专利名称：基于转印技术的微纳薄膜压力传感器及其制备方法
技术领域：
本发明属于传感器领域，具体涉及一种基于转印技术制作的微纳薄膜压力传感器及其制备方法。
背景技术：
目前，以各种硅基材料为敏感材料的压力传感器成为主流，数量占据了各种压力传感器的大部分。由于材料的相容性等原因，该种传感器多以单晶硅为衬底，其优点是廉价、工艺成熟、特别适于大批量生产，并且具有常温下性能良好、和后续电路兼容极易制作集成化传感器或传感系统等优势。但这类压力传感器的单晶硅衬底因抗冲击性、元件间的隔离性等原因在高温、辐射、高振动、冲击等恶劣环境的应用受到限制。因此薄膜压力传感器也得到了发展，成为压力传感器的一个重要分支，比如溅射薄膜压力传感器现已得到广泛应用。但由于其工艺复杂、对工艺环境要求高、与后续电路的相容性差，而且无论如何也不能突破金属材料灵敏度低的缺点，也使薄膜压力传感器的应用受到限制。
发明内容
针对以上提出的现有技术的不足，提出本发明。本发明的一个目的在于提供一种基于转印技术的微电子机械系统(MEMS)微纳薄膜压力传感器。本发明的一种基于转印技术制作的MEMS微纳薄膜压力传感器包括传感组件、转接环、管座、管帽、内引线、紧固件、密封圈、输出电缆以及引压口 ；传感组件包括器件衬底以及倒扣在其上表面上的单个芯片。单个芯片进一步包括压敏电阻；形成在压敏电阻的两端的金属电极；以及涂覆在压敏电阻及金属电极的晶圆上的转印介质。本发明的另一个目的是提供一种微纳薄膜压力传感器的制备方法。本发明的微纳薄膜压力传感器的制备方法步骤如下1)在牺牲衬底上生长一层绝缘层；2)在该绝缘层上通过外延方法生长一层压敏电阻层，然后采用光刻工艺按设计图形形成压敏电阻；3)采用金属化工艺按设计图制作金属电极；4)在制备好的压敏电阻及金属电极的晶圆上涂敷转印介质，烘干后进行切割形成带有牺牲衬底的单个芯片；5)提供器件衬底，将单个芯片倒扣在器件衬底的上表面上，对准器件衬底的上表面采用加温及加压使两者牢固的键合在一起，然后采用腐蚀方法去除单个芯片上的牺牲衬底及绝缘层，形成传感组件；6)提供转接环，在传感组件上粘贴转接环，固化后将其安装在管座的安装槽内再用储能焊接机将器件衬底的下表面与管座牢固的焊接在一起；7)采用压焊工艺用内引线将金属电极与转接环实现电气联接，再将输出电缆焊接在转接环上；8)输出电缆穿过管帽，再将管帽与管座对准进行焊接；9)在输出电缆上套入密封圈及紧固件，旋紧紧固件使密封圈对管帽密封，完成传感器的制作。本发明的优点本发明提供的基于转印技术制作的MEMS微纳薄膜压力传感器，它将具有单晶硅敏感材料的高灵敏度和耐高温、抗强振动、大冲击的金属衬底采用转印技术结合起来，弥补了二者的缺点、发扬了二者的优点；由于在器件衬底上增加了转印介质，从而减少了蠕变并增强了隔离特性，该发明中所使用的转印介质的性能及形状保证能良好地传递应力而不引起规定误差外的损耗，更由于该种转印技术与常规微电子技术相容，因而仍能像硅基压力传感器一样大批量生产并保持廉价及高可靠性能，同时也具有薄膜材料可以制作于不同衬底上达到小型化、抗恶劣环境的目的。
图1是本发明的基于转印技术的微纳薄膜压力传感器的剖面图；图2是本发明的基于转印技术的微纳薄膜压力传感器的传感组件的剖面图；图3是本发明的基于转印技术的微纳薄膜压力传感器的单个芯片的剖面图。
