[0001] 本发明属于压力检测技术领域，更具体涉及一种压力和热复用传感器及其制备方法。

[0002] 压力传感器(Pressure Transducer)是能感受压力信号，并能按照一定的规律将压力信号转换成可用的输出的电信号的器件或装置。压力传感器通常由压力敏感元件和信
号处理单元组成。按不同的测试压力类型，压力传感器可分为表压传感器、差压传感器和绝
压传感器。压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，其广泛应用于各种工业自控
环境，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业。

[0003] 硅基压力传感器是压力传感器主流，其以多晶硅/单晶硅/碳化硅等为基底，采用微系统制造工艺，制备空杯结构，沿单晶硅片上特定的晶向，通过掺杂制成敏感元件，后续
基于惠斯通电桥，将电阻的变化量转换为电学信号进行输出，实现了外界压力的测量。硅基
压力传感技术不可用于热传感，在硅基压力传感技术中温漂采用电桥抑制、温度补偿通过
辅助设备测温度以及靠算法去弥补，其必然降低了器件集成度。

[0004] 现有技术将热电偶作为辐射热传感器，其器件结构跟硅压阻式传感器类似，采用阻热层控制热传递方向，工作元件采用吸热元件负责光热转换和热电偶负责热电转换，比
压阻硅传感器更为复杂。此现有技术方案技术相对复杂、难度高，设备要求也高，多种挑战
并存，整体可控性大为下降，而且不能用于压力传感。

[0005] 基于工业实践的需要，需要提供一种压力和热复用传感器技术。

[0017] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不
用于限定本发明。

[0018] 需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。在不冲突的情况下，本发明中
的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发
明。

[0019] 需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

[0020] 此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个以上，除非另有明确具体的限定。

[0021] 本发明提供了一种压力和热复用传感器及其制备方法，所述压力和热复用传感器具有悬浮结构的热电堆且能够同时测量压力和温度。进一步地压力和热复用传感器采用桥
式结构，从下到上依次为基底、支撑层、热电堆、红外吸收层和刚性封装层；所述桥式结构采用微桥悬浮结构，热电堆采用多级串联结构，所述热电堆热结区位于微桥悬浮结构中心区
域，冷结区位于基底顶部支撑层上，微桥悬浮结构中心区域通过各向同性的干法刻蚀从背
面腐蚀形成空腔结构，所述红外吸收层覆盖在微桥悬浮结构中心区域，所述刚性封装层覆
盖在整个传感器上表面。本发明可同时测量压力和温度，并采用标准CMOS工艺通用材料和
制造方法制造，满足智能传感领域集成化和小型化需求，有望得到广泛应用。

[0022] 本发明的微桥悬浮结构为微桥结构与悬浮结构的结合，本发明的微桥结构（Microbridge Structure）是一种微纳米尺度下的结构设计，微桥结构由薄膜材料（如金
属、聚合物等）制成，具有横跨两个或多个支撑点的桥梁形状。它的特点是尺寸小、结构精
细，具有一定的弹性和柔韧性。本发明的微桥结构可以用于测量物理量如压力、应变、位移
等传感器。当受到外部力或压力作用时，微桥结构会发生形变，通过测量变形量可以获取所
需的物理量信息。同时本发明的微桥结构可以用作微加热器，通过通电使其发生热膨胀，用
于控制微流体、温度控制等应用。进一步地，本发明的悬浮结构采用弹性悬臂结构，为传感、悬浮、操纵等微尺度机械操作提供了操作空间。本发明创造性地将微桥结构与悬浮结构结
合在一起，进而实现压力和热复用传感和检测。

[0023] 为了说明本发明所述的技术方案，下面结合具体附图及实施例来进行说明。

[0024] 如图1‑图2所示，本发明提供了一种压力和热复用传感器，所述压力和热复用传感器采用微桥结构，整个压力和热复用传感器包括基底、支撑层、热电堆、红外吸收层和刚性
封装层等五部分。在优选实施例中，热电堆为热电偶或热电偶环形阵列，红外吸收层作为吸
热层，刚性封装层作为保护层。热电偶环形阵列为围绕着中心轴线布置的热电偶对，优选
地，热电偶环形阵列中的热电偶对为均匀对称布置。所述桥式结构采用微桥悬浮结构的方
式。

[0025] 在一实施例中，在基底背面采用干法刻蚀工艺制备悬浮结构，优选悬浮结构为微桥悬浮结构中心，支撑层承载热电偶和红外吸收层。热电堆采用多级串联结构，热电堆热结
区位于微桥悬浮结构中心区域，热电堆冷结区位于基底顶部支撑层上。红外吸收层覆盖在
微桥悬浮结构中心区域，用于吸收辐射热量。刚性封装层位于探测器上表面，起到保护红外
吸收层和提高传感器机械强度的目的。本发明压力和热复用传感器的结构优势在于悬浮结
构、红外吸收层和刚性封装层的使用，使得探测器具有优良的红外光吸收能力和良好的力
学机械性能，从而使探测器能够同时测量温度和压力。

[0026] 进一步地，基底为任意的单晶硅基底或者氧化硅基底，支撑层为等离子体增强化学气相沉积生长的氮化硅薄膜，或者氧化硅和氮化硅薄膜。热电偶为碲化铋与碲化锑或者
铜‑康铜等材料。刚性封装层采用具有高通光率的氧化铝陶瓷封装层。探测器各层材料包括
但不仅限于上述材料。

