一种用于水体温盐深检测的集成微纳传感器及其制作方法技术

提供一种用于水体中温度、电导率和压力检测的温盐深集成微纳传感器及其制作方法，包括键合在一起的硅基片(1)与玻璃基片(2)，硅基片(1)上分别设置温度传感器(3)、压力传感器和电导率传感器(4)；在压力传感区域对称设置经离子注入掺杂而形成的2个横向导电区域(15)与2个纵向导电区域(16)，经金属导电连接线相连接，使各导电区域的电阻值相同，形成惠斯通电桥，2个横向导电区域(15)与2个纵向导电区域(16)分别作为该惠斯通电桥的四个桥臂，硅基片(1)的键合面在压力传感区的背面形成真空压力槽(5)，形成遇压变形的压力敏感膜(17)，受压变形而产生压阻效应。

【技术实现步骤摘要】
一种用于水体温盐深检测的集成微纳传感器及其制作方法
本专利技术涉及一种用于水体温盐深检测的集成微纳传感器及其制作方法，属于传感器
，也属于环境保护

技术介绍
温盐深传感器（Conductivity-Temperature-DepthSensors,简称CTD传感器）是测量以海洋为主的水体物理特性的重要工具。目前，水体温盐深（CTD）中的温度传感器，广泛采用是热敏电阻或者铂电阻，其易于制作，性能稳定，线性度好。而电导率传感器主要为电极式，通过外加电场感生电流，电流的大小取决于溶液中离子的数量，检测的输出电压与被测介质的电导率成正比。传统的压力传感器有压阻法、压电法、电容法等多种测量方法，压电法是通过电介质层感应外界压力时内部极化感生的正负电荷来计算压力的，具有体积小，耐高温等优点，但其不能用于静态测量。电容法通过内部上下两极板感应压力形变引起的内部电容变化来测量的，其需要特定的电路来测量电容的变化。目前国内研制的电缆式、船体固定式、拖曳式温盐深测量设备存在诸多问题，例如设备复杂、体积巨大，集成度不高、创新性不强、仪器精度低等，随着深远海发展战略的逐步推进，急需克服以上缺点。本案申请人在2019年01月30日递交了一件名为“一种集成微纳传感器及其制作方法”的专利技术专利申请，2019年05月28日公布，文献号为CN109813778A，提供了一种水体pH值、电导率和温度三参数快速在线检测的集成微纳传感器及其制作方法，但其缺少压力检测功能。本专利技术可以看作是在此技术基础上进一步的研发成果。
技术实现思路
本专利技术的技术关键是提供一种用于水体中温度、电导率和压力检测的温盐深集成微纳传感器及其制作方法，本专利技术温盐深集成微纳传感器可以在水体中精确测量同一位置点与时间点的压力、电导率温度参数，克服现有传感器体积大，响应速度慢、不易于集成等缺点，制作的传感器集成程度高，响应快，温漂小。为了解决上述技术问题，本专利技术温盐深集成微纳传感器所采用的技术方案为：一种用于水体温盐深检测的集成微纳传感器，包括可与硅基片键合的Pyrex7740玻璃基片，玻璃基片上面以与其键合的方式覆盖有表面为[100]晶面、双面抛光并氧化的硅基片，二者键合成一体；在硅基片上表面的温度传感区域、压力传感区域和电导率传感区域分别设置温度传感器、压力传感器和电导率传感器；其特征在于，所述压力传感器如此设置：在所述压力传感区域的横向两侧与纵向两侧分别对称设置经离子注入掺杂而形成的2个横向导电区域与2个纵向导电区域，在所述压力传感区域上表面各导电区域之间设置有经溅射和Lift-off工艺制备出的金属导电连接线相连接，使各导电区域的电阻值相同，形成惠斯通电桥，2个横向导电区域与2个纵向导电区域分别作为该惠斯通电桥的四个桥臂，所述硅基片的键合面在压力传感区的背面经湿法刻蚀向内挖空形成真空压力槽，使压力传感区域成为微米级厚度的遇压变形的压力敏感膜；当压力传感区域受到压力时，2个横向导电区域与2个纵向导电区域受压变形而产生压阻效应，成为该惠斯通电桥的四个桥臂的压阻感应条，将压力信号变换为电阻值信号即电信号，所述金属导电连接线与四个桥臂的压阻感应条之间以欧姆接触相连接，通过金属导电连接线传递出。以下为本专利技术温盐深集成微纳传感器进一步的方案：所述压阻感应条经硼离子注入掺杂而形成，包括掺杂密度低的轻掺杂区域与掺杂密度高的重掺杂区域，掺杂深度均为纳米级，掺杂深度也称掺杂结深，简称结深。轻掺杂区域均沿着晶向为[100]硅基片表面的[110]方向呈细长条状蛇行方式在其所在区域面积来回重复布置，轻掺杂区域的电阻值远大于重掺杂区域的电阻值，是感应外界压力的主体；重掺杂区域为惠斯通电桥桥臂电阻的连接点，呈方块状布置，其宽度大于轻掺杂区域的宽度，用于补偿离子注入轻掺杂区域压阻效应发生时由于泊松效应引起的误差，以及增大离子注入轻掺杂区域的面积；金属导电连接线为金属铝连接线。