[發明專利]一種垂直結構場發射微機械溫度傳感器結構

無效

• 申請號: 201110447507.8
• 申請日: 2011-12-29
• 公開（公告）號: CN102564623A
• 公開（公告）日: 2012-07-11
• 發明（設計）人: 秦明;蔡春華
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: G01K5/48
• 分類號: G01K5/48;B81B3/00
• 代理公司: 南京天翼專利代理有限責任公司 32112
• 代理人: 朱戈勝;王玉梅

技術領域

本發明涉及一種垂直結構場發射微機械溫度傳感器結構，尤其是采用體硅微機械加工技術實現的垂直錐尖場發射結合表面微機械工藝釋放形成的溫度傳感器結構。

背景技術

溫度傳感器是應用范圍極其廣泛，其類型也非常多。如傳統的熱電偶、熱敏電阻、水銀或酒精溫度計和半導體溫度傳感器等。傳統的熱電偶、熱敏電阻等結構簡單，成本低。但測量精度有一定限制。半導體溫度傳感器具有靈敏度高、體積小、功耗低、時間常數小、自熱溫升小、抗干擾能力強等諸多優點,但其工作溫度范圍窄(?-?55～150?℃左右)，難以應用到一些特殊低溫應用領域如探空儀等。微機電系統的發展為溫度傳感器的設計提供了新途徑。該技術具有在微米甚至亞微米級進行復雜精細加工的能力。因此采用微機械方法設計新型溫度傳感器以滿足特殊領域的需要成為目前的一個技術發展方向。

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發明內容

本發明要解決的技術問題是現有的溫度傳感器結構簡單的測量精度低，測量精度高的，工作溫度范圍窄，難以應用到一些特殊低溫應用領域。

為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案是：一種垂直結構場發射微機械溫度傳感器結構，其特征是：包括臺階狀的襯底、覆蓋在襯底上表面的絕緣層、懸臂梁和尖端陰極；懸臂梁一端與臺階上層的絕緣層連接，另一端為自由端，處于懸空狀態；尖端陰極位于臺階下層的絕緣層上，其尖端位于懸臂梁的自由端下部，兩者間隙設置；所述懸臂梁為雙層結構，上下兩層材質為金屬，且兩種金屬材質的熱膨脹系數不等。

工作時，當在懸臂梁與尖端陰極之間加一合適的正電壓時，將在尖端陰極處產生尖端放電現象，形成電子發射，也即場發射。該發射電流的大小取決于懸臂梁和尖端間距的長短；環境溫度的變化會導致由雙層具有不同熱膨脹系數材料構成的懸臂梁產生彎曲，從而改變了懸臂梁和尖端陰極的間距，進而使發射電流發生改變；通過測量該發射電流的大小就可反應環境溫度的變化。

本發明的優點是：制造工藝簡單，靈敏度高，溫度測量范圍寬，可以在零下80度低溫下工作，采用微機械加工，可批量生產器件，使成本降低和一致性等性能得到提高。

附圖說明

圖1為本發明的結構示意圖。

圖2為本發明的制作流程示意圖（過程一）。

圖3為本發明的制作流程示意圖（過程二）。

圖4為本發明的制作流程示意圖（過程三）。

圖5為本發明的制作流程示意圖（過程四）。

圖6為本發明的制作流程示意圖（過程五）。

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具體實施方式

下面結合附圖對本發明作進一步說明。

如圖1所示，本發明包括臺階狀的襯底1、覆蓋在襯底1上表面的絕緣層2、懸臂梁4和尖端陰極3；懸臂梁4一端與臺階上層的絕緣層2連接，另一端為自由端，處于懸空狀態；尖端陰極3位于臺階下層的絕緣層2上，其尖端位于懸臂梁4的自由端下部，兩者處于垂直狀態上的間隙設置；所述懸臂梁4為雙層結構，上下兩層均為金屬材質，且材質的熱膨脹系數不等。

工作時，當懸臂梁4和尖端陰極3之間加一合適的正向電壓時，尖端陰極3的尖端處電場集中，將發生場發射。該發射電流滿足F-N公式：

式中，A，B為常數；f為金屬表面功函數；E為尖端陰極4表面的電場；t²(y)近似等于1.1；q(y)=0.95-y²,其中。由上式可見，發射電流的大小和尖端陰極3表面的電場呈指數變化關系，而電場和懸臂梁4與尖端陰極3之間的間距成反比；因此，只要很小的間距變化就會引起很大的發射電流大小的變化。

懸臂梁4主要由兩個具有較大熱膨脹系數差異的金屬導電材料構成，因此當環境溫度變化時，將引起懸臂梁4自由端發生彎曲，從而改變其與尖端陰極3的間距，最終使發射電流產生較大變化。

該傳感器結構的制作過程為：

如圖2所示，首先，選取（100）晶向的半導體材料制作襯底1，如硅片，然后氧化形成濕法腐蝕保護層，光刻并腐蝕上面的氧化層，形成場發射錐尖的保護帽。

如圖3所示，然后進行硅的各向異性腐蝕，由于采用（100）硅片，因此經過腐蝕，硅片表面會形成類金字塔結構的硅尖。

如圖4所示，去掉表面氧化層進行重新生長，形成絕緣層2；接下來在絕緣層2上淀積生長金屬材料并光刻成尖端陰極3。

如圖5所示，然后涂光刻膠填充腐蝕窗口并光刻露出位于尖端陰極3左部的絕緣層2。

如圖6所示，進行懸臂梁4的淀積并光刻，形成懸臂梁4結構；最后利用氧等離子去掉位于尖端陰極3右部的腐蝕槽中的光刻膠，使懸臂梁4下部懸空。