CN105540526B - 单片复合敏感电极的制造方法、基于其的敏感器件 - Google Patents

单片复合敏感电极的制造方法、基于其的敏感器件 Download PDF

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Abstract

本发明公开了单片复合敏感电极的制造方法，还公开了基于该单片复合敏感电极的电化学加速度计敏感核心。本发明单片复合敏感电极基于硅片进行制作，加工完成后该硅片具有阳极面和阴极面，所述阳极面设有阳极，所述阴极面设有阴极。电化学加速度计敏感核心包含两对阴阳电极，组装时在两个单片复合电极之间放置一个O型弹性密封圈，通过机械压紧密封的方式完成两对阴阳电极的组装。这种将阴阳电极集成在同一个硅片的方法，不仅可以大大减少硅片数量从而大幅度降低组装难度，而且可以方便地改变阴阳极的间距从而优化器件性能。

Description

单片复合敏感电极的制造方法、基于其的敏感器件
技术领域
本发明涉及加速度计技术领域与MEMS(微电子机械***)技术领域，尤其涉及一种基于MEMS技术的单片复合敏感电极及其制造方法。
背景技术
电化学加速度计是一种将外界的加速度信号转变为电信号的传感器件，其敏感元件是一个四电极结构，浸在碘与碘化钾的混合溶液中，溶液盛在一个两端由弹性膜密封的管里。四个电极按照阳极-阴极-阴极-阳极的顺序排列，工作时，在阳极与阴极上施加的一个固定的电压发生电极反应，经过一段时间后，反应离子会形成稳定的浓度分布。当器件受到外界加速度作用时，电解液会相对电极产生位移，导致电极上发生的电化学反应速度发生变化，进而影响两个阴极的输出电流(其中一个变大而另一个变小)。最后，两个阴极的输出电流信号经过电流-电压转化以及差分后得到的电压信号正比于输入加速度信号。
与采用固体质量块-弹簧(或者悬臂梁等)拾振结构的加速度计相比，电化学加速度计最大的区别是采用电解液-弹性膜结构为拾振***，因此，它可以在较大的倾角下工作。此外，基于电化学反应的工作原理使其具有较高的灵敏度。因此，电化学加速度计在地震监测领域具有明显的优势，尤其是在海底地震观测这类不易安装、部署的场合。
传统的电化学加速度计的敏感电极由铂网电极与多孔陶瓷薄片组装而成，但是采用陶瓷烧结工艺，在烧结与冷却的过程中，绝缘层薄片容易破裂，并且薄片由于冷却时收缩不一致导致器件的一致性较差。因此，这种工艺的成本比较高、批量化生产能力差，限制了电化学加速度的广泛使用。为了克服传统工艺方法的缺点，近年来，微机械电子(MEMS)技术被引入用来制作电化学加速度计的敏感电极。MEMS技术是在微电子技术和硅微加工基础上发展起来的多学科交叉的新技术，具有微型化、集成化、可批量生产等特点。近年来出现的MEMS敏感电极，有的由于电极面积较小导致器件灵敏度低；有的需要多达七层硅片进行对齐、键合，工艺难度大、效率低，不适合大批量生产。
发明内容
(一)要解决的技术问题
为了解决上述MEMS敏感电极的问题，本发明提供一种单片复合敏感电极及其制造方法。此外，本发明还提供了一种基于单片复合敏感电极的敏感电极器件和一种电化学加速度计敏感核心。
(二)技术方案
根据本发明的第一方面，提供一种单片复合敏感电极，包括硅片，该硅片具有阳极面和阴极面，所述阳极面设有阳极，所述阴极面设有阴极。
优选地，所述阳极面上设有二氧化硅层或氮化硅层，所述二氧化硅层或氮化硅层上设有铂层作为阳极，所述阳极面开有若干阳极孔。
优选地，所述阴极面上设有铂层，所述阴极面开有若干阴极孔，所述阴极孔的侧壁也覆有铂层，阴极面上的铂层和阴极孔的侧壁上的铂层一起构成阴极；所述阴极孔与所述阳极孔相通，形成电解液流动的通道。
优选地，所述阴极孔的孔径小于所述阳极孔的孔径。
优选地，所述阴极孔的数量多于所述阳极孔的数量，并且一个阳极孔与多个阴极孔相通。
根据本发明的第二方面，提供一种敏感电极器件，包括：单片复合敏感电极，其包括硅片，该硅片具有阳极面和阴极面，所述阳极面设有阳极，所述阴极面设有阴极；两个印刷电路板，一个印刷电路板组装到所述单片复合敏感电极的硅片的阳极面并与所述阳极连接，另一个印刷电路板组装到所述单片复合敏感电极的硅片的阴极面并与所述阴极连接。
优选地，通过金丝球压焊使位于硅片的阳极面印刷电路板的焊盘与所述阳极连接，并通过金丝球压焊使位于硅片的阴极面印刷电路板的焊盘与所述阴极连接。
