CN110017911B - 自校准温度传感器芯片及其制备方法 - Google Patents

自校准温度传感器芯片及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种自校准温度传感器芯片及其制备方法。该自校准温度传感器芯片包括衬底、至少一种相变材料、测温电阻以及加热电阻，衬底具有相对的第一表面和第二表面，衬底还具有与第一表面连通的至少一个凹槽；各凹槽中密封设置有一种相变材料，各相变材料具有不同的相变温度；测温电阻与第二表面连接；加热电阻与第一表面连接，并靠近凹槽设置，用于加热相变材料。利用上述自校准温度传感器芯片能够在不破坏传感器结构的情况下进行温度自校准，实现温度检测的准确性，避免长期工作后出现测温不准确的情况发生。

Description

自校准温度传感器芯片及其制备方法
技术领域
本发明涉及微纳米制造领域，具体而言，涉及一种自校准温度传感器芯片及其制备方法。
背景技术
温度传感器在生产生活中的应用已随处可见，发动机、各种仪器设备、电子产品等都需要实时监测温度，确保仪器设备的长期稳定工作。
然而，目前的航空航天、核工业、航海、地下勘探等行业的设备往往具有长时间运行，不容易更换或者拆卸等情况。其所用的温度传感器也随即存在以下问题：温度传感器在长期使用后，内部材料性能参数发生变化，会出现测量上的偏差，对于精密控温这样的要求无法达到；这些温度传感器在设备内部不易拆卸或不能拆卸，传感器测量不准确时不方便去校准计量。本发明将会解决此类问题。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种自校准温度传感器芯片及其制备方法，以解决现有技术中温度传感器无法实现长时间精确测温的问题。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种自校准温度传感器芯片，包括：衬底，具有相对的第一表面和第二表面，衬底具有与第一表面连通的至少一个凹槽；至少一种相变材料，各凹槽中密封设置有一种相变材料，各相变材料具有不同的相变温度；测温电阻，与第二表面连接；加热电阻，与第一表面连接，并靠近凹槽设置，用于加热相变材料。
进一步地，凹槽包括第一凹槽和第二凹槽，第一凹槽中填充的相变材料的相变温度为0～100℃，第二凹槽中填充的相变材料的相变温度为0～200℃。
进一步地，各相变材料独立地选自镓基合金、铜镓合金和镓铟锡合金中的任一种。
进一步地，各凹槽的容积相等。
进一步地，加热电阻的材料和测温电阻的材料独立地选自铂、铜、镍和铁中的任一种或多种。
进一步地，自校准温度传感器芯片还包括设置于第一表面的第一保护层，第一保护层具有至少一个第一通孔，第一通孔与凹槽一一对应连通，加热电阻通过第一保护层与第一表面连接，优选第一保护层选自Si3N4、SiO2、SiC、Au、Al和Ni中任一种。
进一步地，自校准温度传感器芯片还包括设置于第二表面的第二保护层，测温电阻通过第二保护层与第二表面连接，优选第二保护层选自Si3N4、SiO2和SiC中任一种。
进一步地，自校准温度传感器芯片还包括：键合层，设置于衬底具有第一表面的一侧，键合层具有至少一个第二通孔，第二通孔与凹槽一一对应连通；密封材料，填充于第二通孔中，用于将相变材料密封在凹槽中，优选密封材料选自聚乙烯、聚酰亚胺和玻璃中的任一种或多种。
根据本发明的另一方面，提供了一种上述的自校准温度传感器芯片的制备方法，包括以下步骤：在衬底中形成至少一个凹槽，各凹槽与衬底的第一表面连通；在衬底的第二表面上连接设置测温电阻，并在衬底的第一表面上连接设置加热电阻，第二表面与第一表面相对设置；在凹槽中填充相变材料，并将相变材料密封于凹槽中，位于各凹槽中的相变材料具有不同的相变温度。
进一步地，在形成凹槽的步骤之前，上述制备方法还包括在第一表面形成第一保护层的步骤，形成凹槽的步骤包括：在第一保护层中形成至少一个第一通孔；在衬底中形成与第一通孔一一对应的凹槽，使凹槽与第一通孔连通，在设置加热电阻的步骤中，在第一保护层表面形成加热电阻。
进一步地，在形成凹槽的步骤之前，上述制备方法还包括在第二表面形成第二保护层的步骤，在设置测温电阻的步骤中，在第二保护层表面形成测温电阻。
