一种基于碳化硅薄膜结构的多功能传感器及其制作方法.pdf

本发明涉及一种基于碳化硅薄膜结构的多功能传感器，其包括硅膜(1)、硅基(2)、碳化硅薄膜(3)和铂电阻器，其中碳化硅薄膜(3)由硅膜(1)和硅基(2)密封在一个真空腔内，碳化硅薄膜(3)由四根折叠梁(6)支撑，碳化硅薄膜(3)的上下表面各制备一层金电极，其特征在于：碳化硅薄膜(3)的上金电极与硅膜(1)形成上电容，碳化硅薄膜(3)的下金电极与硅基(2)形成下电容，在基于碳化硅薄膜结构的多功能传感器内部还设有以上下电容作为电容器的电容测量电路,在硅膜(1)的支撑位置处设有温度传感器(5)。本发明涉及的多功能传感器，不但原理简单，成本较低，更为重要的是能够实现温度、压力、振动三种环境量的同时测量。

权利要求书
1.  一种基于碳化硅薄膜结构的多功能传感器，其包括硅膜(1)、硅基(2)、碳化硅薄膜(3)和铂电阻器，其中碳化硅薄膜(3)由硅膜(1)和硅基(2)密封在一个真空腔内，碳化硅薄膜(3)由四根折叠梁(6)支撑，碳化硅薄膜(3)的上下表面各制备一层金电极(41、42)，其特征在于：碳化硅薄膜(3)的上金电极(41)与硅膜(1)形成上电容，碳化硅薄膜(3)的下金电极(42)与硅基(2)形成下电容，在基于碳化硅薄膜结构的多功能传感器内部还设有以上下电容作为电容器的电容测量电路,在硅膜(1)的支撑位置处设有温度传感器(5)。

2.  根据权利要求1所述的基于碳化硅薄膜结构的多功能传感器，其特征在于：所述多功能传感器工作在闭环模式下：当硅膜(1)无压力无振动时，碳化硅薄膜(3)位于硅膜(1)与硅基(2)的中间位置；当硅膜(1)受到外界压力，向下弯曲时，硅膜(1)与碳化硅薄膜(3)之间距离减小导致上电容增大而下电容不变，电容测量电路检测到两者容值差别变化，对硅基(2)和碳化硅薄膜(3)的下金电极之间施加电压，迫使碳化硅薄膜(3)产生位移，改变其与硅膜(1)、硅基(2)的位置，使得上下电容重新相等，其中，电容测量电路施加的电压随着硅膜(1)所受压力增加而增大，因此测量电压的大小即可获得压力值。

3.  根据权利要求2所述的基于碳化硅薄膜结构的多功能传感器，其特征在于：所述多功能传感器遇到垂直方向的振动时，碳化硅薄膜(3)的上下位置发生变化，而硅膜(1)位置不变，上下电容发生各自相反的变化，由此识别振动还是压力。

4.  根据权利要求3所述的基于碳化硅薄膜结构的多功能传感器，其特征在于：所述电容测量电路优先为RC振荡电路，由电容变化改变方波的频率值，通过测量其频率值得到电容值。