根据本发明的第三方面，提供一种电化学加速度计敏感核心，包括两个叠在一起的如权利要求6所述的敏感电极器件，其中，两个单片复合敏感电极构成两个阴、阳电极对，排列的方式为阳极-阴极-阴极-阳极；其中，在两个敏感电极器件之间放置一个弹性O形圈，通过机械压紧的方式保证弹性O形圈与两个敏感电极器件之间的密封性。
根据本发明的第四方面，提供一种单片复合敏感电极制造方法，包括以下步骤：步骤S101，在硅片的阳极面覆盖一个二氧化硅层；步骤S102，在二氧化硅层上面旋涂光刻胶；步骤S103，对光刻胶曝光并显影，完成图形化；步骤S104，在阳极面上溅射铂；步骤S105，剥离光刻胶上的铂，其余的铂形成阳极；步骤S106，在阳极的铂表面上制作光刻胶掩膜；步骤S107，去除光刻胶掩膜未覆盖处的二氧化硅；步骤S108，刻蚀硅片，形成阳极表面的阳极孔；步骤S109，从硅片的阴极面刻蚀阴极孔直至与阳极表面的阳极孔相通形成通孔；以及步骤S110，在阴极面上溅射铂，形成阴极。
根据本发明的第五方面，提供一种单片复合敏感电极制造方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S201，在硅片的阳极面覆盖一个二氧化硅层；步骤S202，在二氧化硅层上面旋涂光刻胶；步骤S203，对光刻胶曝光并显影，完成图形化；步骤S204，在阳极面上溅射铂；步骤S205，剥离光刻胶上的铂，其余的铂形成阳极；步骤S206，在阳极的铂表面上制作光刻胶掩膜；步骤S207，去除光刻胶掩膜未覆盖处的二氧化硅；步骤S208，刻蚀硅片，其中，刻蚀硅片时光刻胶掩膜开窗的孔径为阴极孔的孔径；步骤S209，曝光去除部分光刻胶，其中，去除部分光刻胶时窗口的孔径为阳极孔的孔径；步骤S210，从阳极面去除暴露出的二氧化硅层；步骤S211，从阳极面刻蚀硅片，直至将硅片刻穿；步骤S212，在硅片的阴极面上溅射铂，形成阴极。
(三)有益效果
本发明的有益效果是：
ⅰ)将电化学加速度计所需的硅片减少到两层，工艺难度显著降低；
ⅱ)可以方便地改变阴阳极的间距，优化器件性能；
ⅲ)两层硅片之间不需要粘连键合，避免了液态胶(如硅橡胶)的使用，因而避免了碘被胶吸附所引起的器件失效的问题。
附图说明
图1A是本发明的单片复合敏感电极的正面(阳极面)示意图。
图1B是本发明的单片复合敏感电极的背面(阴极面)示意图。
图1C是本发明的单片复合敏感电极的沿x轴方向(正面朝上)的横截面示意图。
图2A是本发明的用单片复合敏感电极与两个PCB组装出的敏感电极器件的正面(阳极面)示意图。
图2B是本发明的用单片复合敏感电极与两个PCB组装出的敏感电极器件的背面(阴极面)示意图。
图2C是本发明的用单片复合敏感电极与两个PCB组装出的敏感电极器件的分离立体图。
图3是本发明的用敏感电极器件组装的电化学加速度计敏感核心的示意图。
图4是本发明单片复合敏感电极的一种MEMS工艺流程图。
图5是本发明单片复合敏感电极的另一种MEMS工艺流程图。
以上附图中附图标记所表示的含义为：
1-单片复合敏感电极； 2-阳极孔；
3-阴极孔； 4-硅；
5-二氧化硅(或氮化硅)层； 6-铂层；
7-用单片复合敏感电极与PCB组装出的敏感电极器件；
8-印刷电路板(PCB)； 9-(金)引线；
10-(金)焊盘； 11-弹性O形圈；
12-光刻胶(比如：AZ4620)；
a-沉积二氧化硅； b-旋涂光刻胶；
c-曝光与显影； d-溅射铂；
e-剥离光刻胶上的铂； f-制作光刻胶掩膜；
g-去除二氧化硅层； h-刻蚀硅；
i-从背面刻蚀硅形成通孔；
j-去除部分光刻胶掩膜； k-去除二氧化硅层；
l-从正面刻蚀硅形成通孔； m-从背面溅射铂。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
图1A是本发明的单片复合敏感电极的正面(阳极面)示意图。
图1B是本发明的单片复合敏感电极的背面(阴极面)示意图。
图1C是本发明的单片复合敏感电极的沿x轴方向(正面朝上)的横截面示意图。
根据本发明的一个实施方式，提供一种如图1A-1C所示的单片复合敏感电极1，该敏感电极基于硅片进行加工制作，具有如图1A所示的阳面和如图1B所示的阴极面，所述阳极面设有阳极，所述阴极面设有阴极，并且在其阳极面与阴极面分别开有阳极孔2与阴极孔3.
