璃盖板、导电填充料、三根导线，三个电极与热学敏感电路连接，分别形成温度敏感电路和热流敏感电路；其中引线互联结构通过键合形成侧向单开口腔体，使用无引线封装，可有效提高电路连接的高温可靠性；本发明的传感器具有耐600℃、高灵敏度、多热学参量、高动态特性和一致性好的特点，并易于批量生产。

Description

一种高温热学传感器及其制备方法
技术领域
本发明属于连铸测温技术领域，涉及一种高温热学传感器及其制备方法。
背景技术
温度、热流等热学量的检测技术是高温装备、高温生产过程等制造行业的关键技术，在钢铁冶金、航空航天、石油化工等工业领域有着迫切的应用需求。在钢铁冶金行业，制备高温热学传感器用以监测生产过程安全情况，辅助产品质量管控、开发新产品体系，对于提升钢铁企业产品竞争力至关重要。结晶器是钢液凝固成型的核心设备，承担着导热、支撑、约束、润滑和脱模的作用，内部传热的控制是高质量连铸关键因素。
目前，钢铁冶金行业内对结晶器传热状态监测多采用热电偶，存在如下局限：一、响应速度慢且一致性难以控制。结晶器用热电偶线径在毫米级，通过焊接方式制成，难以控制热结点尺寸，不同热电偶的响应时间难以控制。二、测量参量单一。多热学参量的获取，对于结晶器而言，可提升安全监测准确度，热电偶用于测量温度，无法测量热流；而传统的Gardon热流传感器尺寸大，无法集成于高温装备如结晶器的狭小空间。微纳薄膜热学传感器因尺寸小、响应快、加工精度高的特点，可用于替代结晶器热电偶。但微纳薄膜热学传感器引线封装结构存在封装材料热应力匹配失效、引线疲劳失效等高温可靠性低的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种高温热学传感器及其制备方法，以解决现有结晶器热学传感器响应速度慢、参量单一的问题和微纳薄膜热学传感器高温可靠性问题。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种高温热学传感器，包括热学敏感芯片和引线互联结构，所述热学敏感芯片包括基底、覆盖于基底上的绝缘薄膜以及通过微纳加工制作布置于绝缘薄膜表面上的图形化的热学敏感电路，金属条热学敏感电路上覆盖有保护薄膜；所述引线互联结构包括三个电极、玻璃盖板、导电填充料、三根导线，三个电极与热学敏感电路连接，分别形成温度敏感电路和热流敏感电路；所述玻璃盖板与基底之间通过阳极键合固定连接，所述玻璃盖板中设有三个单开口腔体，每个电极分别对应一个单开口腔体，每个单开口腔体内均设有一根所述导线并填充有所述导电填充料，导线通过导电填充料与电极固定连接。
进一步，所述热学敏感电路包括沿基底宽度方向依次并排间隔布置的第一金属条、第二金属条、第三金属条、第四金属条、第五金属条、第六金属条、第七金属条、第八金属条、第九金属条；三个电极分别为第一电极、第二电极、第三电极；
所述第一金属条的头部与第二金属条的头部相连，两个的尾部分别与第一电极、第二电极连接，构成热电偶，形成温度敏感电路；
所述第三金属条、第四金属条、第五金属条、第六金属条、第七金属条、第八金属条、第九金属条依次头尾串联，且第二金属条的头部同时与第三金属条的头部相连，第九金属条的尾部与第三电极相连，构成热电堆，形成热流敏感电路。
进一步，所述第一金属条、第二金属条、第三金属条、第四金属条、第五金属条、第六金属条、第七金属条、第八金属条、第九金属条中任意两个相邻金属条的材质均不同，相邻金属条之间形成热敏节点，且第二金属条、第三金属条、第四金属条、第五金属条、第六金属条、第七金属条、第八金属条、第九金属条中总共只采用两种金属。
进一步，热学敏感电路形成的热电偶类型为K型、N型、B型或S型。
进一步，所述引线互联结构还包括引出线，每个电极分别通过一个引出线与热学敏感电路连接。
进一步，所述玻璃盖板上设有3个大矩形槽与3个小矩形槽，3个大矩形槽与基底形成三个所述单开口腔体，3个大矩形槽分别对应放置3个电极，3个小矩形槽分别对应放置3个引出线。
进一步，每个导线与对应连接的引出线为相同材质。
进一步，每个电极与对应连接的引出线为相同材质，每个电极上覆盖金层。
