專利名稱：一種測(cè)量導(dǎo)熱系數(shù)的裝置及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種材料導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)量裝置及其制備方法，尤其涉及一種關(guān)于納米材料導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)量裝置及其制備方法。
背景技術(shù)：
熱傳導(dǎo)率是材料的熱物性重要指針之一。在開發(fā)功能材料過程中，經(jīng)常需要測(cè)量該功能材料的導(dǎo)熱性能，特別是對(duì)于導(dǎo)熱材料，例如導(dǎo)熱膠，其導(dǎo)熱系數(shù)影響最終產(chǎn)品的導(dǎo)熱性能。在電子元件散熱裝置的設(shè)計(jì)過程中，需要預(yù)先計(jì)算、仿真其導(dǎo)熱性能，精確測(cè)量導(dǎo)熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)可減少試驗(yàn)次數(shù)，降低開發(fā)成本，因而成為開發(fā)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。
目前測(cè)量材料的導(dǎo)熱系數(shù)主要分為穩(wěn)態(tài)方法和動(dòng)態(tài)(瞬時(shí))方法二大類。
穩(wěn)態(tài)方法通常使用傅立葉(Fourier)方程所描述的穩(wěn)態(tài)條件的儀器，如熱流法或熱板法。采用熱流法測(cè)量材料導(dǎo)熱系數(shù)請(qǐng)參見2000年9月20日公告的中國專利第93115076.0號(hào)揭露的一種測(cè)量材料導(dǎo)熱系數(shù)的方法及其裝置。所述專利揭露的方法及裝置使用方便，測(cè)量成本也較低，但是，該方法適用溫度及測(cè)量范圍有限，主要用于中等溫度下測(cè)量中低導(dǎo)熱系數(shù)材料。
動(dòng)態(tài)(瞬時(shí))方法如激光閃爍法或熱線法(Hot Wire)，用于測(cè)量高導(dǎo)熱系數(shù)材料和/或在高溫條件下測(cè)量。激光閃爍法采用高能激光作為熱源，短時(shí)間內(nèi)迅速將一定熱量沉積于樣品一表面，并測(cè)量樣品另一表面的溫度變化，測(cè)得樣品的熱擴(kuò)散率，再通過公式計(jì)算得出該樣品材料的導(dǎo)熱系數(shù)。該方法測(cè)量?jī)x器昂貴，成本較高，且因材料的密度變化使得測(cè)量的誤差較大。
喬雙于《大學(xué)物理)》Vol.12，No.12，28-29(Dec.1993)，“熱導(dǎo)率測(cè)量的一種新方法”一文中介紹了一種熱線法測(cè)量物質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)的裝置，其原理是直線(即熱線)附近物質(zhì)(熱電偶)的溫升與其導(dǎo)熱系數(shù)有關(guān)，導(dǎo)熱系數(shù)λ可用下式表達(dá)λ＝qln(τ2/τ1)/4π(θ2-θ1)其中，q為單位長度熱線發(fā)熱量W/m；τ1、τ2為測(cè)量時(shí)刻，可事先確定；θ1、θ2為τ1、τ2時(shí)刻對(duì)應(yīng)的溫升。
2000年6月28日公告的中國專利第99214843.X號(hào)揭露的一種無機(jī)非金屬材料的熱導(dǎo)率測(cè)試裝置也是采用熱線法測(cè)試材料的熱導(dǎo)率。
所述熱線法測(cè)試裝置測(cè)量精度高，操作簡(jiǎn)便。但是，所述熱線法通常要求測(cè)試樣品較大，測(cè)量時(shí)間較長，且均無法適用于微量的待測(cè)物。隨著納米技術(shù)的發(fā)展，許多研究報(bào)告指出納米級(jí)材料的熱傳導(dǎo)率會(huì)因尺寸效應(yīng)而增加。因此需要一種用于微量測(cè)試樣品的導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量裝置。
有鑒于此，提供一種用于微量測(cè)試樣品的導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量裝置實(shí)為必要。