[0027] 本发明提出的力学和热复合传感器采用与CMOS兼容的通用材料和制造技术，单面悬浮结构采用背面硅干法刻蚀工艺制备，背面刻蚀无需顶部保护层，不仅简化了探测器制
备工艺，降低了制造成本，而且避免了表面污染和刻蚀损伤。
进一步地，本发明提供一种压力和热复用传感器的制备方法，所述制备方法包括
支撑层的制备、热电偶的制备、光吸收层的制备、干法刻蚀悬浮结构制备，其包括以下步骤：
步骤S1，选用一种器件加工基底，制备支撑层；器件加工基底尺寸在毫米量级，典
型尺寸5mm×5mm，MEMS传感器尺寸可以小至1.0mm×1.0mm, 厚度范围在几十微米到几百微
米之间，形状方形或圆形。

[0028] 步骤S2，利用微纳加工技术制备热电偶、红外吸收层和刚性分装层；微纳加工手段包括不限于光刻蚀、FIB刻蚀、电子束刻蚀等，将基底加工成空杯结构；
步骤S3，利用微纳加工技术制备悬浮结构；
步骤S4，多种感应元件连接方式以用于不同测量目的，单纯压力测量采用惠斯通
电桥连接，温度/热测量采用感应元件串联方式。

[0029] 进一步的，步骤1包括以下步骤：步骤S11，硅基底处理，通过RAC标准清洗流程对硅片表面进行清洗；
步骤S12，支撑层制备，采用LPCVD或者PECVD制备氧化硅薄膜和氮化硅薄膜。

[0030] 进一步的，步骤2利用微纳加工技术制备热电偶、红外吸收层和刚性分装层包括以下步骤：
步骤21，采用光刻和磁控溅射制备碲化铋和碲化锑热电偶；
步骤22，在热电偶热结区蒸镀黑金红外吸收层；
步骤23，表面沉积氧化铝刚性封装层。

[0031] 下面结合实施例来进一步说明压力和热复用传感器的制备方法。

[0032] 实施例1在本实施例中，压力和热复用传感器的微桥悬浮结构制备方法包括以下步骤：
步骤S3‑1‑1，采用标准RAC清洗工艺，依次将单晶硅基底在异丙醇、丙酮、酒精和超
纯水中超声清洗15min，并烘干。

[0033] 步骤S3‑1‑2，在单晶抛光硅片上采用等离子增强化学气相沉积在硅基底上沉积180nm‑220nm厚的氮化硅支撑层。

[0034] 步骤S3‑1‑3，采用剥离方法制备热电偶，通过第一次光刻和磁控溅射制备条状碲化铋，通过第二次对准光刻和磁控溅射制备条状碲化锑，其中光刻胶采用LOR/S1805双层胶
结构，碲化铋和锑化铋的厚度在600nm‑800nm。

[0035] 步骤S3‑1‑4，采用剥离的方法在热电偶的热结区制备黑金红外吸收层，其中黑金吸收层采用氮气氛围下热蒸镀金的方法制备，红外吸收层的厚度在500‑1000nm之间。

[0036] 步骤S3‑1‑5，采用磁控溅射的方法在探测器表面沉积1200‑1500nm厚的氧化铝刚性封装层。

[0037] 步骤S3‑1‑6，利用光刻和ICP刻蚀工艺刻蚀硅，形成压力和热复用传感器的微桥悬浮结构。

[0038] 实施例2在本实施例中，压力和热复用传感器的微桥悬浮结构制备方法包括以下步骤：
步骤S31，采用标准RAC清洗工艺，依次将氧化硅基底在异丙醇、丙酮、酒精和超纯
水中超声清洗15min，并烘干。

[0039] 步骤S32，在氧化钴基底片采用低压化学气相沉积在硅基底上沉积180nm‑220nm厚的氮化硅支撑层。

[0040] 步骤S33，采用剥离方法制备热电偶，通过第一次光刻和磁控溅射制备条状铜，通过第二次对准光刻和磁控溅射制备条状康铜；其中，光刻胶采用LOR/S1805双层胶结构，铜
和康铜的厚度在1500‑1800nm。

[0041] 步骤S34，采用光刻和旋涂的方法在热电偶的热结区制备石墨烯黑漆红外吸收层；其中，石墨烯黑漆涂层采用机械剥离法制备，红外吸收层的厚度在1000‑1200nm之间。

[0042] 步骤S35，采用磁控溅射的方法在探测器表面沉积1200‑1500nm厚的氧化铝刚性封装层。

[0043] 步骤S36，利用光刻和ICP刻蚀工艺刻蚀硅，形成压力和热复用传感器的微桥悬浮结构。

[0044] 将上述方法制备的微桥悬浮结构的压力和热复用传感器通过多种感应元件连接方式以用于不同测量目的，单纯压力测量采用惠斯通电桥连接，温度/热测量采用热电偶串
联方式。

[0045] 应用实例1将上述方法制备的压力和热复用传感器用于测量压力时，取均匀分布的4个热电
偶对，按图4连接为惠斯通电桥，其中正负号表示热电偶的正负极，箭头表示此时传感元件
是阻值随压力变化的可变电阻。在输出端测出电压值随压力的变化情况，通过标准压力源
标定，即成为压力传感器。

[0046] 应用实例2将上述方法制备的压力和热复用传感器用于温度/热测量时，将热电偶正负端首
尾连接，形成串联，以放大输出电压；如图3所示的传感元件串联接法。为实现复用，该技术采用热电偶作为力和热感应元件，除了可以同时测得力和温度信号，还可以采用不同的连
接模式，实现力和温度的更好测量。

[0047] 以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。