專利名稱：基于碳納米螺旋微熱傳導(dǎo)的運動傳感器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微機電系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及以碳納米螺旋作為微加熱元件的運動 傳感器及其制備方法。
背景技術(shù)：
微熱傳導(dǎo)運動傳感器通過探測運動過程中封閉腔室內(nèi)溫度分布的變化反映描述 運動的變量如加速度、姿態(tài)等，其中的主要元件為微加熱器，不含可動部件，比傳統(tǒng)的含有 振動質(zhì)量塊的運動傳感器穩(wěn)定可靠，在導(dǎo)航、游戲機、姿態(tài)輸入等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景?，F(xiàn)有的微熱傳導(dǎo)運動傳感器技術(shù)一般采用多晶硅作為加熱器，功耗在幾十毫瓦甚 至幾百毫瓦，功耗較大。采用碳納米螺旋(Carbon Nanocoil)作為加熱元件，可使其功耗大 大降低，有利于該傳感器的系統(tǒng)集成特別是在移動式及手持式的系統(tǒng)中的應(yīng)用推廣。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于碳納米螺旋加熱元件的運動傳感器，由于碳納米 螺旋在電信號作用下產(chǎn)生的焦耳熱具有高密度的特點，該傳感器具有功耗低的特點；本發(fā) 明還提供了制備該傳感器的方法，該方法工藝與半導(dǎo)體IC工藝兼容。本發(fā)明提供的一種基于碳納米螺旋微熱傳導(dǎo)的運動傳感器，其特征在于襯底為 玻璃片或生長有氧化層的硅片，其上設(shè)置有至少一個碳納米螺旋微加熱器，碳納米螺旋微 加熱器由碳納米螺旋、二個金電極以及二氧化硅層構(gòu)成；碳納米螺旋微加熱器多于一個時 為陣列排布；二個金電極設(shè)置在襯底上，在二個金電極與襯底之間鍍有鈦粘結(jié)層，鈦粘結(jié)層的 厚度為10 50nm，二個金電極之間的距離為1 15 μ m，金電極的厚度為300 500nm ；碳 納米螺旋架設(shè)或生長于二個金電極之間，碳納米螺旋的直徑為50 500nm ；碳納米螺旋與 金電極的接觸部位覆蓋有厚度為500 IOOOnm的二氧化硅層；基底為玻璃，開有凹槽，基底 與襯底鍵合形成封閉的微腔室，所述至少一個碳納米螺旋微加熱器位于該微腔室內(nèi)。上述運動傳感器的制備方法，其步驟包括(1)按照步驟(Al A3)在襯底上制作碳納米螺旋微加熱器，按照步驟(Bi) (B5)對基底進(jìn)行處理(Al)采用電子束蒸發(fā)或濺射，在清洗后的襯底上依次形成厚度為10 50nm的鈦 膜和厚度為300 500nm金膜；再利用剝離工藝形成二個金電極，二個金電極之間的距離為 1 15 μ m ；(A2)在二個金電極之間生長碳納米螺旋；(A3)在碳納米螺旋與金電極的接觸部位形成厚度為500 IOOOnm的二氧化硅層， 形成碳納米螺旋微加熱器；(Bi)在清冼后的玻璃基底的上下表面濺射形成金屬鉻保護(hù)層，厚度為0.3 0. 5 μ m，利用光刻膠通過剝離工藝在玻璃的任意一個表面露出凹槽的窗口 ；(B2)刻蝕玻璃表面，得到凹槽；(B3)去除玻璃蓋板表面的剩余金屬鉻保護(hù)層；(2)將基底和襯底相對，鍵合形成微腔室，使碳納米螺旋微加熱器位于該微腔室 內(nèi)。本發(fā)明采用碳納米螺旋作為基本加熱元件，利用其中的高密度焦耳熱，通過檢測 其周圍微尺度空間內(nèi)熱分布的變化得到系統(tǒng)的運動參數(shù)。該傳感器功耗低，不含可動部件。 本發(fā)明克服了傳統(tǒng)微加熱器功耗大和傳統(tǒng)運動傳感器中可動部件可靠性低的缺點，并具有 良好的集成潛力，在移動式、手持式的相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。


圖1為本發(fā)明碳納米螺旋運動傳感器的縱向結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為傳感器剖視示意圖，其中，圖2(a)為A A向剖視圖，圖2 (b)為B B向 剖視圖。
