CN214046208U

CN214046208U - 一种基于金属基底的薄膜传感器的绝缘层结构

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Publication number: CN214046208U
Application number: CN202120316002.7U
Authority: CN
Inventors: 曹建峰; 毛羽宏
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2021-02-04
Filing date: 2021-02-04
Publication date: 2021-08-24
Anticipated expiration: 2031-02-04

Abstract

本实用新型公开了一种基于金属基底的薄膜传感器的绝缘层结构，包括金属基底层，设置在金属基底层上的粘接层，在粘接层上的设置第一绝缘层，在第一绝缘层上设置隔离层，在隔离层上设置第二绝缘层，在第二绝缘层上设置的传感器电路层。本实用新型能快速制作氧化铝绝缘层，借助原子层堆积工艺的台阶覆盖能力制备隔离层将氧化铝绝缘层中的针孔覆盖住，确保传感器电路层与金属基底之间不会出现短路；同时隔离层的厚度在10～500 nm，不会产生大量的时间和成本；本实用新型的结构简单，在不增加时间及成本的前提下，解决了基于金属基底的薄膜传感器在高温环境条件下使用时出现短路的难题。

Description

一种基于金属基底的薄膜传感器的绝缘层结构

技术领域

本实用新型涉及一种基于金属基底的薄膜传感器的绝缘层结构，属于薄膜传感器技术领域。

背景技术

随着工业互联网及智能制造的产业升级，制造过程实时监控已经变得越来越重要，不仅可以通过制造过程中关键工艺参数的获取来改进产品质量、提升生产效率，还可以提前发现问题并及时进行干预，从而避免恶性事故的发生。作为获取关键工艺参数等数据的传感器扮演着十分重要的角色，然而传统传感器由于尺寸大，很难接近待测点，即便通过不同的安装方式接触待测点，对于原有物理场的破坏也很大，破坏了检测的真实性；同时由于传统传感器响应慢，有很大的滞后性，很难满足现场实时监测的需求。薄膜传感器借助其尺寸小、响应快的特点，能够提供较高的空间分辨率和时间分辨率，使得现场的监控更真实、更及时。但是常规基于硅基底的薄膜传感器由于基底材料的脆性和不耐高温等缺点，很难应用到高温、高压、大应变以及腐蚀性的场合。

为了解决上述问题，基于金属基底的薄膜传感器被开发出来，但是由于金属基底的特殊性，基底需在清洁度并不高的传统加工环境中进行抛光，然后转入超净间进行传感器的制作，极易在金属基底上留下各种颗粒等污染物，在后续的制作过程中产生问题。如：用于高温环境条件下的基于金属基底薄膜传感器的绝缘材料氧化铝，通过物理气相沉积（PVD）的电子束蒸发（E-beam evaporation）工艺制备过程中，淀积的氧化铝绝缘层中易出现针孔（pin hole），使得传感器电路层与金属基底之间存在短路，从而导致绝缘失败。而使用原子层堆积工艺（ALD），覆盖能力强，制备的氧化铝绝缘层中不存在针孔，但由于其工艺淀积效率低，制作满足高温条件下绝缘能力所需的一定厚度的绝缘层，需花费大量的时间和成本。因此，都没能很好的解决现有技术的问题。

实用新型内容

为了克服上述现有技术的不足，本实用新型提供一种基于金属基底的薄膜传感器的绝缘层结构，在不增加时间及成本的前提下，提出一种新型氧化铝绝缘层结构，用于解决基于金属基底的薄膜传感器在高温环境条件下使用时出现的短路难题。

为了实现上述技术目的，本实用新型采用的技术方案是：一种基于金属基底的薄膜传感器的绝缘层结构，包括金属基底层，设置在金属基底层上的粘接层，在粘接层上的设置第一绝缘层，在第一绝缘层上设置隔离层，在隔离层上设置第二绝缘层，在第二绝缘层上设置的传感器电路层。