5.  根据权利要求4所述的基于碳化硅薄膜结构的多功能传感器，其特征在于：所述的四根折叠梁(6)为一种带呈微漏板环形结构图案而形成一种带弹性的碳化硅薄膜。

6.  根据权利要求5所述的基于碳化硅薄膜结构的多功能传感器，其特征在于：碳化硅薄膜(3)使用化学气相沉积(CVD)工艺沉积而得。

7.  根据权利要求6所述的基于碳化硅薄膜结构的多功能传感器，其特征在于：所述碳化硅薄膜(3)为具有立方结构的β-碳化硅薄膜，电阻率大于105Ω·cm。

8.  根据权利要求7所述的基于碳化硅薄膜结构的多功能传感器，其特征在于：所述硅膜(1)为多晶硅，所述硅基(2)的切向有100，111，110，001。

9.  根据权利要求8所述的基于碳化硅薄膜结构的多功能传感器，其特征在于：所述上下金电极使用热蒸发、磁控溅射工艺制备。

10.  一种制作上述权利要求1-9中任一项的多功能传感器的制作方法，其步骤如下：
(1)在一块硅基(2)表面使用磁控溅射制备一层金膜，然后使用化学气相沉积(CVD)沉积一层β相碳化硅薄膜(3)，再使用磁控溅射制备一层金膜；使用光刻工艺制备一个聚合物光刻胶的漏板图案；使用等离子刻蚀工艺依次刻蚀掉金、碳化硅、金，得到碳化硅微结构图案；使用等离子刻蚀工艺刻蚀碳化硅下方的硅基，刻蚀深度12μm，得到硅基(2)与碳化硅薄膜(3)；
(2)使用旋涂工艺在另一块硅基(2)表面沉积一层1μm厚的光刻胶；使用曝光显影技术，去除部分区域的光刻胶，得到铂金属线条图案的形状，在该形状外部，器件表面被光刻胶覆盖，而在形状内部器件表面暴露出来；使用漏板掩盖器件上表面，仅露出该图案所在的区域；使用磁控溅射工艺在未被掩盖的区域沉积一层100nm厚的铂薄膜，在形状外部的铂薄膜沉积在光刻胶上，在形状内部的薄膜沉积在器件表面；将器件沉浸在三氯甲烷中20min，光刻胶被三氯甲烷溶解，光刻胶表面的铂薄膜脱落，只保留了形状内部的铂，从而得到铂金属线条图案。使用超声波压焊工艺，将直径50μm的硅铝合金丝焊接在线条图案两端的电极上，再将合金丝的另一端焊接在外电路上，温度传感器制备完成；
(3)将步骤二制得的硅基(2)的一面上沉积10μm的多晶硅薄膜；在另一面上使用光刻工艺，制备掩模，将硅基(2)表面的一部分区域露出，其他区域被掩盖；然后进行等离子刻蚀，硅基(2)露出的区域被完全刻蚀掉，露出另一面的多晶硅薄膜，得到硅膜(1)；
(4)在真空条件下，使用硅金共晶键合将步骤一制得硅基(2)与碳化硅薄膜(3)和步骤三制得的硅膜(1)与硅基(2)使用金硅共晶键合、共熔键合、静电键合、直接键合或焊烧键合在一起，得到整体器件。

