专利名称：柔性硅应变计的制作方法
技术领域：
本发明要求享有于1998年7月28日申请的美国专利申请No.60/094,358以及于1998年10月22日申请的美国专利申请No.60/105,250的优先权。
当试图在一个柔性基体(诸如聚酰胺)上形成一个单晶半导体材料或者多晶材料时会遇到许多困难。众所周知，可利用辉光放电分解法使非晶硅粘结到柔性基体上，但是这种方法不能用于其它形式的硅。相反，单晶硅或多晶规必须利用不同的方法(诸如晶体外延生长方法)进行沉积或生长。但是晶体外延生长需要大约950摄氏度的温度，而一种聚酰胺基体大约在550至580摄氏度下分解。多晶硅沉积也需要在500摄氏度以上的温度。这样，晶体外延生长不能用于聚酰胺基体。另外，晶体外延生长仅能够使硅沉积在已经存在的单晶硅层上，因此这种方法不能用于在一个柔性基体上沉积单晶硅或多晶硅。
本发明还涉及一种制作传感器的方法，特别涉及一种制作柔性应变计的方法。当制作一种具有背衬的传感器时，传感器或者感应元件通常取向于所述基体或背衬上，然后将传感器固定在所述基体上。这种方法需要精度高的仪器或者受过训练的个人以将所述感应元件放在所需位置和取向上。这种感应元件是很难操作的，这是由于它是很脆的并且尺寸小。因此，人们需要这样一种形成传感器的方法，其中能够大大减少或者避免不得不操作、定位或粘结感应元件的步骤。
本发明还涉及一种制作安装在柔性基体上的传感器或感应元件的方法。在本发明所涉及的方法中，所述感应元件形成在一个薄基片上，接着使所述柔性基体形成在所述感应元件的周围。在所述柔性基体硬化后，将所述薄基片蚀刻至一个精确的深度以去除多余的硅基体和露出所述感应元件。最好利用干蚀刻技术进行蚀刻，这是因为湿蚀刻技术可能会损坏所述薄基片上未蚀刻一侧上的感应元件。另外，活性离子蚀刻(RIE)以及更好的深层活性离子蚀刻(DRIE)是可供选择的干蚀刻技术，这是因为这种技术能够提供高的蚀刻速度，并且对蚀刻停止材料(etch stop material)的选择面更宽。
由于所述感应元件直接形成在所述薄基片上，因此所述感应元件能够锚固在所需位置中。接着可使所述基体形成在所述感应元件的周围。这样，还无需直接操作和定位所述感应元件。在一个优选实施例中，本发明涉及一种用于形成一种柔性应变计的方法，该方法包括选择薄基片的步骤，所述薄基片具有一部分基底材料和一部分位于所述基底材料上的单晶半导体材料或者多晶半导体材料。所述方法还包括利用所述半导体材料蚀刻一个应变感应元件以及在所述感应元件上形成一个柔性基体的步骤。
从下面参照附图的描述中和权利要求中能够明显地得到本发明的其它特征和优点，其中附图构成了说明书的一部分。
图1是本发明所涉及应变计的一个实施例的顶视图；图2是本发明所涉及应变计的另一个实施例的顶视图；图3是图2中所示应变计的一个侧视截面图4-12是表示用于形成图2中所示应变计的优选方法中各个步骤的侧视截面图；图13是表示图12中接合在目标材料上的应变计的一个侧视截面图；图14是一个应变计阵列的顶视图；图15是与处理芯片相连的应变计阵列的顶视图；图16-27是表示一个用于形成本发明应变计另一个实施例的方法的各个步骤的侧视截面图。
优选实施例详述如图1中所示，本发明涉及一种应变计10，所述应变计10具有一个应变感应元件12。所述应变感应元件12可由任何一种适合的半导体材料制成，诸如单晶硅、掺杂单晶硅、锗、非晶硅、多晶硅以及类似材料。但是，对于应变感应元件12来说，单晶半导体材料是优选的。所述应变感应元件12包括一个第一端14和一个第二端16，所述应变感应元件12最好比较薄以使其能够变形。所述第一端14与一个第一电导线18相连，所述第一电导线18将第一端14与第一金属输出垫片20连接在一起。同样，利用第二导线22使第二端16与第二输出垫片22电连接。在一个优选实施例中，每一个输出垫片20,24分别与相关的导线18,22一体形成。所述输出垫片20,24和导线18,22可由任何一种导电材料制成，最好是铝、镍或铜。
