一種石墨烯微型流量傳感器的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種石墨烯微型流量傳感器，屬于MEMS器件，用于氣流流量測量，解決現(xiàn)有流量傳感器功耗大、襯底存在熱傳導(dǎo)、響應(yīng)時間長的問題。本實用新型之石墨烯微型流量傳感器，襯底上具有凹槽，凹槽上架有隔熱層，隔熱層上濺射有加熱體，加熱體的兩端濺射有電極。本實用新型的另一種微型流量傳感器，襯底上具有凹槽，凹槽上架有隔熱層，隔熱層上覆蓋有絕緣層，絕緣層上濺射有加熱體，加熱體的兩端濺射有金屬電極。本實用新型體積小、重量輕而且性能穩(wěn)定，能有效降低襯底傳熱導(dǎo)致的測量誤差，通過測量通入氣體前后加熱體的電阻差值來測定氣流流量，有效的解決了現(xiàn)有流量傳感器功耗大、襯底存在熱傳導(dǎo)、響應(yīng)時間長的問題。
【專利說明】一種石墨烯微型流量傳感器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型屬于MEMS器件領(lǐng)域，更具體地，涉及一種石墨烯微型流量傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著MEMS技術(shù)不斷發(fā)展，出現(xiàn)了許多根據(jù)MEMS技術(shù)制作的微型傳感器，其中包括流量傳感器、加速度傳感器、速度傳感器、壓力傳感器。
[0003]流量傳感器按照原理可分為熱式和非熱式。Van Putten等在1974年報告了第一個基于硅微加工技術(shù)的流量傳感器，這個傳感器的工作原理就是基于傳熱的。根據(jù)溫度測量方法的不同，熱式微流體傳感器可以分為兩種:風(fēng)速計和量熱計，熱式微流量傳感器有很多優(yōu)點，例如可以實現(xiàn)CMOS工藝兼容、測量較為簡單、工藝容易控制等，而其中最主要的優(yōu)點是熱式微流量傳感器容易實現(xiàn)對流量的測量。現(xiàn)有的流量傳感器的結(jié)構(gòu)，基本上是在加熱電阻兩邊分布熱感應(yīng)電阻，其存在固有的缺點，例如功耗大、襯底的熱傳導(dǎo)導(dǎo)致測量誤差、零點隨環(huán)境溫度漂移、響應(yīng)時間長等。
實用新型內(nèi)容
[0004]針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本實用新型提供了一種石墨烯微型流量傳感器，其目的在于，解決現(xiàn)有流量傳感器功耗大、襯底存在熱傳導(dǎo)、響應(yīng)時間長的技術(shù)問題。
[0005]為實現(xiàn)上述目的，按照本實用新型的一個方面，提供了一種石墨烯微型流量傳感器，包括加熱體、隔熱層、以及襯底，襯底上具有凹槽，隔熱層設(shè)置在襯底的凹槽表面，加熱體設(shè)置于隔熱層上，且加熱體的兩端分別設(shè)有一個金屬電極，金屬電極包括疊加的鈦、鉬和金材料金屬層，加熱體為形狀彎曲的石墨烯材料。
[0006]優(yōu)選地，隔熱層的厚度為50nm至10 μ m。
[0007]優(yōu)選地，襯底的材料采用多晶硅。
[0008]優(yōu)選地，還包括絕緣層，其覆蓋在隔熱層表面。
[0009]優(yōu)選地,絕緣層的厚度為50nm至10 μ m。
[0010]優(yōu)選地，金屬電極與外部電路相連，外部電路采用惠更斯電橋。
[0011]總體而言，通過本實用新型所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，能夠取得下列有益效果:
[0012]1、與現(xiàn)有的在加熱電阻兩邊分布熱感應(yīng)的結(jié)構(gòu)不同，本實用新型采用了單個加熱體，自我加熱并感應(yīng)溫度的方式，加熱體采用石墨烯，而石墨烯相對于Pt、鎳或硅來說高流子遷移率、高導(dǎo)熱性能、靈敏度高、有良好的化學(xué)穩(wěn)定性；
[0013]2、本實用新型加熱體的尺寸可以在微鈉米量級，升溫快，有效的降低了功耗，減少了響應(yīng)時間；
[0014]3、本實用新型體積小、重量輕而且性能穩(wěn)定；
