CN115235515B - 一种传感器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种传感器及其制备方法，该传感器设置玻璃基底、由玻璃基底向外延伸出的应力隔离层以及由应力隔离层朝远离玻璃基底方向延伸出的敏感元件，由于应力隔离层的刚度低于玻璃基底和敏感元件的刚度，因此玻璃基底一侧的应力，无论是热应力还是机械应力，都几乎完全被应力隔离层阻隔而无法传递到敏感元件，也就不会对敏感元件的敏感区域产生足够影响，从而提高了传感器测量精度。

Description

一种传感器及其制备方法
技术领域
本发明涉及硅微传感器技术领域，特别涉及一种传感器及其制备方法。
背景技术
传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求，传感器的存在和发展，让物体有了触觉、味觉和嗅觉等感官。
一般的传感器中都包括敏感元件，而大部分的传感器中的敏感元件都对应力敏感，即受到应力作用时会发生输出漂移，其中，所受应力包括内应力和外应力。内应力是指敏感元件加工中形成的残余应力，外应力是指由其它结构传递到敏感元件的应力，如：热应力、安装应力等。另外，外应力在长期使用中容易发生变化，所以其影响无法通过标定、算法或者制程控制的手段来消除。
在硅微传感器中，敏感单元以硅为主体材料。为减小与相邻材料间的热应力，现有技术中，常在硅敏感元件底部键合一个玻璃基座，其中的玻璃的热膨胀系数与硅接近，且与硅是稳定键合的，所以热应力小而且稳定。但是，当玻璃下方再有机械或热应力传递上来时，依然有一定程度影响到硅敏感元件，这限制了最终传感器精度的提高。比如，当传感器壳体在安装或使用中受力时，力通过各部件最终传递到此玻璃以及硅敏感元件，引起感应区域发生相应的应变，并且这个应变难以预测所以产生测量误差。再比如，与此玻璃固连的材料的热膨胀系数与玻璃差异较大，温度大幅度变化后就会在这里附近形成较大的热应力，这个热应力往往是不稳定的，从而同样引起测量误差。对于高精度应用来说，这部分误差是整体误差的主要来源之一。
发明内容
基于此，本发明的目的是提供一种传感器及其制备方法，旨在解决现有技术中，外应力对敏感元件的影响，从而导致传感器精度差的问题。
根据本发明实施例当中的一种传感器，包括玻璃基底、由所述玻璃基底向外延伸出的应力隔离层以及由所述应力隔离层朝远离所述玻璃基底方向延伸出的敏感元件，其中，所述应力隔离层的刚度低于所述玻璃基底和所述敏感元件的刚度。
优选地，所述应力隔离层的材料为聚二甲基硅氧烷。
优选地，所述应力隔离层的的厚度为10～2000μm。
根据本发明实施例当中的一种传感器的制备方法，用于制备上述的传感器，所述制备方法包括：
制备敏感元件和预设厚度的应力隔离层；
将所述敏感元件、所述应力隔离层以及所述玻璃基底依次并排对齐摆放，并放入等离子激发设备当中进行预处理，其中，所述敏感元件、所述应力隔离层以及所述玻璃基底之间按预设间隔距离放置；
将经过所述预处理的所述敏感元件、所述应力隔离层以及所述玻璃基底在预设时间内贴合完成键合连接。
优选地，所述制备敏感元件和预设厚度的应力隔离层的步骤包括：
将所述应力隔离层和玻璃基底打孔，以在所述应力隔离层和所述玻璃基底上分别形成第一通孔和第二通孔。
优选地，所述制备预设厚度的应力隔离层的步骤中，首先将聚二甲基硅氧烷与固化剂按预设比例均匀混合后，倒入模具中，以形成所述预设厚度的所述应力隔离层。
优选地，所述预处理的步骤中，在所述等离子激发设备通入氧气，并控制氧气压力、激发等离子的射频源功率、处理时间。
优选地，所述氧气压力为10~300Pa，所述射频源功率为10~100W，所述处理时间为10~100s。
优选地，所述预设时间为0~30min。
优选地，所述预设间隔距离为1~10mm。
与现有技术相比：通过设置玻璃基底、由玻璃基底向外延伸出的应力隔离层以及由应力隔离层朝远离玻璃基底方向延伸出的敏感元件，由于应力隔离层的刚度低于玻璃基底和敏感元件的刚度，因此玻璃基底一侧的应力，无论是热应力还是机械应力，都几乎完全被应力隔离层阻隔而无法传递到敏感元件，也就不会对敏感元件的敏感区域产生足够影响，从而提高了传感器测量精度。
