基于嵌入式微柱的超高加速冲击传感器及其制备方法
【专利摘要】本发明为一种基于嵌入式微柱的超高加速度冲击传感器及其制备方法，其包括基片、位于所述基片上表面的金属浆料、焊接于所述金属浆料上的芯片，所述芯片包括质量块以及嵌入在所述质量块底部的圆柱形敏感微柱，所述敏感微柱与所述质量块为一体的且具有压阻效应，自所述质量块的下表面向上凹陷形成有凹槽，所述敏感微柱自所述凹槽向下凸出所述质量块的下表面，所述敏感微柱的下表面坐落在所述金属浆料上。与现有技术相比，本发明基于嵌入式微柱的超高加速度冲击传感器将单晶硅加工成一体化的质量块和敏感微柱，用材料的体电阻代替传统的扩散电阻、用圆柱纵向受力代替悬臂型应变梁的横向受力，具有灵敏度高、谐振频率高、可靠性高的优点。
【专利说明】基于嵌入式微柱的超高加速冲击传感器及其制备方法
【【技术领域】】
[0001]本发明属于传感器领域，特别是涉及一种基于嵌入式微柱的超高加速度冲击传感器及其制备方法。
【【背景技术】】
[0002]目前，超高加速度冲击传感器大多是沿用低加速度传感器的结构，即以悬臂梁加质量块为核心的结构形式。但其工艺复杂、对工艺环境要求高；其次，由于受结构固有性能的影响，谐振频率低，在超高加速度瞬时冲击时易损，因而严重影响其使用的可靠性，特别是在严重恶劣环境中如武器、航空、航天领域的运用；现有的大多传感器是运用传统的悬臂梁，通过传统的剪切应力作用到悬臂梁上，对传感器的量程造成了较大的限制。
[0003]因此，有必要提供一种新的超高加速度冲击传感器来解决上述问题。
【
【发明内容】
】
[0004]本发明的主要目的在于提供一种量程大、可靠性高的基于嵌入式微柱的超高速度冲击传感器及其制备方法。
[0005]本发明通过如下技术方案实现上述目的:一种基于嵌入式微柱的超高加速度冲击传感器，其包括基片、位于所述基片上表面的金属浆料、焊接于所述金属浆料上的芯片，所述芯片包括质量块以及嵌入在所述质量块底部的圆柱形敏感微柱，所述敏感微柱与所述质量块为一体的且具有压阻效应，自所述质量块的下表面向上凹陷形成有凹槽，所述敏感微柱自所述凹槽向下凸出所述质量块的下表面，所述敏感微柱的下表面坐落在所述金属浆料上。
[0006]具体的，所述敏感微柱为偶数个，且包括第一组敏感微柱、第二组敏感微柱。
[0007]具体的，所述第一组敏感微柱和所述第二组敏感微柱通过串联或并联方式构成敏感电阻。
[0008]具体的，所述金属浆料包括第一区域金属浆料、第二区域金属浆料。
[0009]具体的，所述第一区域金属浆料和所述第二区域金属浆料上具有金属电极，所述金属电极端连接有引线。
[0010]具体的，所述第一组敏感微柱焊接在所述第一区域金属浆料上，所述第二组敏感微柱焊接在所述第二区域金属浆料上。
[0011]具体的，所述基于嵌入式微柱的超高速度冲击传感器还具有用于固定连接传感器的金属连接件，所述基片焊接在所述金属连接件的上表面。
[0012]为了实现上述目的，本发明还提出了一种基于嵌入式微柱的超高加速度冲击传感器的制备方法，包括以下步骤:
[0013]I)制备芯片
[0014]①在具有压阻效应的材料上进行双面浓硼扩散；
[0015]②在所述材料的一个表面溅射或蒸发一层金属薄膜；
[0016]③对金属薄膜进行光刻；
[0017]④在同一面上再溅射或蒸发一层铝薄膜；
[0018]⑤对铝薄膜进行光刻；
[0019]⑥以深槽刻蚀工艺对硅片进行腐蚀，形成质量块和嵌入在质量块内部的敏感微柱；
[0020]⑦去除铝薄膜，再次以深槽刻蚀工艺对硅片进行腐蚀,使敏感微柱表面高于其余部分表面。
[0021]2)制备基片
[0022]在所述基片上印刷金属浆料，印刷域分为两个相互绝缘的部分；
[0023]3)整合芯片和基片
[0024]以金属浆料将芯片与基片焊接为一个整体；
[0025]4)焊接引线
[0026]在基片上的金属浆料烧结成的金属电极上焊接引线。
[0027]与现有技术相比，本发明基于嵌入式微柱的超高加速度冲击传感器及其制备方法的有益效果在于:
[0028]1、本发明提供的基于嵌入式微柱的超高加速度冲击传感器将单晶硅加工成一体化的质量块和敏感微柱，具备了灵敏度高和谐振频率高的优点，从而在瞬态超高加速度冲击测量中具有更高的可靠性；
[0029]2、以圆柱形敏感微柱的串并联构成的敏感电阻代替传统的扩散电阻，用圆柱纵向受力代替型应变梁的横向受力，提高了极限应变值，提高了传感器的可靠性，简化了传感器的制作工艺，同时也降低了制造成本；
