一种原子层热电堆热流传感器及其批量制备方法技术

本发明专利技术属于热流传感器领域，具体涉及一种原子层热电堆热流传感器及其批量制备方法。本发明专利技术提出的原子层热电堆热流传感器稳定性好；批量制备技术设计思路简单易行，在一英寸以上大面积的倾斜单晶基底上，通过特殊的图形化结构设计，一次性可批量生产上千个小型ALTP热流传感器，易于工业化大批量生产，大大提高工作效率，降低了成本。同时，可切割出包含2m、nm等根功能层线条的阵列样品，便于在测试时，根据不同需求选择不同个数样品进行测试，能够有效应对大热流场的测量需求应用场景，便于形成集成传感器芯片模块，充分发挥微系统可标准化批量化生产的特点，符合当今时代电路发展规律。符合当今时代电路发展规律。符合当今时代电路发展规律。

【技术实现步骤摘要】
一种原子层热电堆热流传感器及其批量制备方法


[0001]本专利技术属于热流传感器领域，具体涉及一种原子层热电堆热流传感器及其批量制备方法，实现了热流传感器的批量化阵列可控生产，工艺成熟可控，具体涉及到薄膜技术和微细加工技术。

技术介绍

[0002]传统的薄膜热电堆热流传感器，是利用纵向热电堆效应的原理，至少需要两种塞贝克系数相差较大的材料，很大程度上增加了薄膜热流传感器的成本。原子层热电堆(ALTP)热流传感器是基于横向塞贝克效应，其敏感元件仅需一种ALTP材料。当ALTP材料倾斜外延生长时，薄膜因各向异性会形成原子级的热电偶，在整个薄膜结构中犹如串联的热电偶，线密度高达106/cm，其结构如图1所示，因此ALTP热流传感器在灵敏度上非常有优势，还可大大降低器件的生产成本。
[0003]同时，ALTP热流传感器具有响应速度快的特点。由于其热扩散和热吸收都是发生在纳米级的薄膜厚度上，热容量会很小，并且信号的产生不需要建立热平衡，因此在响应速度相较于其它类型热流传感器更有优势。
[0004]在某些应用场景，需要对小热流进行测试或对热流的分辨率要求很高，因此需要器件具有较高的灵敏度系数。往往在这些场景中又同时要求有较高的空间分辨率，因此对器件的尺寸有极大的限制。同时，目前在国内外的风洞实验中越来越多的关注高频脉动热流的测试和分析，其中主要是利用ALTP热流传感器来进行试验，在这类试验中，小型化ALTP热流传感器会带来测点小、对热流场的干扰小的优点，在此类实验中具有很大的优势。
[0005]并且在大热流场的测量需求应用场景下，业内常采用热电堆线条叠加结构的物理放大模式，提高器件灵敏度；而由于目前没有很好的解决思路，因此采用定制相应尺寸的ALTP热流传感器，而此种情况不太利于同时保持器件小型化。因此研究ALTP热流传感器及其批量化制备方法具有重要意义，不但可解决国内需求问题，还可提高效率、进一步降低成本。