进一步，所述热学敏感芯片的基底材料为硅；所述保护薄膜为氮化硅；所述的绝缘薄膜为二氧化硅；所述热学敏感电路设于热学敏感芯片长度方向的一端，三个电极设于热学敏感芯片长度方向的另一端。
一种高温热学传感器的制备方法，包括如下步骤：
步骤1，采用硅片作为热学敏感芯片的制备基底，将基底进行标准RCA清洗；
步骤2，采用等离子体增强化学气相沉积技术在基底表面沉积绝缘薄膜，绝缘薄膜的材料为二氧化硅，厚度为300～800nm；
步骤3，热学敏感电路采用两种材料的金属条制备，在基底材料的绝缘薄膜面旋涂负性光刻胶，通过第一种材质的金属条的掩膜板进行光刻；使用第一种金属靶材进行磁控溅射，溅射一层覆盖整个热学敏感芯片的金属薄膜，溅射金属层厚度为500～1500nm；用丙酮和无水乙醇进行金属剥离，得到第一种金属条；
步骤4，在基底材料的绝缘薄膜面再次旋涂负性光刻胶，通过第二种材质的金属条的掩膜板进行光刻；用第二种金属靶材进行磁控溅射，溅射一层覆盖整个热学敏感芯片的金属薄膜，溅射金属层厚度为500～1500nm；用丙酮和无水乙醇进行金属剥离，得到第二种金属条；
步骤5，在基底材料的绝缘薄膜面再次旋涂负性光刻胶，通过电极的掩膜板进行光刻；用金靶材进行磁控溅射，溅射一层覆盖整个热学敏感芯片的金薄膜，溅射金属层厚度为300nm；用丙酮和无水乙醇进行金属剥离，得到金电极；
步骤6，采用等离子体增强化学气相沉积技术在金属条、电极和绝缘薄膜表面沉积保护薄膜，保护薄膜的材料为氮化硅，厚度为200～500nm；
步骤7，在芯片的表面旋涂负性光刻胶，光刻出电极附近用于阳极键合的图形；采用电感耦合等离子体刻蚀技术去除电极附近的氮化硅保护薄膜，露出电极附近的二氧化硅层；
步骤8，在芯片的表面旋涂负性光刻胶，光刻出电极附近用于阳极键合的图形；采用BOE溶液进行湿法腐蚀，去除电极附近的二氧化硅绝缘薄膜，露出基底、电极以及部分金属条；
步骤9，将基底上表面与玻璃盖板的下表面阳极键合，将步骤8中腐蚀露出的电极、部分金属条与玻璃盖板的矩形槽对准，键合后最终形成3个单开口腔体；
步骤10，在3个单开口腔体内注入熔融导电浆料，并将导线插入至3个单开口空腔内，待导电浆料固化后，导线通过导电填充料与电极形成电导通连接。
本发明的有益效果在于：
1、本发明中的高温热学传感器，相对传统的铠装热电偶，通过微纳加工工艺制备了微纳米级热学敏感电路，有更快的动态响应特性；同时，本发明中高温热学传感器可同时获取温度和热流两项热学参数，温度、热流的热学敏感电路的使用了公共电极，可进一步减少传感器尺寸，具有多参量、尺寸小的特点。
2、本发明中的高温热学传感器包括基底、绝缘薄膜、热学敏感电路、电极、保护薄膜、玻璃盖板；其中绝缘薄膜和保护薄膜除了实现绝缘、保护的作用外，其异质材料的选择，可有效的降低绝缘薄膜、热学敏感电路、保护薄膜同基底材料之间的在高温条件下的应力，避免热学敏感电炉因各层材料因热应力不匹配而失效，使热学传感器更耐高温。
3、本发明高温热学传感器的引线互联结构采用了硅-玻璃阳极键合，形成单开口腔体，采用无引线封装，提升传感器的耐高温性能。
4、与现有技术相比，本发明的高温热学传感器制备方法工艺合理，相对铠装热电偶提升了热结点加工精度，具有高灵敏度、多热学参量、高精度、高动态特性和一致性好的特点，易于批量生产，能很好满足600℃以下高温环境的温度、热流等热学量的测量需求，有广阔的应用场景。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为本发明中的高温热学传感器示意图。
图2为高温热学传感器基底与玻璃盖板键合后，正面轴测结构视图。
图3为玻璃盖板上下翻转后的轴测视图，此时玻璃盖板键合面朝上。
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。需要说明的是，以下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，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