图2中示出了应变计10的另一个实施例，所述应变计10同样包括感应元件12、导线18,22、输出垫片20,24以及基体26。所述输出垫片20,24位于感应元件12的相对两侧。在图1和图2中，感应元件12、导线18,22、输出垫片20,24设置在一个柔性基体26(诸如聚酰胺)上。所述基体26的顶部带有一个氧化物层28，所述氧化物层28位于感应元件12、导线18,22以及基体26的顶部。在一个优选实施例中，输出垫片20,24向上贯穿所述氧化物层28，并且导线18,22和感应元件12“埋”在所述氧化物层28的下方。图3示出的氧化物层28位于感应元件12、导线18,22以及基体26的顶部。
图4至图12示出了本发明所涉及的一种制作所述应变计10的优选方法。但是，应该理解的是，也可利用其它方法制作本发明所涉及的应变计。另外，下面所述方法可用于制作多种类型的传感器，并不仅限于制作下面所述这种特定类型的应变计。例如，可利用该方法制作的传感器包括热流传感器、压力传感器、加速计、温度传感器、速度传感器、气敏传感器以及流量传感器(并不仅限于这些)。
该方法从一个薄基片30开始，所述薄基片30包括基底材料32、氧化物层34以及位于所述氧化物34顶部的掺杂硅层36。所述基底材料32最好是单晶硅或多晶硅，所述氧化物34最好是二氧化硅。所述基底材料32具有足够厚度以便为薄基片30提供足够的强度和硬度，从而有助于处理薄基片30。如果需要一种柔性的传感器，所述掺杂硅层36的厚度应小于20微米，在5微米至20微米之间较好，在7微米至10微米之间更好。当然，根据其用途，如果需要的话，该厚度也可小于5微米。在该优选实施例中，所述硅层36将被制成一个应变感应元件，因此所述硅层36应被掺杂到所需表面电阻，根据应变计所需电阻，所述表面电阻通常在每平方10欧姆至每平方1000欧姆及更高的范围之间。利用这些表面电阻将得到一个电阻在100欧姆至10000欧姆之间的感应元件，所述电阻值取决于感应元件的形状和厚度。所述硅层36可是p型硅、n型硅或者本征硅。
应该理解的是，可利用任何可形成传感器的材料代替所述掺杂硅层36。还可将所述硅层36制成一种除应变计以外的传感器。例如，如果需要制成一种气敏传感器，那么可对所述硅层36进行蚀刻以形成一个梳齿电容器(comb-finger capacitor)。另外，当制作一种应变计时，可利用其它适合的材料(诸如锗或非晶硅)代替所述硅层36，以形成具有由这种材料制成的应变感应元件的应变计。
当选择所述薄基片30后，将一个掩模38放在所述掺杂硅层36的顶部。接着，利用标准的光蚀刻方法形成所述应变感应元件12，所述标准的光蚀刻方法能够去除所述硅层36上不需要的部分，并在硅层36中留下作为所述应变感应元件12的所需部分(见图5)。如果需要制作除应变计以外的传感器或感应元件，那么所形成的将不是应变感应元件12。所述传感器的制作过程除了包括这里所特别描述的步骤以外，还可包括对硅层36进行处理的多个步骤。另外，可利用多层材料代替单层36。所述传感器的制作过程还可包括添加其它材料和/或附加的干或湿蚀刻步骤。
回到所述实施例，图5示出了在已经形成所述应变感应元件12后的薄基片30。接着，如图6中所示，将一个掩模图案31放在所述感应元件12和氧化物层34的顶部。一对窗口44形成在所述应变感应元件12的两侧。所述窗口44开在所述掩模图案31中以露出部分氧化物层34。另一对窗口46位于所述应变感应元件12的第一端14和第二端16上，所述窗口46使所述端部14,16露出。在下一个步骤中，通过窗口44蚀刻氧化物层34。将氧化物层34厚度的一部分蚀刻成凹口48(图7)。接着，使所述感应元件12的第一端14和第二端16受到一种掺杂(诸如扩散或植入的方式)处理，以使所述感应元件12的端部14,16得到进一步掺杂。感应元件12中受到进一步掺杂的区域在附图中由不同的阴影表示。对应变感应元件12进行这种进一步的掺杂能够提高所述感应元件12和导线18,22之间的导电性，但是这对本发明并不是必要的。如果应变感应元件12所用的是n型硅，那么可能需要这种进一步掺杂的步骤。