说明书一种基于碳化硅薄膜结构的多功能传感器及其制作方法
技术领域
本发明涉及多功能传感器测量技术领域，具体涉及一种基于碳化硅薄膜结构的压力、振动和温度的多功能传感器。
背景技术
当前工业的发展对耐高温的压力、振动传感器的需求越来越大。普通硅器件难以在200℃以上的环境中可靠工作。碳化硅器件具有高熔点、较好的热稳定性，可承受高温，是高温器件的理想材料。
在油气开采设备、蒸汽轮机、燃煤锅炉等装备中，温度、压力和振动是三个非常重要的环境参数。实时准确地掌握上述参数对生产效率、安全生产具有重要的意义。现有的传感器大多只能测量其中某一个参数，为获得三个参数需要三个传感器，可能存在放置传感器的空间不够，传感器只能得到所在位置的数据，若环境参数在空间上存在较大的梯度变化，则带来一定的误差。
发明内容
为了解决上述出现的技术问题，本发明提供一种基于碳化硅薄膜结构的多功能传感器，其包括硅膜、硅基、碳化硅薄膜和铂电阻器，其中碳化硅薄膜由硅膜和硅基(密封在一个真空腔内，碳化硅薄膜由四根折叠梁支撑，碳化硅薄膜的上下表面各制备一层金电极，碳化硅薄膜的上金电极与硅膜形成上电容，碳化硅薄膜的下金电极与硅基形成下电容，在基于碳化硅薄膜结构的多功能传感器内部还设有电容测量电路,在硅膜(1)的支撑位置处设有温度传感器。
优选的是，所述多功能传感器工作在闭环模式下：当硅膜无压力无振动时，碳化硅薄膜位于硅膜与硅基的中间位置；当硅膜受到外界压力，向下弯曲时，硅膜与碳化硅薄膜之间距离减小导致上电容增大而下电容不变，电容测量电路检测到两者容值差别变化，对硅基和碳化硅薄膜的下金电极之间施加电压，迫使碳化硅薄膜产生位移，改变其与硅膜、硅基的位置，使得上下电容重新相等，其中，电容测量电路施加的电压随着硅膜所受压力增加而增大，因此测量电压的大小即可获得压力值。
优选的是，所述多功能传感器遇到垂直方向的振动时，碳化硅薄膜的上下位置发生变化，而硅膜位置不变，上下电容发生各自相反的变化，由此识别振动还是压力。
优选的是，所述电容测量电路优先为RC振荡电路，由电容变化改变方波的频率值，通过测量其频率值得到电容值。
优选的是，四根折叠梁为一种带呈微漏板环形结构图案而形成一种带弹性的碳化硅薄膜。
优选的是，碳化硅薄膜使用化学气相沉积(CVD)工艺沉积而得。
优选的是，所述碳化硅薄膜为具有立方结构的β-碳化硅薄膜，电阻率大于105Ω·cm。
优选的是，所述硅膜为多晶硅，所述硅基的切向有100，111，110，001。
优选的是，所述上下金电极可使用热蒸发、磁控溅射工艺制备。
优选的是，在硅膜的支撑位置处设有温度传感器。
本发明一种制作上述任一种多功能传感器的制作方法，其步骤如下：
(1)在一块硅基(2)表面使用磁控溅射制备一层金膜，然后使用化学气相沉积(CVD)沉积一层β相碳化硅薄膜(3)，再使用磁控溅射制备一层金膜；使用光刻工艺制备一个聚合物光刻胶的漏板图案；使用等离子刻蚀工艺依次刻蚀掉金、碳化硅、金，得到碳化硅微结构图案；使用等离子刻蚀工艺刻蚀碳化硅下方的硅基，刻蚀深度12μm，得到硅基(2)与碳化硅薄膜(3)；
(2)使用旋涂工艺在另一块硅基(2)表面沉积一层1μm厚的光刻胶；使用曝光显影技术，去除部分区域的光刻胶，得到铂金属线条图案的形状，在该形状外部，器件表面被光刻胶覆盖，而在形状内部器件表面暴露出来；使用漏板掩盖器件上表面，仅露出该图案所在的区域；使用磁控溅射工艺在未被掩盖的区域沉积一层100nm厚的铂薄膜，在形状外部的铂薄膜沉积在光刻胶上，在形状内部的薄膜沉积在器件表面；将器件沉浸在三氯甲烷中20min，光刻胶被三氯甲烷溶解，光刻胶表面的铂薄膜脱落，只保留了形状内部的铂，从而得到铂金属线条图案。使用超声波压焊工艺，将直径50μm的硅铝合金丝焊接在线条图案两端的电极上，再将合金丝的另一端焊接在外电路上，温度传感器制备完成；
