AlN高温温度传感器及其制作方法

本发明属于微电子器件，特别涉及一种aln高温温度传感器，可用于500-900℃高温温度传感极大规模集成电路。

背景技术：

1、温度传感器是能感知被测物体温度，并将温度这一非电学物理量转换为可测量、传输的电信号的器件或装置，是实现温度检测、采集与自动控制的核心元件。目前的温度传感器主要的材料是si基电阻和pn结，他们的工作上限温度在300℃左右，更高温度的传感器主要是热电偶结构，其缺点是不容易和芯片一起做集成电路，无有能与芯片集成的高温温度传感器。

2、申请号为cn202110255505.2的专利文献公开了一种压电薄膜式温度传感器及其制备方法，其以衬底为基底，由下至上依次叠设：衬底上整体铺设布拉格反射层；布拉格反射层背离衬底一侧，局部区域制备第一电极，剩余区域及第一电极表面共同覆盖单晶压电薄膜层；压电薄膜层背离第一电极的外表面完整设置第二电极。该传感器由于采用fbar 薄膜体声波谐振器结构，故结构复杂，且其所受应力、振动、压力易与温度信号耦合，导致测试不准确。

3、申请号为cn202310224959.2的专利文献公开了一种航空发动机涡轮叶片用aln薄膜温度传感器及测温方法，其使用aln压电涂层，并将所述压电涂层覆于待测物体上，通过测量aln压电涂层的表面断面形貌、晶粒尺寸、晶粒结构、衍射峰峰强和半高宽、元素成分中至少一者，精确地表征待测温度。但该器件实际使用步骤繁琐，导致测试精度低。

4、综上，现有压电薄膜式温度传感器采用fbar 薄膜体声波谐振器结构，易受应力、振动、压力干扰；现有航空发动机涡轮叶片用aln薄膜温度传感器，采用aln压电涂层覆于待测物体上，需要通过表面断面形貌、晶粒尺寸和元素成分等表征待测温度，测试精度低。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种aln高温温度传感器及其制作方法，以简化温度传感器结构，避免受应力、振动、压力的干扰，提高测温精度。

2、实现本发明目的的技术思路是：通过使用“衬底-aln-电极”垂直三层结构，使器件结构更加简单，且不受应力、振动、压力干扰；通过利用aln的热敏电阻特性，直接使用电学信号表征测试温度，提高测试精度。

3、根据上述思路，本发明的技术方案包括：

4、1.一种aln高温温度传感器，包括衬底、aln薄膜和电极，其特征在于，

5、所述电极，采用叉指电极，以得到更精确的测温数据；

6、所述aln薄膜，其位于衬底之上与金属电极之下，形成三层垂直结构，以获得温度相关的电信号。

7、进一步，所述衬底，使用蓝宝石、硅、碳化硅、氮化铝或石英中的任意一种。

8、进一步，所述电极，厚度为（1-10000）nm，其使用pt/rh、ti/au、ni/au、tiw/au或pd/au耐高温材料，以实现在高温下的器件稳定性。

9、进一步，所述aln薄膜厚度为（1-100000）nm，用于温度检测。

10、2.一种aln高温温度传感器的制作方法，其特征在于，包括：

11、s1) 选择衬底，并对其进行进行抛光、清洗及干燥的预处理；

12、s2) 在预处理后衬底表面通过物理气相沉积或化学气相沉积外延生长aln薄膜，用于温度传感；

13、s3) 对aln薄膜进行清洗和干燥处理；

14、s4) 在清洗和干燥后的aln薄膜上通过磁控溅射、电子束蒸发或光刻与剥离工艺制备pt/rh或ti/au或ni/au耐高温电极，用于探测电流信号，完成传感器制作。

15、本发明于现有技术相比，具有如下优点：

16、1.抗干扰能力强，测温精度高：

17、现有技术中的fbar传感器基于声波谐振频率变化，极易受到外部应力、振动和压力的耦合干扰，导致测温误差。而本发明利用aln材料的本征热敏电阻特性，通过测量电流或电阻值来表征温度。这种电学参量主要取决于材料内部的载流子浓度和迁移率，对外部机械应力、振动和压力不敏感。因此，本发明从根本上避免了机械干扰，显著提高了在复杂工况下的测温精度和可靠性。

18、2.结构简单，易于集成与低成本制造。

19、本发明采用简单的“衬底-敏感层-电极”三层垂直结构，无需复杂的谐振腔结构或额外的信号补偿电路。因此，本发明的工艺流程更简单，良率更高，成本更低。同时，平面化的结构设计使其更容易与现有的半导体集成电路工艺兼容，有利于实现传感器与控制芯片的单片集成，填补了aln材料在高温极端环境下实现高精度、抗干扰温度传感与片上系统单片集成的技术空白。

20、3.信号读取简便，无需复杂表征。

21、不同于现有技术中需要分析表面断面形貌、晶粒尺寸和元素成分等来间接推断温度的方法，本发明可以直接输出标准的电学信号。这意味着只需使用常规的读出电路即可实现温度的实时、在线监测，极大地简化了测试系统和数据处理流程，满足了工业现场对实时性和便捷性的要求。

1.一种aln高温温度传感器，包括衬底、aln薄膜和电极，其特征在于，

2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述衬底，使用蓝宝石、硅、碳化硅、氮化铝或石英中的任意一种。

3.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述电极，厚度为（1-10000）nm，其使用pt/rh、ti/au、ni/au、tiw/au或pd/au耐高温材料，以实现在高温下的器件稳定性。

4.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述aln薄膜厚度为（1-100000）nm，用于温度检测。

5.一种aln高温温度传感器的制作方法，其特征在于，包括：

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述s1) 中对衬底进行抛光、清洗及干燥的预处理，其实现如下：

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述s2) 中通过物理气相沉积或化学气相沉积生长aln薄膜，其工艺条件如下：

8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：

9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述s4)中通过磁控溅射、电子束蒸发或光刻与剥离工艺制备pt/rh或ti/au或ni/au耐高温电极，其工艺条件分别如下：

10.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述s4) 中的图形化电极，包括叉指电极、矩形电极或其他复杂图形。