在如图1A-1C所示的单片复合敏感电极中，优选地，在硅片4的阳极面上设有二氧化硅层或氮化硅层5，所述二氧化硅层或氮化硅层5上设有铂层6作为阳极。
在如图1A-1C所示的单片复合敏感电极中，优选地，所述阴极面上设有铂层6，所述阴极孔3的侧壁也覆有铂层，阴极面上的铂层6和阴极孔3的侧壁上的铂层一起构成阴极；所述阴极孔3与所述阳极孔2相通，形成电解液流动的通道。优选地，所述阴极孔3的孔径小于所述阳极孔2的孔径。优选地，所述阴极孔3的数量多于所述阳极孔2的数量，并且一个阳极孔2与多个阴极孔3相通。
优选地，在如图1A-1C所示的单片复合敏感电极中，阳极面分布有若干孔径为400μm的阳极孔2，这些阳极孔2与背面的孔径为80μm的阴极孔3相通形成通孔，作为电解液流动的通道。在如图1A-1C所示的单片复合敏感电极中，在阳极面的铂层6下面的二氧化硅或氮化硅层5起到阴、阳极的绝缘作用。此外，优选地，阴极孔3的深度为80μm，阳极孔2的深度为50μm，二氧化硅或氮化硅层5的厚度为0.4μm，铂层6的厚度为0.4μm，硅片4的厚度为130μm。
图2A是本发明的用单片复合敏感电极与PCB组装出的敏感电极器件的正面(阳极面)示意图。
图2B是本发明的用单片复合敏感电极与PCB组装出的敏感电极器件的背面(阴极面)示意图。
图2C是本发明的用单片复合敏感电极与两个PCB组装出的敏感电极器件的分离立体图。
图2A-2C是敏感电极器件(也称为组装电极)的示意图，根据本发明的一个实施方式，提供一种敏感电极器件，包括：单片复合敏感电极1，其包括硅片，该硅片具有阳极面和阴极面，所述阳极面设有阳极，所述阴极面设有阴极；两个印刷电路板8，一个印刷电路板8组装到所述单片复合敏感电极1的硅片的阳极面并与所述阳极连接，另一个印刷电路板8组装到所述单片复合敏感电极1的硅片的阴极面并与所述阴极连接。
优选地，通过金丝球压焊使位于硅片的阳极面印刷电路板8的焊盘与所述阳极连接，并通过金丝球压焊使位于硅片的阴极面印刷电路板的焊盘与所述阴极连接。优选地，单片复合敏感电极1的阳极面(正面)与阴极面(背面)都通过(金)引线9与印刷电路板8的(金)焊盘10相连。
图3是本发明的用敏感电极器件组装的电化学加速度计敏感核心的示意图。
图3左侧是电化学加速度计敏感核心的立体图，图3右侧是电化学加速度计敏感核心的分解立体图。根据本发明的一个实施方式，如图3所示的电化学加速度计敏感核心包括两个本发明的基于MEMS技术的单片复合敏感电极的敏感电极器件7(也可称其为组装电极)和一个弹性O形圈11。
具体而言，本发明的加速度计敏感核心包括两个叠在一起的敏感电极器件7，其中，两个(敏感电极器件7中的)单片复合敏感电极构成两个阴、阳电极对，排列的方式为阳极-阴极-阴极-阳极；其中，在两个敏感电极器件7之间放置一个弹性O形圈11，通过机械压紧的方式保证弹性O形圈11与两个敏感电极器件7之间的密封性。
在本发明的加速度计敏感核心中，将电化学加速度计敏感核心所需的硅片减少到两层，工艺难度显著降低。另外，可以方便地改变阴阳极的间距，优化器件性能。而且，两层硅片之间不需要粘连键合，避免了液态胶(如硅橡胶)的使用，因而避免了碘被胶吸附所引起的器件失效的问题。
图4是本发明单片复合敏感电极的一种MEMS工艺流程图。
如图4所示，根据本发明的一个实施方式，提供一种单片复合敏感电极制造方法，包括以下步骤：
步骤S101，在硅片的阳极面覆盖一个二氧化硅层，如图4中a所示。
优选地，在厚度为130μm的高阻硅片4上用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)方法生长二氧化硅层5。
