本發(fā)明涉及一種微機(jī)電技術(shù)領(lǐng)域的多功能傳感器芯片，具體地說(shuō)，是涉及一種新型多功能傳感器芯片及其制備方法。

背景技術(shù)：

生物化學(xué)和生物技術(shù)過(guò)程受很多物理參數(shù)的影響，如溫度、壓力及電解液的電導(dǎo)率等。因此，為了保證工藝過(guò)程的穩(wěn)定性和可靠性，必須監(jiān)控這些參數(shù)。以溶液電導(dǎo)率的測(cè)量為例，電導(dǎo)率測(cè)量是分析化學(xué)，工業(yè)過(guò)程，食品分析和水質(zhì)量控制中常用的手段，也用于藥物、血液和尿素分析。通常電導(dǎo)率的測(cè)量用接近理想極化的惰性電極，如pt或者au，電極與電解液直接接觸，由于電解作用和氧化還原反應(yīng)常會(huì)產(chǎn)生氣泡，以及電極的污染。因此電解質(zhì)電導(dǎo)率傳感器的壽命短。若電極上加一層保護(hù)層，與電解質(zhì)溶液之間絕緣，不直接接觸，則可以避免產(chǎn)生氣泡和電極老化。但是這層保護(hù)層會(huì)引入額外的電容，增加了電極阻抗，與接觸型電導(dǎo)率檢測(cè)方法相比，靈敏度降低了。保護(hù)層的電容比沒(méi)有電極保護(hù)層的雙層電容要低很多，需要更高的測(cè)量頻率才能保證靈敏度。為了克服這個(gè)問(wèn)題，提高靈敏度，科學(xué)家們提出了各種方法，例如，增加檢測(cè)面積，減小雜散電容，用高介電常數(shù)薄膜，如ta2o5,sic作為電極保護(hù)材料。鈣鈦礦結(jié)構(gòu)材料(bst)由于其多功能及高介電常數(shù)，將是這種電容耦合型不接觸電導(dǎo)率檢測(cè)(c⁴d)電極的理想保護(hù)材料。

此外，由于對(duì)多物理參數(shù)測(cè)量的需求日益強(qiáng)烈，多功能傳感器的研發(fā)與制備也愈受關(guān)注。目前多功能傳感器要么涉及到的材料多，制造工藝復(fù)雜，要么傳感原理單一，如基于isfet結(jié)構(gòu)的ph值、流速、溫度傳感器，各測(cè)量參數(shù)間互相干擾。因此，迫切需要開(kāi)發(fā)一種新型多功能傳感器，可以檢測(cè)生物-化學(xué)以及物理參數(shù)，如電導(dǎo)率、溫度甚至更多參數(shù)，而且集成的材料盡可能少，工藝盡可能簡(jiǎn)單，以簡(jiǎn)化工藝、降低成本。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，提出一種新型多功能傳感器芯片及其制備方法，其能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度與電導(dǎo)率的測(cè)量，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，成本低，耐腐蝕，響應(yīng)速度快，測(cè)量范圍大，測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)。

本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種新型多功能傳感器芯片，包括：硅基襯底、氧化硅絕緣層、電阻型溫度傳感器、電容耦合型不接觸(c⁴d)電導(dǎo)率傳感器、bst薄膜保護(hù)層，其中：

所述氧化硅絕緣層、所述電阻型溫度傳感器、所述電容耦合型不接觸(c⁴d)電導(dǎo)率傳感器、所述bst薄膜保護(hù)層均設(shè)在所述硅基襯底上；所述氧化硅絕緣層覆蓋在所述硅基襯底的上方；所述電容耦合型不接觸(c⁴d)電導(dǎo)率傳感器由四個(gè)敏感電極構(gòu)成，四個(gè)敏感電極被所述氧化硅絕緣層包圍；所述電阻型溫度傳感器置于所述氧化硅絕緣層的上方；所述bst薄膜保護(hù)層覆蓋在所述電阻型溫度傳感器、所述電容耦合型不接觸(c⁴d)電導(dǎo)率傳感器的上表面，同時(shí)露出電阻型溫度傳感器和電容耦合型不接觸電導(dǎo)率傳感器的引線電極；