具體實施例方式下面通過借助實施例更加詳細(xì)地說明本發(fā)明，但以下實施例僅是說明性的，本發(fā) 明的保護(hù)范圍并不受這些實施例的限制。如圖1所示，本發(fā)明傳感器的結(jié)構(gòu)為采用玻璃片或生長有氧化層的硅片作為襯 底。襯底上設(shè)置有碳納米螺旋微加熱器，碳納米螺旋微加熱器多于一個時為陣列排布。碳 納米螺旋微加熱器的結(jié)構(gòu)為二個金電極2、3設(shè)置在襯底1上，在金電極2、3與襯底1之 間設(shè)有鈦粘結(jié)層4、5，鈦粘結(jié)層的厚度為10 50nm，金電極2、3之間的距離為1 15 μ m， 金電極的厚度為300 500nm ；碳納米螺旋6架設(shè)于金電極2、3之間，碳納米螺旋的直徑為 50 500nm ；碳納米螺旋6與金電極的接觸部分通過二氧化硅層7、8予以固定，構(gòu)成碳納米 螺旋微加熱器，其中二氧化硅層的厚度為500 lOOOnm。玻璃蓋板9上開有凹槽。襯底1與蓋板9鍵合，使微加熱器與凹槽相對，形成微腔 室10，將一個或多個微加熱器封裝在內(nèi)。制備上述基于碳納米螺旋微加熱器的傳感器的方法，其步驟包括(1)將襯底1按標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝進(jìn)行表面處理和清洗；(2)將碳納米螺旋微加熱器制備在襯底1上，其過程為(2. 1)采用電子束蒸發(fā)或濺射，形成厚度為10 50nm的鈦膜；(2. 2)采用電子束蒸發(fā)或濺射，形成厚度為300 500nm金膜；(2. 3)利用現(xiàn)有的剝離工藝(lift off)形成金電極，金電極之間的距離為1 15 μ m ；(2. 4)將直徑為50 500nm碳納米螺旋6與無水乙醇溶劑按0. 005 0. 05mg/ml 比例混合，經(jīng)超聲使碳納米螺旋均勻分散；(2. 5)將0. 5 1ΜΗζ，5 10V的交流電壓加載到襯底1上的金電極間，用微型注 射器將碳納米螺旋懸浮液滴到電極間，當(dāng)溶劑揮發(fā)完全時，碳納米螺旋將電極連通并定位 在電極間，此時撤除所加電場；
也可以在二個金電極上噴涂催化劑納米顆粒利用激光定點加熱輔助的沉積方法 生長碳納米螺旋于二個金電極之間。(2. 6)采用電子束蒸發(fā)或濺射二氧化硅，形成厚度為500 IOOOnm的二氧化硅 膜；(2. 7)利用反轉(zhuǎn)光刻膠的剝離工藝，形成加固碳納米螺旋與金電極接觸的二氧化 硅層，并將定位好的碳納米螺旋位于金電極間的部分暴露出來，形成碳納米螺旋微加熱器。(3)將玻璃蓋板9按標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝進(jìn)行表面處理和清洗；(4)將凹槽制備在玻璃基底1上，其過程為(4. 1)采用濺射方法，在玻璃基底9的上下表面形成金屬鉻保護(hù)層，厚度為0. 3 0. 5 μ m ；(4. 2)利用光刻工藝在其中的一個表面刻蝕金屬鉻保護(hù)層，得到凹槽的窗口 ；(4. 3)用反應(yīng)離子刻蝕(RIE)或者ICP方法刻蝕凹槽窗口露出的蓋板表面；(4. 4)采用干法或者濕法刻蝕的方法去除玻璃蓋板9上下表面的剩余金屬鉻保護(hù) 層；(5)將玻璃蓋板9和襯底1相對，通過陽極鍵合工藝，形成微腔室10，并制成微傳感器。實施例1 (1)將生長有氧化層的硅片襯底1按標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝進(jìn)行表面處理和清洗；(2)將碳納米螺旋微加熱器制備在襯底1上，其過程為(2. 1)采用電子束蒸發(fā)或濺射，形成厚度為IOnm的鈦膜；(2. 2)采用電子束蒸發(fā)或濺射，形成厚度為300nm金膜；(2.3)利用現(xiàn)有的剝離工藝(lift off)形成金電極，金電極之間的距離為 1 μ m ；(2. 4)將直徑為50nm 500nm碳納米螺旋6與無水乙醇溶劑按0. 005mg/ml比例 混合，經(jīng)超聲使碳納米螺旋均勻分散，得到碳納米螺旋懸浮液；(2. 5)將0. 5MHz, 5V的交流電壓加載到襯底1上的金電極間，用微型注射器將碳納 米螺旋懸浮液滴到電極間，當(dāng)溶劑揮發(fā)完全時，碳納米螺旋將電極連通并定位在電極間，此 時撤除所加電場；(2. 6)采用電子束蒸發(fā)或濺射二氧化硅，形成厚度為500nm的二氧化硅膜；(2. 