一种SiC热电堆型高温热流传感器制造技术

本实用新型专利技术提供一种SiC热电堆型高温热流传感器，包括：硅衬底，具有第一表面和第二表面，在第一表面上设有沟槽以及由沟槽围绕形成的平台区域；复合介质膜，覆盖沟槽及平台区域；隔热腔体，设于硅衬底中，由第二表面向内凹入，位于平台区域的部分复合介质膜下方；P型SiC薄膜电阻块及N型SiC薄膜电阻块，位于平台区域位置的复合介质膜上，且局部位于隔热腔体上方；绝缘介质层，覆盖P型SiC薄膜电阻块及N型SiC薄膜电阻块以及复合介质膜；金属图层，形成于绝缘介质层上，包括电极及引线，将P型SiC薄膜电阻块及N型SiC薄膜电阻块连接形成热电堆。本实用新型专利技术采用具有优异高温性能的单晶SiC作为热电材料，可实现高温恶劣环境中热流密度的快速、准确测量。

A SiC thermopile high temperature heat flow sensor

The utility model provides a SiC thermopile type high temperature heat flux sensor, which comprises a silicon substrate with a first surface and a second surface, a groove on the first surface and a platform area formed by a groove, a composite dielectric film covering a groove and a platform area, a heat insulation cavity arranged in a silicon substrate and a second surface. The P-type and N-type SiC thin film resistors are located on the composite dielectric film in the platform area and locally on the top of the insulating cavity. The insulating dielectric layer is covered with P-type and N-type SiC thin film resistors and composite dielectric film. The metal layer is formed on the insulating dielectric layer, including electrodes and leads. The P-type SiC thin film resistor block and the N-type SiC thin film resistor block are connected to form a thermopile. The utility model adopts single crystal SiC with excellent high temperature performance as thermoelectric material, which can realize rapid and accurate measurement of heat flux density in high temperature and harsh environment.

