一种嵌入式微纳传感器及其制备方法与流程

【技术领域】

本发明涉及传感器技术领域，具体涉及一种用于在智能制造恶劣环境监测的嵌入式微纳传感器及其制备方法。

背景技术：

传感器在工业中有广泛的应用，如石化，汽车，航空航天和国防，航天，消费类电子产品等。有效的监测和控制不利的生产工艺，如温度升高、大的热通量、压力变化等，是至关重要的。这样的应用程序需要在线采集实时信息，如温度和压力的变化，这只能通过将传感器直接嵌入到恶劣的环境中。如果在生产过程中的不利环境是被实时监测和控制的，那么问题就可以在生产周期内发现和解决，从而产生更高品质的产品和生产力。

目前用在恶劣制造环境中的传感器通常尺寸比较大，并且是连接到可能暴漏在恶劣环境中的组件的表面，或者通过金属工件形成的渠道破坏性地插入关键位置，使其关键位置难以提供时间和空间分布的测量。

在这种情况下，微型传感器技术拥有独特的优势。由于他们的尺寸较小，分布式微型传感器可以被纳入到组件中，并且不干扰正常的工作组的作用。微型传感器的小尺寸使得他们能够比普通的大型传感器更快的对环境的变化做出反应。此外，他们获得的数据大大提高了空间分辨率和灵敏度。如果这些微型传感器可以替代传统的传感器被镶嵌在关键位置，那么在实时监测和智能控制方面会得到显著提高。

但是传感器嵌入的难度在于，目前在有些恶劣制造环境中使用的组件大多数是金属的材料，因此如何确保这些微型传感器可以成功的嵌入到金属结构并且在恶劣的生产环境下正常运作是非常重要的。然而微/纳米传感器的制造和嵌入是不仅限于金属，陶瓷或其他材料也可用于传感器制造和嵌入。

但是目前市场上几乎没有能够抵御多种工业过程中恶劣环境的传感器。金属嵌入微/纳米传感器不仅是目前可用的大型离散型传感器的一个更好的和更明智的替代，还可以专门用在恶劣的制造或其他类似的应用中。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术的缺陷和不足，提供一种嵌入式微纳传感器及其制备方法。

本发明所述的一种嵌入式微纳传感器及其制备方法，它包括金属衬底、粘附层、介电层、传感器层、种子层、嵌入层，

所述金属衬底上设置有一层粘附层，该层粘附层上设置有一层介电层，该介电层上设置有传感器层，该传感器层上再设置有一层介电层；所述传感器层上的介电层上设置一层粘附层，该粘附层上设置有一层种子层，该种子层上设置有嵌入层。

所述嵌入式微纳传感器的制备方法，采用如下步骤：

步骤一：在硅底物上利用lpcvd工艺，使得硅底物上快速增长形成sixny陶瓷材料层；

步骤二：然后在步骤一的sixny陶瓷材料层上，将传感器层沉积下降至sixny陶瓷材料层上；

步骤三：然后利用pecvd工艺，使电介层al2o3层形成多层沉积，使得传感器层置于两层电介层中；

步骤四：利用lpcvd工艺进行对硅底物背面sixny陶瓷材料层进行干燥处理；

步骤五：然后在硅底物表面上电介层上采用溅射工艺，设置ti/ni层；

步骤六：利用su-8光刻胶形成粘附层；

步骤七：然后利用粘附层来粘附电镀镍层；

步骤八：在步骤七的电镀镍层上，涂上环氧树脂层；

步骤九：然后再采用lpcvd工艺，对硅底物项端上的所有的sixny陶瓷材料层进行干燥处理，再涂抹一层环氧树脂层；

步骤十：在步骤九的基础，生长多层电介质层；

步骤十一：然后再利用溅射工艺，设置ti/ni层；再次利用su-8光刻胶形成粘附层，然后再利用粘附层来粘附电镀镍层；

步骤十二：移除su-8光刻胶，并去除环氧树脂层，同步分离出传感器单元。

采用上述结构后，本发明有益效果为：本发明所述的一种嵌入式微纳传感器及其制备方法，它采用在微型硅衬底上制作传感器之后将其转移到电镀金属上，电镀金属拥有硅衬底的表面光滑性，从而消除了在金属上直接制造传感器的问题；它具有在硅衬底上制造的任意微纳传感器都有转移到金属基板或其他材料进行制造的潜在可能性，也解决了通过su-8光刻工艺分离单个传感器的问题。

【附图说明】

此处所说明的附图是用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，但并不构成对本发明的不当限定，在附图中：