进一步地，在填充相变材料的步骤之前，上述制备方法还包括以下步骤：在第一保护层表面形成键合层；在键合层中形成第二通孔，且使第二通孔与第一通孔连通，在填充相变材料的步骤中，通过第二通孔向凹槽中填充相变材料，以使相变材料全部位于凹槽中，或相变材料全部位于凹槽和第一通孔中；在密封相变材料的步骤中，在第二通孔中填充密封材料，以将相变材料密封，优选采用微流控技术将相变材料注入凹槽中。
应用本发明的技术方案，提供了一种自校准温度传感器芯片，该自校准温度传感器芯片中的加热电阻和测温电阻独立地位于衬底的两侧，加热电阻起到加热器件的作用，在自校准过程中提供热源，测温电阻作为感温元件，在测量和自校准的过程中起着检测温度和检测电阻的作用，相变材料在衬底的凹槽中。传感器需要自校准时，启动热源加热，相变材料吸收热量后发生物理状态变化，由于相变材料的特性，材料自身的温度在相变完成前几乎维持不变，形成一个宽的温度平台，而这个温度值对特定的材料是已经明确的，从而利用这个较长时间稳定的温度值，可以完成感温元件的校准。利用上述自校准温度传感器芯片能够在不破坏传感器结构的情况下进行温度自校准，实现温度检测的准确性，避免长期工作后出现测温不准确的情况发生。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1示出了本发明实施方式所提供的一种自校准温度传感器芯片的剖面结构示意图；
图2示出了在本申请实施方式所提供的自校准温度传感器芯片的制备方法中，在衬底的第一表面形成第一保护层并在衬底的第二表面形成第二保护层后的基体立体结构示意图；
图3示出了在图2所示的第一保护层中形成至少一个第一通孔后的基体立体结构示意图；
图4示出了在图3所示的衬底中形成与第一通孔一一对应的凹槽后的基体立体结构示意图；
图5示出了在图4所示的衬底的第一表面上连接设置加热电阻后的基体立体结构示意图；
图6示出了在图5所示的衬底的第二表面上连接设置测温电阻后的基体立体结构示意图；
图7示出了在图6所示的凹槽中填充相变材料并将相变材料密封于凹槽中后的基体立体结构示意图。
其中，上述附图包括以下附图标记：
10、衬底；110、凹槽；20、第一保护层；210、第一通孔；30、第二保护层；40、键合层；410、第二通孔；50、相变材料；60、密封材料；70、测温电阻；80、加热电阻。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、***、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
正如背景技术中所介绍的，现有技术中的温度传感器存在以下问题：温度传感器在长期使用后，内部材料性能参数发生变化，会出现测量上的偏差，对于精密控温这样的要求无法达到；一些传感器在设备内部不易拆卸或不能拆卸，传感器测量不准确时更换不方便。
本发明的发明人针对上述问题进行研究，提出了一种自校准温度传感器芯片，如图1所示，包括衬底10、至少一种相变材料50、测温电阻70和加热电阻80，衬底10具有相对的第一表面和第二表面，衬底10具有与第一表面连通的至少一个凹槽110；各凹槽110中密封设置有一种相变材料50，各相变材料50具有不同的相变温度；测温电阻70与上述第二表面连接，加热电阻80与上述第一表面连接，并靠近上述凹槽设置，用于加热凹槽中的相变材料50。
上述自校准温度传感器芯片中的加热电阻和测温电阻独立地位于衬底的两侧，加热电阻起到加热器件的作用，在自校准过程中提供热源，测温电阻作为感温元件，在测量和自校准的过程中起着检测温度和检测电阻的作用，相变材料在衬底的凹槽中。传感器需要自校准时，启动热源加热，相变材料吸收热量后发生物理状态变化，由于相变材料的特性，材料自身的温度在相变完成前几乎维持不变，形成一个宽的温度平台，而这个温度值对特定的材料是已经明确的，从而利用这个较长时间稳定的温度值，可以完成感温元件的校准。利用上述自校准温度传感器芯片能够在不破坏传感器结构的情况下进行温度自校准，实现温度检测的准确性，避免长期工作后出现测温不准确的情况发生。
在本发明的上述自校准温度传感器芯片中，凹槽110包括第一凹槽和第二凹槽，优选地，第一凹槽中填充的相变材料50的相变温度为0～100，第二凹槽中填充的相变材料50的相变温度为0～200；并且，优选地，上述各相变材料50独立地选自镓基合金、铜镓合金和镓铟锡合金中的任一种，但并不局限于上述优选的种类，本领域技术人员可以根据现有技术对上述相变材料50种类进行合理选取。