(3)将步骤二制得的硅基(2)的一面上沉积10μm的多晶硅薄膜；在另一面上使用光刻工艺，制备掩模，将硅基(2)表面的一部分区域露出，其他区域被掩盖；然后进行等离子刻蚀，硅基(2)露出的区域被完全刻蚀掉，露出另一面的多晶硅薄膜，得到硅膜(1)；
(4)在真空条件下，使用硅金共晶键合将步骤一制得硅基(2)与碳化硅薄膜(3)和步骤三制得的硅膜(1)与硅基(2)使用金硅共晶键合、共熔键合、静电键合、直接键合或焊烧 键合在一起，得到整体器件。
本发明涉及的多功能传感器，不但原理简单，成本较低，更为重要的是能够实现温度、压力、振动三种环境量的同时测量。
附图说明
图1是本发明涉及的一种基于碳化硅薄膜结构的多功能传感器的结构图；
图2是本发明涉及的一种基于碳化硅薄膜结构的多功能传感器的压力测量示意图；
图3是本发明涉及的一种基于碳化硅薄膜结构的多功能传感器的加速度测量示意图；
图4是本发明涉及的一种基于碳化硅薄膜结构的多功能传感器的RC振荡电路电容测量电路；
图5是本发明涉及的一种基于碳化硅薄膜结构的多功能传感器中碳化硅微结构示意图。
图中标识为：1硅膜、2硅基、3碳化硅薄膜、41上金电极、42下金电极、5温度传感器、6折叠梁.
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，该实施例提供了一种基于碳化硅薄膜结构的多功能传感器，其包括硅膜1、硅基2、碳化硅薄膜3和铂电阻器，其中碳化硅薄膜3由硅膜1和硅基2密封在一个真空腔内，碳化硅薄膜3由四根折叠梁6支撑，碳化硅薄膜3的上下表面各制备一层金电极。碳化硅薄膜的上金电极41与硅膜1形成上电容，碳化硅薄膜的下金电极42与硅基2形成下电容。在硅膜1的支撑位置处设有温度传感器5。此外，在基于碳化硅薄膜结构的多功能传感器内部还设有电容测量电路。其中，所述硅膜1为多晶硅，所述硅基2可选择的切向有100，111，110，001，所述上下金电极可使用热蒸发、磁控溅射工艺制备，所述硅膜1、硅基2与碳化硅薄膜3使用金硅共晶键合、共熔键合、静电键合、直接键合或焊烧键合。
真空腔的大小无特别的要求，尺寸可以从100×100mm2到0.1×0.1mm2。
本实施例中的碳化硅薄膜3使用化学气相沉积(CVD)工艺沉积而得，其中的碳化硅微结构是使用半导体光刻工艺和等离子刻蚀工艺对碳化硅薄膜3加工而得，如图5所示，其四根折叠梁6为一种带呈微漏板环形结构图案而形成一种带弹性的碳化硅薄膜，。
所述碳化硅薄膜3为具有立方结构的β-碳化硅薄膜，电阻率大于105Ω·cm。
如图2、3所示，本实施例中的传感器工作在闭环模式下：当硅膜1无压力无振动时， 碳化硅薄膜3位于硅膜1与硅基2的中间位置，如图2或图3中的a状态表示；当硅膜1受到外界压力，向下弯曲时，如图2中b状态表示，硅膜1与碳化硅薄膜3之间距离减小导致上电容增大而下电容不变，电容测量电路检测到两者容值差别变化，对硅基2和碳化硅薄膜3的下金电极之间施加某一个电压，迫使碳化硅薄膜3产生位移，改变其与硅膜1、硅基2的位置，使得上下电容重新相等，如图2中的c状态表示。其中，电容测量电路施加的电压随着硅膜1所受压力增加而增大，因此测量电压的大小即可获得压力值。
传感器遇到垂直方向的振动时，碳化硅薄膜3的上下位置发生变化，而硅膜1位置不变，上下电容发生各自相反的变化，由此识别振动还是压力。
下面举例说明本实施例中传感器的工作方式：
压力测量模式：当无压力无振动时，碳化硅薄膜3位于硅膜1与硅基2中间位置，与硅膜1和硅基2表面各间隔12um；当硅膜1受到外界100kPa压力，向下弯曲，硅膜1与碳化硅薄膜3距离减小1μm，导致上电容增大1pF而下电容不变，电容测量电路检测到两者容值差别变化，采用PLD算法，最终对硅基3和碳化硅薄膜的下金电极之间施加13.4V电压，迫使碳化硅薄膜3产生向下0.5μm的位移，使得上下电容重新相等。电容测量电路根据电压的大小即可获得压力值。
