原位集成微型热电器件的薄膜电阻式温度传感器及其制法制造技术

本发明专利技术涉及一种原位集成微型热电器件的薄膜电阻式温度传感器及其制备方法，通过先在微型热电器件上沉积绝缘层，再在绝缘层上沉积热敏薄膜，对所得热敏薄膜进行图案化后，最终制得原位集成微型热电器件的薄膜电阻式温度传感器；本发明专利技术通过高灵敏度、高响应度、高可靠性和宽响应范围的薄膜电阻式温度传感器的设计，发展兼容性微加工方法，实现了与微型热电器件的原位集成，从而进行热电器件在性能测试场景中的温差测量，优化微型热电器件的性能评估。估。估。

【技术实现步骤摘要】
原位集成微型热电器件的薄膜电阻式温度传感器及其制法
[0001]本专利技术属于薄膜热电器件
，具体涉及一种原位集成微型热电器件的薄膜电阻式温度传感器及其制备方法。

技术介绍

[0002]随着物联网和可穿戴电子器件的广泛应用，芯片微区制冷和自供电传感提出了更严格的要求，因此可以贴附高耗散芯片，实现快速冷却或余热收集的微型热电器件，引起了广泛关注和研究。热电器件可实现热能与电能的相互转换，由n/p热电臂、基底和金属电极组成，目前报道的微型热电器件尺寸可达到1
‑
10mm，总厚度小于1mm，其中热电臂密度甚至可以实现1000/cm2，特征尺寸为100
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200μm。同时，微型热电器件性能与热电臂的温度分布密切相关，为了评估热电器件的输出性能，准确测量热电臂两端温差至关重要。目前热电器件的温度表征主要利用热电偶实现，然而，热电偶感温区主要为热电偶结，直径几百微米的尺寸远大于热电臂面积，与微型热电器件的厚度相当。同时，引入热电偶产生附加热阻，可能会造成额外热损失，扰乱原有热电器件中温度场的建立。另外，将热电偶贴附到热电器件的基底上，偏离测量位置也会导致与实际热电臂温度间的误差。
[0003]电阻式温度传感器(RTD)由简单金属构成，结构简单、线性度高、感温范围宽，已经应用于人体温度测量、汗液分析、锂离子电池等微电子器件温度监测等领域。中国文献报道了使用金基温度传感器沉积到燃料电池内部，记录燃料电池平面内的温度分布，但会对电池内部的气体转移和电子传输产生不可忽视的干扰。虽然在文献中尝试利用金属线圈沉积在器件基底的空白区域，来测试面内型热电制冷器件的中心区域温度，但是对具有复杂三维结构、单元尺寸小的面外型热电器件，准确的温度测量还面临着集成问题。此外，为了获得微型热电器件的原位温度，温度传感器需要综合考虑灵敏度、温度分辨率、响应时间以及与热电器件的兼容性等性能参数。