[0015]4、本實用新型增加了起隔熱作用的熱層，并在襯底上刻蝕出懸空的絕緣體薄膜，能有效降低襯底傳熱導(dǎo)致的測量誤差；[0016]5、本實用新型通過測量通入氣體前后加熱體電阻差值來測定氣流流量，有效的解決了現(xiàn)有流量傳感器功耗大、襯底存在熱傳導(dǎo)、響應(yīng)時間長的問題。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1是本實用新型第一實施方式的截面示意圖。
[0018]圖2是本實用新型第二實施方式的三維示意圖。
[0019]圖3是本實用新型第三實施方式的截面示意圖。
[0020]圖4 (A)是襯底示意圖。
[0021]圖4(B)是襯底上濺射隔熱層和絕緣層的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]圖4(C)是去除襯底上隔熱層薄膜和絕緣層薄膜結(jié)構(gòu)的四周部分的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023]圖4(D)是在隔熱層薄膜表面上制備出加熱體圖形的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024]圖4(E)是在加熱體兩端部分濺射一層電極的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025]圖4(F)是同濕法腐蝕掉襯底的一部分，形成凹槽，獲得縱散熱電阻結(jié)構(gòu)示意圖。
[0026]圖5是濕法腐蝕掉一部分硅基底，形成凹槽的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0027]圖6是本實用新型所采用的的惠更斯電橋簡化電路示意圖。
【具體實施方式】
[0028]為了使本實用新型的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本實用新型進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本實用新型，并不用于限定本實用新型。此外，下面所描述的本實用新型各個實施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0029]如圖1所示，根據(jù)本實用新型的第一實施方式，本實用新型的石墨烯微型流量傳感器包括加熱體2、隔熱層4、襯底5，襯底5上具有凹槽，隔熱層4設(shè)置在襯底5的凹槽表面，加熱體2通過低應(yīng)力化學(xué)氣相沉積(Low pressure chemical vapor deposition,簡稱LPCVD)工藝設(shè)置于隔熱層4上，且加熱體2的兩端分別設(shè)有一個金屬電極I。
[0030]金屬電極I由是鈦Ti附著層表面濺射鉬Pt層后再濺射金Au層構(gòu)成。加熱體2為形狀彎曲的石墨烯材料。隔熱層4是由氮化硅制成，并由LPCVD工藝沉積在襯底5上，厚度為50nm至10 μ m,優(yōu)選為I μ m。襯底5是由多晶娃制成。
[0031]如圖2和圖3所示，根據(jù)本實用新型的第二實施方式，本實用新型的石墨烯微型流量傳感器包括加熱體2、絕緣層3、隔熱層4、襯底5，襯底5上具有凹槽，隔熱層4設(shè)置在襯底5的凹槽表面，絕緣層3覆蓋在隔熱層4表面，加熱體2通過LPCVD工藝設(shè)置于絕緣層3上，且加熱體2的兩端分別設(shè)有一個金屬電極I。
[0032]金屬電極I由是鈦Ti附著層表面濺射鉬Pt層后再濺射金Au層構(gòu)成。加熱體2為形狀彎曲的石墨烯材料。隔熱層4材料為氮化硅，厚度為I μ m。襯底5是由單晶硅制成。絕緣層3材料為二氧化硅，厚度為50nm至10 μ m，優(yōu)選為300nm。
[0033]該實施方式的石墨烯微型流量傳感器的制備方法包括如下步驟:
[0034](I)取一單晶硅片作為襯底5 (如圖4㈧所示)，在襯底5表面用LPCVD工藝沉積一層低應(yīng)力的氮化硅薄膜作為隔熱層4(如圖4(B)所示)，再利用LPCVD工藝沉積一層二氧化硅薄膜作為絕緣層3，然后用第一研磨去除隔熱層和絕緣層的四周部分(如圖4(C)所示)；
[0035](2)通過腐蝕或者剝離工藝，用第二掩膜在二氧化硅絕緣層3上形成加熱體2薄膜圖形，如圖4(D)所示；
