TW202134611A - 高速導熱感測器 - Google Patents

Abstract

本發明為一種高速導熱感測器，包括一隔離層內包覆有一熱感應薄膜以及二第一電極層，其中二第一電極層更分別設置於熱敏感應層兩側，以及二第二電極層分別連接第一電極層，且第二電極層外露於隔離層外以連接一電路板，將熱感應薄膜的訊號引導至電路板。鑑此，本發明透過特殊結構或材料能有效提升導熱效率，以提供偵測細微的溫度變化，且能相對使散熱效率提升，可避免高速導熱感測器積熱導致測溫速度變慢、溫度偵測的準確度降低或燒毀等風險。

Description

高速導熱感測器

本發明係有關一種熱敏感測器，特別是指一種能快速導及散熱之高速導熱感測器。

溫度感測器為一種可將溫度轉換成可量測的訊號，以量測溫度之機器。目前見的溫度感測器包括有熱電偶溫度感測器、電阻溫度感測器(Resistance Temperature Detector，RTD)與熱敏電阻溫度感測器。

熱電偶溫度感測屬於被動式感測器，熱電偶溫度感測會隨著溫度的變化，產小幅度的電壓波動，令熱電偶溫度感測可透過電壓的數據對應估測出溫度。電阻溫度感測器與熱敏電阻溫度感測器，則是主動式的溫度感測器，經過電阻溫度感測器與熱敏電阻溫度感測器的電阻所發出的電壓或電流，會隨著溫度變化，因此操作者可透過量測電壓或電流，即可對應估測出目前的溫度。

以熱敏電阻溫度感測器來說，目前熱敏電阻溫度感測器因結構或材料的問題，使得導熱效率皆不佳，因此熱敏電阻溫度感測器無法有效地接收物體的熱能，使得熱能的偵測有極限。相對的，由於熱敏電阻溫度感測器導熱效果不佳，使得熱敏電阻溫度感測器也不容易散熱，以致於熱敏電阻溫度感測器可能因過熱造成測溫速度變慢、溫度偵測的準確度降低或燒毀等風險。

有鑑於此，本發明遂針對上述習知技術之缺失，提出一種高速導熱感測器，以有效克服上述之該等問題。

本發明之主要目的在提供一種高速導熱感測器，其透過特殊結構或材料能有效提升導熱效率，以偵測細微的溫度變化，且導熱效率高相對能使散熱效率提升，可避免高速導熱感測器積熱導致測溫速度變慢、溫度偵測的準確度降低或燒毀等風險。

本發明之另一目的在提供一種高速導熱感測器，其絕緣層之材料特性具穩定電性、高導熱、高散熱的能力，能匹配多種半導體金屬，在製程過程可配合多種不同材料的熱感應薄膜。

為達上述之目的，本發明係提供一種高速導熱感測器，包括一隔離層，隔離層內包覆有一熱感應薄膜以及二第一電極層，二第一電極層更分別設置於熱敏感應層兩側的電極，以引導出熱感應薄膜之訊號。

在本實施例中，高速導熱感測器更包括二第二電極層，分別連接第一電極層，且第二電極層外露於隔離層外。

在本實施例中，二第二電極層更連接至一電路板，電路板上更設有至少一散熱單元。

在本實施例中，其中散熱單元可為散熱穿孔。

在本實施例中，其中散熱單元可為金屬塊。

在本實施例中，其中第二電極層以及電路板之間更設有一連接單元，以將第二電極層連接於電路板上。

在本實施例中，高速導熱感測器更包括一基板相鄰設置於隔離層，以支撐隔離層。

在本實施例中，其中基板可為矽基板、藍寶石(sapphire)基板、氮化鋁(AlN)基板、氧化鋁(Al2O3)基板或氮化矽(Si3N4)基板。

在本實施例中，其中隔離層可為氮化鋁(AlN)隔離層、氮化矽(Si3N4)隔離層或氧化鋁(Al₂ O₃ )隔離層。

在本實施例中，其中熱感應薄膜可為氧化釩(VOx)熱感應薄膜、氧化錳熱感應薄膜、氧化鎳熱感應薄膜或氧化鈷熱感應薄膜。

底下藉由具體實施例詳加說明，當更容易瞭解本發明之目的、技術內容、特點及其所達成之功效。

本發明為一種高速導熱感測器，其能提升導熱效率，以偵測細微的溫度變化，且導熱效率高相對能使散熱效率提升，可避免高速導熱感測器積熱導致測溫速度變慢及溫度偵測的準確度降低。

