一种基于mems硅-玻璃工艺的七电极电导率传感器的制造方法
【技术领域】
[0001 ]本发明涉及一种基于MEMS硅-玻璃工艺的七电极电导率传感器的制造方法，涉及微电子机械系统制造、海洋测量应用场合，特别适用于高精度、大批量、低成本、小体积的电导率传感器的制造。
【背景技术】
[0002]目前，海洋观测一直受到广泛的关注，海水电导率是海洋水体最基本的物理要素，海洋中的各种现象、过程，海洋生物的生存与繁殖，以及人类的海上活动，包括海上军事活动，几乎都与海水电导率的时空分布直接或间接相关。
[0003]现场测量海水电导率的传感器主要分为电极式和感应式，其中电极式电导率传感器后续处理电路简单、测量精度高、使用方便，广泛用于海水的电导率测量中。电极式电导率传感器一般采用多电极结构，其中，七电极电导率传感器与常用的两电极、三电极、四电极电导率传感器相比，精度更高，性能更好。现有技术中，对七电极电导率传感器的制造采用传统的机械加工，加工精度低、加工难度大、加工成本高、不适合大批量制造。而采用MEMS技术制造电导率传感器，能够实现高精度、低成本、大批量的加工，MEMS制造出的传感器还具有体积小、功耗低、易于与电子电路实现交互的特点，适合应用于自动、在线、长期、连续、多平台、网络化的海洋观测。
【发明内容】
[0004]本发明的主要目的在于，克服传统机械加工技术的不足，提供一种基于MEMS硅-玻璃工艺的七电极电导率传感器的制造方法，该制造方法操作简单，可大批量生产，降低生产成本，加工精度高，可靠性高，通用性强。制造的电导率传感器体积小巧，测量精度高，测量速度快，使用方便。
[0005]为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是:
一种基于MEMS硅-玻璃工艺的七电极电导率传感器的制造方法，其特征在于，包括以下步骤:
(1)在N型硅片上淀积光刻胶并进行光刻，使硅片的中间暴露出一个矩形区域作为扩散窗口 ；
(2)以步骤(I)中的光刻胶作为掩膜，从步骤(I)中形成的扩散窗口处向硅片进行P型掺杂，在硅片内部形成半圆柱形的P型扩散层；
(3)采用PN结自停止腐蚀技术，对半圆柱形的P型扩散层进行腐蚀，形成半圆柱型空腔；
(4)对步骤(3)中形成的硅片上端面进行氧化，形成的氧化层与N型硅片组合形成绝缘衬底；
(5)在步骤(4)中形成的半圆柱型空腔上端面沿着半圆柱型空腔的半圆横截面方向平行淀积七个半圆环形的金属电极，每个金属电极的一端都各带有一个金属锚区；七个金属电极都沿着半圆柱型空腔的长度方向排布，电极之间相互平行，位于最外侧的两个电极为接地电极，位于中间的一个电极为电流电极，其余四个电极均为电压电极，每两个相邻的电压电极为一对，以中间的电流电极为中心点，所述一对接地电极和两对电压电极沿空腔长度方向对称设置;所述两个接地电极和所述一个电流电极尺寸相同，所述四个电压电极尺寸相同，其中，所有电极的长度相等，电压电极的宽度小于电流电极和接地电极的宽度；
(6)将玻璃片的基底硅片上刻蚀长方形的凹槽，所刻凹槽的长、宽和步骤(2)中P型扩散层在N型硅片表面的尺寸相同；
(7)使用玻璃片和步骤(6)中得到的刻槽后的基底硅片进行阳极键合，玻璃片和基底硅片的热膨胀系数相同；
(8)使用高温炉加热键合后的器件，高温作用下玻璃熔融，长方形凹槽内的气体被加热产生压力发生膨胀，使玻璃片上形成半圆柱型玻璃盖；
(9)使用选择性腐蚀剂腐蚀掉基底硅片，保留玻璃片结构；
(10)在玻璃片上制造与步骤(5)相同的七个不带锚区的半圆环形的金属电极；
(11)将半圆柱型空腔一侧的玻璃片部分切除，使得玻璃片切除侧的边沿到半圆柱型空腔的距离小于步骤(5)中金属锚区至N型硅片半圆柱型空腔的距离；
(12)将步骤(5)、步骤(10)中的七个金属电极分别对应设置，并对七个金属电极的端面进行金-金键合，形成七个环形金属电极，环形金属电极中形成圆柱型空腔；
(13)从圆柱型空腔侧面填充封装胶，使圆柱型空腔侧壁封闭；沿着圆柱形空腔的横截面的方向对N型硅片和玻璃片进行切除，保留圆柱形空腔和七个环形的金属电极，将N型硅片的两个腐蚀电极切除，同时使圆柱形空腔沿长度方向的两端露出，进行测量时，将电导率传感器浸入海水中，海水可从圆柱形空腔的两端流入空腔内，该圆柱形空腔即为电导率传感器的电导池。
[0006]本发明进一步设置为:所述步骤(I)中，硅片中间暴露出的矩形区域(即扩散窗口)的宽度很窄，大约在5微米左右。
[0007]本发明进一步设置为:所述步骤(2)中，采用扩散工艺，对扩散窗口处进行硼掺杂，由于扩散具有各项同性的特点，同时又因为扩散窗口的宽度很窄，生成的P型扩散层近似为一个半圆柱形。