请参阅图1～3，为一种高温热学传感器，包括热学敏感芯片1和引线互联结构2两部分，热学敏感芯片1包括基底11，绝缘薄膜12，金属条1311、1312、1321、1322、1323、1324、1325、1326、1327和引出线1313、1314、1328，保护薄膜14，电极1331、1332、1333，采用由下至上，依次堆叠形成；引线互联结构2包括玻璃盖板21、导线231、232、233、连接导线与热学敏感芯片的导电填充料22；
其中，热学敏感芯片1的基底11材料为硅，厚度为200～1000μm；芯片的绝缘薄膜12完全覆盖基底11，厚度为300～800nm，材质为二氧化硅；绝缘薄膜12表面上布置有图形化的金属条1311、1312、1321、1322、1323、1324、1325、1326、1327和引出线1313、1314、1328；金属条1311、1312为异种金属，头部相连，尾部分别通过引出线1313、1314与电极1331、电极1332相连，金属条头部位于基底11长度方向的一个端部，两金属条交点距基底11端面距离300～800μm，电极1331、1332、1333位于基底11长度方向的另一端部；金属条1312、1321、1322、1323、1324、1325、1326、1327和引出线1328为两种异种金属，交替布置，相邻异种金属条首尾串联，引出线1328与电极1333相连，金属条1312、1321、1322、1323、1324、1325、1326、1327头部位于基底的11长度方向的一个端部，两金属条头部交点距基底11端面距离300～800μm，金属条1321、1322、1323、1324、1325、1326、1327和引出线1328间的尾部相连点与头部相连点的距离1～5mm；金属条1311、1312、1321、1322、1323、1324、1325、1326、1327和引出线1328的线宽为30～300μm，厚度为500～1500nm；金属条1314和引出线1328之间，包括金属条1314和引出线1328，首尾相连的异种金属条数量也可不限定为9条，数量≥5，且数量为奇数；金属条1312和引出线1314、1328为同种金属；电极1331、1332、1333为矩形，分别覆盖在引出线1313、1314、1315尾部，厚度300nm，尺寸适配导线尺寸，并可在基底端部并列中心对称布置；金属条1311、1312，引出线1313、1314，电极1331、1332整体构成热电偶，形成温度敏感电路；金属条1312、1321、1322、1323、1324、1325、1326、1327，引出线1314、1328，电极1331、1332整体构成热电堆，形成热流敏感电路，两者共同构成传感器芯片的热学敏感电路。
金属条1311、1312、1321、1322、1323、1324、1325、1326、1327和引出线1328优选标准的热电偶材料，如K型(镍铬合金-镍铝合金)、N型(镍铬硅合金-镍硅合金)、B型(铂铑30合金-铂铑6合金)、S型(铂铑10合金-铂)等；电极1331、1332、1333与对应引出线1313、1314、1328为相同材质，每个电极上覆盖金层，厚度300nm。
金属条1311、1312、1321、1322、1323、1324、1325、1326、1327和引出线1328，电极1331、1332、1333和绝缘薄膜12被保护薄膜14覆盖，保护薄膜14材质为氮化硅，厚度为200～500nm，具体厚度需通过仿真计算及测试确定，与氧化硅层、基底材料热应力匹配。
引出线1313、1314、1328尾部和电极1331、1332、1333附近的保护薄膜14、绝缘薄膜12被去除，露出基底11，去除区域尺寸与玻璃盖板21对应。
玻璃盖板21的尺寸略大于电极1331、1332、1333所在区域，可覆盖电极；玻璃盖板21上制有6个矩形槽，其中矩形槽211、212、213分别与电极1331、1332、1333的尺寸对应；剩下的矩形槽分别与引出线1313、1314、1328的尾部的尺寸对应，略大于金属条线宽；与金属条引出线和电极的连接情况相同，6个矩形槽两两相连；电极处的矩形槽的深度设计保证能实现与导线的引线互联；金属条处的矩形槽深度设计保证基体与玻璃盖板静电键合后玻璃盖板与金属条不产生干涉。