具体实施例方式下面结合附图详细说明本发明的传感器。如图1所示本发明的基于转印技术的微纳薄膜压力传感器包括传感组件1、转接环2、管座3、管帽4、内引线5、紧固件6、密封圈7、输出电缆8以及引压口 9。其中传感组件 1包括器件衬底16以及倒扣在其上表面上的单个芯片。如图2所示，单个芯片进一步包括压敏电阻14，形成在压敏电阻14的两端的金属电极13，以及涂覆在压敏电阻14及金属电极13的晶圆上的转印介质15。其中，压敏电阻14为单电阻、二个电阻构成惠斯通电桥的半桥以及四个电阻构成惠斯通电桥的全桥中的一种，转印介质15可以是苯并环丁烯BCD(benzo-CyClo-butene)或光刻胶SU-8，器件衬底16作为弹性膜片为金属衬底或其他材料，内引线5为金丝或硅铝丝。本发明的基于转印技术的微纳薄膜压力传感器的制备方法如下1)如图3所示，在牺牲衬底11上生长一层绝缘层12，牺牲衬底11的材料可以是单晶硅、多晶硅或其他材料，绝缘层12的材料为二氧化硅作或其他绝缘材料；2)在该绝缘层12上通过外延方法生长一层IOOnm IOOOnm厚的压敏电阻层，然后采用光刻工艺按设计图形形成压敏电阻14，压敏电阻层的材料可以是单晶硅或其他敏感材料，压敏电阻14为单电阻、二个电阻构成惠斯通电桥的半桥以及四个电阻构成惠斯通电桥的全桥中的一种；3)采用金属化工艺按设计图制作金属电极13 ；4)在制备好的压敏电阻及金属电极的晶圆上涂敷转印介质15，烘干后进行切割形成带有牺牲衬底的单个芯片，如图3所示，转印介质15可以是苯并环丁烯 BCD(benzo-cyclo-butene)或光刻胶 SU-8，厚度为 3 μ m 6 μ m，如图 3 所示；
5)提供器件衬底16，将单个芯片倒扣在器件衬底的上表面上，对准器件衬底的上表面采用加温及加压使两者牢固的键合在一起，然后采用腐蚀方法去除单个芯片上的牺牲衬底11及绝缘层12，形成传感组件1 ；6)提供转接环，在传感组件1上粘贴转接环2，固化后将其安装在管座3的安装槽内再用储能焊接机将器件衬底的下表面与管座3牢固的焊接在一起；7)采用压焊工艺用内引线5将金属电极13与转接环2实现电气联接，再将输出电缆8焊接在转接环2上，内引线5为金丝或硅铝丝；8)输出电缆8穿过管帽4，再将管帽4与管座3对准进行焊接；9)在输出电缆8上套入密封圈7及紧固件6，旋紧紧固件6使密封圈7对管帽4 密封，完成传感器的制作。该传感器可以后续信号调理电路，该电路可以安装在转接环上，将该传感器的输出转化成0 5VDC、1 5VDC以及4 20mADC中的一种标准信号输出。测量的实现本发明的基于转印技术制作的MEMS微纳薄膜压力传感器是这样实现测量的被测压力由引压口 9引入，作用于器件衬底16，本发明以金属衬底为例，但不仅仅限于金属衬底，该器件衬底16作为弹性膜片受力后发生形变，使得粘接在其上的由转印技术制作的压敏电阻内产生应力；该应力引起压敏电阻的阻值的改变，通过外加电压而产生一个与被测压力成正比的电信号输出；该电信号输出经由内引线5转接以百毫伏级信号由输出电缆8输出，也可以进一步经信号调理电路处理变成标准信号后由输出电缆输出。压敏电阻的阻值与应力δ的大小与被侧压力P有如下的关系
权利要求
1.一种微纳薄膜压力传感器，所述传感器包括传感组件(1)、转接环(2)、管座(3)、管帽(4)、内引线(5)、紧固件(6)、密封圈(7)、输出电缆(8)以及引压口(9)，所述传感组件 (1)包括器件衬底(16)以及倒扣在其上表面上的单个芯片，其特征在于，所述单个芯片进一步包括压敏电阻(14)；形成在压敏电阻(14)的两端的金属电极(13)；以及涂覆在所述压敏电阻(14)及金属电极(13)的晶圆上的转印介质(15)。
2.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述压敏电阻(14)为单电阻、二个电阻构成惠斯通电桥的半桥或四个电阻构成惠斯通电桥的全桥中的一种。
