基于金属衬底的微纳米薄膜热流传感器及其制作方法技术

本发明专利技术涉及一种基于金属衬底的微纳米薄膜热流传感器及其制作方法，属于传感器技术领域。传感器包括金属基底、金属粘结层I、氧化物陶瓷材料绝缘层I、氧化物陶瓷材料绝缘层II、光刻胶、金属传感层、氧化物陶瓷材料绝缘层III、氧化物陶瓷材料绝缘层IV、金属粘结层II、金属导电种子层、金属保护层和环氧树脂；制作步骤为：选取用于传感器沉积的金属基底；通过电镀、旋涂、光刻、磁控溅射、电子束蒸发、原子层堆积等工艺步骤将粘结层、绝缘层、传感层、种子层和保护层逐层沉积上去。本发明专利技术能有效保障传感器在恶劣工业环境中的使用效果，并有助于大幅提升其使用寿命。升其使用寿命。升其使用寿命。

【技术实现步骤摘要】
基于金属衬底的微纳米薄膜热流传感器及其制作方法


[0001]本专利技术属于传感器
，涉及一种基于金属衬底的耐高温微纳米薄膜热流传感器及其制作方法。

技术介绍

[0002]热场检测是现代工业生产和科学研究过程中时常会开展的一项工作，其中主要涉及温度和热流两个物理量，而对于热场分布和传热过程动态变化特征的充分理解以及相关生产工艺和产品质量控制影响因素的正确分析，后者往往更能体现出物理机制上的密切关联性，其重要性尤为突出。对于热流的检测，传统的热电堆由于尺寸大、响应慢等缺点，往往在一些对安装空间尺寸限制严格以及瞬时动态变化较为剧烈的场景中难以应用，即使勉强能用，也会在准确性、可靠性、及时性和耐用性等方面性能大打折扣。