7)利用反轉(zhuǎn)光刻膠的剝離工藝，形成加固碳納米螺旋與金電極接觸的二氧化 硅層，并將定位好的碳納米螺旋位于金電極間的部分暴露出來，形成碳納米螺旋微加熱器。(3)將玻璃蓋板9按標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝進(jìn)行表面處理和清洗；(4)將凹槽制備在玻璃基底1上，其過程為(4. 1)采用濺射方法，在玻璃基底9的上下表面形成金屬鉻保護(hù)層，厚度為 0. 3μ ；(4. 2)利用光刻工藝在其中的一個表面刻蝕金屬鉻保護(hù)層，得到凹槽的窗口 ；(4. 3)用反應(yīng)離子刻蝕(RIE)或者ICP方法刻蝕凹槽窗口露出的蓋板表面；(4. 4)采用干法或者濕法刻蝕的方法去除玻璃蓋板9上下表面的剩余金屬鉻保護(hù) 層；
(5)將玻璃蓋板9和襯底1相對，通過陽極鍵合工藝，形成微腔室10，并制成微傳感器。實施例2(1)將生長有氧化層的硅片襯底1按標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝進(jìn)行表面處理和清洗；(2)將碳納米螺旋微加熱器制備在襯底1上，其過程為(2. 1)采用電子束蒸發(fā)或濺射，形成厚度為30nm的鈦膜；(2. 2)采用電子束蒸發(fā)或濺射，形成厚度為400nm金膜；(2.3)利用現(xiàn)有的剝離工藝(lift off)形成金電極，金電極之間的距離為 10 μ m ；(2. 4)將直徑為50 500nm碳納米螺旋6與無水乙醇溶劑按0. 01mg/ml比例混 合，經(jīng)超聲使碳納米螺旋均勻分散，得到碳納米螺旋懸浮液；(2. 5)將1MHz，5V的交流電壓加載到襯底1上的金電極間，用微型注射器將碳納米 螺旋懸浮液滴到電極間，當(dāng)溶劑揮發(fā)完全時，碳納米螺旋將電極連通并定位在電極間，此時 撤除所加電場；(2. 6)采用電子束蒸發(fā)或濺射二氧化硅，形成厚度為SOOnm的二氧化硅膜；(2. 7)利用反轉(zhuǎn)光刻膠的剝離工藝，形成加固碳納米螺旋與金電極接觸的二氧化 硅層，并將定位好的碳納米螺旋位于金電極間的部分暴露出來，形成碳納米螺旋微加熱器。(3)將玻璃蓋板9按標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝進(jìn)行表面處理和清洗；(4)將凹槽制備在玻璃基底1上，其過程為(4. 1)采用濺射方法，在玻璃基底9的上下表面形成金屬鉻保護(hù)層，厚度為 0. 4μ m ；(4. 2)利用光刻工藝在其中的一個表面刻蝕金屬鉻保護(hù)層，得到凹槽的窗口 ；(4. 3)用反應(yīng)離子刻蝕(RIE)或者ICP方法刻蝕凹槽窗口露出的蓋板表面；(4. 4)采用干法或者濕法刻蝕的方法去除玻璃蓋板9上下表面的剩余金屬鉻保護(hù) 層；(5)將玻璃蓋板9和襯底1相對，通過陽極鍵合工藝，形成微腔室10，并制成微傳感器。實施例3(1)將玻璃片襯底1按標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝進(jìn)行表面處理和清洗；(2)將碳納米螺旋微加熱器制備在襯底1上，其過程為(2. 1)采用電子束蒸發(fā)或濺射，形成厚度為50nm的鈦膜；(2. 2)采用電子束蒸發(fā)或濺射，形成厚度為500nm金膜；(2.3)利用現(xiàn)有的剝離工藝(lift off)形成金電極，金電極之間的距離為 15 μ m ；(2. 4)將直徑為50 500nm碳納米螺旋6與無水乙醇溶劑按0. 05mg/ml比例混 合，經(jīng)超聲使碳納米螺旋均勻分散，得到碳納米螺旋懸浮液；(2. 5)將1MHz，10V的交流電壓加載到襯底1上的金電極間，用微型注射器將碳納 米螺旋懸浮液滴到電極間，當(dāng)溶劑揮發(fā)完全時，碳納米螺旋將電極連通并定位在電極間，此 時撤除所加電場；