[0008]本发明进一步设置为:所述步骤(3)中，首先将光刻胶去掉，分别在P型扩散层上端面和N型硅片下端面制作一个腐蚀电极，P型扩散层的腐蚀电极位于P型扩散层上端面、沿半圆柱形P型扩散层长度方向的一端，N型硅片的腐蚀电极位于N型硅片下端面、与P型扩散层的腐蚀电极在垂直方向上对齐;然后整体浸入TMAH溶液中，采用PN结自停止腐蚀技术，在PN结之间施加反向偏压，使N型硅片上施加的正电压高于钝化势，P型扩散层处于开路电势处，从而N型硅片被钝化而不被腐蚀，P型扩散层被腐蚀至与N型硅片交接处，腐蚀终止。
[0009]本发明进一步设置为:所述步骤(4)中，采用氧化工艺对N型硅片上端面进行氧化，生成一层二氧化硅作为绝缘层，二氧化硅层与所述N型硅片的上端面相连，二氧化硅层与N型硅片一起组成绝缘衬底。
[0010]本发明进一步设置为:所述步骤(5)中，采用金属微机械加工工艺制作金属电极，金属材料采用金。
[0011]本发明进一步设置为:所述步骤(6)-(11)中，所述玻璃片采用硅片刻槽、硅-玻璃键合、高温成型、腐蚀硅片的步骤制作成，所述玻璃片上的七个半圆环形的金属电极采用与N型硅片相同的工艺、材料和步骤制造，玻璃片的半圆柱空腔、半圆环金属电极与N型硅片的半圆柱空腔、半圆环金属电极的尺寸和位置都相同，唯一不同的是，玻璃片的金属电极不带金属锚区，而N型硅片的金属电极的一端带有金属锚区。
[0012]本发明进一步设置为:所述步骤(12)中，N型硅片和玻璃片通过金-金键合工艺相连，由于在所述步骤(11)中，对玻璃片上对应于N型硅片金属锚区位置的部分玻璃片结构进行了切除，N型硅片的金属锚区在所述步骤(12)完成后，暴露在外部，方便与外部电路的引线相连。
[0013]与现有技术相比，本发明提供的一种基于MEMS硅-玻璃工艺的七电极电导率传感器的制造方法，具有制造方法简单、操作方便、加工精度高、加工成本低、可大批量生产等诸多优点，同时采用MEMS加工技术制造的电导率传感器，还具有体积小、功耗低、易于与电子电路实现交互的特点，适合应用于自动、在线、长期、连续、多平台、网络化的海洋观测。
[0014]上述内容仅是本发明技术方案的概述，为了更清楚的了解本发明的技术手段，下面结合附图对本发明作进一步的描述。
【附图说明】
[0015]图1为硅片的N型硅片的剖面图；
图2为覆盖光刻胶作为掩膜的硅片剖面图；
图3为覆盖光刻胶作为掩膜的硅片俯视图；
图4为进行P型掺杂后形成P型扩散层的硅片剖面图；
图5为淀积腐蚀电极后的N型硅片剖面图；
图6为淀积腐蚀电极后的N型硅片俯视图；
图7为淀积腐蚀电极后的N型娃片仰视图；
图8为腐蚀P型扩散层后的N型硅片剖面图；
图9为氧化后的N型硅片剖面图；
图10为淀积7个测试电极后的N型硅片剖面图；
图11为淀积7个测试电极后的N型硅片俯视图；
图12为玻璃片的基底硅片的剖面图；
图13为玻璃片的基底硅片刻槽后的剖面图；
图14为玻璃片的基底硅片与玻璃片阳极键合后的剖面图；
图15为玻璃片高温加温后的剖面图；
图16为玻璃片的基底硅片去除后，淀积金属电极并切除右侧结构后的剖面图；
图17为玻璃片b的基底硅片去除后，淀积金属电极并切除右侧结构后的俯视图；
图18为金-金键合后的七电极电导率传感器剖面图。
【具体实施方式】
[0016]下面结合附图对本发明作更进一步的详细说明。
[0017]如图1?14所示为一种基于MEMS硅-玻璃工艺的七电极电导率传感器的制造方法，包括以下步骤: (1)如图1?3所示，在N型硅片1la上淀积光刻胶2a并进行光刻，使N型硅片1la的中间暴露出一个矩形区域作为扩散窗口 3a，扩散窗口 3a的宽度很窄，大约在5微米左右；
(2)如图4所示，以步骤(I)中的光刻胶2a作为掩膜，采用扩散工艺，从步骤(I)中形成的扩散窗口 3a处向N型硅片进行硼掺杂，由于扩散具有各项同性的特点，同时又因为扩散窗口3a的宽度很窄，在N型娃片1la内部形成的P型扩散层4a似为一个半圆柱形；
(3)如图5?8所示，首先将光刻胶2a去掉，分别在P型扩散层4a上端面和N型硅片1la下端面制作一个用于腐蚀的腐蚀电极5a和6a，腐蚀电极5a的四周、半圆柱形P型扩散层4a的上端面覆盖一层氧化层501a作为保护层，保护腐蚀电极5a在腐蚀过程中不会脱离P型扩散层4a;所述P型扩散层4a的腐蚀电极5a，位于P型扩散层4a上端面、沿半圆柱形P型扩散层4a长度方向的一端;所述N型娃片10 Ia的腐蚀电极6a位于N型娃片10 Ia下端面、与P型扩散层4a的腐蚀电极5a在垂直方向上对齐;然后将N型硅片浸入TMA