當(dāng)所述的多功能傳感器芯片置于被測(cè)溶液中時(shí)，由c⁴d測(cè)量原理，所述電容耦合型不接觸(c⁴d)電導(dǎo)率傳感器輸出被測(cè)溶液的阻抗圖，將其與標(biāo)準(zhǔn)的阻抗譜比對(duì)后即得到相應(yīng)的電導(dǎo)率值；同時(shí)，所述電阻型溫度傳感器輸出相應(yīng)的溫度。

優(yōu)選地，所述的氧化硅絕緣層為采用熱氧化工藝形成的二氧化硅薄膜，熱氧化工藝形成的二氧化硅具有良好的絕緣性、穩(wěn)定的介電性能、較高的抗腐蝕性能。

優(yōu)選地，所述的電阻型溫度傳感器采用磁控濺射方法沉積薄膜、利用掩膜濺射方法或lift-off工藝實(shí)現(xiàn)圖形化，敏感材料選用鉑。

優(yōu)選地，所述的電容耦合型不接觸(c⁴d)電導(dǎo)率傳感器采用磁控濺射方法沉積薄膜、利用掩膜濺射方法或lift-off工藝實(shí)現(xiàn)圖形化，材料選用鉑。

所述的電阻型溫度傳感器為pt薄膜熱敏電阻，所述的電容耦合型不接觸(c⁴d)電導(dǎo)率傳感器為pt薄膜電極，用一種敏感薄膜同時(shí)實(shí)現(xiàn)兩種參數(shù)的測(cè)量。

優(yōu)選地，所述的電容耦合型不接觸(c⁴d)電導(dǎo)率傳感器的四個(gè)敏感電極被氧化硅絕緣層包圍，并以bst薄膜保護(hù)層覆蓋，有效避免了電容耦合型不接觸(c⁴d)電導(dǎo)率傳感器的四個(gè)敏感電極與可能存在的雜質(zhì)之間的耦合作用，同時(shí)也避免了與電阻型溫度傳感器之間的相互干擾。

優(yōu)選地，所述的bst薄膜保護(hù)層采用bst薄膜，bst薄膜結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、介電常數(shù)高，是良好的絕緣層和鈍化保護(hù)層。

更優(yōu)選地，所述的bst薄膜保護(hù)層為磁控濺射的高介電常數(shù)bst薄膜保護(hù)層，以避免低介電常數(shù)保護(hù)層導(dǎo)致電導(dǎo)率測(cè)量的靈敏度降低。

本發(fā)明中，所述的多功能傳感器芯片集成了溫度和電導(dǎo)率傳感器，可以同時(shí)測(cè)量溶液的溫度與電導(dǎo)率；其中溫度傳感器可以補(bǔ)償溫度對(duì)電導(dǎo)率的影響。

根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供一種新型多功能傳感器芯片的制備方法，所述制備方法包括如下步驟：

第一步、采用熱氧化的方法，在硅基襯底表面形成一層氧化硅絕緣層；

第二步、利用掩膜刻蝕的方法，在第一步形成的氧化硅絕緣層上刻蝕出電容耦合型不接觸(c⁴d)電導(dǎo)率傳感器的四個(gè)敏感電極的位置，電容耦合型不接觸(c⁴d)電導(dǎo)率傳感器的四個(gè)敏感電極的面積大小根據(jù)設(shè)計(jì)要求靈活調(diào)節(jié)；

第三步、采用磁控濺射方法，在第二步刻蝕過(guò)的氧化硅絕緣層上濺射一層ti/pt，同時(shí)得到電阻型溫度傳感器和電容耦合型不接觸(c⁴d)電導(dǎo)率傳感器；

第四步、在第三步的基礎(chǔ)上在上在電阻型溫度傳感器和電容耦合型不接觸(c⁴d)電導(dǎo)率傳感器上表面濺射一層bst薄膜，并露出電阻型溫度傳感器和電容耦合型不接觸(c⁴d)電導(dǎo)率傳感器的引線電極。

