專利名稱：基于硅通孔技術的微型電容式壁面剪應力傳感器及其制作方法
基于硅通孔技術的微型電容式壁面剪應力傳感器及其制作方法所屬領域:本發(fā)明涉及一種微型電容式壁面剪應力傳感器及其制作方法，特別涉及一種基于硅通孔技術的背孔連接的微型電容式壁面剪應力傳感器，屬于傳感器技術領域。
背景技術：
:近壁流動參數，尤其是壁面剪應力是研究、判斷流場形態(tài)以及邊界層狀態(tài)等的重要參數，也是對飛行器以及水下航行器開展外形優(yōu)化設計以及減阻降噪設計的重要參考依據。用于測量剪應力的常規(guī)傳感器，主要包括摩阻天平、普雷斯頓管(Preston tube)、斯坦頓管(Stanton tube)等。受加工手段的限制，其尺寸較大，動態(tài)范圍窄，且不同程度的存在信號滯后等弊端。此外，傳統(tǒng)工藝制作的剪應力傳感器不易形成陣列化，無法實現壁面剪應力的分布式測量。MEMS (微機電系統(tǒng))剪應力傳感器具有許多傳統(tǒng)傳感器無法比擬的優(yōu)點:具有體積小、功能多、重量輕并且穩(wěn)定可靠的優(yōu)點。通過IC工藝可大批量和高精度生產，單件成本低，一致性好、功耗低、諧振頻率高、響應時間短、綜合集成度高、附加值高等特點，具有極好的發(fā)展前景。剪應力的測量分為間接測量和直接測量兩種方式，間接測量主要通過測量近壁面處的壓力梯度、速度梯度、熱交換以及其他參數建立與剪應力的關系，由于受到多個環(huán)節(jié)影響，間接測量時精度不高；直接測量時所用到的傳感器一般都具有浮動單元，剪應力作用于浮動單元，浮動單元的位移與剪應力的大小成比例。電容式浮動結構比較常見。電容式傳感器的工作原理是把被測的剪應力轉換成電容的變化量，通過外部處理電路將電容值轉換為響應的電壓或者電流。電容式傳感器還具有溫度系數小、穩(wěn)定性好、制作工藝比較簡單等特點，因此選取電容作為微剪應力傳感器的檢測方式具有顯著的優(yōu)勢。由于浮動式剪應力傳感器直接與壁面流場接觸，所以傳感器的封裝與外部電路的電連接尤為重要。采用傳統(tǒng)的引線鍵合(wire bonding)方式封裝體積較大，同時引線暴露于流場中，金屬易氧化且容易受到干擾產生寄生電容，影響傳感器的輸出，尤其在高速流體中，鍵合強度不足，引線容易斷裂。引線鍵合方式也不利于微型傳感器與IC工藝的3D集成封裝。A.0’Grady, R.Larger等人在“A MEMS sensor for mean shear stress measurementsin high-speed turbulent flow with backside interconnects”中，在基底層娃上刻蝕出背面過孔，在過孔內絕緣后濺射金屬，然后釆用導電的銀基環(huán)氧樹脂與PIN針黏接，引出電信號，但此方法釆用的環(huán)氧樹脂與PIN針黏接易受溫度影響而脫落，導致傳感器失效，可靠性不高，并且容易產生寄生電容
發(fā)明內容