振动测量模式：传感器遇到垂直方向2000g的振动时，碳化硅薄膜3的上下位置发生2μm的变化，而硅膜1的振动仅为0.01μm，可忽略不计，上下电容发生各自相反的变化，变化幅度为2pF，由此识别出振动并计算出振动加速度。
上述电容测量电路可使用RC振荡电路，RC振荡电路输出的方波信号可不失真地长距离传输。电容变化改变方波的频率值，通过测量其频率值得到电容值。
在这里给出RC振荡电路的例子，如图4所示：传感器的上下电容作为电容器，分别置于一个RC振荡电路中，电路工作时电容处于“充电-放电”的交替循环状态，电容电压因此处于“增加-减小”的交替循环状态。当电容电压大于一定值时，电路输出端输出高电平，当电容电压小于一定值时，电路输出端输出低电平，因此得到方波。方波的频率即为电容充放电的频率，与电容值有关。方波频率由频率计数器读取。当碳化硅薄膜发生上下相对位移时，上下电容的容值以及相应的方波频率发生相对变化。上下电容相同时，两者频率相同。上下电容差别越大，频率之间的差值越大。频率计数器可以是仪器，也可以是单片机等嵌入式系统的一个功能模块。工程应用中多采用单片机，读取两路方波频率后将两者相减即得到频率差，符合则由频率值比大小而知。
本实施例所涉及的上述基于碳化硅薄膜结构的多功能传感器，其制作过程如下：
(1)在一块硅基(2)表面使用磁控溅射制备一层金膜，然后使用化学气相沉积(CVD)沉积一层β相碳化硅薄膜(3)，再使用磁控溅射制备一层金膜；使用光刻工艺制备一个聚合物光刻胶的漏板图案；使用等离子刻蚀工艺依次刻蚀掉金、碳化硅、金，得到碳化硅微结构图案；使用等离子刻蚀工艺刻蚀碳化硅下方的硅基，刻蚀深度12μm，得到硅基(2)与碳化硅薄膜(3)；
(2)使用旋涂工艺在另一块硅基(2)表面沉积一层1μm厚的光刻胶；使用曝光显影技术，去除部分区域的光刻胶，得到铂金属线条图案的形状，在该形状外部，器件表面被光刻胶覆盖，而在形状内部器件表面暴露出来；使用漏板掩盖器件上表面，仅露出该图案所在的区域；使用磁控溅射工艺在未被掩盖的区域沉积一层100nm厚的铂薄膜，在形状外部的铂薄膜沉积在光刻胶上，在形状内部的薄膜沉积在器件表面；将器件沉浸在三氯甲烷中20min，光刻胶被三氯甲烷溶解，光刻胶表面的铂薄膜脱落，只保留了形状内部的铂，从而得到铂金属线条图案。使用超声波压焊工艺，将直径50μm的硅铝合金丝焊接在线条图案两端的电极上，再将合金丝的另一端焊接在外电路上，温度传感器制备完成；
(3)将步骤二制得的硅基(2)的一面上沉积10μm的多晶硅薄膜；在另一面上使用光刻工艺，制备掩模，将硅基(2)表面的一部分区域露出，其他区域被掩盖；然后进行等离子刻蚀，硅基(2)露出的区域被完全刻蚀掉，露出另一面的多晶硅薄膜，得到硅膜(1)；
(4)在真空条件下，使用硅金共晶键合将步骤一制得硅基(2)与碳化硅薄膜(3)和步骤三制得的硅膜(1)与硅基(2)使用金硅共晶键合、共熔键合、静电键合、直接键合或焊烧键合在一起，得到整体器件。
其温度传感器实质就是一个沉积在器件表面的铂金属线条图案，线条的两端有电极用于电气引线。
本发明的一个代表性实施例参照附图得到了详细的描述。这些详细的描述仅仅给本领域技术人员更进一步的相信内容，以用于实施本发明的优选方面，并且不会对本发明的范围进行限制。仅有权利要求用于确定本发明的保护范围。因此，在前述详细描述中的特征和步骤的结合不是必要的用于在最宽广的范围内实施本发明，并且可替换地仅对本发明的特别详细描述的代表性实施例给出教导。此外，为了获得本发明的附加有用实施例，在说明书中给出教导的各种不同的特征可通过多种方式结合，然而这些方式没有特别地被例举出来。