優(yōu)選地，第三步中：

ti作為連接層，其厚度為10nm～30nm；

pt的厚度200-500nm之間靈活選擇。

與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明所述的新型多功能傳感器芯片，利用薄膜技術(shù)，具有體積小、響應(yīng)速度快的特性，能同時(shí)進(jìn)行電導(dǎo)率和溫度的測(cè)量；選用bst薄膜具有耐高溫，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、高介電常數(shù)的特性。

進(jìn)一步的，本發(fā)明所述多功能傳感器芯片可以即時(shí)得到被測(cè)液體的溫度和電導(dǎo)率，不需要分別測(cè)量分別讀取。

進(jìn)一步的，本發(fā)明中，采用bst薄膜保護(hù)層作為保護(hù)層，這層高介電常數(shù)薄膜作為保護(hù)層，避免了一般低介電常數(shù)保護(hù)層會(huì)引入后導(dǎo)致電導(dǎo)率測(cè)量的靈敏度降低。

進(jìn)一步的，本發(fā)明中，電阻型溫度傳感器和電容耦合型不接觸(c⁴d)電導(dǎo)率傳感器均采用鉑材料，可以增強(qiáng)所述傳感器芯片在高溫下工作的穩(wěn)定性。

進(jìn)一步的，本發(fā)明中，電容耦合型不接觸(c⁴d)電導(dǎo)率傳感器的四個(gè)敏感電極深埋于氧化硅絕緣層之中，避免了敏感電極與電阻之間、電極與電極之間的相互干擾，減少了信號(hào)串?dāng)_。

附圖說(shuō)明

通過(guò)閱讀參照以下附圖對(duì)非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更明顯：

圖1是本發(fā)明一實(shí)施例的多功能傳感器芯片的剖面圖；

圖2是本發(fā)明一實(shí)施例的多功能傳感器芯片的整體結(jié)構(gòu)俯視示意圖；

圖中：1為硅基襯底、2為氧化硅絕緣層、3為電阻型溫度傳感器、4為電容耦合型不接觸(c⁴d)電導(dǎo)率傳感器、5為bst薄膜保護(hù)層。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。以下實(shí)施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)。這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。

如圖1所示，一種新型多功能傳感器芯片，包括：硅基襯底1、氧化硅絕緣層2、電阻型溫度傳感器3、電容耦合型不接觸(c⁴d)電導(dǎo)率傳感器4、bst薄膜保護(hù)層5，其中：

所述氧化硅絕緣層2、所述電阻型溫度傳感器3、所述電容耦合型不接觸(c⁴d)電導(dǎo)率傳感器4、所述bst薄膜保護(hù)層5都設(shè)在所述硅基襯底1上；所述氧化硅絕緣層2覆蓋在所述硅基襯底1的上方；所述電容耦合型不接觸(c⁴d)電導(dǎo)率傳感器的四個(gè)敏感電極被所述氧化硅絕緣層2包圍；所述電阻型溫度傳感器3置于所述氧化硅絕緣層2的上方；所述bst薄膜保護(hù)層5覆蓋在所述電阻型溫度傳感器3、所述電容耦合型不接觸(c⁴d)電導(dǎo)率傳感器4的上方，同時(shí)露出電阻型溫度傳感器3和電容耦合型不接觸電導(dǎo)率傳感器4的引線電極；

當(dāng)所述的多功能傳感器芯片置于被測(cè)溶液中時(shí)，由c⁴d測(cè)量原理，電容耦合型不接觸(c⁴d)電導(dǎo)率傳感器4將會(huì)輸出被測(cè)溶液的阻抗圖，將其與標(biāo)準(zhǔn)的阻抗譜比對(duì)后可以得到相應(yīng)的電導(dǎo)率值；同時(shí)，電阻型溫度傳感器3將會(huì)輸出相應(yīng)的溫度。

