一种基于柔性材料的MEMS加速度传感器的设计及其制作方法与流程

本发明属于微电子机械技术领域，涉及一种微惯性传感器，具体涉及一种基于柔性材料的mems加速度传感器的设计及其制作方法。

背景技术：

近年来微机械惯性传感器的应用领域越来越广，市场也越来越大，许多智能化的检测设备已经大量地采用了各种各样的传感器，比如在生物医学检测、智能机器人、可穿戴设备、柔性显示等领域传感器就得到了广泛的应用，而这些领域往往需要传感器具有可弯曲、可拉伸的特点，能够满足贴附在各种不规则的表面上的需求。随着柔性基质材料的发展，满足上述各类趋势、特点的柔性传感器在此基础上应运而生。

传统的mems加速度传感器一般都制作在硅片上，应用在手机、手环等设备中，通过外接的电路来检测加速度信号，应用受到限制。新型的基于柔性材料的mems加速度传感器可以通过ic工艺与检测电路集成在一起，制作在柔性材料上，可直接穿戴在身上或贴在皮肤上单独工作，这样就打破了应用设备的限制，给人们提供更多便利。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于柔性材料的mems加速度传感器及其制作方法，该mems加速度传感器的工作原理是热对流原理，制作在柔性材料聚酰亚胺基底上，使用温度敏感性较好的材料——铂来制作传感器的核心部分——温度敏感电阻；用导电性能较好的材料——金来制作传递信号用的互连线；最后使用bcb键合胶对玻璃盖板和基底进行键合，来形成一个密闭的空腔，避免外界空气对传感器产生不利影响。本发明所涉及的mems热对流加速度传感器使用表面微加工工艺来进行加工制作，所使用的柔性材料聚酰亚胺是综合性能最好的有机高分子材料之一，不仅机械强度高而且隔热绝缘，且化学性能稳定，是制作柔性传感器的理想材料。

本发明提供的mems热对流加速度传感器包括柔性材料聚酰亚胺膜、制作在聚酰亚胺膜上的铂电阻、制作在聚酰亚胺膜上且与铂电阻相连接用以接入接出信号的金互连线、制作在已做好结构一面的最外层氮化硅保护层、与基底键合在一起的玻璃盖板。

所述的聚酰亚胺薄膜制作于第一基板硅片上，厚度2～200微米。

所述的铂电阻均为“s”形布置，一共三部分，包括一个加热电阻和两个传感电阻。加热电阻长度20～6000微米，宽度1～100微米，厚度0.1～10微米；传感电阻长度20～6000微米，宽度1～100微米，厚度0.1～10微米，且两个传感电阻长度、宽度、厚度和形状均相同，对称放置于加热电阻的两边。所述的金互连线主体部分宽度100～2000微米，厚度1～10微米。

所述的氮化硅保护层厚度0.3～3微米，在金互连线的端点处有边长为100～2000微米的正方形开孔，作为键合区，用以封装时接引线。

所述的玻璃盖板通过bcb键合胶与柔性基底键合在一起，形成密闭空腔。

制作该mems加速度传感器的具体步骤是：

步骤1、在第一基板硅片的抛光面上形成聚酰亚胺薄膜；

步骤2、在聚酰亚胺膜上形成铂电阻；

步骤3、在聚酰亚胺膜上形成金互连线；

步骤4、在已做好结构的一面整片形成氮化硅薄膜；步骤5、刻蚀氮化硅薄膜，在所述金互连线端点处形成键合区；

步骤6、使用bcb键合技术把玻璃盖板和硅片键合在一起形成密闭空腔；

步骤7、划片后去掉第一基板，传感器制作完成。

综上所述，根据本发明方法可以实现由柔性材料聚酰亚胺膜、制作在聚酰亚胺膜上的铂电阻、制作在聚酰亚胺膜上的与铂电阻相连接的金互连线、制作在整个芯片上的最外层氮化硅薄膜、与柔性基底通过bcb键合胶键合在一起的玻璃盖板组成的基于柔性材料的mems加速度传感器。加热电阻和传感电阻材料均为铂，且都制作在柔性基底聚酰亚胺膜上，加热电阻和传感电阻组成核心作用部件，两个传感电阻完全相同，对称放置在加热电阻两边。

