一種基于碳化硅薄膜結(jié)構(gòu)的多功能傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及多功能傳感器測量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于碳化硅薄膜結(jié)構(gòu)的壓力、振動和溫度的多功能傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]當(dāng)前工業(yè)的發(fā)展對耐高溫的壓力、振動傳感器的需求越來越大。普通硅器件難以在200°C以上的環(huán)境中可靠工作。碳化硅器件具有高熔點(diǎn)、較好的熱穩(wěn)定性，可承受高溫，是高溫器件的理想材料。
[0003]在油氣開采設(shè)備、蒸汽輪機(jī)、燃煤鍋爐等裝備中，溫度、壓力和振動是三個非常重要的環(huán)境參數(shù)。實時準(zhǔn)確地掌握上述參數(shù)對生產(chǎn)效率、安全生產(chǎn)具有重要的意義。現(xiàn)有的傳感器大多只能測量其中某一個參數(shù)，為獲得三個參數(shù)需要三個傳感器，可能存在放置傳感器的空間不夠，傳感器只能得到所在位置的數(shù)據(jù)，若環(huán)境參數(shù)在空間上存在較大的梯度變化，則帶來一定的誤差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了解決上述出現(xiàn)的技術(shù)問題，本實用新型提供一種基于碳化硅薄膜結(jié)構(gòu)的多功能傳感器，其包括硅膜、硅基、碳化硅薄膜和鉑電阻器，其中碳化硅薄膜由硅膜和硅基(密封在一個真空腔內(nèi)，碳化硅薄膜由四根折疊梁支撐，碳化硅薄膜的上下表面各制備一層金電極，碳化娃薄膜的上金電極與娃膜形成上電容，碳化娃薄膜的下金電極與娃基形成下電容，在基于碳化硅薄膜結(jié)構(gòu)的多功能傳感器內(nèi)部還設(shè)有電容測量電路，在硅膜(I)的支撐位置處設(shè)有溫度傳感器。
[0005]優(yōu)選的是，所述多功能傳感器工作在閉環(huán)模式下:當(dāng)硅膜無壓力無振動時，碳化硅薄膜位于硅膜與硅基的中間位置；當(dāng)硅膜受到外界壓力，向下彎曲時，硅膜與碳化硅薄膜之間距離減小導(dǎo)致上電容增大而下電容不變，電容測量電路檢測到兩者容值差別變化，對硅基和碳化娃薄膜的下金電極之間施加電壓，迫使碳化娃薄膜產(chǎn)生位移，改變其與娃膜、娃基的位置，使得上下電容重新相等，其中，電容測量電路施加的電壓隨著硅膜所受壓力增加而增大，因此測量電壓的大小即可獲得壓力值。
[0006]優(yōu)選的是，所述多功能傳感器遇到垂直方向的振動時，碳化硅薄膜的上下位置發(fā)生變化，而硅膜位置不變，上下電容發(fā)生各自相反的變化，由此識別振動還是壓力。
[0007]優(yōu)選的是，所述電容測量電路優(yōu)先為RC振蕩電路，由電容變化改變方波的頻率值，通過測量其頻率值得到電容值。
[0008]優(yōu)選的是，四根折疊梁為一種帶環(huán)形結(jié)構(gòu)圖案而形成一種帶彈性的碳化硅薄膜。
[0009]優(yōu)選的是，所述的碳化硅薄膜(3)是一種使用化學(xué)氣相沉積(CVD)工藝沉積而得的碳化硅薄膜。
[0010]優(yōu)選的是，所述碳化硅薄膜為具有立方結(jié)構(gòu)的β-碳化硅薄膜，電阻率大于15 Ω.cm。
[0011]優(yōu)選的是，所述上下金電極可使用熱蒸發(fā)、磁控濺射工藝制備。
[0012]優(yōu)選的是，在硅膜的支撐位置處設(shè)有溫度傳感器。
[0013]本實用新型一種多功能傳感器的制造方法，其步驟如下:
[0014](I)在一塊硅基(2)表面使用磁控濺射制備一層金膜，然后使用化學(xué)氣相沉積(CVD)沉積一層β相碳化硅薄膜(3)，再使用磁控濺射制備一層金膜；使用光刻工藝制備一個聚合物光刻膠的漏板圖案；使用等離子刻蝕工藝依次刻蝕掉金、碳化硅、金，得到碳化硅微結(jié)構(gòu)圖案；使用等離子刻蝕工藝刻蝕碳化硅下方的硅基，刻蝕深度12μπι，得到硅基(2)與碳化硅薄膜(3);