(2. 6)采用電子束蒸發(fā)或濺射二氧化硅，形成厚度為IOOOnm的二氧化硅膜；(2. 7)利用反轉(zhuǎn)光刻膠的剝離工藝，形成加固碳納米螺旋與金電極接觸的二氧化 硅層，并將定位好的碳納米螺旋位于金電極間的部分暴露出來，形成碳納米螺旋微加熱器。(3)將玻璃蓋板9按標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝進(jìn)行表面處理和清洗；(5)將凹槽制備在玻璃基底1上，其過程為(4. 1)采用濺射方法，在玻璃基底9的上下表面形成金屬鉻保護(hù)層，厚度為 0. 5 μ m ；(4. 2)利用光刻工藝在其中的一個表面刻蝕金屬鉻保護(hù)層，得到凹槽的窗口 ；(4. 3)用反應(yīng)離子刻蝕(RIE)或者ICP方法刻蝕凹槽窗口露出的蓋板表面；(4. 4)采用干法或者濕法刻蝕的方法去除玻璃蓋板9上下表面的剩余金屬鉻保護(hù) 層；(5)將玻璃蓋板9和襯底1相對，通過鍵合工藝，形成微腔室10，并制成微傳感器。以上所述為本發(fā)明的較佳實施例而已，但本發(fā)明不應(yīng)該局限于該實施例和附圖所 公開的內(nèi)容。所以凡是不脫離本發(fā)明所公開的精神下完成的等效或修改，都落入本發(fā)明保 護(hù)的范圍。
權(quán)利要求
一種基于碳納米螺旋微熱傳導(dǎo)的運動傳感器，其特征在于襯底為玻璃片或生長有氧化層的硅片，其上設(shè)置有至少一個碳納米螺旋微加熱器，碳納米螺旋微加熱器由碳納米螺旋、二個金電極以及二氧化硅層構(gòu)成；碳納米螺旋微加熱器多于一個時為陣列排布；二個金電極設(shè)置在襯底上，在二個金電極與襯底之間鍍有鈦粘結(jié)層，鈦粘結(jié)層的厚度為10～50nm，二個金電極之間的距離為1～15μm，金電極的厚度為300～500nm；碳納米螺旋架設(shè)或生長于二個金電極之間，碳納米螺旋的直徑為50～500nm；碳納米螺旋與金電極的接觸部位覆蓋有厚度為500～1000nm的二氧化硅層；基底上開有凹槽，基底與襯底鍵合形成封閉的微腔室，所述至少一個碳納米螺旋微加熱器位于該微腔室內(nèi)。
2.—種權(quán)利要求1所述運動傳感器的制備方法，其步驟包括(1)按照步驟Al A3在襯底上制作碳納米螺旋微加熱器，按照步驟Bl B5對基底進(jìn) 行處理(Al)采用電子束蒸發(fā)或濺射，在清洗后的襯底上依次形成厚度為10 50nm的鈦膜和 厚度為300 500nm金膜；再利用剝離工藝形成二個金電極，二個金電極之間的距離為1 15 μ m ；(A2)在二個金電極之間生長碳納米螺旋；(A3)在碳納米螺旋與金電極的接觸部位形成厚度為500 IOOOnm的二氧化硅層，形成 碳納米螺旋微加熱器；(Bi)在清冼后的玻璃基底的上下表面濺射形成金屬鉻保護(hù)層，厚度為0. 3 0. 5 μ m， 利用光刻膠通過剝離工藝在玻璃的任意一個表面露出凹槽的窗口；(B2)刻蝕玻璃表面，得到凹槽；(B3)去除玻璃蓋板表面的剩余金屬鉻保護(hù)層；(2)將基底和襯底相對，鍵合形成微腔室，使碳納米螺旋微加熱器位于該微腔室內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于，步驟(A2)中，在上述金電極上加載交 流電壓，再將碳納米螺旋懸浮液滴到電極間，碳納米螺旋懸浮液由碳納米螺旋與無水乙醇 溶劑按0. 005 0. 05mg/ml比例混合而成；當(dāng)碳納米螺旋將電極連通并定位在電極間時，撤 除所加交流電壓，碳納米螺旋生長在二個金電極之間。
全文摘要
本發(fā)明公開一種基于碳納米螺旋微加熱器的運動傳感器及其制備方法。傳感器由制作有碳納米螺旋微加熱器的玻璃襯底或硅襯底和經(jīng)微加工的玻璃蓋板鍵合而成。碳納米螺旋、二個金電極以及二氧化硅層構(gòu)成碳納米螺旋微加熱器；碳納米螺旋架設(shè)于金電極之間；碳納米螺旋與金電極的接觸部位覆蓋二氧化硅層；在玻璃蓋板的背面開有凹槽；襯底與基底鍵合，使碳納米螺旋微加熱器與凹槽的位置相對，形成傳感器工作室。其制備方法是在襯底上制作碳納米螺旋微加熱器，在玻璃蓋板上制作凹槽，再將二者鍵合即可。本發(fā)明克服了傳統(tǒng)熱傳導(dǎo)運動傳感器中微加熱器的功耗大的缺點，具有良好的集成潛力，在移動式、手持式的相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
文檔編號B81B3/00GK101982401SQ20101027769
公開日2011年3月2日 申請日期2010年9月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月10日
發(fā)明者周文利, 趙文皓 申請人:華中科技大學(xué)