在本发明的上述自校准温度传感器芯片中，为了简化工艺，优选地，上述各凹槽110的容积相等。上述各凹槽110也可以具有不同的容积，本领域技术人员可以根据实际需求进行合理选取。
在本发明的上述自校准温度传感器芯片中，本领域技术人员可以根据现有技术对上述加热电阻80和上述测温电阻70的材料进行合理选取，如上述加热电阻80的材料和上述测温电阻70的材料独立地选自铂、铜、镍和铁中的任一种或多种。
本发明的上述自校准温度传感器芯片还可以包括设置于第一表面的第一保护层20，如图1所示，该第一保护层具有至少一个第一通孔210，第一通孔210与凹槽110一一对应连通。上述第一保护层起到保护衬底10及其中相变材料50的作用。此时，上述加热电阻80通过第一保护层20与衬底10的第一表面连接。
为了起到更好地保护作用，上述第一保护层20可以选自Si3N4、SiO2和SiC等介质薄膜，或选自Au、Al、Ni等金属薄膜。但并不局限于上述优选的种类，本领域技术人员可以根据现有技术对上述第一保护层20的种类进行合理选取。
本发明的上述自校准温度传感器芯片还可以包括设置于第二表面的第二保护层30，如图1所示，此时，上述测温电阻70通过第二保护层30与第二表面连接。上述第二保护层30同样起到保护衬底10及其中相变材料50的作用。
为了起到更好地保护作用，上述第二保护层30可以选自Si3N4、SiO2和SiC等介质薄膜。但并不局限于上述优选的种类，本领域技术人员也可以根据现有技术对上述第二保护层30的种类进行合理选取。
优选地，本发明的上述自校准温度传感器芯片还包括键合层40和密封材料60，如图1所示，键合层40设置于衬底10具有第一表面的一侧，键合层40具有至少一个第二通孔410，第二通孔410与凹槽110一一对应连通；密封材料60填充于第二通孔410中，用于将相变材料50密封在凹槽110中。
形成上述键合层40的键合技术可以采用硅/玻璃静电键合、硅/硅直接键合以及玻璃焊料烧结等，此时上述相变材料50可以通过在形成的键合层40中开孔，并通过微流控技术注入到衬底10的凹槽内，之后用密封材料60将键合层40中的开孔密封。
为了保证密封效果，优选地，上述密封材料60选自聚乙烯、聚酰亚胺和玻璃中的任一种或多种。但并不局限于上述优选的种类，本领域技术人员也可以根据现有技术对上述密封材料60的种类进行合理选取。
根据本发明的另一方面，还提供了一种上述的自校准温度传感器芯片的制备方法，如图2至图7所示，包括以下步骤：在衬底10中形成至少一个凹槽110，各凹槽110与衬底10的第一表面连通；在衬底10的第二表面上连接设置测温电阻70，并在第一表面上连接设置加热电阻80，第二表面与第一表面相对设置；在凹槽110中填充相变材料50，并将相变材料50密封于凹槽110中，位于各凹槽110中的相变材料50具有不同的相变温度。
下面将更详细地描述根据本发明提供的自校准温度传感器芯片的制备方法的示例性实施方式。然而，这些示例性实施方式可以由多种不同的形式来实施，并且不应当被解释为只限于这里所阐述的实施方式。应当理解的是，提供这些实施方式是为了使得本申请的公开彻底且完整，并且将这些示例性实施方式的构思充分传达给本领域普通技术人员。
首先，执行步骤S1：在衬底10中形成至少一个凹槽110，各凹槽110与衬底10的第一表面连通，如图2和图3所示。可以采用现有技术中常规的刻蚀工艺刻蚀上述衬底10，以在衬底10中形成凹槽110，本领域技术人员可以根据现有技术对上述刻蚀工艺的工艺条件进行合理设定。
在上述步骤S1之前，本发明的上述制备方法还可以包括以下步骤：在衬底10的第一表面形成第一保护层20，并在上述衬底10的第二表面形成第二保护层30，如图2所示。上述第一保护层20和上述第二保护层30均起到保护衬底10及其中相变材料50的作用。本领域技术人员可以采用现有技术中常规的沉积工艺形成上述第一保护层20和上述第二保护层30，如PECVD、LPCVD等。
此时，上述步骤S1包括：在第一保护层20中形成至少一个第一通孔210，如图3所示；在衬底10中形成与第一通孔210一一对应的凹槽110，使凹槽110与第一通孔210连通，如图4所示。本领域技术人员可以采用现有技术中常规的图形化工艺形成上述第一通孔210，在此不再赘述。