:本發(fā)明的目的是針對使用傳統(tǒng)的平面封裝工藝封裝的MEMS電容式剪應力傳感器存在的鍵合強度不足、封裝方式容易引入干擾和不利于傳感器與IC工藝的3D封裝集成等不足，提供一種基于硅通孔技術的背孔連接的微型電容式壁面剪應力傳感器及其制作方法。將硅通孔技術與MEMS傳統(tǒng)工藝相互結合，安排合理的工藝流程，盡量減小TSV的制作對上層傳感器敏感結構的影響。硅通孔技術(TSV，Through Silicon Via)是通過在芯片和芯片間、晶圓和晶圓間制作垂直通孔，實現芯片之間互連的最新技術，能夠使芯片在三維方向堆疊的密度最大，夕卜形尺寸最小，且大大改善芯片速度和功耗的性能，能解決傳統(tǒng)平面封裝工藝帶來的導致封裝尺寸過大、成本較高的缺陷，TSV被稱為繼引線鍵合、TAB和倒裝芯片(FC)之后的第四代封裝技術，能夠為MEMS芯片的三維封裝提供性能優(yōu)良的電互連方式。本發(fā)明的技術方案是:參閱圖1和圖2，一種基于硅通孔技術的背孔連接的電容式壁面剪應力傳感器，包括浮動單元錨點1、彈性梁2、可動梳齒3、固定梳齒4、固定梳齒錨點
5、TSV引線6、浮動單元7、犧牲層8、基底層9和TSV電絕緣層10 ;整個傳感器左右對稱；
所述浮動單元7兩側布有可動梳齒3，浮動單元7與可動梳齒3通過彈性梁2與浮動單元錨點I連接，懸浮于基底層9上；固定梳齒4連接于固定梳齒錨點5上，所述固定梳齒4與可動梳齒3相配，形成電容；浮動單元錨點I和固定梳齒錨點5則置于基底層9上的犧牲層8之上；TSV引線6在器件厚度方向依次貫穿各浮動單元錨點I和固定梳齒錨點5、犧牲層8和基底層9后，從器件背面引出，TSV引線6外壁與器件孔內壁之間為TSV絕緣層10，以實現電絕緣；所述TSV引線6上端頭沿徑向向外延伸出小平面，并和各浮動單元錨點I和固定梳齒錨點5上表面形成電接觸。工作時，傳感器平齊安裝在流體壁面，浮動單元7感測流體作用與待測壁面的剪應力后，彈性梁2產生彈性變形，可動梳齒3產生一段位移，與固定梳齒4形成了差動的電容，電容信號依次通過浮動單元錨點I和固定梳齒錨點5、TSV引線6與外部電路進行連接，輸出電信號。所述基于硅通孔技術的微型電容式壁面剪應力傳感器的制作方法，包括如下步驟:步驟1:S0I硅片正面制作傳感器敏感結構，包括浮動單元錨點1、彈性梁2、可動梳齒3、固定梳齒4、固定梳齒錨點5、浮動單元7，參閱附圖3(a)；步驟2:從SOI硅片背面制作TSV通孔并進行氧化絕緣處理和阻擋層淀積，形成TSV絕緣層10，參閱附圖3(b)；步驟3 =TSV金屬電鍍填充，形成TSV引線6，參閱附圖3(c);該過程具體包括如下子步驟:子步驟1:輔助硅片正面拋光，去除表面的氧化層；子步驟2:在輔助硅片上濺射金屬種子層，并旋涂光刻膠，與完成步驟I和步驟2后的SOI硅片正面進行黏合；子步驟3:以SOI硅片作為光刻掩膜，對輔助硅片上與TSV導線6上端頭相應位置處的光刻膠進行曝光，顯影露出過該位置處的金屬種子層；子步驟4:將黏合有輔助硅片的SOI硅片浸入硫酸銅電鍍液中進行電鍍，形成TSV引線6;步驟4:去除輔助硅片，釋放SOI硅片的正面浮動結構，包括浮動單元7、彈性梁2和可動梳齒3，并進行劃片，得到分離的微型電容式壁面剪應力傳感器，參閱附圖3(d)。
有益效果:本發(fā)明在輔助硅片的金屬種子層上采用從底向上的方式進行硅通孔內的TSV引線6電鍍填充，避免了高深寬比的通孔內電鍍填充不完全和孔內空隙的產生。本發(fā)明提出的基于硅通孔技術的微型電容剪應力傳感器可以達到較好的綜合性能:(I)大大提高了傳感器的抗干擾能力；由于采用了基于硅通孔技術的背面引線工藝取代原有的引線鍵合工藝，避免了金屬引線暴露于流場中產生干擾。(2)減小了傳感器的封裝尺寸，有利于傳感器的陣列化，有利于傳感器與集成電路的3D封裝。(3)測量裝置不侵入流場，可以對流場進行非侵入式的壁面剪應力測量。