技术实现思路

[0003]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种基于金属衬底的耐高温微纳米薄膜热流传感器及其制作方法。
[0004]为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0005]一种基于金属衬底的耐高温微纳米薄膜热流传感器，主要包括金属基底、金属粘结层I、氧化物陶瓷材料绝缘层I、氧化物陶瓷材料绝缘层II、金属传感层、氧化物陶瓷材料绝缘层III、氧化物陶瓷材料绝缘层IV、金属粘结层II、金属导电种子层、金属保护层和环氧树脂。
[0006]所述金属基底为衬底，表面溅射有金属粘结层I。
[0007]所述金属基底的厚度范围为50μm～800μm。
[0008]所述金属粘结层I的表面依次沉积有氧化物陶瓷材料绝缘层I和氧化物陶瓷材料绝缘层II。r/>[0009]所述金属粘结层I、金属粘结层II的厚度范围为10nm～100nm。
[0010]所述氧化物陶瓷材料绝缘层I的厚度范围为500nm～1500nm。
[0011]所述氧化物陶瓷材料绝缘层II的厚度范围为20nm～100nm。
[0012]所述氧化物陶瓷材料绝缘层III的厚度范围为750nm～1800nm。
[0013]所述氧化物陶瓷材料绝缘层IV的厚度范围为20nm～100nm。
[0014]所述金属传感层由至少两个热电偶回路串联而成；每个热电偶回路包括第一极传感回路和第二极传感回路。
[0015]所述第一极传感回路包括依次沉积的金属层I、金属层II和金属层III。
[0016]所述第二极传感回路沉积在第一极传感回路的表面，包括依次沉积的金属层IV、金属层V和金属层VI。
[0017]所述金属层VI和氧化物陶瓷材料绝缘层II的表面沉积有氧化物陶瓷材料绝缘层III，氧化物陶瓷材料绝缘层III的表面沉积有氧化物陶瓷材料绝缘层IV。
[0018]所述金属层I、金属层III、金属层IV、金属层VI的厚度范围为10nm～100nm。
[0019]所述金属层II、金属层V的厚度范围为300nm～900nm。
[0020]所述金属导电种子层的厚度范围为10nm～100nm。
[0021]所述氧化物陶瓷材料绝缘层IV表面溅射有金属粘结层II。
[0022]所述金属粘结层II表面溅射有金属导电种子层。
[0023]所述金属导电种子层表面沉积有金属保护层。
[0024]所述金属保护层表面涂覆环氧树脂。
[0025]金属保护层的厚度范围为50μm～800μm。
[0026]所述微纳米薄膜热流传感器通过采集电势信号检测热流。
[0027]所述微纳米薄膜热流传感器耐1000℃高温。
[0028]所述微纳米薄膜热流传感器上沉积若干组热电堆回路，实现局部区域内的多点检测。
[0029]一种基于金属衬底的耐高温微纳米薄膜热流传感器的制作方法，主要包括以下步骤：
[0030]步骤1、选取用于传感器沉积的金属基底为衬底。
[0031]金属基底表面粗糙度范围为100nm～400nm。
[0032]步骤2、对金属基底进行研磨和化学机械抛光，并通过电镀工艺在金属基底表面沉积金属铬粘结层I。
[0033]步骤3、先后通过电子束蒸发工艺和原子层堆积工艺在金属铬粘结层表面上依次沉积氧化物陶瓷材料绝缘层I和氧化物陶瓷材料绝缘层II。
[0034]步骤4、通过匀胶旋涂工艺在氧化物陶瓷材料绝缘层II表面涂覆光刻胶，并在热板上对金属基底进行前烘。在光刻机上采用掩模板进行曝光。曝光后，在热板上对金属基底进行后烘。将金属基底放置于显影液中进行显影，烘干后得到传感器图版。
[0035]步骤5、通过磁控溅射工艺在光刻胶层表面上沉积金属传感层，主要步骤为：
[0036]步骤5.1、在光刻胶层表面依次沉积金属层I、金属层II和金属层III，形成第一极传感回路。
[0037]步骤5.2、在第一极传感回路表面依次沉积金属层IV、金属层V和金属层VI，形成第二极传感回路，放置于丙酮中进行浸泡剥离光刻胶后烘干。
[0038]步骤6、先后通过电子束蒸发工艺和原子层堆积工艺在金属传感层与氧化物陶瓷材料绝缘层II表面依次沉积氧化物陶瓷材料绝缘层III和氧化物陶瓷材料绝缘层IV。所述氧化物陶瓷材料绝缘层III和氧化物陶瓷材料绝缘层IV不覆盖焊盘。
[0039]步骤7、通过磁控溅射工艺在氧化物陶瓷材料绝缘层IV表面上依次沉积金属粘结层II和金属导电种子层。
[0040]步骤8、通过电镀工艺在金属导电种子层表面沉积金属保护层。
[0041]步骤9、采用导电银胶将焊盘与补偿导线连接。经热板烘烤固化后，在基于金属衬底的耐高温微纳米薄膜热流传感器表面涂覆环氧树脂，并对环氧树脂进行t时间固化，完成基于金属衬底的耐高温微纳米薄膜热流传感器的制作。
[0042]t的时间范围为10～36小时。
[0043]值得说明的是，微纳米薄膜热流传感器基于超净间MEMS微机电加工工艺制作而
成，其中主要制程环节涉及光刻、磁控溅射、电子束蒸发及原子层堆积等工艺，是一种相对更为先进、更为前沿的传感器技术，其工作层厚度通常仅有数百纳米，加上保护层通常也不超过1mm，同时其工作层的线宽和节点尺寸都处于微米量级，这样的小尺寸特性赋予了其安装方便灵活、动态响应快捷、检测真实可靠等技术特征，且还能在局部较小的区域内通过线路优化设计合理布置出多个检测点，可显着改进传统检测组件在这些方面的技术限制，另外采用硬度高、熔点高、导热性良好的金属衬底作为保护层可大幅提升薄膜传感器的耐高温高压恶劣环境能力及使用寿命，为各类工业场景中热流检测方案的进一步优化和检测手段的进一步丰富提供了重要的硬件基础。
[0044]本专利基于经典的塞贝克效应及多组K型热电偶串联的热电堆原理，在超净间通过匀胶旋涂、光刻显影、磁控溅射、电子束蒸发、原子层堆积等MEMS微机电加工工艺，以熔点和硬度相对较高、导热和导电性良好的金属为衬底基片，制作出典型三明治层状封装结构的可耐1000℃高温的微纳米薄膜热流传感器。
[0045]本专利技术的技术效果是毋庸置疑的，本专利技术公开了一种基于金属衬底的耐高温微纳米薄膜热流传感器本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于金属衬底的微纳米薄膜热流传感器，其特征在于，主要包括金属基底(1)、金属粘结层I(2)、氧化物陶瓷材料绝缘层I(301)、氧化物陶瓷材料绝缘层II(302)、金属传感层(5)、氧化物陶瓷材料绝缘层III(601)、氧化物陶瓷材料绝缘层IV(602)、金属粘结层II(7)、金属导电种子层(8)、金属保护层(9)和环氧树脂；所述金属基底(1)为衬底，表面溅射有金属粘结层I(2)；所述金属粘结层I(2)的表面依次沉积有氧化物陶瓷材料绝缘层I(301)和氧化物陶瓷材料绝缘层II(302)；所述氧化物陶瓷材料绝缘层II(302)的表面溅射有金属传感层(5)；所述金属传感层(5)由至少两个热电偶回路串联而成；每个热电偶回路包括第一极传感回路和第二极传感回路；所述第一极传感回路包括依次沉积的金属层I(501)、金属层II(502)和金属层III(503)；所述第二极传感回路沉积在第一极传感回路的表面，包括依次沉积的金属层IV(504)、金属层V(505)和金属层VI(506)；所述金属层VI(506)和氧化物陶瓷材料绝缘层II(302)的表面沉积有氧化物陶瓷材料绝缘层III(601)，氧化物陶瓷材料绝缘层III(601)的表面沉积有氧化物陶瓷材料绝缘层IV(602)；所述氧化物陶瓷材料绝缘层IV(602)表面溅射有金属粘结层II(7)；所述金属粘结层II(7)表面溅射有金属导电种子层(8)；所述金属导电种子层(8)表面沉积有金属保护层(9)；所述金属保护层(9)表面涂覆环氧树脂。2.根据权利要求1所述的微纳米薄膜热流传感器，其特征在于：所述金属基底(1)的厚度范围为50μm～800μm；所述金属粘结层I(2)、金属粘结层II(7)的厚度范围为10nm～100nm；所述氧化物陶瓷材料绝缘层I(301)的厚度范围为500nm～1500nm；所述氧化物陶瓷材料绝缘层II(302)的厚度范围为20nm～100nm；所述氧化物陶瓷材料绝缘层III(601)的厚度范围为750nm～1800nm；所述氧化物陶瓷材料绝缘层IV(602)的厚度范围为20nm～100nm；所述金属层I(501)、金属层III(503)、金属层IV(504)、金属层VI(506)的厚度范围为10nm～100nm；所述金属层II(502)、金属层V(505)的厚度范围为300nm～900nm；所述金属导电种子层(8)的厚度范围为10nm～100nm；所述金属保护...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯科，谭庆，漆锐，陈南菲，杨玉，邓惠丹，段青松，
申请(专利权)人：中冶赛迪技术研究中心有限公司，
类型：发明
国别省市：