在完成上述步骤S1之后，执行步骤S2：在衬底10的第二表面上连接设置测温电阻70，并在第一表面上连接设置加热电阻80，第二表面与第一表面相对设置，如图5和图6所示。上述加热电阻80用于加热后续填充于凹槽110中的相变材料50，在自校准过程中提供热源，上述测温电阻70作为感温元件，在测量和自校准的过程中起着检测温度和检测电阻的作用。
当衬底10的第一表面形成有第一保护层20时，在上述步骤S2中，在该第一保护层20表面形成上述加热电阻80，如图5所示；并且，当衬底10的第二表面形成有第二保护层30时，在上述步骤S2中，在第二保护层30表面形成上述测温电阻70，如图6所示。本领域技术人员可以采用现有技术中常规的沉积工艺，在衬底10、第一保护层20和/或第二保护层30的表面形成上述测温电阻70和加热电阻80，在此不再赘述。
在完成上述步骤S2之后，执行步骤S3：在凹槽110中填充相变材料50，并将相变材料50密封于凹槽110中，位于各凹槽110中的相变材料50具有不同的相变温度，如图7所示。
在一种优选的实施方式中，在上述步骤S2与上述步骤S3之间，本发明的上述制备方法还包括以下步骤：在第一保护层20表面形成键合层40；在键合层40中形成第二通孔410，且使第二通孔410与第一通孔210连通。形成的上述键合层40还覆盖于加热电阻80表面。
此时，上述步骤S3包括：通过第二通孔410向凹槽110中填充相变材料50，以使相变材料50全部位于凹槽110中，或相变材料50全部位于凹槽110和第一通孔210中；在第二通孔410中填充密封材料60，以将相变材料50密封，如图7所示。
在上述优选的实施方式中，可以采用硅/玻璃静电键合、硅/硅直接键合以及玻璃焊料烧结等键合技术形成上述键合层40，并通过在形成的键合层40中开孔，以形成上述用于通入相变材料50的第二通孔410。更为优选地，采用微流控技术将上述相变材料50注入凹槽110中。
然而需要注意的是，本发明所提供的上述制备方法并不局限于上述工艺顺序，如可以先在衬底10上设置测温电阻70和加热电阻80，然后再在衬底10中形成凹槽110，并将相变材料50填充于凹槽110；也可以先在衬底10中形成凹槽110，然后将相变材料50填充于凹槽110，再在衬底10上分别设置测温电阻70和加热电阻80。
下面将结合实施例进一步解释本发明的上述自校准温度传感器芯片及其制备方法。
实施例1
本实施例所提供的自校准温度传感器芯片利用微机电***(MEMS)制作工艺，其制备方法包括以下步骤：
采用PECVD或LPCVD在硅衬底的第一表面形成第一保护层，并在硅衬底的第二表面形成第二保护层；然后采用图形化工艺刻蚀保护层，形成贯穿第一保护层的第一通孔，并利用刻蚀工艺腐蚀硅衬底，以在衬底中形成两个等体积的凹槽；然后在上述第一保护层表面沉积金属形成加热电阻，并在第二保护层表面沉积金属形成测温电阻；之后利用采用硅/玻璃静电键合、硅/硅直接键合或玻璃焊料烧结的键合工艺实现上述第一保护层与键合材料之间紧密结合，以形成键合层；然后在键合材料上开孔形成第二通孔，并用微流控技术将相变材料注入到基底凹槽内，之后用密封材料将开口密封。
从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：
采用上述自校准温度传感器芯片，在传感器需要自校准时，启动热源加热，相变材料吸收热量后发生物理状态变化，由于相变材料的特性，材料自身的温度在相变完成前几乎维持不变，形成一个宽的温度平台，而这个温度值对特定的材料是已经明确的，从而利用这个较长时间稳定的温度值，可以完成感温元件的校准。利用上述自校准温度传感器芯片能够在不破坏传感器结构的情况下进行温度自校准，实现温度检测的准确性，避免长期工作后出现测温不准确的情况发生。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种自校准温度传感器芯片，其特征在于，包括：
衬底(10)，具有相对的第一表面和第二表面，所述衬底(10)具有与所述第一表面连通的多个凹槽(110)；
多种相变材料(50)，各所述凹槽(110)中密封设置有一种所述相变材料(50)，各所述相变材料(50)具有不同的相变温度；
测温电阻(70)，与所述第二表面连接；
加热电阻(80)，与所述第一表面连接，并靠近所述凹槽设置，用于加热所述相变材料(50)。
2.根据权利要求1所述的自校准温度传感器芯片，其特征在于，所述凹槽(110)包括第一凹槽和第二凹槽，所述第一凹槽中填充的所述相变材料(50)的相变温度为0～100℃，所述第二凹槽中填充的所述相变材料(50)的相变温度为0～200℃。