技术实现思路

[0006]针对上述存在问题或不足，本专利技术提供了一种原子层热电堆热流传感器及其批量制备方法，将ALTP热流传感器进一步优化器件结构，在面对大热流场的测量，同时进行批量化生产制造以满足需求。
[0007]一种原子层热电堆热流传感器，包括功能层、金属层、单晶基底和引线。
[0008]所述单晶基底为倾斜取向，所述功能层为沿单晶基底倾斜方向平行铺满单晶基底的原子层热电堆薄膜线条；金属层按图形结构分为金属层线条和金属层电极，金属层线条将功能层的各原子层热电堆薄膜线条依次首尾连通；金属层电极作为功能层最外侧的两电极，并分别连有引线，便于连接测试。
[0009]所述金属层包含过渡层和导电层，过渡层沉积在单晶基底上，导电层沉积在过渡
层上，两者属于上下层叠关系，用于增强导电层在基底上的附着性，提升了器件的稳定性。
[0010]进一步的，所述功能层厚度为240～260nm。
[0011]进一步的，所述过渡层为钛，导电层为金，金属层线条宽度为10μm，长度为800μm，金属层电极宽度为400μm，长度为600μm。
[0012]一种原子层热电堆热流传感器的批量制备方法，如图3所示，包括以下步骤：
[0013]步骤1、通过金属有机化学气相沉积方法，在倾斜取向的一英寸以上大面积单晶基底上外延生长ALTP功能层薄膜。
[0014]步骤2、第一次正胶光刻：
[0015]将功能层薄膜制备成与单晶基底倾斜方向平行的功能层线条。如图4所示，深色部分为功能层线条，浅色部分为被移除掉多余部分功能层图形后的裸漏单晶基底。
[0016]以平行于功能层线条方向(即单晶基底倾斜方向)为纵向，以两个相邻金属电极间为一个列组，共计制备有n列组(n≥40)功能层线条组，其中每列组包含m(m≥20)根平行等间距的功能层线条，功能层线条满布单晶基底。
[0017]步骤3、第二次负胶光刻：
[0018]在步骤2所得单晶基底上，依次沉积金属层的过渡层和导电层，随后通过剥离工艺将金属层制备成金属层线条和金属层电极；金属层线条将相邻两条功能层线条首尾相连，金属层电极在每个预设尺寸结构的ALTP热流传感器两端。如图5、图6所示部分器件示意图。
[0019]步骤4、对步骤3所得单晶基底上的各ALTP热流传感器进行切割。切割线为各金属层电极的纵向中心线。
[0020]步骤5、对切割得出的各ALTP热流传感器件的金属层电极上进行引线，如图7所示，便于后续进行测试。
[0021]进一步的，所述功能层线条的宽度为10μm，线条组组间距离为400μm，组内线条之间间距为30μm。每列组功能层线条结构均相同，由于单晶基底为圆形，因此沿表面满布贯穿整个单晶基底的功能层线条仅存在长度差别。
[0022]进一步的，以垂直于功能层线条方向为横向，金属层还在横向上分为N行组(N≥40)，每行组间设有切割间距(如400μm)，用于留作后续切割以及封装器件的间隙。其中每行组的金属层包含n列组的金属层线条和相应的金属层电极，满布单晶基底。
[0023]进一步的，切割时可根据需求切割出包含2m～nm根等功能层线条数的双器件或n器件的线阵列样品，然后对线阵列样品的所有金属层电极进行引线，即可根据需求使用包含不同器件数的样品进行测试。
[0024]本专利技术的批量制备方法首先满足在一英寸以上的大面积单晶基底上批量生产，提高效率。同时单个ALTP热流传感器内部存在功能层线条级联，也可相应放大输出。其结构如图2所示，整个器件尺寸为1mm2，其小型化以及高灵敏度的特点，均满足超高声速风洞试验中低热流的测试需求。
[0025]本专利技术通过特殊的图形化结构设计，利用薄膜沉积技术，在倾斜取向的单晶基底上生长功能层和金属层，随后利用微细加工工艺，制备出特殊图形结构的ALTP热流传感器，易于工业化大批量生产，大大提高工作效率，降低了成本。在将传感器实现制备后，一定程度上解决了国内在高超声速风洞试验的试验测试需求，带来了测点小、对热流场干扰小同时不降低热流传感器灵敏度的优点，并且在响应速度上也有一定优势。同时，可切割出包含
2m、nm等根功能层线条的阵列样品，便于在测试时，根据不同需求选择不同个数样品进行测试。
[0026]综上所述，本专利技术提出的原子层热电堆热流传感器稳定性好，批量制备技术设计思路简单易行，不仅可以批量化生产ALTP热流传感器件，同时还可以根据特定需求进行单元结构组合以应对大热流场的测量需求应用场景，符合当今时代电路发展规律。
附图说明
[0027]图1是单晶基底上倾斜生长的ALTP薄膜结构取向关系图。
[0028]图2是批量化纵向样品结构原理示意图。
[0029]图3是本专利技术的工艺流程图。
[0030]图4是本专利技术的功能层线条结构图。
[0031]图5是实施例的金属导电层实例图。
[0032]图6是实施例的批量化样品结构图。
[0033]图7是实施例的样品引线示意图。
本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种原子层热电堆热流传感器，包括功能层、金属层、单晶基底和引线，其特征在于；所述单晶基底为倾斜取向，所述功能层为沿单晶基底倾斜方向平行铺满单晶基底的原子层热电堆薄膜线条；金属层按图形结构分为金属层线条和金属层电极，金属层线条将功能层的各原子层热电堆薄膜线条依次首尾连通；金属层电极作为功能层最外侧的两电极，并分别连有引线；所述金属层包含过渡层和导电层，过渡层沉积在单晶基底上，导电层沉积在过渡层上，两者属于上下层叠关系，用于增强导电层在基底上的附着性。2.如权利要求1所述原子层热电堆热流传感器，其特征在于：所述功能层厚度为240～260nm。3.如权利要求1所述原子层热电堆热流传感器，其特征在于：所述过渡层为钛，导电层为金。4.如权利要求1所述原子层热电堆热流传感器的批量化制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、在倾斜取向的一英寸以上大面积单晶基底上外延生长功能层薄膜；步骤2、第一次正胶光刻：将功能层薄膜制备成与单晶基底倾斜方向平行的功能层线条；以平行于功能层线条方向为纵向，两个相邻金属电极间为一个列组，共计制备有n列组功能层线条组，n≥40；其中每列组包含m根等间距平行的功能层线条，m≥20，功能层线条满布整个单晶基底；每列组功能层线条结构均相同，由于单晶基底为圆形，因此满布整个单晶基底的功能层线条仅存在长度差别；步骤3、第二次负胶光刻：在步骤2所得单晶基底上，依次...

【专利技术属性】
技术研发人员：陶伯万，常永涛，赵睿鹏，费希，陈曦，李禛哲，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：