發(fā)明內(nèi)容為克服現(xiàn)有技術(shù)的導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量裝置無法適用于微量待測(cè)物的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的是提供一種用于微量測(cè)試樣品的導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量裝置及其制備方法。
為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的，本發(fā)明提供一種測(cè)量導(dǎo)熱系數(shù)的裝置，其由下到上依次包括一基底、一附著于所述基底的熱線、一溫度傳感器、一線路層及一線路保護(hù)層；其中所述熱線與溫度傳感器之間具有一第一介電層，所述溫度傳感器與線路層之間具有一第二介電層；所述熱線及溫度傳感器分別與線路層電性連接。
所述基底的材料包括二氧化硅(SiO2)。
所述熱線的材料包括鉑、鉑鍺合金、鎳鉻合金或摻雜雜質(zhì)的多晶硅(Poly-Si)。
所述溫度傳感器的材料包括鉑、鉑鍺合金或摻雜雜質(zhì)的多晶硅。
所述多晶硅摻雜的雜質(zhì)包括硼、磷、砷、銻、鎵、銦、鋁。
所述線路層的材料包括鋁硅銅合金(AlSiCu)。
所述線路保護(hù)層的材料包括氮化硅(Si3N4)。
所述介電層的材料包括二氧化硅。
將本發(fā)明的測(cè)量導(dǎo)熱系數(shù)的裝置與測(cè)試樣品接觸或植入測(cè)試樣品中，通過對(duì)熱線供電后，可根據(jù)導(dǎo)熱系數(shù)λ表達(dá)式計(jì)算測(cè)試樣品的導(dǎo)熱系數(shù)，導(dǎo)熱系數(shù)λ表達(dá)式λ＝qln(τ2/τ1)/4π(θ2-θ1)其中，q為單位長度熱線發(fā)熱量W/m；τ1、τ2為事先確定的測(cè)量時(shí)刻；θ1、θ2為溫度傳感器于τ1、τ2時(shí)刻對(duì)應(yīng)的溫升。
為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的另一目的，本發(fā)明提供一種測(cè)量導(dǎo)熱系數(shù)的裝置的制備方法，其包括以下步驟1)提供一基底；2)在所述基底上形成一熱線；3)在所述熱線上形成一第一介電層；4)在所述第一介電層上形成一溫度傳感器；5)在所述溫度傳感器上形成一第二介電層；6)在所述第二介電層上形成一線路層，并分別與所述熱線及溫度傳感器電性連接；7)在所述線路層上形成一層線路保護(hù)層。
所述基底的材料包括二氧化硅。
所述熱線的材料包括鉑、鉑鍺合金、鎳鉻合金或摻雜雜質(zhì)的多晶硅。
所述溫度傳感器的材料包括鉑、鉑鍺合金或摻雜雜質(zhì)的多晶硅。
所述多晶硅摻雜的雜質(zhì)包括硼、磷、砷、銻、鎵、銦、鋁。
所述介電層的材料包括二氧化硅。
所述線路層的材料包括鋁硅銅合金。
所述熱線及溫度傳感器與線路層的電性連接是通過蝕刻所述第一、第二介電層形成電性連接孔，然后沉積形成線路層分別與熱線及溫度傳感器電性連接。
所述線路保護(hù)層的材料包括氮化硅。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明通過微機(jī)電制造技術(shù)的設(shè)計(jì)方式，將熱線及溫度傳感器以半導(dǎo)體制造方式集成于芯片中，熱線直徑及溫度傳感器的尺寸可達(dá)微米級(jí)，使得整個(gè)測(cè)量導(dǎo)熱系數(shù)的裝置小型化，以實(shí)現(xiàn)微量樣品測(cè)量的目的。

圖1是本發(fā)明導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量裝置的示意圖。
圖2至圖9是本發(fā)明導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量裝置制備方法示意圖。
圖10是圖7中A-A向剖視圖。
圖11是圖8中B-B向剖視圖。
圖12是圖9中C-C向剖視圖。
具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