3.根据权利要求1或2所述的自校准温度传感器芯片，其特征在于，各所述相变材料(50)独立地选自镓基合金、铜镓合金和镓铟锡合金中的任一种。
4.根据权利要求1或2所述的自校准温度传感器芯片，其特征在于，各所述凹槽(110)的容积相等。
5.根据权利要求1所述的自校准温度传感器芯片，其特征在于，所述加热电阻(80)的材料和所述测温电阻(70)的材料独立地选自铂、铜、镍和铁中的任一种或多种。
6.根据权利要求1所述的自校准温度传感器芯片，其特征在于，所述自校准温度传感器芯片还包括设置于所述第一表面的第一保护层(20)，所述第一保护层(20)具有至少一个第一通孔(210)，所述第一通孔(210)与所述凹槽(110)一一对应连通，所述加热电阻(80)通过所述第一保护层(30)与所述第一表面连接，优选所述第一保护层(20)选自Si3N4、SiO2、SiC、Au、Al和Ni中任一种。
7.根据权利要求1所述的自校准温度传感器芯片，其特征在于，所述自校准温度传感器芯片还包括设置于所述第二表面的第二保护层(30)，所述测温电阻(70)通过所述第二保护层(30)与所述第二表面连接，优选所述第二保护层(30)选自Si3N4、SiO2和SiC中任一种。
8.根据权利要求1所述的自校准温度传感器芯片，其特征在于，所述自校准温度传感器芯片还包括：
键合层(40)，设置于所述衬底(10)具有所述第一表面的一侧，所述键合层(40)具有至少一个第二通孔(410)，所述第二通孔(410)与所述凹槽(110)一一对应连通；
密封材料(60)，填充于所述第二通孔(410)中，用于将所述相变材料(50)密封在所述凹槽(110)中，优选所述密封材料(60)选自聚乙烯、聚酰亚胺和玻璃中的任一种或多种。
9.一种权利要求1至8中任一项所述的自校准温度传感器芯片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
在衬底(10)中形成多个凹槽(110)，各所述凹槽(110)与所述衬底(10)的第一表面连通；
在所述衬底(10)的第二表面上连接设置测温电阻(70)，并在所述第一表面上连接设置加热电阻(80)，所述第二表面与第一表面相对设置；
在所述凹槽(110)中填充相变材料(50)，并将所述相变材料(50)密封于所述凹槽(110)中，位于各所述凹槽(110)中的所述相变材料(50)具有不同的相变温度。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，在形成所述凹槽(110)的步骤之前，所述制备方法还包括在所述第一表面形成第一保护层(20)的步骤，形成所述凹槽(110)的步骤包括：
在所述第一保护层(20)中形成至少一个第一通孔(210)；
在所述衬底(10)中形成与所述第一通孔(210)一一对应的凹槽(110)，使所述凹槽(110)与所述第一通孔(210)连通，
在设置所述加热电阻(80)的步骤中，在所述第一保护层(20)表面形成所述加热电阻(80)。
11.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，在形成所述凹槽(110)的步骤之前，所述制备方法还包括在所述第二表面形成第二保护层(30)的步骤，在设置所述测温电阻(70)的步骤中，在所述第二保护层(30)表面形成所述测温电阻(70)。
12.根据权利要求10所述的制备方法，其特征在于，在填充所述相变材料(50)的步骤之前，所述制备方法还包括以下步骤：
在所述第一保护层(20)表面形成键合层(40)；
在所述键合层(40)中形成第二通孔(410)，且使所述第二通孔(410)与所述第一通孔(210)连通，
在填充所述相变材料(50)的步骤中，通过所述第二通孔(410)向所述凹槽(110)中填充所述相变材料(50)，以使所述相变材料(50)全部位于所述凹槽(110)中，或所述相变材料(50)全部位于所述凹槽(110)和所述第一通孔(210)中；
在密封所述相变材料(50)的步骤中，在所述第二通孔(410)中填充密封材料(60)，以将所述相变材料(50)密封，优选采用微流控技术将所述相变材料(50)注入所述凹槽(110)中。
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