附图说明
图1为本发明实施例一当中的传感器的结构示意图；
图2为本发明实施例二当中的传感器的制备方法的流程图；
图3为制备传感器的流程示意图；
图4为批量制备传感器的流程示意图；
图5为无应力隔离层的热应力仿真模型示意图；
图6为有应力隔离层的热应力仿真模型示意图。
以下具体实施方式将结合上述附图进一步说明。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的若干实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。
需要说明的是，当元件被称为“固设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及／或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
实施例一
请参阅图1，所示为本发明实施例一中的传感器，包括玻璃基底1、由所述玻璃基底1向外延伸出的应力隔离层2以及由所述应力隔离层2朝远离所述玻璃基底1方向延伸出的敏感元件。
具体的，应力隔离层2的刚度低于玻璃基底1和敏感元件的刚度，在一些可选实施例当中，玻璃基底1可以为常用于与硅进行阳极键合的硼硅玻璃，例如，Pyrex7740玻璃，敏感元件的材料可以为硅材料，应力隔离层2的材料可以为聚二甲基硅氧烷，即硅橡胶，具体的，可以为Sylgard 184硅橡胶，需要说明的是，应力隔离层2的应用温度为-40~150℃，热膨胀系数小于300×10-6每度，弹性模量小于1GPa，另外，应力隔离层2的厚度为10μm～2000μm，优选50μm ~200μm，可以理解的，应力隔离层2的厚度依据具体传感原理需要，可以数微米至数毫米。
在本实施例当中，以压力传感器为例，敏感元件包括感应部31和由感应部31向玻璃基底1方向延伸出的，且环绕感应部31设置的连接部32，以使敏感元件形成一凹形结构，连接部32用于与应力隔离层2连接，且应力隔离层2和玻璃基底1均与连接部32适配，具体的，当敏感元件中存在用于感应压力的凹槽区域，则应力隔离层2和玻璃基底1上在对应位置开设有匹配的孔，可以理解的，当敏感元件中存在一圆形凹槽，则应力隔离层2和玻璃基底1上开设有匹配的圆孔，当敏感元件中存在一矩形凹槽，则应力隔离层2和玻璃基底1上也可以开设有匹配的圆孔，另外，感应部31和连接部32均为对称结构且两者的对称轴重合，可以使结构的稳定性更好，当玻璃基底1收到外应力影响时，外应力可被均匀的分部在与玻璃基底1连接的应力隔离层2以及敏感元件上，具体的工作方式可以为，在玻璃基底1端受到外部压力，外部压力可以由被测压力介质产生，在被测压力介质的作用下，应力隔离层2被压缩，最终通过通孔，使得被测压力介质与感应部31接触，使得敏感元件可以准确感应压力值，并进行反馈。
在本实施例当中，传感器可通过一些常见的方法固定到传感器的基板上，比如，传感器的玻璃基底1与传感器的基板之间通过常见的高强度胶粘接，此时，高强度胶热胀冷缩引起的应力被应力隔离层2阻隔，而无法传递到敏感元件，又比如，传感器的玻璃基底1与传感器的基板之间通过金属焊接，此时，安装引起的外部作用力通过传感器的基板、金属传递到传感器的玻璃基底1，但无法继续传递到敏感元件。
实施例二
请参阅图2和图3，图2所示为本发明实施例二提出的一种传感器的制备方法，用于制备上述实施例一当中的传感器，图3为制备传感器的流程示意图，所述方法具体包括步骤S201至步骤S203，其中：
步骤S201，制备敏感元件和预设厚度的应力隔离层。
其中，应力隔离层2可由聚二甲基硅氧烷预聚物倒入模具中固化而成，其中，模具的深度即为应力隔离层2的厚度，而聚二甲基硅氧烷预聚物则由聚二甲基硅氧烷单体和固化剂按一定比例混合得到，在本实施例当中，聚二甲基硅氧烷预聚物可以选用Sylgard184硅橡胶，具体的，聚二甲基硅氧烷单体和固化剂的比例采用质量比10:1进行混合。