下面，如图8中所示，将一个金属层50沉积在氧化物层34和感应元件12的顶部，并且所述金属层50充填在所述凹口48中。金属50最后将形成所述导线18,22和输出垫片20,24。所述金属最好是铝，并且被喷镀到所述薄基片30上。但是，可采用其它任何近似的或适合的方法形成导线和连接垫片。如图9所示，然后将一个掩模52放在所述金属层50的顶部，以保护所述金属层50在下面处理步骤中不被去除的那些部分。
作为下面的步骤，利用蚀刻方式去除所述金属层50中没有被掩模52覆盖的区域，留下所述输出垫片20,24和导线18,22(图10)。最后，所述柔性基体26旋涂在氧化物层34、垫片20,24、导线18,22和感应元件12上(图11)。所述柔性基体26最好是聚酰胺。当所述聚酰胺硬化后，去除所述基底材料32，并且将所述氧化物层34蚀刻到足够的厚度直至露出垫片20,24(图12)。最好利用深层活性离子蚀刻方式(DRIE)去除所述基底材料32，最好对所述氧化物层34进行干蚀刻，露出用作触点的输出垫片。可利用电镀的方式增加所述输出垫片上的金属厚度。在制作完成后，可利用应变计粘结剂将所述应变计安装到一个试样56上，并且所述输出垫片20,24提供一个表面，金属线58,60可粘结或焊接在所述表面上(图13)。输出金属线58,60将所述应变计10连接到能够计算由应变计10所测应变或者对输出信号进行进一步处理的一个或多个电子元件上。或者，可将所述输出金属线58,60直接连接到所述应变感应元件12的端部14,16上，所述导线18,22和输出垫片20,24可不形成在所述应变计10上。所述输出垫片仅提供一个表面，以使所述输出金属线58,60和所述应变感应元件12的端部14,16之间的电连接更方便。
可以看出，利用本发明方法首先使所述感应元件12形成在薄基片30上。在形成所述垫片20,24和导线18,22后，使所述基体26形成在所述应变计10的各个部件周围。最后，最好利用蚀刻的方式去除所述薄基片30的多余部分，把传感器或应变计留在基体26上。这样，所述应变感应元件12无需设置和/或定位在所述基体26上，而是使基体26形成在所述应变感应元件12的周围。这能够使应变计的制作变得更容易、快速和一致。
尽管已经对本发明所涉及的制作应变计的这种优选方法进行了描述，但是也可利用其它方法制造本发明的柔性传感器。例如，可将一个半导体应变感应元件直接放在基体上，而不是在所述应变感应元件周围形成基体。接着，可使所述应变感应元件的端部与一对输出垫片相连或者直接与所述输出线相连。
可利用批量生产的方式在薄基片上制作本发明的应变计，其中多个应变计形成在一片柔性材料上。在制作所述应变计后，可将其中一个应变计从周围其它应变计中取下以便使用。另外，多个应变计可形成在一个基片或基体上，并且其中一些或所有的应变计可以与一个输出区域或公共部件电连接。例如，图14中示出了一个应变计阵列66。其中所示的应变计阵列66包括多个应变计10。每一个独立的应变计10的导线18,22可被引出至一单独位置68处。这样，所有导线18,22的端部都集中在一个公共位置68处以便与输出金属线连接。在图15中所示的应变计阵列66′的另一个实施例中，导线18,22都连接到在基体上的一个电子元件70(诸如一个数据采集IC)上。所述元件70可接纳所述导线18,22，并且对每一个独立应变计10的导线18,22所提供的信号进行处理。例如，所述电子元件70可提供放大、桥路连接(bridgecompletion)、界面电子器件、A/D转换、多路传输、存储和/或遥测功能。所述电子元件70具有多个端子以将输入数据/输出数据(I/O)或电能提供给所述电子元件。由于所述电子元件70位于所述基体上，因此所述应变计阵列66′能够执行处理步骤，从而可使这种应变计阵列比目前的应变计阵列具有更强大的功能和更好的适应性。另外，由于所述电子元件70的位置靠近所述传感器10，因此传感器输出信号在被处理之前走过的路程很小。这样能够减小信号强度的损失并且使受到干扰的程度最小化。