图1是本发明的微纳传感器的结构示意图；

图2是本发明的工艺流程拓扑示意图。

附图标记说明：

1、金属衬底；2、粘附层；3、介电层；4、传感器层；5、种子层；6、嵌入层；。

【具体实施方式】

下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，其中的示意性实施例以及说明仅用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

如图1所示，本具体实施方式所述的一种嵌入式微纳传感器及其制备方法，它包括金属衬底1、粘附层2、介电层3、传感器层4、种子层5、嵌入层6；所述金属衬底1上设置有一层粘附层2，该层粘附层2上设置有一层介电层3，该介电层3上设置有传感器层4，该传感器层4上再设置有一层介电层3；所述传感器层4上的介电层3上设置一层粘附层2，该粘附层2上设置有一层种子层5，该种子层5上设置有嵌入层6。

如图2所示，嵌入式微纳传感器的制备方法，采用如下步骤：

步骤一：在硅底物上利用lpcvd工艺，使得硅底物上快速增长形成sixny陶瓷材料层；

步骤二：然后在步骤一的sixny陶瓷材料层上，将传感器层沉积下降至sixny陶瓷材料层上；

步骤三：然后利用pecvd工艺，使电介层al2o3层形成多层沉积，使得传感器层置于两层电介层中；

步骤四：利用lpcvd工艺进行对硅底物背面sixny陶瓷材料层进行干燥处理；

步骤五：然后在硅底物表面上电介层上采用溅射工艺，设置ti/ni层；

步骤六：利用su-8光刻胶形成粘附层；

步骤七：然后利用粘附层来粘附电镀镍层；

步骤八：在步骤七的电镀镍层上，涂上环氧树脂层；

步骤九：然后再采用lpcvd工艺，对硅底物项端上的所有的sixny陶瓷材料层进行干燥处理，再涂抹一层环氧树脂层；

步骤十：在步骤九的基础，生长多层电介质层；

步骤十一：然后再利用溅射工艺，设置ti/ni层；再次利用su-8光刻胶形成粘附层，然后再利用粘附层来粘附电镀镍层；

步骤十二：移除su-8光刻胶，并去除环氧树脂层，同步分离出传感器单元。

本发明的步骤一中，lpcvd工艺为低压化学气相沉积法，lpcvd为low-pressurecvd的缩写，lpcvd可提高传质速率。

本发明中，pecvd工艺为等离子体增强化学的气相沉积法。

本发明中，电镀镍层为金属衬底。

本发明中，嵌入式微纳传感器包括金属衬底1、粘附层2、介电层3、传感器层4、种子层5、嵌入层6；传感器层4设置有两层介电层3之间，传感器层4顶面和底面的介电层3分别通过粘附层2与种子层5和金属衬底1相连，种子层5上设置有嵌入层6，从而形成八层结构的嵌入式微纳传感器主体。

本发明的制备流程中，是先将传感器层设置在微型硅衬底上，然后后来转移到电镀金属上，本发明中是转移到电镀镍层。由于电镀金属复制硅衬底的表面光滑性，从而消除了传感器在金属直接制造问题。通过这种技术，潜在的可以硅衬底上形成的任何微/纳米结构都可以转移到金属基板或其他材料进行制造。

本发明的有益效果：

1)金属嵌入的微/纳米传感器在恶劣的环境中可以兼容金属零件或模具。如果需要的话，非金属嵌入程序也可以通过熔融键合工艺来完成。

2)微/纳米传感器尺寸非常小，并且拥有更小的传感领域：可以实现较高的空间和时间分辨率。因此，分布式传感器阵列有可能在非常快的响应时间内监测较小的区域内的参数变化(例如温度梯度)。

3)范式转变：具有故障预测能力的实时状态监测代替基于时间基础的维修，从而节省大量资金。

4)具有更高生产率和更低生产成本的过程或状态智能监测技术。。

5)另一个潜在的应用是利用这些金属嵌入传感器的热传导能力的微冷技术。

本发明所述的一种嵌入式微纳传感器及其制备方法，它采用在微型硅衬底上制作传感器之后将其转移到电镀金属上，电镀金属拥有硅衬底的表面光滑性，从而消除了在金属上直接制造传感器的问题；它具有在硅衬底上制造的任意微纳传感器都有转移到金属基板或其他材料进行制造的潜在可能性，也解决了通过su-8光刻工艺分离单个传感器的问题。

以上所述仅是本发明的较佳实施方式，故凡依本发明专利申请范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均包括于本发明专利申请范围内。