步骤S202，将所述敏感元件、所述应力隔离层以及所述玻璃基底依次并排对齐摆放，并放入等离子激发设备当中进行预处理，其中，所述敏感元件、所述应力隔离层以及所述玻璃基底之间按预设间隔距离放置。
需要说明的是，将并排对齐摆放好的样品放入等离子激发设备当中进行预处理，具体的，可以通过工装实现敏感元件3、应力隔离层2以及玻璃基底1的快速摆放，其中，敏感元件3、应力隔离层2以及玻璃基底1之间的间隙可以控制在1~10mm，即敏感元件3、应力隔离层2以及玻璃基底1之间不进行接触，在本实施例当中，等离子激发设备为等离子清洗机，样品放置好后，需要通入足够纯度的氧气，并控制氧气压力为10~300Pa，所述射频源功率为10~100W，所述处理时间为10~100s，在此参数下进行预处理。
步骤S203，将经过所述预处理的所述敏感元件、所述应力隔离层以及所述玻璃基底在预设时间内贴合完成键合连接。
其中，在预设时间为0~30min内，将敏感元件3、应力隔离层2以及玻璃基底1贴合并保持，形成自动键合，需要说明的是，预设时间为4min内时，键合效果更佳。
实施例三
本发明实施例三提出的一种传感器的制备方法，用于制备上述实施例一当中的传感器，与上述实施二的制备方法的区别在于，实施例三的制备方法用于批量制备传感器，请参阅图4，图4为批量制备传感器的流程示意图，其中：
将聚二甲基硅氧烷预聚物倒入批量制备传感器的模具中，其中，批量制备传感器的模具应可使聚二甲基硅氧烷预聚物倒入模具固化后，形成的应力隔离层2含有阵列孔，具体的，当该应力隔离层2固化后，在此基础上，再浇注一层较厚的转移层（图未示），并固化，其中，转移层的材料和配比与应力隔离层2一致，在本实施例当中，转移层的厚度可以为1~10mm，当转移层固化后，可以通过转移层将应力隔离层2从模具中带出，并展平于可弯曲的基底上。
进一步的，再将应力隔离层2和与其匹配的玻璃基底1对准，并保持一定间隙一起放入等离子激发设备当中进行预处理，并在处理完成后贴合，实现自动键合，键合完成后，将上述的可弯曲的基底剥离，再与敏感元件3对齐键合，键合后分别从敏感元件3侧和玻璃基底1侧进行划片，并控制划片深度不要触及应力隔离层2，最后可以使用刀片将各传感器连接处的应力隔离层2进行裁切，获得分立的传感器。
实施例四
本发明实施例四提供一种传感器，所述传感器可由上述实施例二当中的传感器的制备方法制备得到。
请参阅图5和图6，图5所示为无应力隔离层的热应力仿真模型示意图，图6所示为有应力隔离层的热应力仿真模型示意图，本实施例以常见的压阻式MEMS压力传感器为例，展示添加应力隔离层前后，传感器受热应力的影响，需要说明的是，所用的热应力仿真模型大小仅为传感器的1/4，这是因为实际中的传感器是对称结构，所以出于减少计算量方面的考虑，采用 1/4 模型是合理的。
具体的，无应力隔离层的热应力仿真模型包括硅基感应层6和玻璃基座5，其中，硅基感应层6与玻璃基座5键合，玻璃基座5与不锈钢基板通过高强度胶粘接，具体的，本实施例为便于计算，而将高强度胶层做忽略处理。其中的关键尺寸均为典型值，例如，感应区膜片为正方形，厚度为50um，边长为1mm，硅基感应层6厚度为500um，玻璃基座5厚度为500um，不锈钢层4厚度为2mm。按照本发明的方法则是在硅基感应层6与玻璃基座5间增加一层第二应力隔离层7，所增加的第二应力隔离层7厚度为100um，本实施例仿真计算温度变化100℃情况下的热应力，需要说明的是，在压阻式 MEMS 压力传感器中，重要的是正方形膜片边长中点处径向的应力，因此，本实施例只关注在该处该方向的热应力，仿真结果为，无应力隔离层的热应力仿真模型中，硅基感应层6受到的热应力是 3.02x107Pa，有应力隔离层的热应力仿真模型中，硅基感应层6受到的热应力是1.18x104Pa，即第二应力隔离层7使得热应力降低了3个量级。