[0030]3、用材料的体电阻代替传统器件的扩散电阻提高了器件的一致性、互换性，为使用带来了方便。
【【专利附图】
【附图说明】】
[0031]图1为本发明基于嵌入式微柱的超高加速度冲击传感器结构的剖面示意图。
[0032]图中数字表示:
[0033]I为芯片，11为敏感微柱，111为第一组敏感微柱，112为第二组敏感微柱，12为质量块;
[0034]2为基片；
[0035]3为金属浆料，31为第一区域金属浆料，32为第二区域金属浆料，33为金属电极；
[0036]4为金属连接件；
[0037]5为引线。
【【具体实施方式】】
[0038]请参照图1所示，本发明基于嵌入式微柱的超高加速度冲击传感器包括基片2、位于基片2上表面的金属浆料3、焊接于金属浆料3上的芯片1，芯片I包括质量块12以及嵌入在质量块12底部的圆柱形敏感微柱11，敏感微柱11与质量块12为一体的且具有压阻效应，自质量块12的下表面向上凹陷形成有凹槽，敏感微柱11自凹槽向下凸出质量块12的下表面，敏感微柱11的下表面坐落在金属衆料3上。
[0039]压阻效应是指当半导体受到应力作用时，由于载流子迁移率的变化，使其电阻率发生变化的现象。压阻效应已经被广泛应用于各种半导体材料制作而成的感知器中，在本实施方式中，敏感微柱11与质量块12是由具有压阻效应的(110)晶向的高阻单晶硅片通过微机电系统(MEMS)技术加工而成的一个整体，高阻单晶硅片的厚度范围为300μ?2000μ。具有压阻效应的材料还有锗、多晶硅、非晶硅、碳化硅等。硅的电阻变化不单是来自与应力有关的几何形变，而且也来自材料本身与应力相关的电阻。在硅中掺入特定的杂质可以制成P型硅和N型硅，在本实施方式中，制作芯片I的材料为P型硅，在其他实施方式中也可选取N型硅。
[0040]将敏感微柱11与质量块12制作成一体的好处在于用材料的体电阻代替了传统的扩散电阻，提高了敏感微柱11的灵敏度，并且具有较高的谐振频率，从而在瞬态超高加速度冲击测量中具有更高的可靠性。
[0041]将敏感微柱11设置成圆柱形，其用处在于用圆柱纵向受力代替型应变梁的横向受力提高了极限应变值，因而提高了传感器的测量上限值，即提高了传感器的量程。
[0042]在本实施方式中，敏感微柱11为偶数个，且包括通过串联或并联方式构成敏感电阻的第一组敏感微柱111、第二组敏感微柱112，敏感微柱11的直径为Φ50μ?Φ500μ，凸出质量块12底面3 μ?50 μ，与质量块12的间距为20 μ?100 μ。
[0043]金属浆料3包括相互绝缘的第一区域金属浆料31、第二区域金属浆料32，第一组敏感微柱111焊接在第一区域金属浆料31上，第二组敏感微柱112焊接在第二区域金属浆料32上，金属浆料3还包括用于连接电线的金属电极33，金属电极33端焊接有引线5。
[0044]本发明基于嵌入式微柱的超高速度冲击传感器还具有用于固定连接传感器的金属连接件4，基片2焊接在金属连接件4的上表面。
[0045]请参照图1，当质量块12受力时，质量块12将冲击加速度转化为惯性力，惯性力通过压应力作用到敏感微柱11上，敏感微柱11产生纵向形变，因敏感微柱11是由具有压阻效应的单晶硅制成，形变的同时引起由敏感微柱11通过串联或并联的方式形成的敏感电阻阻值的变化，通过测量敏感电阻阻值的变化量，即通过相关运算获得冲击加速度的量值。
[0046]本发明还提出一种上述的基于嵌入式微柱的超高加速度冲击传感器的制备方法，具体按照以下步骤制备:
[0047]I)制备芯片I
[0048]①在(110)晶向的高阻P型硅片上进行双面浓硼扩散；
[0049]②在该硅片的一个表面(定义此表面为元件面)溅射或蒸发一层金属薄膜，可以是铬、钛、鹤、镍、金等一种或多种组合,其厚度一般在0.08 μ mm?I μ mm ;
[0050]③对金属薄膜进行光刻，微柱对应区域保留，其余部分去除；
[0051]④在元件面上再溅射或蒸发一层铝薄膜，其厚度一般在0.08 μ mm?2 μ m ;
[0052]⑤对铝薄膜进行光刻，围绕敏感微柱11对应区域外侧40 μ m?60 μ m的环形区域和单个芯片I的边缘区域去除铝薄膜，其余部分保留；
[0053]⑥以深槽刻蚀工艺对硅片进行腐蚀，深度为100 μ mm?200 μ m，形成嵌入式的敏感微柱11，敏感微柱11包括第一组敏感微柱111、第二组敏感微柱112 ；