如圖2所示，所述電阻型溫度傳感器3處于電容耦合型不接觸(c⁴d)電導(dǎo)率傳感器4位置的下方，相互之間沒(méi)有任何接觸。

作為優(yōu)選的實(shí)施方式，所述電阻型溫度傳感器3、所述電容耦合型不接觸(c⁴d)電導(dǎo)率傳感器4為采用掩膜濺射方法制備的金屬條，其中所述電阻型溫度傳感器3選用高溫下穩(wěn)定性良好的鉑pt形成。

進(jìn)一步的，所述電阻型溫度傳感器3、所述電容耦合型不接觸(c⁴d)電導(dǎo)率傳感器4的形狀是由掩膜的形狀而設(shè)定，可以是弧形、長(zhǎng)條形或其他形狀。

作為優(yōu)選的實(shí)施方式，所述氧化硅絕緣層2采用熱氧化形成，用于保護(hù)電容耦合型不接觸(c⁴d)電導(dǎo)率傳感器4的四個(gè)敏感電極，同時(shí)減弱敏感電極與電阻型溫度傳感器3之間的耦合作用

作為優(yōu)選的實(shí)施方式，所述bst薄膜保護(hù)層5采用磁控濺射方法直接濺射而成，bst薄膜保護(hù)層5將電阻型溫度傳感器3和電容耦合型不接觸(c⁴d)電導(dǎo)率傳感器4完全覆蓋以形成保護(hù)層，同時(shí)露出電阻型溫度傳感器3和電容耦合型不接觸(c⁴d)電導(dǎo)率傳感器4的引線電極。

上述的新型多功能傳感器芯片結(jié)構(gòu)，可以采用以下制備方法進(jìn)行制備，包括如下步驟：

第一步、采用熱氧化的方法，在硅基襯底1的表面形成一層氧化硅絕緣層2；

第二步、利用掩膜刻蝕的方法，在第一步形成的氧化硅絕緣層2上刻蝕出電容耦合型不接觸(c⁴d)電導(dǎo)率傳感器4的四個(gè)敏感電極的位置，電容耦合型不接觸(c⁴d)電導(dǎo)率傳感器4的四個(gè)敏感電極面積大小根據(jù)設(shè)計(jì)要求靈活調(diào)節(jié)；

第三步、采用磁控濺射方法，在第二步刻蝕過(guò)的氧化硅絕緣層2上濺射一層ti/pt，同時(shí)得到電阻型溫度傳感器3和電容耦合型不接觸(c⁴d)電導(dǎo)率傳感器4，其中10nm～30nm厚的ti作為連接層，pt的厚度200-500nm之間靈活選擇；

第四步、在第三步的基礎(chǔ)上在上在電阻型溫度傳感器3和電容耦合型不接觸(c⁴d)電導(dǎo)率傳感器4上表面濺射一層bst薄膜5，并露出電阻型溫度傳感器3和電容耦合型不接觸(c⁴d)電導(dǎo)率傳感器4的引線電極。

本發(fā)明提出一種新型多功能傳感器芯片及其制備方法，所述傳感器芯片能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度與電導(dǎo)率的測(cè)量，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、成本低、耐腐蝕、響應(yīng)速度快、測(cè)量范圍大、測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)；

選用硅基襯底，具有耐高溫、與氧化物絕緣層有良好的熱匹配的特性；

電阻型溫度傳感器和電容耦合型不接觸(c⁴d)電導(dǎo)率傳感器由ti/pt濺射形成，其中ti作為連接層，有效的增大了pt與氧化硅絕緣層的結(jié)合力；

利用將電容耦合型不接觸(c⁴d)電導(dǎo)率傳感器的四個(gè)敏感電極埋于氧化硅絕緣層之中，可以有效的減少雜質(zhì)電容的耦合；

選用bst薄膜保護(hù)層作為封頂層，不僅具有良好的絕緣效果，還可以作為電容耦合型不接觸(c⁴d)電導(dǎo)率傳感器的敏感電極的保護(hù)層，防止電極極化。

以上對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施例進(jìn)行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改，這并不影響本發(fā)明的實(shí)質(zhì)內(nèi)容。