請(qǐng)首先參閱圖1，本發(fā)明導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量裝置100的示意圖。該測(cè)量裝置100由下到上依次包括一基底10、一附著于所述基底10的熱線20、一溫度傳感器40、一線路層60及一線路保護(hù)層(圖未示)；其中所述熱線20與溫度傳感器40之間具有一第一介電層(圖未示)，所述溫度傳感器40與線路層60之間具有一第二介電層(圖未示)；所述熱線20及溫度傳感器40分別與線路層60電性連接。
所述基底10的材料包括二氧化硅。
所述熱線20的材料包括鉑、鉑鍺合金、鎳鉻合金或摻雜雜質(zhì)的多晶硅(Poly-Si)。
所述溫度傳感器40的材料包括鉑、鉑鍺合金或摻雜雜質(zhì)的多晶硅。
所述多晶硅摻雜的雜質(zhì)包括硼、磷、砷、銻、鎵、銦、鋁。
所述線路層60的材料包括鋁硅銅合金。
所述線路保護(hù)層70的材料包括氮化硅。
所述介電層的材料包括二氧化硅。
將本發(fā)明的測(cè)量導(dǎo)熱系數(shù)的裝置100與被測(cè)物(圖未示)接觸或植入被測(cè)物中，通過線路層60的金屬焊墊80與外界連接，對(duì)熱線20供電后，可根據(jù)導(dǎo)熱系數(shù)λ表達(dá)式計(jì)算被測(cè)樣品的導(dǎo)熱系數(shù)，導(dǎo)熱系數(shù)λ表達(dá)式λ＝qln(τ2/τ1)/4π(θ2-θ1)其中，q為單位長度熱線20發(fā)熱量W/m；τ1、τ2為事先確定的測(cè)量時(shí)刻；θ1、θ2為溫度傳感器40于τ1、τ2時(shí)刻對(duì)應(yīng)的溫升。
請(qǐng)參閱圖2至圖12，本發(fā)明導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量裝置制備方法包括以下步驟以干式氧化法的高溫爐管成長一1cm2的二氧化硅基底10；在所述二氧化硅基底10上以低壓化學(xué)氣相沉積(LPCVD，Low-PressureChemical Vapor Deposition)沉積一層多晶硅；在所述多晶硅層以離子布植方式植入濃度為1×1020atoms/cm3的硼離子；以高溫爐(900℃)回火30分鐘；通過光刻法以干蝕刻方式蝕刻所述多晶硅層以形成1μm×8000μm的長方形熱線20；以LPCVD法于熱線20上沉積一層二氧化硅介電層30；
在所述介電層30上以LPCVD法沉積一層多晶硅；在所述多晶硅層以離子布植方式植入濃度為1×1018atoms/cm3的硼離子；以高溫爐(900℃)回火30分鐘；通過光刻法以干蝕刻方式蝕刻所述多晶硅層以形成1μm×1μm的正方形溫度傳感器40；以LPCVD法于溫度傳感器40上沉積一層二氧化硅介電層50；通過光刻法以干蝕刻方式蝕刻所述介電層30及介電層50，形成熱線20及溫度傳感器40的電性連接孔；以金屬濺鍍方式沉積一層鋁硅銅金屬線層；通過光刻法以干蝕刻方式蝕刻所述鋁硅銅金屬線層，形成分別與所述熱線20及溫度傳感器40電性連接的線路層60；以電漿輔助化學(xué)氣相沉積法(PECVD，Plasma Enhance Chemical VaporDeposition)沉積一層氮化硅層；通過光刻法以干蝕刻方式蝕刻所述氮化硅層，形成線路保護(hù)層70并露出所述線路層60的金屬焊墊80。
所述多晶硅摻雜的雜質(zhì)包括硼、磷、砷、銻、鎵、銦、鋁。
于其它實(shí)施方式中，還可通過濺射或蒸鍍等方式形成以鉑、鉑鍺合金或鎳鉻合金為材料的熱線和/或溫度傳感器。
所述熱線20及溫度傳感器40分別與所述線路層60的電性連接還可以通過其它方式，而不限于通過電性連接孔連接。
如圖1所示，本發(fā)明通過微機(jī)電制造技術(shù)的設(shè)計(jì)方式，將熱線20及溫度傳感器40以半導(dǎo)體制造方式集成于1cm2的芯片中，熱線直徑及溫度傳感器的尺寸可達(dá)微米級(jí)，使得整個(gè)測(cè)量導(dǎo)熱系數(shù)的裝置小型化，以實(shí)現(xiàn)測(cè)量微量樣品的目的。