[0054]⑦去除铝薄膜，再次以深槽刻蚀工艺对硅片进行腐蚀，深度为5 μ mm?30 μ m，使敏感微柱11表面高于其余部分表面；
[0055]⑧对硅片进行分离，形成由嵌入式敏感微柱11和质量块12组成的一体化单个芯片I ;
[0056]2)制备基片2
[0057]目前常用的基片材料有3大类，即塑料基、金属基和陶瓷基材料，其中陶瓷基材料是综合性能较好的基片材料，制作陶瓷基片的材料一般有Al203、AlN、Be0、SiC等，在本实施方式中，基片材料选用的是热导率高、膨胀系数低、强度高、耐高温、耐化学腐蚀、电阻率高、介电损耗小的氮化铝陶瓷。
[0058]在氮化铝陶瓷的基片2上印刷金属浆料21，印刷区域分为相互绝缘的两个部分，分别对应两组敏感微柱；
[0059]3)整合芯片I和基片2
[0060]将由嵌入式敏感微柱11和质量块12组成的一体化单个芯片I的元件面置于印刷了金属浆料3的氮化铝陶瓷基片2上，进行高温烧结工艺，以金属浆料3将硅芯片I上敏感微柱11的元件面与氮化铝陶瓷基片2焊接为一个整体，同时也将芯片I的电极引出至金属浆料3烧结成的金属电极33上；
[0061]4)焊接引线5
[0062]在金属浆料3上的金属电极33端焊接引线5，完成传感器芯体的制作。
[0063]5)焊接金属连接件4
[0064]将基片2下表面焊接在金属连接件4的上表面，使得芯片1、基片2、金属连接件4成为一个整体，完成基于嵌入式微柱的超高速度冲击传感器的制备过程。
[0065]以上所述的仅是本发明的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，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。
【权利要求】
1.一种基于嵌入式微柱的超高加速度冲击传感器，其包括基片、位于所述基片上表面的金属浆料、焊接于所述金属浆料上的芯片，其特征在于:所述芯片包括质量块以及嵌入在所述质量块底部的圆柱形敏感微柱，所述敏感微柱与所述质量块为一体的且具有压阻效应，自所述质量块的下表面向上凹陷形成有凹槽，所述敏感微柱自所述凹槽向下凸出所述质量块的下表面，所述敏感微柱的下表面坐落在所述金属浆料上。
2.如权利要求1所述的基于嵌入式微柱的超高加速度冲击传感器，其特征在于:所述敏感微柱为偶数个，且包括第一组敏感微柱、第二组敏感微柱。
3.如权利要求2所述的基于嵌入式微柱的超高加速度冲击传感器，其特征在于:所述第一组敏感微柱和所述第二组敏感微柱通过串联或并联方式构成敏感电阻。
4.如权利要求1所述的基于嵌入式微柱的超高加速度冲击传感器，其特征在于:所述金属浆料包括第一区域金属浆料、第二区域金属浆料。
5.如权利要求4所述的基于嵌入式微柱的超高加速度冲击传感器，其特征在于:所述第一区域金属浆料和所述第二区域金属浆料上具有金属电极，所述金属电极端连接有引线。
6.如权利要求3所述的基于嵌入式微柱的超高加速度冲击传感器，其特征在于:所述第一组敏感微柱焊接在所述第一区域金属浆料上，所述第二组敏感微柱焊接在所述第二区域金属浆料上。
7.如权利要求1所述的基于嵌入式微柱的超高加速度冲击传感器，其特征在于:所述基于嵌入式微柱的超高加速度冲击传感器还具有用于固定连接传感器的金属连接件，所述基片焊接在所述金属连接件的上表面。
8.一种基于嵌入式微柱的超高加速度冲击传感器的制备方法，其特征在于:包括以下步骤: 1)制备芯片 ①在具有压阻效应的材料上进行双面浓硼扩散； ②在所述材料的一个表面溅射或蒸发一层金属薄膜； ③对金属薄膜进行光刻； ④在同一面上再溅射或蒸发一层铝薄膜； ⑤对铝薄膜进行光刻； ⑥以深槽刻蚀工艺对硅片进行腐蚀，形成质量块和嵌入在质量块内部的敏感微柱； ⑦去除铝薄膜，再次以深槽刻蚀工艺对硅片进行腐蚀，使敏感微柱表面高于其余部分表面。 2)制备基片 在所述基片上印刷金属浆料，印刷域分为两个相互绝缘的部分； 3)整合芯片和基片 以金属浆料将芯片与基片焊接为一个整体； 4)焊接引线 在基片上的金属浆料烧结成的金属电极上焊接引线。
【文档编号】G01P15/12GK104237559SQ201410370448
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年7月30日 优先权日:2014年7月30日
【发明者】李策 申请人:昆山泰莱宏成传感技术有限公司