本发明所涉及的mems热对流加速度传感器在所述的第一基板上制作了一层柔性材基底——聚酰亚胺膜来防止热量散失，保证热气团更好地发挥作用和降低功耗，并且聚酰亚胺膜也可以防止铂电阻漏电，同时也使此加速度传感器作为柔性器件来实现更多应用。本发明所涉及的mems热对流加速度传感器没有在硅片上开孔形成空腔结构，而是通过bcb键合胶把玻璃盖板和硅片键合来形成密闭空腔，这种设计使工艺过程变得简单而且制作出来的传感器结构更稳定，可靠性高，性能也更好，更重要的是，这种设计打破了传统传感器制作在刚性基底上的限制，对新型柔性传感器的发展起了推动作用。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2（a）-2（h）为本发明的制作工艺流程示意图；

其中各附图标记说明如下：

1代表硅片；

2代表聚酰亚胺；

3代表铂加热电阻；

4代表铂传感电阻；

5代表金互连线；

6代表氮化硅；

7代表刻蚀氮化硅形成的键合区；

8代表bcb键合胶；

9代表玻璃盖板。

具体实施方式

以下结合实施例和附图对本发明做进一步说明，但本发明决非仅限于所介绍的实施例。

本发明的实施例涉及一种基于柔性材料的mems加速度传感器，如图1所示，在第一基板上制作一层聚酰亚胺膜；在聚酰亚胺膜上制作铂电阻，传感器核心部分的两个完全相同的传感电阻对称放置在加热电阻两边；互连线连接在各电阻的端点处；使用bcb键合技术把玻璃盖板和柔性基底键合在一起；在最外层淀积一层氮化硅保护层防止外界灰尘或颗粒物对器件造成污染。

本实施例涉及的基于柔性材料的mems加速度传感器的制作方法，参考图2（a）-2（h）的工艺流程图来进行说明，主要包括以下工艺步骤：

a、选用单抛的低阻硅片作为第一基板1，在硅片的抛光面形成聚酰亚胺膜2，并亚胺化。

b、结合掩膜版（mask1），用光刻胶作为掩膜，曝光、显影后使用磁控溅射机溅射铂，溅射铂之前先溅射一层20～500纳米的铬（或钛）来增加铂和基底的粘附性，然后用剥离工艺将不需要的铬铂（或钛铂）去除，形成铂电阻3和4。

c、用磁控溅射机在上述已做了结构的一面整片溅射一层20～500纳米的铬（或钛），再在铬上溅射一层20～500纳米的金，然后结合掩膜版（mask2），用光刻胶作为掩膜，曝光、显影后放入电镀液中通电，进行金的电镀，到达需要的厚度之后，去胶，然后用ibe刻蚀机整片刻蚀掉一层40～1000纳米厚度的金属层，形成金互连线5。

d、用pecvd在上述已做了结构的一面整片沉积氮化硅，形成保护层6。

e、结合掩膜版（mask3），用光刻胶作为掩膜，曝光、显影后使用rie离子刻蚀进行氮化硅的刻蚀，去胶后在金互连线端点处形成引线区7。

f、在上述已做了结构的一面整片涂覆光敏性的bcb键合胶，然后结合掩膜版（mask4）曝光、显影，形成图形化了的bcb键合胶8。

g、玻璃盖板9与器件通过bcb键合胶8键合在一起，并进行bcb胶的固化。

h、划片完成后去掉第一基板硅片，器件完成。

由以上工艺步骤制作出本发明涉及的基于柔性材料的mems加速度传感器。结合图1的整体结构示意图对本发明的原理进行说明。

加热电阻通过外部电路的控制来对密闭空腔内的空气进行加热，传感电阻的作用是检测加热电阻两边的温度场的变化，在没有加速度的情况下，温度场恒定，腔内空气进行自然对流换热，对称放置在加热电阻两边的传感电阻感知到的温度场是相同的，相应的电阻值也相等，再通过连接外部电路，两边输出的电压值相同，外部检测电路的差分放大器输出为0；当对传感器施加一个如图1所示某一敏感方向的加速度时，温度场的平衡状态被打破，温度场的改变将使放置于加热电阻两边的传感电阻的电阻值大小发生改变，这样通过外接检测电路就可测量出一个差分信号，进而测出加速度。由于材料的温度敏感性很强，本发明涉及的基于柔性材料的mems热对流加速度传感器精度高，性能好。同时本发明涉及的基于柔性材料的mems加速度传感器所设计的结构合理，所选材料性能好，因此制作出的传感器可靠性好，强度高，且制作工艺简单，成品率高，可满足大批量生产。