為了能瞭解本發明的結構設計，在此詳述高速導熱感測器1之結構，請配合參照第一圖與第二圖，高速導熱感測器包括一基板10可為矽基板、藍寶石(sapphire)基板、氮化鋁(AlN)基板、氧化鋁(Al₂ O₃ )基板或氮化矽(Si3N4)基板。基板10上設有一隔離層12，在本實施例中隔離層12可為氮化鋁(AlN)隔離層、氮化矽(Si3N4)隔離層或氧化鋁(Al₂ O₃ )隔離層。隔離層12內包覆有一熱感應薄膜14，熱感應薄膜14可為氧化釩(VO_x )熱感應薄膜、氧化錳熱感應薄膜、氧化鎳熱感應薄膜或氧化鈷熱感應薄膜。

隔離層12內更包覆有二第一電極層16、16’，二第一電極層16、16’分別設置於熱敏感應層14的兩側電極，以引出熱敏感應層14感測熱能後所傳出之電訊號。在本實施例中，高速導熱感測器1更包括二第二電極層18、18’，分別與二第一電極層16、16’連接，第二電極層18、18’外露於隔離層12外，以引導電訊號至外部。其中第一電極層16、16’材料之功函數必須與熱敏感應層14之材料匹配，若無法與熱敏感應層14匹配，第一電極層16、16’與熱敏感應層14會產生較高之電位障(蕭特基效應)。詳細來說，若熱敏感應層14為P型的半導體材料，第一電極層16、16’就必須選擇功函數比P型的半導體材料稍大的材料，如半導體材料功函數為5.0電子伏特(eV)，金屬材料可選擇5.1電子伏特(eV)以上(如金、白金、鎳)；若熱敏感應層14為N型的半導體材料，第一電極層16、16’就必須選擇功函數比N型的半導體材料稍小的材料，如半導體材料功函數為5.0電子伏特(eV)，金屬材料可選擇4.9電子伏特(eV)以下(如鋁、銅、釩)。第二電極層18、18’主要為電性輸出可焊接或打線之金屬，因此第二電極層18、18’材料的選擇上可選用金、鋁或銅，通常使用成本較低的鋁或銅，能減少成本的支出。

請持續參照第一圖與第二圖，本實施例之高速導熱感測器1更包括一電路板20連接第二電極層18、18’，電路板20以及第二電極層18、18’之間係透過一連接單元22連接，在本實施例中，連接單元22可為錫球或銀膠，以透過錫焊及貼合的方式將電路板20與第二電極層18、18’互相連接。電路板20之結構更設有至少一散熱單元202，其中散熱單元202可為散熱穿孔、金屬塊或氮化鋁(AlN)散熱塊，如圖所示，本實施例舉例散熱單元202為散熱穿孔，散熱單元202的設置使熱能產生對流，令散熱更加快速，減少積熱而導致高速導熱感測器1測溫速度變慢、測溫準確度降低或器件燒毀等問題。

本實施例基板10及隔離層12的材質皆為高導熱的材料，因此當發熱源觸碰到高速導熱感測器1時，能快速並且完整地將熱能引導至熱感應薄膜14，令熱感應薄膜14能感應到攝氏0.05度以下的溫度誤差，因此高速導熱感測器1可應用生物辨識晶片，如心跳偵測等。且透過電路板20之散熱單元202的設置，能使熱能產生對流，以達到快速散熱的目的，避免高速導熱感測器1積熱導致測溫速度變慢，或溫度偵測的準確度降低等問題。

接著請參照第三圖與第四圖，以說明本發明之第二實施例，本實施例之高速導熱感測器3包括一隔離層30，隔離層30內包覆有一熱感應薄膜32以及二第一電極層34、34’，二第一電極層34、34’分別連接在熱感應薄膜32的兩側電極，且二第一電極層34、34’更分別連接第二電極層36、36’，第二電極層36、36’外露於隔離層12外。第一電極層34、34’能引出熱敏感應層14感測熱能所傳出之電訊號至第二電極層36、36’，第二電極層36、36’則再將訊號在引導至一電路板38。

請持續參照第三圖與第四圖，電路板38以及第二電極層36、36’之間係透過一連接單元40連接，連接單元40可為錫球或銀膠，將電路板38與第二電極層36、36’互相連接。電路板38之結構更設有至少一散熱單元382，其中散熱單元382可為散熱穿孔、氮化鋁(AlN)散熱塊或金屬塊。第二實施例與上述第一實施例不同在於，在本實施例中未設置有基板，但本實施例將隔離層30的厚度增厚，使得隔離層30同時具有支撐的功效，能減少基板的設置。其他材質及功效皆與上述第一實施例相同，故不再重複贅述。