:圖1是實施例中基于硅通孔技術的微型電容式壁面剪應力傳感器結構示意圖；圖2是圖1的A-A剖視圖；圖3是實施例中基于硅通孔技術的微型電容式壁面剪應力傳感器制作方法工藝步驟示意圖。圖中:1-浮動單元錨點；2_彈性梁；3_可動梳齒；4_固定梳齒；5-固定梳齒錨點；6-TSV引線；7_浮動單元；8_犧牲層；9_基底層；10-TSV電絕緣層。
具體實施方式
:本實施例中的基于硅通孔技術的背孔連接的微型電容式壁面剪應力傳感器，主要包括浮動單元錨點1、彈性梁2、可動梳齒3、固定梳齒4、固定梳齒錨點5、TSV引線6、浮動單元7、犧牲層8、基底層9和TSV電絕緣層10 ;所述浮動單元7、彈性梁2、可動梳齒3、固定梳齒4和錨點由微細加工工藝整體加工得到，電連接TSV采用電鍍完成，整個傳感器左右對稱；浮動單元7與可動梳齒3通過彈性梁2與浮動單元錨點I連接，懸浮于基底層9上；固定梳齒4與固定梳齒錨點5連接，可動梳齒3和固定梳齒4形成電容，TSV引線6與浮動單元錨點1、固定梳齒錨點5形成電接觸，TSV電絕緣層10將TSV引線6與基底層9電絕緣隔離絕緣。TSV引線6貫穿整個傳感器結構，將器件層電容信號從傳感器背面引出。本實施例中剪應力傳感器采用的材料為SOI硅片，通過微加工工藝和金屬電鍍工藝加工完成，主要步驟如下:步驟1:S0I硅片正面制作傳感器敏感結構，包括浮動單元錨點1、彈性梁2、可動梳齒3、固定梳齒4、固定梳齒錨點5、浮動單元7，參閱附圖3(a);包括如下子步驟:子步驟1:清洗SOI硅片，去除表面原生氧化層、有機物污染，并進行熱烘處理15min，溫度為800°C，保護氮氣流量3L/min。SOI硅片的規(guī)格為30Χ4Χ400μπι ;子步驟2:S0I硅片正面作為基片旋涂EPG533型光刻膠，熱烘后進行光刻和顯影，顯影液采用質量濃度為2.38%的四甲基氫氧化銨(TMAH)；子步驟3:對步驟2中顯影后的硅片進行ICP刻蝕出正面結構。并用丙酮去除光刻膠。步驟2:從SOI硅片背面制作TSV通孔并進行氧化絕緣處理和阻擋層淀積，形成TSV絕緣層10，參閱附圖3(b);包括如下的子步驟:子步驟1:在硅片I背面旋涂光刻膠，光刻和顯影后，ICP刻蝕背面的過通孔內的硅；子步驟2:在步驟4硅片I的背面RIE刻蝕犧牲層的4 μ m的二氧化硅，完成整個過通孔的制作，并清洗光刻膠。子步驟3:熱氧化處理，在過通孔內壁形成一層致密的二氧化硅絕緣層，厚度約為600nm。并在通孔內淀積阻擋層鈦,厚度為50nm ；步驟3 =TSV金屬電鍍填充，形成TSV引線6，參閱附圖3(c);該過程具體包括如下子步驟:子步驟1:輔助硅片正面拋光，去除表面的氧化層；子步驟2:在輔助硅片上濺射300nm金屬種子層，并旋涂光刻膠，與完成步驟I和步驟2后的SOI硅片正面進行黏合；本實施例中金屬種子層材料為金；旋涂的光刻膠厚度為 1.2 μ m ;子步驟3:以SOI硅片作為光刻掩膜，對輔助硅片上與TSV導線6上端頭相應位置處的光刻膠進行曝光，顯影露出過該位置處的金屬種子層；子步驟4:將黏合有輔助硅片的SOI硅片浸入硫酸銅電鍍液中進行電鍍，形成TSV引線6，電鍍參數:電流密度為30mA/cm2，溫度為35°C，電鍍液PH值為1，電鍍時間為3_5小時。步驟4:去除輔助硅片，釋放SOI硅片的正面浮動結構，包括浮動單元7、彈性梁2和可動梳齒3，并進行劃片，得到分離的微型電容式壁面剪應力傳感器，參閱附圖3(d)，包括如下的子步驟:子步驟1:電鍍完成后，在剝離器中移除輔助硅片及光刻膠；子步驟2:將SOI硅片放入氫氟酸中，釋放正面浮動結構，完成整個傳感器制作；子步驟3:劃片，得到分離的電容式壁面剪應力傳感器。