所述粘接层为在金属基底上淀积的厚5～50nm的金属钛层。

所述第二绝缘层和传感器电路层上设置保护层。

所述第一绝缘层为通过电子束蒸发在粘接层上淀积的厚0.2～5 um的氧化铝层。

所述隔离层为通过原子层堆积在第一绝缘层上淀积的厚10～500 nm 的氧化铝层。

所述第二绝缘层为通过电子束蒸发在隔离层上淀积的厚0.2～5 um的氧化铝层。

所述保护层包括第一保护层，第一保护层为通过电子束蒸发在第二绝缘层上淀积的厚0.2～5 um的氧化铝层，第一保护层不覆盖传感器电路层的焊盘。

所述保护层还包括第二保护层，第二保护层为通过原子层堆积在第一保护层上淀积的厚10～500 nm的氧化铝层，第二保护层不覆盖传感器电路层的焊盘。

所述保护层还包括第三保护层，第三保护层为通过电子束蒸发在第二保护层上淀积的厚0.2～5 um的氧化铝层，第三保护层不覆盖传感器电路层的焊盘。

所述基于金属基底的薄膜传感器的绝缘层结构，其制备的工艺步骤如下：

步骤一、将金属基底通过丙酮、异丙醇和去离子水清洗，氮气吹干，完成基底准备；

步骤二、通过溅射工艺（sputtering）在金属基底上淀积一层5～50nm的金属钛（Ti）层，用于提高后续绝缘层与金属基底之间的粘接性；

步骤三、通过电子束蒸发工艺（E-beam evaporation）在金属钛（Ti）层上淀积一层0.2～5 um的氧化铝（Al₂O₃）绝缘层；

步骤四、通过原子层堆积工艺（ALD）在上步淀积的氧化铝绝缘层上淀积一层10～500 nm的氧化铝隔离层；

步骤五、通过电子束蒸发工艺在步骤四的隔离层上淀积一层0.2～5 um的氧化铝绝缘层；

步骤六、通过光刻、溅射、剥离工艺在氧化铝绝缘层上淀积传感器电路层；

步骤七、借助金属掩膜版，通过电子束蒸发工艺在除传感器电路层焊盘外的区域上，淀积一层0.2～5 um的氧化铝保护层；

步骤八、借助金属掩膜版，通过原子层堆积工艺在上步淀积的氧化铝保护层上淀积一层10～500 nm的氧化铝保护层，传感器电路的焊盘应裸露出来，不被保护层覆盖；

步骤九、借助金属掩膜版，通过电子束蒸发工艺在步骤八保护层上淀积一层0.2～5 um的氧化铝保护层，传感器电路的焊盘应裸露出来，不被氧化铝保护层覆盖。

本实用新型的有益技术效果是：利用电子束蒸发工艺快速制作氧化铝绝缘层，借助原子层堆积工艺的台阶覆盖能力制备的氧化铝隔离层将氧化铝绝缘层的针孔覆盖住，确保传感器电路层与金属基底之间不会出现短路；同时通过原子层堆积工艺制作的氧化铝隔离层厚度在10～500 nm，不会产生大量的时间和成本；本实用新型的结构简单，在不增加时间及成本的前提下，解决了基于金属基底的薄膜传感器在高温环境条件下使用时出现短路的难题。

附图说明

下面结合附图对本实用新型进一步说明。

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型的俯视示意图。

图中：1、金属基底层，2、粘接层，3、第一绝缘层，4、隔离层，5、第二绝缘层，6、传感器电路层，7、第一保护层，8、第二保护层，9、第三保护层，10、焊盘。

具体实施方式

实施例1

一种基于金属基底的薄膜传感器的绝缘层结构，包括金属基底层1，设置在金属基底层1上的粘接层2，在粘接层2上的设置第一绝缘层3，在第一绝缘层3上设置隔离层4，在隔离层4上设置第二绝缘层5，在第二绝缘层5上设置的传感器电路层6。

实施例2

作为实施例1的优选，所述粘接层2为在金属基底上淀积的厚5～50nm的金属钛层。

所述第一绝缘层3为通过电子束蒸发在钛金属层上淀积的厚0.2～5 um的一层氧化铝。

所述隔离层4为通过原子层堆积在第一绝缘层3上淀积的厚10～500 nm 的一层氧化铝。

所述第二绝缘层5为通过电子束蒸发在隔离层4上淀积的厚0.2～5 um的一层氧化铝。

实施例3

作为实施例1的优选，在第二绝缘层5上面还可以设置保护层。保护层设置一层，第一保护层7为通过电子束蒸发在第二绝缘层5上淀积的厚0.2～5 um的一层氧化铝，第一保护层7不覆盖传感器电路层的焊盘10。