3.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述转印介质(15)为苯并环丁烯BCD或光刻胶SU-8。
4.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述器件衬底(16)作为弹性膜片为金属衬底或其他材料。
5.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述在所述传感器上连接后续信号调理电路，所述电路安装在所述转接环上，将所述传感器的输出转化成0 5VDC、1 5VDC以及 4 20mADC中的一种标准信号输出。
6.一种微纳薄膜压力传感器的制备方法，其特征在于，具体步骤如下1)在牺牲衬底上生长一层绝缘层，所述牺牲衬底的材料为单晶硅、多晶硅或其他材料， 所述绝缘层的材料为二氧化硅作或其他绝缘材料；2)在所述绝缘层上通过外延方法生长一层压敏电阻层，然后采用光刻工艺按设计图形形成压敏电阻；3)采用金属化工艺按设计图制作金属电极；4)在制备好的所述压敏电阻及所述金属电极的晶圆上涂敷转印介质，烘干后进行切割形成带有牺牲衬底的单个芯片；5)提供器件衬底，将所述单个芯片倒扣在所述器件衬底的上表面上，对准所述器件衬底的上表面采用加温及加压使两者牢固的键合在一起，然后采用腐蚀方法去除所述单个芯片上的牺牲衬底及绝缘层，形成传感组件；6)提供转接环，在所述传感组件上粘贴转接环，固化后将其安装在管座的安装槽内，再用储能焊接机将器件衬底的下表面与管座牢固的焊接在一起；7)采用压焊工艺用内引线将所述金属电极与所述转接环实现电气联接，再将输出电缆焊接在所述转接环上；8)输出电缆穿过管帽，再将所述管帽与所述管座对准进行焊接；9)在所述输出电缆上套入密封圈及紧固件，旋紧紧固件使所述密封圈对所述管帽密封，完成传感器的制作。
7.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，在步骤2)中，所述压敏电阻层的厚度为IOOnm lOOOnm，所述压敏电阻为单电阻、二个电阻构成惠斯通电桥的半桥以及四个电阻构成惠斯通电桥的全桥中的一种。
8.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，在步骤4)中，所述转印介质为苯并环丁烯BCD或光刻胶SU-8，厚度为3 μ m 6 μ m。
9.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，在步骤5)中，所述器件衬底作为弹性膜片为金属衬底或其他材料。
10.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，在步骤7)中，所述内引线为金丝或硅铝丝。
全文摘要
本发明公开了一种基于转印技术制作的微纳薄膜压力传感器及其制备方法。该传感器包括传感组件、转接环、管座、管帽、内引线、紧固件、密封圈、输出电缆以及引压口；其中传感组件包括器件衬底、金属电极、压敏电阻和转印介质。本发明的传感器由于在器件衬底上增加了转印介质，从而减少了蠕变并增强了隔离特性，该发明中所使用的转印介质的性能及形状保证能良好地传递应力而不引起规定误差外的损耗，更由于该种转印技术与常规微电子技术相容，因而仍能像硅基压力传感器一样大批量生产并保持廉价及高可靠性能，同时也具有薄膜材料可以制作于不同衬底上达到小型化、抗恶劣环境的目的。
文档编号G01L9/04GK102494832SQ201110380360
公开日2012年6月13日 申请日期2011年11月25日 优先权日2011年11月25日
发明者李策, 杨邦朝, 陈信琦 申请人:李策, 杨邦朝, 陈信琦