[0036](3)在加熱體2兩端部分濺射一層IOnm厚的鈦(Ti)附著層，隨之濺射一層300nm厚的Au薄膜，用第三掩膜做出金屬電極I的形狀，如圖4(E)所示；
[0037](4)用濕法腐蝕掉襯底的一部分，形成凹槽，獲得縱散熱電阻結(jié)構(gòu)，如圖4(F)所
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[0038]如圖5所示，根據(jù)本實用新型的第三實施方式，本實用新型的石墨烯微型流量傳感器包括加熱體2、絕緣層3、隔熱層4、襯底5，襯底5上具有凹槽，隔熱層4設(shè)置在襯底5的凹槽表面，絕緣層3覆蓋在隔熱層4表面，加熱體2通過LPCVD工藝設(shè)置于絕緣層3上，且加熱體2的兩端分別設(shè)有一個金屬電極I。本實施方式與第二實施方式的區(qū)別在于，本實施方式中的凹槽是通過濕法腐蝕襯底5的背面的一部分而形成，且金屬電極I與外部電路相連。如圖6所示，外部電路采用惠更斯電橋，其包括一個電阻R、3個阻值為Rl的三個電阻、以及一個放大器電路，電阻R即為石墨烯材料。
[0039]金屬電極I由是鈦Ti附著層表面濺射鉬Pt層后再濺射金Au層構(gòu)成。
[0040]加熱體2為形狀彎曲的石墨烯材料。
[0041]絕緣層3材料為二氧化娃，厚度為50nm至10 μ m,優(yōu)選為300nm。
[0042]隔熱層4材料為氮化娃,厚度為50nm至10 μ m,優(yōu)選為I μ m。
[0043]襯底5是由單晶硅制成。
[0044]本實用新型的工作原理如下:
[0045]本實用新型使用時，先讓加熱體預(yù)熱一段時間，這時兩端電極就有一個穩(wěn)定的電動勢。氣流與加熱體間的傳熱速率與氣流速度和兩者間溫差有關(guān)。當(dāng)傳感器工作時，氣流經(jīng)過加熱體，這時加熱體的熱量被帶走一部分，一段時間后，加熱體的溫度將維持在一個穩(wěn)定值，溫度不同，加熱體的阻值也發(fā)生變化，通過惠更斯電橋電壓原理，可以得到通入流體前后加熱體的電壓差，就可以根據(jù)電壓差與氣流速度對應(yīng)關(guān)系而得出氣流流速。
[0046]本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，并不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種石墨烯微型流量傳感器，包括加熱體、隔熱層、以及襯底，其特征在于，襯底上具有凹槽，隔熱層設(shè)置在襯底的凹槽表面，加熱體設(shè)置于隔熱層上，且加熱體的兩端分別設(shè)有一個金屬電極，金屬電極包括疊加的鈦、鉬和金材料金屬層，加熱體為形狀彎曲的石墨烯材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的石墨烯微型流量傳感器，其特征在于，隔熱層的厚度為50nm至 10 μ m。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的石墨烯微型流量傳感器，其特征在于，襯底的材料采用多晶硅。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的石墨烯微型流量傳感器，其特征在于，還包括絕緣層，其覆蓋在隔熱層表面。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的石墨烯微型流量傳感器，其特征在于，絕緣層的厚度為50nm至 10 μ m。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的石墨烯微型流量傳感器，其特征在于，金屬電極與外部電路相連，外部電路采用惠更斯電橋。
【文檔編號】B81B7/00GK203798395SQ201420197126
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2014年4月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月22日
【發(fā)明者】汪學(xué)方, 龔雄輝, 蔣圣偉, 徐春林, 雷宇晴 申請人:華中科技大學(xué)