[发明专利]一种易集成微型原子层热电堆热流传感器及其制备方法

说明书

本发明属于热流传感器技术领域，具体涉及一种易集成微型原子层热电堆热流传感器及其制备方法。本发明基于横向热电效应，采用n‑1根导电膜将n根热电堆线条串联导通；可用单一材料实现缩减了成本。可通过MEMS技术制造，具有体积小、重量轻、响应速度快等特点，同时采用的热电堆结构简单，制备过程简单，可控性强，与现有成熟的半导体工艺具有良好的兼容性，适用于工业化大批量生产；在保证响应速度的前提下，可根据实际测量需求设计线条数来倍增响应信号，从而大幅度提高器件灵敏度，以满足不同的测量要求，进一步扩展其应用范围；采用额外m处电极导电膜的设计时，能够兼容不同量程的信号接收器。

技术领域

本发明属于热流传感器技术领域，具体涉及一种易集成微型原子层热电堆热流传感器及其制备方法。

背景技术

在热流传感器技术领域，通过测量物体的温度梯度，可以确定通过物体的热流参数。一种典型的器件类型是薄膜热电堆传感器，它利用了传统纵向热电效应的原理，至少需要两种具有显著差异的塞贝克系数的材料。这将大大增加薄膜热电堆传感器的成本，在一定程度上阻碍其广泛应用。

原子层热电堆热流传感器(ALTP)就是基于横向塞贝克效应制备的一种新型用于瞬态热流测量的高速传感器。其工作原理是，当倾斜生长的薄膜上下表面存在温度梯度时，即可产生一个横向(平行于薄膜表面方向)的热电势。

为了对各向异性导电薄膜的倾斜生长进行严格的取向控制，ALTP热流传感器通常都制作在以一定角度斜切的单晶表面。在单晶基片上外延生长出来的薄膜具有较高的取向一致性和确定的倾斜角度，容易控制其特性。ALT薄膜因各向异性会形成原子级的热电偶，在整个薄膜中多对热电偶相互串联，形成原子层热电堆，其结构如图1所示。因此，原子层热电堆中形成的“热电偶”线密度非常高(10⁶个/cm，而传统热电堆热电偶的节点密度远远低于ALTP热流传感器)，小尺寸传感器即可以输出相当大的热电势信号，使其具有非常高的灵敏度；同时由于载流子在“热电偶”节点中需要扩散的距离比目前传统热电堆热电偶节点要小得多，因此ALTP的响应时间明显快于传统热电堆。总之，ALTP热流传感器在灵敏度及响应速度上具有一定优势。

ALTP热流传感器可以在导热、对流和辐射大范围热流测量中获得高快速响应的热流数据，在传热传质、涡轮机械、动力工程、气动热与热防护试验等方面具有良好的应用前景。但是到目前为止还没有大规模的商业化应用，主要是这类器件的成本较高，输出信号较弱，并且基于当前科技发展的可集成(工艺兼容)小型化需求也急需解决。然而国内外目前研究重点主要还是针对ALTP热流传感器本身热电材料特性的优化，忽视了基于传感器结构和小型化方面的优化设计。

发明内容

针对上述存在问题或不足，本发明要解决的关键技术问题是，提供一种易集成微型原子层热电堆热流传感器及其制备工艺，使其在微机电系统中广泛应用成为可能。

一种易集成微型原子层热电堆热流传感器，包括单晶基底、功能层薄膜、导电膜和外接导线。

所述单晶基底为倾斜取向。

所述功能层薄膜设于基片上，为ALT材料，由互不相交的n根热电堆线条构成，n≥50。

所述导电膜有两种，分别为电极导电膜和线状导电膜，线状导电膜设于相邻热电堆线条之间，共计n-1根，用于将n根热电堆线条串联导通；电极导电膜有两处，分别连接串联导通后的首尾两根热电堆线条。

所述外接导线有两根，分别连接两处电极导电膜，作为传感器对外连接的端头。

进一步的，采用薄膜技术和微加工工艺，实现整个多线条的微型原子层热电堆热流传感器的亚微米级制备，以实现集成小型化。

进一步的，所述电极导电膜还有m处，分别一一对应的设置于串联导通后首尾两根热电堆线条以外的其余n-2根热电堆线条上，1≤m≤n-2，以实现输出信号放大倍数的向下调整，从而兼容不同量程的信号接收器。