步骤S102，在二氧化硅层5上面旋涂光刻胶12，如图4中b所示。
步骤S103，对光刻胶12曝光并显影，完成图形化，如图4中c所示。
步骤S104，在阳极面上溅射铂6，如图4中d所示。
步骤S105，剥离光刻胶上的铂，其余的铂形成阳极，如图4中e所示。
步骤S106，在阳极的铂表面上制作光刻胶掩膜，如图4中f所示。
步骤S107，去除光刻胶掩膜未覆盖处的二氧化硅5，如图4中g所示。
优选地，用反应离子刻蚀(RIE)方法去除二氧化硅5。
步骤S108，刻蚀硅片，形成阳极表面的阳极孔，如图4中h所示。
优选地，用深反应离子刻蚀(DRIE)方法刻蚀硅片4，刻蚀深度为50μm，形成阳极表面的阳极孔2。
步骤S109，从硅片的阴极面刻蚀阴极孔3直至与阳极表面的阳极孔2相通形成通孔，如图4中i所示。
优选地，从阴极面用DRIE方法刻蚀出阴极孔3直至刻穿形成通孔。
步骤S110，在阴极面上溅射铂，形成阴极，如图4中m所示。
图5是本发明单片复合敏感电极的另一种MEMS工艺流程图。
如图5所示，根据本发明的一个实施方式，提供一种单片复合敏感电极制造方法，，包括以下步骤：
步骤S201，在硅片4的阳极面覆盖一个二氧化硅层5，如图5中a所示。
优选地，在厚度为130μm的高阻硅片4上用PECVD方法生长一层二氧化硅5。
步骤S202，在二氧化硅层5上面旋涂光刻胶12，如图5中b所示。
步骤S203，对光刻胶12曝光并显影，完成图形化，如图5中c所示。
步骤S204，在阳极面上溅射铂6，如图5中d所示。
步骤S205，剥离光刻胶12上的铂，其余的铂形成阳极，如图5中e所示。
步骤S206，在阳极的铂表面上制作光刻胶掩膜，如图5中f所示。
步骤S207，去除光刻胶掩膜未覆盖处的二氧化硅5，如图5中g所示。
优选地，用RIE方法去除二氧化硅5。
步骤S208，刻蚀硅片4，其中，刻蚀硅片4时光刻胶掩膜开窗的孔径为阴极孔的孔径，如图5中h所示。
优选地，用DRIE方法刻蚀硅片4，刻蚀深度为80μm。
步骤S209，曝光去除部分光刻胶，其中，去除部分光刻胶时窗口的孔径为阳极孔的孔径，如图5中j所示。
步骤S210，从阳极面去除暴露出的二氧化硅层5(k)。优选地，从阳极面用RIE方法去除二氧化硅层5，如图5中k所示。
步骤S211，从阳极面刻蚀硅片4，直至将硅片4刻穿，如图5中l所示。
优选地，从阳极面用DRIE方法刻蚀硅片4，直至将硅片4刻穿。
步骤S212，从背面溅射铂6，形成阴极，如图5中m所示。
当然，可替换地，所述等离子体增强化学气相沉积(PECVD)生长二氧化硅可以由热氧化完成；另外，也可以生成氮化硅作为绝缘层。此外，上述的孔径大小、刻蚀深度、二氧化硅层的厚度等都可以作适当调整。
本发明公开了一种基于MEMS技术的电化学加速度计单片复合敏感电极及其制造方法。该方法在单个硅片上制作出两个电极，分别用作阳极与阴极，形成单片复合敏感电极。电化学加速度计敏感核心包含两对阴阳电极，组装时在两个单片复合电极之间放置一个O型弹性密封圈，通过机械压紧密封的方式完成两对阴阳电极的组装。复合电极采用MEMS技术进行制作，包括深刻蚀工艺(刻蚀通孔形成电解液流动的通道)、溅射工艺(在基底圆片的两侧溅射金属制作阴阳电极)、PECVD工艺或者热氧化工艺(在圆片表面制作绝缘层)等。这种将阴阳电极集成在同一个硅片的方法，不仅可以大大减少硅片数量从而大幅度降低组装难度，而且可以方便地改变阴阳极的间距从而优化器件性能。两个敏感电极器件组装时，在两者之间放置一个弹性O形圈，采用机械压紧方式进行密封，由于不使用液态胶，不仅提高了组装效率而且避免了器件由于电解质被胶吸附所引起的失效问题。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种电化学加速度计敏感核心，其特征在于，包括两个叠在一起的敏感电极器件，