第一保护层7对传感器电路层进行保护，应对外界的刮擦、磨损等破坏，同时起到一定的绝缘能力。

实施例4

作为实施例2的优选，保护层设置两层，第二保护层8为通过原子层堆积在第一保护层7上淀积的厚10～500 nm的一层氧化铝，第二保护层不覆盖传感器电路层的焊盘10。

第二保护层8的作用是，既可以覆盖第一保护层7中的针孔，使得传感器保护层在接触金属的时候，不会出现传感器电路与金属之间的短路，同时也增加了整个保护层的机械强度。

实施例5

作为一种优选设计，如图1、2所示的，本实施例中保护层设置三层。

第三保护层9为通过电子束蒸发在第二保护层8上淀积的厚0.2～5 um的一层氧化铝，第三保护层不覆盖传感器电路层的焊盘10。

第三保护层9的作用是，进一步增加保护层的绝缘能力和机械强度，应对外界的恶劣条件。

实施例6

步骤五、通过电子束蒸发工艺在步骤四的绝缘层上淀积一层0.2～5 um的氧化铝绝缘层；

步骤七、借助金属掩膜版，通过电子束蒸发工艺在除传感器电路焊盘外的区域上，淀积一层0.2～5 um的氧化铝保护层；

上述工艺中，尽管通过电子束蒸发工艺（E-beam evaporation）制作的氧化铝（Al2O3）绝缘层中会存在针孔（pin hole），借助原子层堆积工艺（ALD）很强的台阶覆盖能力，通过该工艺制备的氧化铝隔离层会将针孔（pin hole）覆盖住，确保了传感器电路层与金属基底之间不会出现短路。同时通过原子层堆积工艺（ALD）制作的氧化铝绝缘层或保护层的厚度（10-500 nm）也在正常范围，不会产生大量的时间和成本。

本实用新型不因针孔的存在而排除电子束蒸发工艺制备的氧化铝绝缘层的使用价值，即使电子束蒸发工艺制备的氧化铝绝缘层中存在针孔，由于原子层堆积工艺制备的氧化铝的覆盖，也会实现绝缘；使得电子束蒸发工艺制备的氧化铝绝缘层在基于金属基底的薄膜传感器制备中发挥应有的价值。

解决了为满足高温条件下的使用，因原子层堆积工艺淀积足够厚度的绝缘层所需要的时间长，成本高的难题。原子层堆积工艺淀积的隔离层主要是用于覆盖电子束蒸发工艺制备的氧化铝绝缘层中的针孔，并不需要淀积到和电子束蒸发工艺制备的氧化铝绝缘层一样的厚度。

本实用新型三个关键创新点：绝缘层结构解决了单纯采用电子束蒸发淀积的氧化铝作为绝缘层中易出现针孔而不能实现绝缘功能的难题。同时也解决了满足高温条件而单纯采用原子层堆积淀积一定厚度绝缘层所花费的大量时间和成本问题。（通过原子层堆积淀积氧化铝的厚度10-500nm属于正常范围，是可以接受的）；绝缘层制备环境温度低，两种绝缘层的制备均在200℃以下的环境中进行，不会对传感器电路和金属基底的物理性能如强度等有所降低；结构中的绝缘层材料均为氧化铝,避免了不同绝缘材料因为热膨胀系数的不同而导致层与层之间出现裂纹影响其绝缘性能的缺点。

上述实施例仅仅作为对本实用新型技术方案的解释，并不能作为对本实用新型技术方案的限制，凡是在本实用新型基础上的简单改进，均属于本实用新型的保护范围。

Claims

1.一种基于金属基底的薄膜传感器的绝缘层结构，其特征在于：包括金属基底层，设置在金属基底层上的粘接层，在粘接层上的设置第一绝缘层，在第一绝缘层上设置隔离层，在隔离层上设置第二绝缘层，在第二绝缘层上设置的传感器电路层。

2.根据权利要求1所述的基于金属基底的薄膜传感器的绝缘层结构，其特征在于：所述粘接层为在金属基底上淀积的厚5～50nm的金属钛层。

3.根据权利要求1所述的基于金属基底的薄膜传感器的绝缘层结构，其特征在于：所述第二绝缘层和传感器电路层上设置保护层。

4.根据权利要求1所述的基于金属基底的薄膜传感器的绝缘层结构，其特征在于：所述第一绝缘层为通过电子束蒸发在粘接层上淀积的厚0.2～5 um的氧化铝层。

5.根据权利要求1所述的基于金属基底的薄膜传感器的绝缘层结构，其特征在于：所述隔离层为通过原子层堆积在第一绝缘层上淀积的厚10～500 nm 的氧化铝层。

6.根据权利要求1所述的基于金属基底的薄膜传感器的绝缘层结构，其特征在于：所述第二绝缘层为通过电子束蒸发在隔离层上淀积的厚0.2～5 um的氧化铝层。

7.根据权利要求3所述的基于金属基底的薄膜传感器的绝缘层结构，其特征在于：所述保护层包括第一保护层，第一保护层为通过电子束蒸发在第二绝缘层上淀积的厚0.2～5um的氧化铝层，第一保护层不覆盖传感器电路层的焊盘。

8.根据权利要求7所述的基于金属基底的薄膜传感器的绝缘层结构，其特征在于：所述保护层还包括第二保护层，第二保护层为通过原子层堆积在第一保护层上淀积的厚10～500 nm的氧化铝层，第二保护层不覆盖传感器电路层的焊盘。

9.根据权利要求8所述的基于金属基底的薄膜传感器的绝缘层结构，其特征在于：所述保护层还包括第三保护层，第三保护层为通过电子束蒸发在第二保护层上淀积的厚0.2～5um的氧化铝层，第三保护层不覆盖传感器电路层的焊盘。