通过阳极键合工艺将基底11与玻璃盖板21形成连接；键合后，矩形槽211、212、213与电极1331、1332、1333形成3个单开口空腔241、242、243。单开口空腔241、242、243内填有熔融后固化的导电填充料22，布置有导线231、232、233，导线与电极通过导电填充料22形成高温可靠电连接。
一种用于本实施例中的高温热学传感器的制备方法，包括以下步骤：
1)采用硅片作为热学敏感芯片的制备基底11，将基底11进行标准RCA清洗；
2)采用等离子体增强化学气相沉积技术在基底11表面沉积绝缘薄膜12，绝缘薄膜的材料为二氧化硅，射频功率为120W，SiH4:30Sccm，N2O:25Sccm，厚度为300～800nm；
3)在基底材料的绝缘薄膜面旋涂光刻胶AZ5214，通过金属条的掩膜板进行光刻；使用K偶镍铬合金靶材进行磁控溅射，溅射一层覆盖整个敏感芯片的金属薄膜，磁控溅射采用的射频功率为120W，溅射金属层厚度为500～1500nm；用丙酮和无水乙醇进行金属剥离，得到一种K偶镍铬合金的金属条；
4)在基底材料的绝缘薄膜面再次旋涂光刻胶AZ5214，通过另一种金属条的掩膜板进行光刻；用K偶镍硅合金靶材进行磁控溅射，溅射一层覆盖整个敏感芯片的金属薄膜，磁控溅射采用的射频功率为120W，溅射金属层厚度为500～1500nm；用丙酮和无水乙醇进行金属剥离，得到K偶镍硅合金的金属条；
5)在基底材料的绝缘薄膜面再次旋涂光刻胶AZ5214，通过电极的掩膜板进行光刻；用金靶材进行磁控溅射，溅射一层覆盖整个敏感芯片的金薄膜，采用的射频功率为120W，溅射金属层厚度为300nm；用丙酮和无水乙醇进行金属剥离，得到金电极；
6)采用等离子体增强化学气相沉积技术在金属条、电极和绝缘薄膜表面沉积保护薄膜，保护薄膜的材料为氮化硅，射频功率为100W，SiH4:300Sccm，NH3:12Sccm，厚度为200～500nm；
7)在芯片的表面旋涂AZ5214光刻胶，光刻出电极附近用于阳极键合的图形；采用电感耦合等离子体刻蚀技术去除电极附近的氮化硅保护薄膜，露出电极附近的二氧化硅层；
8)在芯片的表面旋涂AZ5214光刻胶，光刻出电极附近用于阳极键合的图形；采用BOE溶液进行湿法腐蚀，去除电极附近的二氧化硅绝缘薄膜，露出基底、电极以及部分金属条；
9)将基底上表面与玻璃盖板的下表面阳极键合，将步骤8腐蚀露出的电极、部分金属条需与玻璃盖板的矩形槽对准，设定温度350～450℃，电压500V，20min，键合最终形成3个单开口腔体241、242、243。
10)在3个单开口空腔4内注入熔融导电浆料，并将导线231、232、233分别插入至3个单开口空腔241、242、243内，待导电浆料固化后，导线通过固化后的导电填充料与电极形成电导通连接。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种高温热学传感器，其特征在于：包括热学敏感芯片和引线互联结构，所述热学敏感芯片包括基底、覆盖于基底上的绝缘薄膜以及通过微纳加工制作布置于绝缘薄膜表面上的图形化的热学敏感电路，金属条热学敏感电路上覆盖有保护薄膜；所述引线互联结构包括三个电极、玻璃盖板、导电填充料、三根导线，三个电极与热学敏感电路连接，分别形成温度敏感电路和热流敏感电路；所述玻璃盖板与基底之间通过阳极键合固定连接，所述玻璃盖板中设有三个单开口腔体，每个电极分别对应一个单开口腔体，每个单开口腔体内均设有一根所述导线并填充有所述导电填充料，导线通过导电填充料与电极固定连接。
2.根据权利要求1所述的高温热学传感器，其特征在于：所述热学敏感电路包括沿基底宽度方向依次并排间隔布置的第一金属条、第二金属条、第三金属条、第四金属条、第五金属条、第六金属条、第七金属条、第八金属条、第九金属条；三个电极分别为第一电极、第二电极、第三电极；