【技术实现步骤摘要】
一种SiC热电堆型高温热流传感器
本技术属于热流检测
，特别是涉及一种SiC热电堆型高温热流传感器。
技术介绍
自然界和生产过程中，存在着大量的热量传递问题。随着现代科学技术的发展，仅把温度作为热量传递的唯一信息已远远不够。因此，热流检测理论和技术越发受到重视，相应的热流传感器也得到了较大的发展和广泛的应用。现有的热流传感器虽能够满足工农生产及日常生活中热流密度的一般测量需求，但其耐热温度和测量量程普遍较低，通常在1000℃和1MW/m2以下，而且其尺寸较大，响应时间较长，最快也只有ms量级。因此，在诸如航空、航天发动机等超高温、大热流的恶劣环境中，现有的热流传感器难以实现快速、准确的测量。采用MEMS技术制造的热电堆型热流器件具有体积小、结构简单、响应速度快等得天独厚的优势，但面临超高工作温度、大热流的难题，材料的选择尤为重要。SiC作为一种宽带隙半导体，具有高熔点、高热导率、高载流子迁移率和高击穿电压，是高温传感器件的理想材料。目前已经开发出基于SiC的高温微加热器和流量传感器，但基于SiC的高温热流传感器尚未有报道。4H-SiC单晶薄膜材料是SiC中熔点更高、热导率更高的材料，可以将硅基传感器的工作温度提高2-3倍。采用4H-SiC热电材料制造大热流器件就可以充分利用其高温稳定性好、热导率大的特点，在提高热稳定性的同时，实现快速加热和冷却。另外，由于SiC和硅的热膨胀系数差异不大，即使在高温下，界面层受到的热应力的影响依旧很小，从而使其在超高温环境中的应用成为可能。因此，无论从工业生产需求还是技术发展趋势，开发一种快速响应、性能稳定的SiC热电堆型高温热流传感器具有重要的意义。
技术实现思路
鉴于以上所述现有技术，本技术的目的在于提供一种SiC热电堆型高温热流传感器，用于实现航空航天、冶金等高温恶劣环境中热流密度的快速、准确测量。为实现上述目的及其他相关目的，本技术提供一种SiC热电堆型高温热流传感器，包括：硅衬底，所述硅衬底具有第一表面和第二表面，在所述第一表面上设有沟槽以及由所述沟槽围绕形成的平台区域；复合介质膜，位于所述硅衬底的第一表面，覆盖所述沟槽表面及所述平台区域表面；隔热腔体，设于所述硅衬底中，由所述硅衬底的第二表面向内凹入，位于所述平台区域的部分所述复合介质膜的下方；P型SiC薄膜电阻块及N型SiC薄膜电阻块，位于所述平台区域位置的所述复合介质膜上，且局部位于所述隔热腔体的上方；绝缘介质层，覆盖所述P型SiC薄膜电阻块及N型SiC薄膜电阻块以及所述复合介质膜；金属图层，形成于所述绝缘介质层上，包括电极及引线，以将所述P型SiC薄膜电阻块及N型SiC薄膜电阻块连接形成热电堆。可选地，所述硅衬底为双抛单晶硅片。可选地，所述沟槽的深度为1-50μm。可选地，所述复合介质膜由单层或多层的氧化硅和氮化硅复合而成，厚度为1-10μm。可选地，所述隔热腔体贯穿所述硅衬底，暴露出部分所述复合介质膜；所述隔热腔体具有矩形或梯形截面。可选地，所述P型SiC薄膜电阻块及N型SiC薄膜电阻块的材料选自于4H-SiC、6H-SiC、3C-SiC中的一种；所述P型SiC薄膜电阻块及N型SiC薄膜电阻块的厚度小于1μm，厚度偏差不超过3％。可选地，所述绝缘介质层的材料包括氧化硅、氮化硅的一种或两种。可选地，所述金属图层的材料选自于钛、钨、铂中的一种或多种。如上所述，本技术的SiC热电堆型高温热流传感器，具有以下有益效果：1.本技术可采用MEMS技术制造热流器件，具有体积小，响应速度快等得天独厚的优势，同时采用简单的热电偶或热电堆敏感结构，制备过程简单，可控性强，与现行成熟的硅基半导体工艺具有良好的兼容性；2.本技术采用具有优异高温性能的单晶SiC作为热电材料，制造P-SiC/N-SiC热电堆，在满足高温稳定性的条件下，利用硅基半导体工艺建立低应力支撑薄膜，降低器件的热容，减小器件的响应时间，同时增大热电堆热端和冷端的温差，从而利于实现高温大热流环境下热流密度的快速、精确测量。附图说明图1显示为本技术实施例提供的一种SiC热电堆型高温热流传感器的剖面结构示意图。图2a-2b显示为本技术实施例提供的一种SiC热电堆型高温热流传感器的立体结构示意图，其中，图2b为图2a的分层示意图。图3a-3b显示为本技术实施例提供的另一种SiC热电堆型高温热流传感器的立体结构示意图，其中，图3b为图3a的分层示意图。图4显示为本技术实施例提供的一种SiC热电堆型高温热流传感器的制备方法流程图。图5a-5f显示为本技术实施例提供的一种SiC热电堆型高温热流传感器的制备工艺示意图。