值得注意的是，上述第一實施例與第二實施例的熱感應薄膜14之材質可為VO_x ，由於第一實施例與第二實施例之材質使用方式皆相同，故在此僅舉例第一實施例作為舉例說明。請參照第五A圖至第五C圖，以詳細說明熱感應薄膜14之材質可為VO_x 的使用情況，當熱感應薄膜14的材質為VO_x 時，用來包覆隔離層12的材質就顯得相當重要，隔離層12僅能使用氮化鋁(AlN)或氮化矽(Si₃ N₄ )。首先請參照第五A圖與第五B圖，第五A圖為隔離層12使用氮化矽(Si₃ N₄ )時，熱感應薄膜輸出數據圖，第五B圖為隔離層12使用氮化鋁(AlN)時，熱感應薄膜輸出數據圖。如第五A圖與第五B圖所適，當隔離層12使用氮化矽(Si₃ N₄ )及氮化鋁(AlN)時，VO_x 材質的熱感應薄膜14輸出的電阻值(Rs)及溫度係數(temperature coefficient，TCR)變化都相當穩定。但當隔離層12之材質為氧化鋁(Al₂ O₃ )時，如第五C圖所示，VO_x 材質的熱感應薄膜14輸出的電阻值(Rs)及溫度係數(temperature coefficient，TCR)的變化皆不穩定。因此為了使熱感應薄膜14的材質為VO_x 時能合理的使用，隔離層12的材質必須選用氮化鋁(AlN)或氮化矽(Si₃ N₄ )，除了能有效導熱提升產品可靠度及溫度反應能力之外，且亦可承受表面安裝元件(surface-mount devices，SMD)的製程環境壓力及溫度等，也不會改變內部熱感應薄膜14之原始特性。

綜上所述，本發明能透過特殊結構或材料能有效提升導熱效率，以偵測細微的溫度變化，且導熱效率高相對能使散熱效率提升，可避免高速導熱感測器積熱導致測溫速度變慢、溫度偵測的準確度降低或燒毀等風險。且絕緣層之材料特性具穩定電性、高導熱、高散熱的能力，能匹配多種半導體金屬，在製程過程不易影響熱感應薄膜的結合。

唯以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍。故即凡依本發明申請範圍所述之特徵及精神所為之均等變化或修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。

1:高速導熱感測器 10:基板 12:隔離層 14:熱感應薄膜 16:第一電極層 16’:第一電極層 18:第二電極層 18’:第二電極層 20:電路板 202:散熱單元 22:連接單元 22’:連接單元 3:高速導熱感測器 30:隔離層 32:熱感應薄膜 34:第一電極層 34’:第一電極層 36:第二電極層 36’:第二電極層 38:電路板 382:散熱單元 40:連接單元 40’:連接單元

第一圖係為本發明第一實施例之前視圖。 第二圖係為本發明第一實施例之元件分解圖。 第三圖係為本發明第二實施例之前視圖。 第四圖係為本發明第二實施例之元件分解圖。 第五A圖至第五C圖係為本發明熱感應薄膜為氧化釩的輸出數據圖。

1:高速導熱感測器

10:基板

12:隔離層

14:熱感應薄膜

16:第一電極層

16’:第一電極層

18:第二電極層

18’:第二電極層

20:電路板

22:連接單元

22’:連接單元

Claims (11)

1. 一種高速導熱感測器，包括： 一隔離層； 一熱感應薄膜，包覆於該隔離層內；以及 二第一電極層，包覆於該隔離層內，且分別設置於該熱敏感應層之二電極。
2. 如請求項1所述之高速導熱感測器，更包括二第二電極層，分別連接該第一電極層，且該第二電極層外露於該隔離層外。
3. 如請求項2所述之高速導熱感測器，其中該二第二電極層更連接至一電路板，該電路板上更設有至少一散熱單元。
4. 如請求項3所述之高速導熱感測器，其中該散熱單元可為散熱穿孔。
5. 如請求項3所述之高速導熱感測器，其中該散熱單元可為金屬塊。
6. 如請求項3所述之高速導熱感測器，其中該散熱單元可為氮化鋁(AlN)散熱塊。
7. 如請求項3所述之高速導熱感測器，其中該第二電極層以及該電路板之間更設有一連接單元，以將該第二電極層連接於該電路板上。
8. 如請求項1所述之高速導熱感測器，更包括一基板相鄰設置於該隔離層，以支撐該隔離層。
9. 如請求項8所述之高速導熱感測器，其中該基板可為矽基板、藍寶石(sapphire)基板、氮化鋁(AlN)基板、氧化鋁(Al₂ O₃ )基板或氮化矽(Si₃ N₄ )基板。
10. 如請求項1所述之高速導熱感測器，其中該隔離層可為氮化鋁(AlN)隔離層、氮化矽(Si₃ N₄ )隔離層或氧化鋁(Al₂ O₃ )隔離層。
11. 如請求項1所述之高速導熱感測器，其中該熱感應薄膜可為氧化釩(VO_x )熱感應薄膜、氧化錳熱感應薄膜、氧化鎳熱感應薄膜或氧化鈷熱感應薄膜。

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