可以理解的是，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，可以根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案和技術(shù)構(gòu)思做出其他各種相應(yīng)的改變和變形，而所有這些改變和變形都應(yīng)屬于本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種測(cè)量導(dǎo)熱系數(shù)的裝置，其由下到上依次包括一基底、一附著于所述基底的熱線、一溫度傳感器、一線路層及一層線路保護(hù)層；其中所述熱線與溫度傳感器之間具有一第一介電層，所述溫度傳感器與線路層之間具有一第二介電層；所述熱線及溫度傳感器與線路層電性連接。
2.如權(quán)利要求1所述的測(cè)量導(dǎo)熱系數(shù)的裝置，其特征在于，所述基底的材料包括二氧化硅。
3.如權(quán)利要求2所述的測(cè)量導(dǎo)熱系數(shù)的裝置，其特征在于，所述熱線的材料包括鉑、鉑鍺合金、鎳鉻合金或摻雜雜質(zhì)的多晶硅。
4.如權(quán)利要求3所述的測(cè)量導(dǎo)熱系數(shù)的裝置，其特征在于，所述溫度傳感器的材料包括鉑、鉑鍺合金或摻雜雜質(zhì)的多晶硅。
5.如權(quán)利要求3或4所述的測(cè)量導(dǎo)熱系數(shù)的裝置，其特征在于，所述多晶硅摻雜的雜質(zhì)包括硼、磷、砷、銻、鎵、銦、鋁。
6.如權(quán)利要求1所述的測(cè)量導(dǎo)熱系數(shù)的裝置，其特征在于，所述線路層的材料包括鋁硅銅合金。
7.如權(quán)利要求1所述的測(cè)量導(dǎo)熱系數(shù)的裝置，其特征在于，所述線路保護(hù)層的材料包括氮化硅。
8.如權(quán)利要求1所述的測(cè)量導(dǎo)熱系數(shù)的裝置，其特征在于，所述介電層的材料包括二氧化硅。
9.一種測(cè)量導(dǎo)熱系數(shù)的裝置的制備方法，其包括以下步驟提供一基底；在所述基底上形成一熱線；在所述熱線上形成一第一介電層；在所述第一介電層上形成一溫度傳感器；在所述溫度傳感器上形成一第二介電層；在所述第二介電層上形成一線路層，并使所述熱線、溫度傳感器分別與線路層電性連接；在所述線路層上形成一層線路保護(hù)層。
10.如權(quán)利要求9所述的測(cè)量導(dǎo)熱系數(shù)的裝置的制備方法，其特征在于，所述基底的材料包括二氧化硅。
11.如權(quán)利要求10所述的測(cè)量導(dǎo)熱系數(shù)的裝置的制備方法，其特征在于，所述熱線的材料包括鉑、鉑鍺合金、鎳鉻合金或摻雜雜質(zhì)的多晶硅。
12.如權(quán)利要求11所述的測(cè)量導(dǎo)熱系數(shù)的裝置的制備方法，其特征在于，所述溫度傳感器的材料包括鉑、鉑鍺合金或摻雜雜質(zhì)的多晶硅。
13.如權(quán)利要求11或12所述的測(cè)量導(dǎo)熱系數(shù)的裝置的制備方法，其特征在于，所述多晶硅摻雜的雜質(zhì)包括硼、磷、砷、銻、鎵、銦、鋁。
14.如權(quán)利要求9所述的測(cè)量導(dǎo)熱系數(shù)的裝置的制備方法，其特征在于，所述介電層的材料包括二氧化硅。
15.如權(quán)利要求9所述的測(cè)量導(dǎo)熱系數(shù)的裝置的制備方法，其特征在于，所述線路層的材料包括鋁硅銅合金。
16.如權(quán)利要求9所述的測(cè)量導(dǎo)熱系數(shù)的裝置的制備方法，其特征在于，所述線路保護(hù)層的材料包括氮化硅。
17.如權(quán)利要求9所述的測(cè)量導(dǎo)熱系數(shù)的裝置的制備方法，其特征在于，形成所述線路層之前，通過蝕刻所述介電層分別形成熱線及溫度傳感器的電性連接孔，使熱線及溫度傳感器分別與所述線路層電性連接。
全文摘要
本發(fā)明提供一種測(cè)量導(dǎo)熱系數(shù)的裝置，其由下到上依次包括一基底、一附著于所述基底的熱線、一溫度傳感器、一線路層及一線路保護(hù)層；其中所述熱線與溫度傳感器之間具有一第一介電層，所述溫度傳感器與線路層之間具有一第二介電層；所述熱線及溫度傳感器分別與線路層電性連接。本發(fā)明還提供上述測(cè)量導(dǎo)熱系數(shù)的裝置的制備方法。
文檔編號(hào)H05K1/02GK1779453SQ20041005236
公開日2006年5月31日 申請(qǐng)日期2004年11月18日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月18日
發(fā)明者沈志華 申請(qǐng)人:鴻富錦精密工業(yè)(深圳)有限公司, 鴻海精密工業(yè)股份有限公司