技术实现思路

[0004]为了解决现有技术存在的上述问题，本专利技术提供了一种原位集成微型热电器件的薄膜电阻式温度传感器原位测量方法。本专利技术所提出的薄膜电阻式温度传感器的制备和测量方法中，采用原位沉积和光刻实现测温区域材料的图案化，实现与微型热电器件中热电臂的原位集成，能够减少使用测温元件导致的附加热阻，提高热电器件对外部温差的转换效率。同时，集成制备温度传感器能够获得微型热电器件中热电臂微区的原位温度，从而获得对微型热电器件性能的准确评估。
[0005]本专利技术所采用的技术方案为：
[0006]一种原位集成微型热电器件的薄膜电阻式温度传感器的制备方法，包括如下步骤：
[0007](1)采用绝缘层封装微型热电器件的有源区；
[0008](2)在步骤(1)处理后的微型热电器件的有源区和基底处沉积热敏薄膜，热敏薄膜跨越微型热电器件结构的高度梯度，形成包覆热电器件的稳定电连接；
[0009](3)对步骤(2)所得集成器件中测量区域的热敏薄膜进行图案化，即得原位集成微型热电器件的薄膜电阻式温度传感器。
[0010]步骤(1)中，所述微型热电器件先进行氮气清洗预处理，再沉积所述绝缘层。优选的，所述绝缘层为氧化物陶瓷薄膜。
[0011]所述微型热电器件的结构组成包括基底、电极和热电臂。
[0012]步骤(2)中，所述热敏薄膜为正电阻温度系数的金属薄膜。优选的，所述热敏薄膜可采用为镍、铂、金等简单金属。
[0013]所述绝缘层和热敏薄膜采用物理气相沉积制备。优选的，所述绝缘层采用电子束蒸发法进行沉积，所述热敏薄膜采用磁控溅射法进行沉积。还可以采用磁控溅射外的如热蒸发、电沉积等物理气相沉积方案完成热敏材料的沉积。
[0014]所述测量区域为单对或多对热电臂。
[0015]所述测量区域进行测温的温度传感器数量为单个或多个。
[0016]步骤(3)中，通过光刻
‑
刻蚀工艺进行所述热敏薄膜的图案化。
[0017]所述薄膜电阻式温度传感器为环形图案，所述环形图案的图案面积需要匹配集成器件中需求测量区域的尺寸。另外，薄膜电阻式温度传感器的关键参数—初始电阻值(R0)和对温度的响应特性(ΔR)需要通过调整环形图案的宽度和总长度(l)来控制，从而匹配集成器件的测温需求。理论计算公式为R0＝ρl/A和ΔR＝TCR
×
R0×
ΔT，其中ρ为热敏薄膜的电阻率，A为传感器图案的截面积，TCR为热敏薄膜的电阻温度系数，ΔT为温度变化量。
[0018]所述方法制备得到的原位集成微型热电器件的薄膜电阻式温度传感器。
[0019]本专利技术的有益效果为：
[0020](1)本专利技术所述原位集成微型热电器件的薄膜电阻式温度传感器的制备方法，通过先在微型热电器件上沉积绝缘层，再在绝缘层上沉积热敏薄膜，对所得热敏薄膜进行图案化后，最终制得原位集成微型热电器件的薄膜电阻式温度传感器，本专利技术通过高灵敏度、高响应度、高可靠性和宽响应范围的薄膜电阻式温度传感器的设计，发展兼容性微加工方法，实现了与微型热电器件的原位集成，从而进行热电器件在性能测试场景中的温差测量，优化微型热电器件的性能评估。
[0021](2)本专利技术所述原位集成微型热电器件的薄膜电阻式温度传感器，通过设计电阻式温度传感器的环形图案有利于微型传感器的温度分辨率和可靠性，且可与热电臂尺寸适配，大大提高了与微型热电器件的集成兼容性和成品率。
[0022](3)本专利技术所述原位集成微型热电器件的薄膜电阻式温度传感器，通过调整传感器的数量、测量区域和图案面积，可获得不同测温区域的温度信息，从而分析微型热电器件的温度分布和输出性能。
[0023](4)本专利技术所述原位集成微型热电器件的薄膜电阻式温度传感器，采用氧化物陶瓷材料作为绝缘层，可以降低集成过程对微型热电器件的损伤，并防止热敏薄膜层导致热电器件短路。
[0024](5)本专利技术所述原位集成微型热电器件的薄膜电阻式温度传感器，采用光刻
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刻蚀对热敏薄膜层进行原位图案化，相比传统贴附测量，与热电臂集成的温度传感器具有低热阻和高位置精度，有效降低了测量元件的误差和对微型热电器件的干扰。
附图说明
[0025]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0026]图1为本专利技术所述微型热电器件的制备工艺流程图；
[0027]图2a为微型热电器件的传统测温图；
[0028]图2b为本专利技术基于薄膜电阻式温度传感器的微型热电器件原位测温图；
[0029]图3a为镍基电阻式温度传感器的实物图，插图为由细小晶粒组成的Ni薄膜和传感器图案；
[0030]图3b为镍基电阻式温度传感器的电阻与温度线性关系图；
[0031]图3c为镍基电阻式温度传感器对温本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种原位集成微型热电器件的薄膜电阻式温度传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)采用绝缘层封装微型热电器件的有源区；(2)在步骤(1)处理后的微型热电器件的有源区和基底处沉积热敏薄膜，热敏薄膜跨越微型热电器件结构的高度梯度，形成包覆热电器件的稳定电连接；(3)对步骤(2)所得集成器件中需求测量区域的热敏薄膜进行图案化，即得原位集成微型热电器件的薄膜电阻式温度传感器。2.根据权利要求1所述的原位集成微型热电器件的薄膜电阻式温度传感器的制备方法，其特征在于，所述微型热电器件为面外型结构，包含基底、电极和热电臂。3.根据权利要求1所述的原位集成微型热电器件的薄膜电阻式温度传感器的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述绝缘层为氧化物陶瓷薄膜。4.根据权利要求1所述的原位集成微型热电器件的薄膜电阻式温度传感器的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述热敏薄膜为正电阻温度系数的金属薄膜。5.根据权利要求1所述的原位集成微型热电器件...

【专利技术属性】
技术研发人员：祝薇，黄悦，邓元，胡少雄，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：