综上，本发明通过设置玻璃基底、由玻璃基底向外延伸出的应力隔离层以及由应力隔离层朝远离玻璃基底方向延伸出的敏感元件，由于应力隔离层的刚度低于玻璃基底和敏感元件的刚度，因此玻璃基底一侧的应力，无论是热应力还是机械应力，都几乎完全被应力隔离层阻隔而无法传递到敏感元件，也就不会对敏感元件的敏感区域产生足够影响，从而提高了传感器测量精度。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种传感器的制备方法，其特征在于，用于制备一种传感器，所述传感器包括玻璃基底、由所述玻璃基底向外延伸出的应力隔离层以及由所述应力隔离层朝远离所述玻璃基底方向延伸出的敏感元件，其中，所述应力隔离层的刚度低于所述玻璃基底和所述敏感元件的刚度，所述制备方法包括：
制备所述敏感元件和预设厚度的所述应力隔离层；
将所述敏感元件、所述应力隔离层以及所述玻璃基底依次并排对齐摆放，并放入等离子激发设备当中进行预处理，其中，所述敏感元件、所述应力隔离层以及所述玻璃基底之间按预设间隔距离放置；
将经过所述预处理的所述敏感元件、所述应力隔离层以及所述玻璃基底在预设时间内贴合完成键合连接。
2.根据权利要求1所述的传感器的制备方法，其特征在于，所述应力隔离层的材料为聚二甲基硅氧烷。
3.根据权利要求2所述的传感器的制备方法，其特征在于，所述应力隔离层的厚度为10～2000μm。
4.根据权利要求1所述的传感器的制备方法，其特征在于，所述制备敏感元件和预设厚度的应力隔离层的步骤包括：
将所述应力隔离层和玻璃基底打孔，以在所述应力隔离层和所述玻璃基底上分别形成第一通孔和第二通孔。
5.根据权利要求1所述的传感器的制备方法，其特征在于，所述制备预设厚度的应力隔离层的步骤中，首先将聚二甲基硅氧烷与固化剂按预设比例均匀混合后，倒入模具中，以形成所述预设厚度的所述应力隔离层。
6.根据权利要求1所述的传感器的制备方法，其特征在于，所述预处理的步骤中，在所述等离子激发设备通入氧气，并控制氧气压力、激发等离子的射频源功率、处理时间。
7.根据权利要求6所述的传感器的制备方法，其特征在于，所述氧气压力为10~300Pa，所述射频源功率为10~100W，所述处理时间为10~100s。
8.根据权利要求1所述的传感器的制备方法，其特征在于，所述预设时间为0~30min。
9.根据权利要求1所述的传感器的制备方法，其特征在于，所述预设间隔距离为1~10mm。
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Applicant after: Bingling Intelligent Technology (Wuxi) Co.,Ltd.

Address before: 210000 room 204-39, floor 2, building 04, No. 18, Jialing Jiangdong Street, Jianye District, Nanjing, Jiangsu Province

Applicant before: XINLIGAN SENASSETS (NANJING) Co.,Ltd.

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Address after: No. B203, 204, Block B, New Science and Technology Innovation Building, No. 901, Liaohe Road, Xinbei District, Changzhou City, Jiangsu Province, 213000

Applicant after: Bingling Intelligent Technology (Changzhou) Co.,Ltd.

Address before: 319-8, Floor 3, Building A3, No. 777, Jianzhu West Road, Liyuan Street, Binhu District, Wuxi City, Jiangsu Province, 214000

Applicant before: Bingling Intelligent Technology (Wuxi) Co.,Ltd.

GR01 Patent grant
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