惠斯通电桥在压力传感区域的4个边角处分别设置用作对外接线的接线块。所述2个横向导电区域与2个纵向导电区域的呈细长条状的轻掺杂区域均呈纵向布置。所述轻掺杂区域与重掺杂区域的长宽为微米级，金属铝连接线厚度为微米级、长宽为毫米级的铝薄层，重掺杂区域的掺杂密度是轻掺杂区域的8至12倍；所述真空压力槽为由湿法刻蚀工艺刻蚀硅基片[100]背面形成的长宽高为毫米级的开口槽；所述温度传感器、电导率传感器为由Lift-off工艺直接形成的厚度为纳米级、长宽为微米级的铂薄层。所述硅基片压力传感区域的压力敏感膜的厚度为50um至100um。所述温度传感器由一段作为热敏电阻的铂电阻丝在硅基片表面其中一区域布置而成，电导率传感器由2对铂电极在硅基片表面其中一区域布置而成。形成所述温度传感器的铂电阻丝为Pt1000电阻丝，所述铂电阻丝在硅基片上表面呈细长条状蛇行方式在其所在区域面积来回重复布置，使得形成温度传感器的整段金属铂丝的长度与宽度能达到温度为0度时电阻值为一个设定临界值；所述铂电阻丝的两端分别设置用作对外接线的接线块。作为所述电导率传感器的2对铂电极包括1对内圈铂电极与1对外圈铂电极，内圈铂电极包括1个内圈圆环形铂电极及其连接铂电极，与环绕在内圈圆环形铂电极外的内圈断环铂电极及其连接铂电极，外圈铂电极包括1个第一外圈断环铂电极及其连接铂电极，与环绕在第一外圈断环铂电极外的第二外圈断环铂电极及其连接铂电极，各个连接铂电极均引向硅基片的边缘，各个连接铂电极的终端设置用作对外接线的接线块。所述温度传感器、压力传感器、电导率传感器在所述硅基片上表面排列分布，压力传感器位于所述硅基片上表面中心位置，所述温度传感器、电导率传感器分别位于压力传感器左右两侧；所述外封装硅基片上面在温度传感器、压力传感器和电导率传感器所在区域设置开口，其它部位全部封装，并引出各电极的引出线。为了解决上述技术问题，本专利技术温盐深集成微纳传感器的制作方法所采用的技术方案为：一种用于水体温盐深检测的集成微纳传感器的制作方法，分别包括所述硅基片的制作、所述玻璃基片的键合，所述硅基片的制作包括以下步骤：步骤一、选择表面为[100]晶面的单面抛光并氧化的硅片作为硅基片材料，表面具有硅氧化层，硅氧化层厚度为2um，硅片表面平整度小于1um；步骤二、基片双面喷涂光刻胶、光刻显影，用BOE腐蚀液刻蚀氧化硅层，制备出用于制备真空压力槽的窗口；步骤三、采用30%KOH腐蚀液，50℃条件下各向异性湿法刻蚀硅层，制备出真空压力槽，控制腐蚀速率和腐蚀时间，使真空压力槽底面正好盖过离子注入重掺杂区域；步骤四、刻蚀双面氮化硅层；步骤五、在制备好腔体结构的硅片上，用气相沉积法Pecvd生成厚度为60nm的氧化硅层；步骤六、光刻后，在离子注入区域轻掺杂后进行氧等离子体处理，接着硼离子注入该区域；步骤七、光刻后，在离子注入区域重掺杂后进行氧等离子体处理，接着硼离子注入该区域；步骤八、刻蚀单面二氧化硅层；步骤九、对硅片进行管式炉退火，对压阻条和Al本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于水体温盐深检测的集成微纳传感器，包括可与硅基片(1)键合的Pyrex7740玻璃基片(2)，玻璃基片(2)上面以与其键合的方式覆盖有表面为(100)晶面、双面抛光并氧化的硅基片(1)，二者键合成一体；在硅基片(1)上表面的温度传感区域、压力传感区域和电导率传感区域分别设置温度传感器(3)、压力传感器和电导率传感器(4)；其特征在于，所述压力传感器如此设置：在所述压力传感区域的横向两侧与纵向两侧分别对称设置经离子注入掺杂而形成的2个横向导电区域(15)与2个纵向导电区域(16)，在所述压力传感区域上表面各导电区域之间设置有经溅射和Lift-off工艺制备出的金属导电连接线相连接，使各导电区域的电阻值相同，形成惠斯通电桥，2个横向导电区域(15)与2个纵向导电区域(16)分别作为该惠斯通电桥的四个桥臂，所述硅基片(1)的键合面在压力传感区的背面经湿法刻蚀向内挖空形成真空压力槽(5)，使压力传感区域成为微米级厚度的遇压变形的压力敏感膜(17)；当压力传感区域受到压力时，2个横向导电区域(15)与2个纵向导电区域(16)受压变形而产生压阻效应，成为该惠斯通电桥的四个桥臂的压阻感应条，将压力信号变换为电阻值信号即电信号，所述金属导电连接线与四个桥臂的压阻感应条之间以欧姆接触相连接，通过金属导电连接线传递出。/n...