所述传感器阵列66,66′可以是特制的以用于一个已知的试样上。例如，所述柔性基体的尺寸被设计成使所述柔性基片能够安装在所述试样表面周围。并且所述应变计可以是这样制作的，即当所述基体安装在所述试样上时，可以使所述应变计处在与所述试样上特别需要测定区域相应的所需精确位置处。这样，当所述柔性基体安装在所述试样上时，所述应变计能够测定试样所能够承受的临界应变值。另外，各种应变计、其它传感器和/或电子元件的导线可都连接到一个便于接合的单一位置处，或者与在所述柔性基体上的数据采集、存储和/或遥测电路相连。
图16至图27示出了另一种制作传感器的方法，其中所述传感器上具有整体集成在其上的微电子电路。尽管仅示出了一个单个微电子元件和一个单个传感器，但是在最终产品中可结合有多个这样的元件和传感器。在图16至图27中所示并且将在下面描述的方法基本上与上面结合图4至图12所述的方法是相同的，主要的差别在于，在最终产品中加入了微电子电路。如图16所示，所述方法是从具有一个硅层35的一个薄基片30开始的。所述薄基片30包括一个氧化物层34和基底材料32。接着，如图17所示，利用常规方法使微电子电路74形成在所述薄基片30中。或者，可从厂家购买一个其中已经带有微电子电路74的薄基片30。最好利用下列任何一种技术制作所述微电子电路74，这些技术包括互补金属氧化物半导体(CMOS)技术、其它金属氧化物半导体技术(例如DMOS,UMOS,VMOS,LDMOS以及类似工艺)、双极型工艺、诸如BICMOS之类的混合工艺或者其它技术。所述微电子电路74通常对来自传感器的输出信号进行处理或调整，和/或根据终端用户系统的要求执行其它功能。
如图18中所示，接着利用一个掩模76保护所述微电子电路74，并且对露出的硅层35进行掺杂。或者也可省略图18中所示步骤，可在所述电路74形成在硅层35中之前对硅层35进行掺杂。然后，将一个掩模78放在所述电路74和部分硅层35上(图19)。接着有选择地去除露出的硅层35，留下如图20中所示的感应元件12。然后将一个掩模80放在所述电路74、感应元件12和部分氧化物层34上(图21)。接着利用所述氧化物层34的露出部分将所述氧化物层34的一部分厚度蚀刻成凹口48(图22)。
然后使一个金属或其它导电材料层82沉积在整个组件上(图23)，并且将另一个掩模84放在所述金属层82上(图24)。去除所述金属层82的露出部分，留下所述垫片86,88以及导线90,92,94(图25)。或者利用本领域普通技术人员所知的一种“升离”(“lift-off”)技术刻划所述金属层82。最后，所述柔性层被旋涂在整个组件上(图26)并且去除所述基底材料32，形成了如图27中所示的结构。所形成的组件96是安装在柔性基体上的一个应变计和微电子电路。所述组件可安装到不平的部件上，并且所述微电子电路74为所述组件96提供处理功能。当然，也可利用上述方法制作除了应变计以外的其它传感器。
上面已经对本发明的优选形式进行了描述。但是，对于本领域普通技术人员来说显然可利用本发明所披露的内容对上述优选实施例进行明显的改进以达到类似的特征和优点。
权利要求
1．一种柔性应变计，其特征在于，该应变计包括半导体应变感应元件，该元件具有单晶或多晶结构；以及用于支承所述应变感应元件的基本上为柔性的基体。
2．如权利要求1所述的应变计，其特征在于，所述应变感应元件基本上是柔性的。
3．如权利要求1所述的应变计，其特征在于，所述应变感应元件的厚度小于15微米。
4．如权利要求1所述的应变计，其特征在于，所述应变感应元件是由硅制成的。
5．如权利要求1所述的应变计，其特征在于，所述应变感应元件是由掺杂硅制成的。
6．如权利要求1所述的应变计，其特征在于，所述应变感应元件的电阻在100欧姆至10000欧姆之间。
7．如权利要求1所述的应变计，其特征在于，所述应变感应元件的表面电阻在每平方10欧姆至每平方1000欧姆的范围之间。
8．如权利要求1所述的应变计，其特征在于，所述基体是由聚合物制成的。
9．如权利要求1所述的应变计，其特征在于，所述基体是由聚酰胺制成的。