元件标号说明10硅衬底101沟槽102平台区域103隔热腔体20复合介质膜30SiC薄膜电阻块301P型SiC薄膜电阻块302N型SiC薄膜电阻块40绝缘介质层401引线孔50金属图层S1～S6各步骤具体实施方式以下通过特定的具体实例说明本技术的实施方式，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技术的其他优点与功效。本技术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，在没有背离本技术的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，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。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技术的基本构想，遂图式中仅显示与本技术中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。请参阅图1，本实施例提供一种SiC热电堆型高温热流传感器，包括：硅衬底10、复合介质膜20、隔热腔体103、SiC薄膜电阻块30、绝缘介质层40、金属图层50。所述硅衬底10具有第一表面和第二表面，在所述第一表面上设有沟槽101以及由所述沟槽101围绕形成的平台区域102；所述复合介质膜20位于所述硅衬底10的第一表面，覆盖所述沟槽101表面及所述平台区域102表面；所述隔热腔体103设于所述硅衬底10中，由所述硅衬底10的第二表面向内凹入，位于所述平台区域102的部分所述复合介质膜20的下方；所述SiC薄膜电阻块30包括P型SiC薄膜电阻块301及N型SiC薄膜电阻块302，作为热电堆电偶材料；所述SiC薄膜电阻块30位于所述平台区域102位置的所述复合介质膜20上，且局部位于所述隔热腔体103的上方；所述绝缘介质层40覆盖所述SiC薄膜电阻块30以及所述复合介质膜20的表面；所述金属图层50形成于所述绝缘介质层40上，包括电极及引线，以将所述P型SiC薄膜电阻块301及N型SiC薄膜电阻块302连接形成热电堆。具体地，所述硅衬底10可以为双抛单晶硅片。具体地，所述沟槽101的深度可以为1-50μm，本实施例中，所述沟槽101的深度为10μm。具体地，所述复合介质膜20可以由单层或多层低应力氧化硅和氮化硅复合而成，厚度可以为1-10μm。本实施例中，所述复合介质膜20由低应力氧化硅/氮化硅/氧化硅/氮化硅四层膜复合而成，厚度为3.2μm。具体地，所述SiC薄膜电阻块30的材料包括但不限于4H-SiC、6本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种SiC热电堆型高温热流传感器，其特征在于，包括：硅衬底，所述硅衬底具有第一表面和第二表面，在所述第一表面上设有沟槽以及由所述沟槽围绕形成的平台区域；其中，所述硅衬底为双抛单晶硅片；复合介质膜，位于所述硅衬底的第一表面，覆盖所述沟槽表面及所述平台区域表面；隔热腔体，设于所述硅衬底中，由所述硅衬底的第二表面向内凹入，位于所述平台区域的部分所述复合介质膜的下方；P型SiC薄膜电阻块及N型SiC薄膜电阻块，位于所述平台区域位置的所述复合介质膜上，且局部位于所述隔热腔体的上方；绝缘介质层，覆盖所述P型SiC薄膜电阻块及N型SiC薄膜电阻块以及所述复合介质膜；金属图层，形成于所述绝缘介质层上，包括电极及引线，以将所述P型SiC薄膜电阻块及N型SiC薄膜电阻块连接形成热电堆。

【技术特征摘要】
1.一种SiC热电堆型高温热流传感器，其特征在于，包括：硅衬底，所述硅衬底具有第一表面和第二表面，在所述第一表面上设有沟槽以及由所述沟槽围绕形成的平台区域；其中，所述硅衬底为双抛单晶硅片；复合介质膜，位于所述硅衬底的第一表面，覆盖所述沟槽表面及所述平台区域表面；隔热腔体，设于所述硅衬底中，由所述硅衬底的第二表面向内凹入，位于所述平台区域的部分所述复合介质膜的下方；P型SiC薄膜电阻块及N型SiC薄膜电阻块，位于所述平台区域位置的所述复合介质膜上，且局部位于所述隔热腔体的上方；绝缘介质层，覆盖所述P型SiC薄膜电阻块及N型SiC薄膜电阻块以及所述复合介质膜；金属图层，形成于所述绝缘介质层上，包括电极及引线，以将所述P型SiC薄膜电阻块及N型SiC薄膜电阻块连接形成热电堆。2.根据权利要求1所述的SiC热电堆型高温热流传感器，其特征在于：所述沟槽的深度为1-50μm。3....

【专利技术属性】
技术研发人员：李铁，田伟，王跃林，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，
类型：新型
国别省市：上海,31