所述第一金属条的头部与第二金属条的头部相连，两个的尾部分别与第一电极、第二电极连接，构成热电偶，形成温度敏感电路；
所述第三金属条、第四金属条、第五金属条、第六金属条、第七金属条、第八金属条、第九金属条依次头尾串联，且第二金属条的头部同时与第三金属条的头部相连，第九金属条的尾部与第三电极相连，构成热电堆，形成热流敏感电路。
3.根据权利要求2所述的高温热学传感器，其特征在于：所述第一金属条、第二金属条、第三金属条、第四金属条、第五金属条、第六金属条、第七金属条、第八金属条、第九金属条中任意两个相邻金属条的材质均不同，相邻金属条之间形成热敏节点，且第二金属条、第三金属条、第四金属条、第五金属条、第六金属条、第七金属条、第八金属条、第九金属条中总共只采用两种金属。
4.根据权利要求3所述的高温热学传感器，其特征在于：热学敏感电路形成的热电偶类型为K型、N型、B型或S型。
5.根据权利要求1所述的高温热学传感器，其特征在于：所述引线互联结构还包括引出线，每个电极分别通过一个引出线与热学敏感电路连接。
6.根据权利要求5所述的高温热学传感器，其特征在于：所述玻璃盖板上设有3个大矩形槽与3个小矩形槽，3个大矩形槽与基底形成三个所述单开口腔体，3个大矩形槽分别对应放置3个电极，3个小矩形槽分别对应放置3个引出线。
7.根据权利要求5所述的高温热学传感器，其特征在于：每个导线与对应连接的引出线为相同材质。
8.根据权利要求5所述的高温热学传感器，其特征在于：每个电极与对应连接的引出线为相同材质，每个电极上覆盖金层。
9.根据权利要求1所述的高温热学传感器，其特征在于：所述热学敏感芯片的基底材料为硅；所述保护薄膜为氮化硅；所述的绝缘薄膜为二氧化硅；所述热学敏感电路设于热学敏感芯片长度方向的一端，三个电极设于热学敏感芯片长度方向的另一端。
10.一种如权利要求1～9任一项所述的高温热学传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，采用硅片作为热学敏感芯片的制备基底，将基底进行标准RCA清洗；
步骤2，采用等离子体增强化学气相沉积技术在基底表面沉积绝缘薄膜，绝缘薄膜的材料为二氧化硅，厚度为300～800nm；
步骤3，热学敏感电路采用两种材料的金属条制备，在基底材料的绝缘薄膜面旋涂负性光刻胶，通过第一种材质的金属条的掩膜板进行光刻；使用第一种金属靶材进行磁控溅射，溅射一层覆盖整个热学敏感芯片的金属薄膜，溅射金属层厚度为500～1500nm；用丙酮和无水乙醇进行金属剥离，得到第一种金属条；
步骤4，在基底材料的绝缘薄膜面再次旋涂负性光刻胶，通过第二种材质的金属条的掩膜板进行光刻；用第二种金属靶材进行磁控溅射，溅射一层覆盖整个热学敏感芯片的金属薄膜，溅射金属层厚度为500～1500nm；用丙酮和无水乙醇进行金属剥离，得到第二种金属条；
步骤5，在基底材料的绝缘薄膜面再次旋涂负性光刻胶，通过电极的掩膜板进行光刻；用金靶材进行磁控溅射，溅射一层覆盖整个热学敏感芯片的金薄膜，溅射金属层厚度为300nm；用丙酮和无水乙醇进行金属剥离，得到金电极；
步骤6，采用等离子体增强化学气相沉积技术在金属条、电极和绝缘薄膜表面沉积保护薄膜，保护薄膜的材料为氮化硅，厚度为200～500nm；
步骤7，在芯片的表面旋涂负性光刻胶，光刻出电极附近用于阳极键合的图形；采用电感耦合等离子体刻蚀技术去除电极附近的氮化硅保护薄膜，露出电极附近的二氧化硅层；
步骤8，在芯片的表面旋涂负性光刻胶，光刻出电极附近用于阳极键合的图形；采用BOE溶液进行湿法腐蚀，去除电极附近的二氧化硅绝缘薄膜，露出基底、电极以及部分金属条；
步骤9，将基底上表面与玻璃盖板的下表面阳极键合，将步骤8中腐蚀露出的电极、部分金属条与玻璃盖板的矩形槽对准，键合后最终形成3个单开口腔体；
步骤10，在3个单开口腔体内注入熔融导电浆料，并将导线插入至3个单开口空腔内，待导电浆料固化后，导线通过导电填充料与电极形成电导通连接。
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