10．如权利要求1所述的应变计，其特征在于，所述应变计还包括一个第一输出垫片，该垫片与所述应变感应元件的一个第一端部电连接。
11．如权利要求10所述的应变计，其特征在于，所述第一输出垫片位于所述基体上。
12．如权利要求11所述的应变计，其特征在于，所述应变计还包括一个第二输出垫片，该垫片与所述应变感应元件的一个第二端部电连接。
13．如权利要求12所述的应变计，其特征在于，所述应变计还包括第一导线和第二导线，所述第一导线将所述第一输出垫片电连接到所述应变感应元件上，所述第二导线将所述第二输出垫片电连接到所述应变感应元件上。
14．如权利要求13所述的应变计，其特征在于，所述应变计还包括一个覆盖所述导线、基体和应变感应元件的氧化物层。
15．如权利要求14所述的应变计，其特征在于，所述垫片和所述导线是铝制的。
16．如权利要求1所述的应变计，其特征在于，所述应变计还包括一个电子元件，该元件与所述应变感应元件电连接，所述电子元件设置在所述基体上。
17．一种在基体上形成传感器的方法，所述方法包括下列步骤选择一个薄基片，所述薄基片具有一部分基底材料和一部分传感器材料；利用所述传感器材料形成所述传感器；以及在所述传感器上形成所述基体。
18．如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述基体基本上是柔性的。
19．如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述柔性基体是由聚酰胺制成的，并且所述基本上柔性的基体被旋涂在所述薄基片上。
20．如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述传感器基本上是柔性的。
21．如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在形成所述基体后去除所述基底材料的步骤。
22．如权利要求21所述的方法，其特征在于，所述去除基底材料的步骤包括利用深层活性离子蚀刻去除所述基底材料。
23．如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述传感器材料是半导体材料。
24．如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述传感器材料是单晶半导体。
25．如权利要求17所述的方法，其特征在于，形成所述传感器的步骤包括对所述传感器材料进行蚀刻。
26．如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述传感器是一种应变感应元件。
27．如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述薄基片包括位于所述基底材料和所述传感器材料之间的氧化物层。
28．如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在所述薄基片中制作微电子电路以及使所述电子部件与所述传感器电连接的步骤。
29．如权利要求28所述的方法，其特征在于，所述电连接的步骤包括使金属沉积在所述薄基片上，以利用所述沉积的金属将所述电子部件与所述传感器电连接在一起。
30．一种形成柔性应变计的方法，所述方法包括下列步骤选择一个薄基片，所述薄基片具有一部分基底材料和一部分位于所述基底材料上的单晶半导体材料或者多晶半导体材料；将所述半导体材料蚀刻成应变感应元件；以及在所述感应元件上形成柔性基体。
31．如权利要求30所述的方法，其特征在于，所述应变感应元件是由硅制成的。
32．如权利要求30所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在所述形成步骤后蚀刻去除所述基底材料的步骤。
33．如权利要求32所述的方法，其特征在于，利用深层活性离子蚀刻方法蚀刻去除所述基底材料。