權利要求
1.一種基于硅通孔技術的背孔連接的電容式壁面剪應力傳感器，包括浮動單元錨點(I)、彈性梁(2)、可動梳齒(3)、固定梳齒(4)、固定梳齒錨點(5)、TSV引線(6)、浮動單元(7)、犧牲層(8)、基底層(8)和TSV電絕緣層(10);整個傳感器左右對稱； 所述浮動單元(7 )兩側布有可動梳齒(3 )，浮動單元(7 )與可動梳齒(3 )通過彈性梁(2 )與浮動單元錨點(I)連接，懸浮于基底層(8)上；固定梳齒(4)連接于固定梳齒錨點(5)上，所述固定梳齒(4)與可動梳齒(3)相配，形成電容；浮動單元錨點(I)和固定梳齒錨點(5)則置于基底層(8 )上的犧牲層(8 )之上；TSV引線(6 )在器件厚度方向依次貫穿各浮動單元錨點(I)和固定梳齒錨點(5)、犧牲層(8)和基底層(8)后，從器件背面引出，TSV引線(6)外壁與器件孔內壁之間為TSV絕緣層(10)，以實現電絕緣；所述TSV引線(6)上端頭沿徑向向外延伸出小平面，并和各浮動單元錨點(I)和固定梳齒錨點(5)上表面形成電接觸。
2.—種如權利要求1所述的基于娃通孔技術的微型電容式壁面剪應力傳感器的制作方法，包括如下步驟: 步驟1:SOI硅片正面制作傳感器敏感結構，包括浮動單元錨點(I )、彈性梁(2)、可動梳齒(3 )、固定梳齒(4 )、固定梳齒錨點(5 )、浮動單元(7 ); 步驟2:從SOI硅片背面制作TSV通孔并進行氧化絕緣處理和阻擋層淀積，形成TSV絕緣層(10)； 步驟3:TSV金屬電鍍填充，形成TSV引線(6 )，該過程具體包括如下子步驟: 子步驟1:輔助硅片正面拋光，去除表面的氧化層； 子步驟2:在輔助硅片上濺射金屬種子層，并旋涂光刻膠，與完成步驟I和步驟2后的SOI硅片正面進行黏合； 子步驟3:以SOI硅片作為光刻掩膜，對輔助硅片上與TSV導線(6)上端頭相應位置處的光刻膠進行曝光，顯影露出過該位置處的金屬種子層； 子步驟4:將黏合有輔助硅片的SOI硅片浸入硫酸銅電鍍液中進行電鍍，形成TSV引線(6)； 步驟4:去除輔助硅片，釋放SOI硅片的正面浮動結構，包括浮動單元(7)、彈性梁(2)和可動梳齒(3)，并進行劃片，得到分離的微型電容式壁面剪應力傳感器。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于硅通孔技術的微型電容式壁面剪應力傳感器及其制作方法，屬于傳感器技術領域。該傳感器包括浮動單元錨點1、彈性梁2、可動梳齒3、固定梳齒4、固定梳齒錨點5、TSV引線6、浮動單元7、犧牲層8、基底層9和TSV電絕緣層10，傳感器通過微加工工藝和金屬電鍍工藝加工完成。本發(fā)明提出的基于硅通孔技術的微型電容剪應力傳感器采用了基于硅通孔技術的背面引線工藝取代原有的引線鍵合工藝，避免了金屬引線暴露于流場中產生干擾；減小了傳感器的封裝尺寸，有利于傳感器的陣列化，有利于傳感器與集成電路的3D封裝；測量裝置不侵入流場，可以對流場進行非侵入式的壁面剪應力測量。
文檔編號G01L1/14GK103115703SQ20131002026
公開日2013年5月22日 申請日期2013年1月21日 優(yōu)先權日2013年1月21日
發(fā)明者馬炳和, 項志杰, 鄧進軍 申請人:西北工業(yè)大學
專業(yè)數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