[0015](2)使用旋涂工藝在另一塊硅基(2)表面沉積一層I ym厚的光刻膠；使用曝光顯影技術(shù)，去除部分區(qū)域的光刻膠，得到鉑金屬線條圖案的形狀，在該形狀外部，器件表面被光刻膠覆蓋，而在形狀內(nèi)部器件表面暴露出來；使用漏板掩蓋器件上表面，僅露出該圖案所在的區(qū)域；使用磁控濺射工藝在未被掩蓋的區(qū)域沉積一層10nm厚的鉑薄膜，在形狀外部的鉑薄膜沉積在光刻膠上，在形狀內(nèi)部的薄膜沉積在器件表面；將器件沉浸在三氯甲烷中20min，光刻膠被三氯甲烷溶解，光刻膠表面的鉑薄膜脫落，只保留了形狀內(nèi)部的鉑，從而得到鉑金屬線條圖案。使用超聲波壓焊工藝，將直徑50 μm的硅鋁合金絲焊接在線條圖案兩端的電極上，再將合金絲的另一端焊接在外電路上，溫度傳感器制備完成；
[0016](3)將步驟二制得的硅基(2)的一面上沉積10 μπι的多晶硅薄膜；在另一面上使用光刻工藝，制備掩模，將硅基(2)表面的一部分區(qū)域露出，其他區(qū)域被掩蓋；然后進(jìn)行等離子刻蝕，硅基(2)露出的區(qū)域被完全刻蝕掉，露出另一面的多晶硅薄膜，得到硅膜(I);
[0017](4)在真空條件下，使用硅金共晶鍵合將步驟一制得硅基(2)與碳化硅薄膜(3)和步驟三制得的硅膜(I)與硅基(2)使用金硅共晶鍵合、共熔鍵合、靜電鍵合、直接鍵合或焊燒鍵合在一起，得到整體器件。
[0018]本實用新型涉及的多功能傳感器，不但原理簡單，成本較低，更為重要的是能夠?qū)崿F(xiàn)溫度、壓力、振動三種環(huán)境量的同時測量。
【附圖說明】
[0019]圖1是本實用新型涉及的一種基于碳化硅薄膜結(jié)構(gòu)的多功能傳感器的結(jié)構(gòu)圖；
[0020]圖2是本實用新型涉及的一種基于碳化硅薄膜結(jié)構(gòu)的多功能傳感器的壓力測量示意圖；
[0021]圖3是本實用新型涉及的一種基于碳化硅薄膜結(jié)構(gòu)的多功能傳感器的加速度測量示意圖；
[0022]圖4是本實用新型涉及的一種基于碳化硅薄膜結(jié)構(gòu)的多功能傳感器的RC振蕩電路電容測量電路；
[0023]圖5是本實用新型涉及的一種基于碳化硅薄膜結(jié)構(gòu)的多功能傳感器中碳化硅微結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024]圖中標(biāo)識為:1硅膜、2硅基、3碳化硅薄膜、41上金電極、42下金電極、5溫度傳感器、6折疊梁.【具體實施方式】
[0025]下面將結(jié)合附圖和具體實施例對本實用新型作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
[0026]如圖1所示，該實施例提供了一種基于碳化硅薄膜結(jié)構(gòu)的多功能傳感器，其包括硅膜1、硅基2、碳化硅薄膜3和鉑電阻器，其中碳化硅薄膜3由硅膜I和硅基2密封在一個真空腔內(nèi)，碳化硅薄膜3由四根折疊梁6支撐，碳化硅薄膜3的上下表面各制備一層金電極。碳化娃薄膜的上金電極41與娃膜I形成上電容，碳化娃薄膜的下金電極42與娃基2形成下電容。在硅膜I的支撐位置處設(shè)有溫度傳感器5。此外，在基于碳化硅薄膜結(jié)構(gòu)的多功能傳感器內(nèi)部還設(shè)有電容測量電路。其中，所述硅膜I為多晶硅，所述硅基2可選擇的切向有100，111，110，001，所述上下金電極可使用熱蒸發(fā)、磁控派射工藝制備，所述娃膜1、娃基2與碳化硅薄膜3使用金硅共晶鍵合、共熔鍵合、靜電鍵合、直接鍵合或焊燒鍵合。
[0027]真空腔的大小無特別的要求，尺寸可以從100X100mm2到0.1X0.lmm2o
[0028]本實施例中的碳化硅薄膜3使用化學(xué)氣相沉積(CVD)工藝沉積而得，其中的碳化硅微結(jié)構(gòu)是使用半導(dǎo)體光刻工藝和等離子刻蝕工藝對碳化硅薄膜3加工而得，如圖5所示，其四根折疊梁6為一種環(huán)形結(jié)構(gòu)圖案而形成一種帶彈性的碳化硅薄膜，。
[0029]所述碳化硅薄膜3為具有立方結(jié)構(gòu)的β -碳化硅薄膜，電阻率大于15 Ω.cm。
[0030]如圖2、3所示，本實施例中的傳感器工作在閉環(huán)模式下:當(dāng)硅膜I無壓力無振動時，碳化硅薄膜3位于硅膜I與硅基2的中間位置，如圖2或圖3中的a狀態(tài)表示；當(dāng)硅膜I受到外界壓力，向下彎曲時，如圖2中b狀態(tài)表示，硅膜I與碳化硅薄膜3之間距離減小導(dǎo)致上電容增大而下電容不變，電容測量電路檢測到兩者容值差別變化，對硅基2和碳化硅薄膜3的下金電極之間施加某一個電壓，迫使碳化硅薄膜3產(chǎn)生位移，改變其與硅膜1、硅基2的位置，使