【技术特征摘要】
1.一种用于水体温盐深检测的集成微纳传感器，包括可与硅基片(1)键合的Pyrex7740玻璃基片(2)，玻璃基片(2)上面以与其键合的方式覆盖有表面为(100)晶面、双面抛光并氧化的硅基片(1)，二者键合成一体；在硅基片(1)上表面的温度传感区域、压力传感区域和电导率传感区域分别设置温度传感器(3)、压力传感器和电导率传感器(4)；其特征在于，所述压力传感器如此设置：在所述压力传感区域的横向两侧与纵向两侧分别对称设置经离子注入掺杂而形成的2个横向导电区域(15)与2个纵向导电区域(16)，在所述压力传感区域上表面各导电区域之间设置有经溅射和Lift-off工艺制备出的金属导电连接线相连接，使各导电区域的电阻值相同，形成惠斯通电桥，2个横向导电区域(15)与2个纵向导电区域(16)分别作为该惠斯通电桥的四个桥臂，所述硅基片(1)的键合面在压力传感区的背面经湿法刻蚀向内挖空形成真空压力槽(5)，使压力传感区域成为微米级厚度的遇压变形的压力敏感膜(17)；当压力传感区域受到压力时，2个横向导电区域(15)与2个纵向导电区域(16)受压变形而产生压阻效应，成为该惠斯通电桥的四个桥臂的压阻感应条，将压力信号变换为电阻值信号即电信号，所述金属导电连接线与四个桥臂的压阻感应条之间以欧姆接触相连接，通过金属导电连接线传递出。


2.如权利要求1所述的集成微纳传感器，其特征在于，所述压阻感应条经硼离子注入掺杂而形成，包括掺杂密度低的轻掺杂区域(6)与掺杂密度高的重掺杂区域(7)，掺杂结深均为纳米级，轻掺杂区域(6)均沿着晶向为[100]硅基片(1)表面的[110]方向呈细长条状蛇行方式在其所在区域面积来回重复布置，轻掺杂区域(6)的电阻值远大于重掺杂区域(7)的电阻值，是感应外界压力的主体；重掺杂区域(7)为惠斯通电桥桥臂电阻的连接点，呈方块状布置，其宽度大于轻掺杂区域(6)的宽度，用于补偿离子注入轻掺杂区域(6)压阻效应发生时由于泊松效应引起的误差，以及增大离子注入轻掺杂区域(6)的面积；金属导电连接线为金属铝连接线(8)；惠斯通电桥在压力传感区域的4个边角处分别设置用作对外接线的接线块(9)。


3.如权利要求2所述的集成微纳传感器，其特征在于，所述2个横向导电区域(15)与2个纵向导电区域(16)的呈细长条状的轻掺杂区域(6)均呈纵向布置。


4.如权利要求2所述的集成微纳传感器，其特征在于，所述轻掺杂区域(6)与重掺杂区域(7)的长宽为微米级，金属铝连接线(8)厚度为微米级、长宽为毫米级的铝薄层，重掺杂区域(7)的掺杂密度是轻掺杂区域(6)的8至12倍；所述真空压力槽(5)为由湿法刻蚀工艺刻蚀硅基片(1)（100）背面形成的长宽高为毫米级的开口槽；所述温度传感器(3)、电导率传感器(4)为由Lift-off工艺直接形成的厚度为纳米级、长宽为微米级的铂薄层。


5.如权利要求1所述的集成微纳传感器，其特征在于，所述硅基片(1)压力传感区域的压力敏感膜(17)的厚度为50um至100um。


6.如权利要求1所述的集成微纳传感器，其特征在于，所述温度传感器(3)由一段作为热敏电阻的铂电阻丝在硅基片(1)表面其中一区域布置而成，电导率传感器(4)由2对铂电极在硅基片(1)表面其中一区域布置而成。


7.如权利要求6...

【专利技术属性】
技术研发人员：金庆辉，王振宇，郜晚蕾，管轶华，车啸婷，
申请(专利权)人：宁波大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33