34．如权利要求32所述的方法，其特征在于，所述薄基片包括位于所述基底材料和所述半导体材料之间的氧化物层，所述方法还包括去除所述氧化物层直至露出所述应变感应元件的步骤。
35．如权利要求30所述的方法，其特征在于，所述薄基片包括位于所述基底材料和所述半导体材料之间的氧化物层。
36．如权利要求30所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在完成所述蚀刻步骤后使一个第一输出垫片与所述感应元件电连接的步骤。
37．如权利要求36所述的方法，其特征在于，所述方法还包括对所述应变感应元件的一部分进行掺杂的步骤，所述输出垫片在所述掺杂部分处与所述感应元件相连。
38．如权利要求36所述的方法，其特征在于，所述输出垫片是利用金属喷镀的方法形成的，所述输出垫片通过金属导线与所述感应元件相连。
39．如权利要求36所述的方法，其特征在于，所述薄基片包括位于所述基底材料和所述半导体材料之间的氧化物层，所述方法还包括在形成所述输出垫片之前对所述氧化物层的一部分进行局部蚀刻的步骤，所述输出垫片形成在所述氧化物层的所述局部蚀刻的部分中。
40．如权利要求30所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在所述薄基片中制作微电子电路，以及使所述微电子电路与所述应变感应元件电连接的步骤。
41．一种形成柔性应变计的方法，所述方法包括下列步骤选择一个柔性基体；以及将一个柔性半导体应变感应元件安装到所述基体上，所述应变感应元件具有单晶或多晶结构。
42．如权利要求41所述的方法，其特征在于，所述方法还包括使一个第一输出垫片与所述应变感应元件电连接的步骤。
43．一种形成传感器阵列的方法，所述方法包括下列步骤选择一个薄基片，所述薄基片具有一部分基底材料和一部分传感器材料；利用所述传感器材料形成多个传感器；以及在所述多个传感器上形成所述基体。
44．如权利要求43所述的方法，其特征在于，所述每个传感器都具有一输出导线，所述输出导线终止于一个公共区域。
45．如权利要求43所述的方法，其特征在于，所述每个传感器都具有一输出导线，所述输出导线都与设置在所述基体上的一个电子元件相连。
46．如权利要求43所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在形成所述传感器之前在所述薄基片中制作微电子电路，以及使所述电子元件与至少一个所述传感器电连接的步骤。
47．一种与试样结合使用的柔性传感器阵列，其特征在于，所述传感器阵列包括安装在柔性基体上的多个传感器，所述基体的形状被设计成能配合在所述试样周围，以使所述传感器位于所述试样上的所需位置处。
48．如权利要求47所述的柔性传感器阵列，其特征在于，所述传感器是应变计。
49．如权利要求48所述的柔性传感器阵列，其特征在于，至少一个所述应变计具有一个单晶硅感应元件。
50．如权利要求47所述的柔性传感器阵列，其特征在于，所述基体是由聚酰胺制成的。
51．如权利要求47所述的柔性传感器阵列，其特征在于，每个传感器提供一个输出信号，所述传感器阵列还包括在所述基体上的用于接收所述输出信号的电子元件。
全文摘要
本发明涉及一种柔性应变计,所述柔性应变计包括一个应变感应元件以及一个用于支承所述应变感应元件的柔性基体。所述应变感应元件是由一种单晶或多晶半导体材料制成的。本发明还涉及一种用于形成一种柔性应变计的方法,所述方法包括选择一个薄基片的步骤,所述薄基片具有一部分基底材料和一部分位于所述基底材料上的单晶半导体材料或者多晶半导体材料。所述方法还包括利用所述半导体材料蚀刻一个应变感应元件以及在所述感应元件上形成一个柔性基体的步骤。
文档编号G01L1/22GK1313949SQ99809936
公开日2001年9月19日 申请日期1999年7月27日 优先权日1998年7月28日
发明者布拉德利·J·博格斯, 马库斯·S·贾斯特, 克里斯托弗·A·班, 凯文·C·斯塔克 申请人:罗斯蒙特航空航天公司