所述敏感电极器件包括：单片复合敏感电极，其包括硅片，该硅片具有阳极面和阴极面，所述阳极面设有阳极，所述阴极面设有阴极；两个印刷电路板，一个印刷电路板组装到所述单片复合敏感电极的硅片的阳极面并与所述阳极连接，另一个印刷电路板组装到所述单片复合敏感电极的硅片的阴极面并与所述阴极连接；
其中，两个单片复合敏感电极构成两个阴、阳电极对，排列的方式为阳极-阴极-阴极-阳极；其中，在两个敏感电极器件之间放置一个弹性O形圈，通过机械压紧的方式保证弹性O形圈与两个敏感电极器件之间的密封性。
2.根据权利要求1所述的电化学加速度计敏感核心，其特征在于，所述敏感电极器件中，通过金丝球压焊使位于硅片的阳极面印刷电路板的焊盘与所述阳极连接，并通过金丝球压焊使位于硅片的阴极面印刷电路板的焊盘与所述阴极连接。
3.根据权利要求1所述的电化学加速度计敏感核心，其特征在于，所述敏感电极器件的复合敏感电极中，所述阳极面上设有二氧化硅层或氮化硅层，所述二氧化硅层或氮化硅层上设有铂层作为阳极，所述阳极面开有若干阳极孔。
4.根据权利要求3所述的电化学加速度计敏感核心，其特征在于，所述敏感电极器件的复合敏感电极中，所述阴极面上设有铂层，所述阴极面开有若干阴极孔，所述阴极孔的侧壁也覆有铂层，阴极面上的铂层和阴极孔的侧壁上的铂层一起构成阴极；所述阴极孔与所述阳极孔相通，形成电解液流动的通道。
5.根据权利要求4所述的电化学加速度计敏感核心，其特征在于，所述敏感电极器件的复合敏感电极中，所述阴极孔的孔径小于所述阳极孔的孔径。
6.根据权利要求5所述的电化学加速度计敏感核心，其特征在于，所述敏感电极器件的复合敏感电极中，所述阴极孔的数量多于所述阳极孔的数量，并且一个阳极孔与多个阴极孔相通。
7.一种单片复合敏感电极制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S101，在硅片的阳极面覆盖一个二氧化硅层；
步骤S102，在二氧化硅层上面旋涂光刻胶；
步骤S103，对光刻胶曝光并显影，完成图形化；
步骤S104，在阳极面上溅射铂；
步骤S105，剥离光刻胶上的铂，其余的铂形成阳极；
步骤S106，在阳极的铂表面上制作光刻胶掩膜；
步骤S107，去除光刻胶掩膜未覆盖处的二氧化硅；
步骤S108，刻蚀硅片，形成阳极表面的阳极孔；
步骤S109，从硅片的阴极面刻蚀阴极孔直至与阳极表面的阳极孔相通形成通孔；以及
步骤S110，在阴极面上溅射铂，形成阴极。
8.一种单片复合敏感电极制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S201，在硅片的阳极面覆盖一个二氧化硅层；
步骤S202，在二氧化硅层上面旋涂光刻胶；
步骤S203，对光刻胶曝光并显影，完成图形化；
步骤S204，在阳极面上溅射铂；
步骤S205，剥离光刻胶上的铂，其余的铂形成阳极；
步骤S206，在阳极的铂表面上制作光刻胶掩膜；
步骤S207，去除光刻胶掩膜未覆盖处的二氧化硅；
步骤S208，刻蚀硅片，其中，刻蚀硅片时光刻胶掩膜开窗的孔径为阴极孔的孔径；
步骤S209，曝光去除部分光刻胶，其中，去除部分光刻胶时窗口的孔径为阳极孔的孔径；
步骤S210，从阳极面去除暴露出的二氧化硅层；
步骤S211，从阳极面刻蚀硅片，直至将硅片刻穿；
步骤S212，在硅片的阴极面上溅射铂，形成阴极。
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