CN102359828B - 一种微电子温度传感器及其制备工艺 - Google Patents

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Abstract

一种微电子温度传感器，在玻璃衬底上设置两个单晶硅锚区，之间的水平中心线上设置一条与玻璃衬底之间设有间距的单晶硅锁存杆，单晶硅锁存杆与上、下两个单晶硅锚区之间分别悬浮联接一组完全对称的多条斜向、间隔并行设置的单晶硅感温梁，在单晶硅锁存杆右侧，上下各设置3个单晶硅锚区，外侧的锚区与中间的锚区之间悬浮连接一热执行器，内侧的锚区悬浮连接一条水平单晶硅锁存钩，其钩头与单晶硅锁存杆的锁头相配，钩头背面与热执行器活动铰支联接，所有的单晶硅锚区均生根于玻璃衬底上表面。制备工艺采用Au—Au低温键合实现单晶硅与玻璃衬底的键合并实现电的转移互连。

Description

一种微电子温度传感器及其制备工艺
技术领域
本发明涉及基于微机械加工实现的低功耗多阈值温度锁存器，尤其是一种微电子温度传感器及其制备工艺，属于微电子机械系统技术领域。
背景技术
温度是反应系统外界环境非常重要的参数，对环境监测、空气调节和工农业的生产有重要影响，因此温度检测具有重要的实际意义。众所周知，通用的MEMS温度传感器信号锁存一般采用电路实现，因此具有控制复杂，需要经常维护等缺点，同时具有高功耗等缺点。又文献报道的微机械温度锁存器件具有单阈值缺点，同时由于采用的是表面硅微机械加工工艺，工艺复杂，成本高。所以如何实现低功耗，低成本，加工工艺简单，且应用范围更为广泛的多阈值温度锁存器件成为了温度锁存传感器的设计的一个重要问题。
发明内容
本发明提出了一种微电子温度传感器及其制备工艺， 采用以下技术方案：一种微电子温度传感器，其特征在于：以玻璃衬底为芯片基板，在玻璃衬底上表面设置两个单晶硅锚区，对称分列于水平中心线的上、下两侧，两个单晶硅锚区之间的水平中心线上设置一条单晶硅锁存杆，杆端设有锁头，单晶硅锁存杆与玻璃衬底上表面之间设有间距，单晶硅锁存杆与上、下两个单晶硅锚区之间分别设置一组数量相同、完全对称的多条悬浮单晶硅感温梁，单晶硅感温梁斜向、间隔并行设置，以单晶硅锁存杆为联接一端，两组单晶硅感温梁另一端分别向左上、左下两个方向倾斜，悬浮联接上、下两个单晶硅锚区，在单晶硅锁存杆右侧，以单晶硅锁存杆为水平对称轴，上下各设置3个共6个单晶硅锚区，6个单晶硅锚区在同一垂线上，上、下各3个单晶硅锚区中，位于外侧的锚区与中间的锚区之间悬浮连接一热执行器，该热执行器系一条分为粗细两段的单晶硅梁，在粗细两段连接处折弯，粗段在外侧，其端点连接外侧的锚区，细段之端点连接中间的锚区，内侧的锚区悬浮连接一条水平单晶硅锁存钩，其钩头与单晶硅锁存杆的锁头相配，钩头背面与热执行器的粗细两段梁折弯点活动铰支联接，所有的单晶硅锚区均生根于玻璃衬底上表面；所说上下两组斜向悬浮单晶硅感温梁与垂线的夹角7°-14°。
上述微电子温度传感器的制备工艺采用Au—Au低温键合实现单晶硅与玻璃衬底的键合并实现电的转移互连；首先选取硅片，并在其上涂胶，光刻刻出感温梁及热执行器区域的窗口，然后采用ICP或RIE刻蚀硅形成1—10μm浅槽。去掉光刻胶后溅射金属并光刻，形成键合区域，同时在玻璃衬底上淀积金属并光刻形成键合区域和引线压焊区域，再将硅片和玻璃采用Au-Au键合，并且采用化学机械抛光使硅片减薄至合适的厚度，最后采用光刻和ICP硅刻蚀释放整个结构。
本发明的优点及显著效果：常规基于硅微机械加工的温度传感器，由于不具备温度锁存的功能，需要相关电路支持应用复杂，成本较高。本发明温度传感器利用热膨胀原理测量温度，具有阈值锁存功能，当温度值达到设定的阈值时，系统才会被激发从而进入工作或者休眠模式，减少了系统温度检测和判断所需要的功耗，因此大大降低了系统电路的复杂程度，同时也降低了功耗。同时，采用多阈值结构的设计，使得传感器可以具有多阈值锁存功能，并且，采用体硅热执行器对加速度锁存器进行复位，从而实现了传感器的可重复操作。制备工艺利用硅片和玻璃的Au-Au键合，RIE和ICP刻蚀工艺就可以完成传感器的加工，工艺步骤简单可靠。整个加工过程不会影响硅片正面已有的CMOS电路，所以温度锁存器可以采用post-CMOS 加工工艺进行加工，从而进一步的实现芯片的单片智能化，也可以降低芯片的尺寸和成本。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是图1的仰视图。
具体实施方式
参看图1、2，以玻璃衬底5为芯片基板，在玻璃衬底5上表面设置两个单晶硅锚区10、11，对称分列于水平中心线的上、下两侧，两个单晶硅锚区之间的水平中心线上设置一条悬浮单晶硅锁存杆7，杆端设有多级锁头3，单晶硅锁存杆7与上、下两个单晶硅锚区11、10之间分别设置一组数量相同、完全对称的多条悬浮单晶硅感温梁2，单晶硅感温梁2斜向、间隔并行设置，以单晶硅锁存杆7为联接一端，两组感温梁另一端分别向左上、左下两个方向倾斜，联接上、下两个单晶硅锚区11及10，在悬浮单晶硅锁存杆右侧，以悬浮单晶硅锁存杆7为水平对称轴，上下各设置3个共6个单晶硅锚区12、13、14及15、16、17，6个单晶硅锚区在同一垂线上，上、下各3个单晶硅锚区中，位于外侧的锚区12、17与中间的锚区13、16之间分别悬浮连接一热执行器4，该热执行器系一条分为粗细两段的单晶硅梁，在粗细两段连接处折弯，粗段在外侧，其端点连接外侧的锚区12、17，细段之端点连接中间的锚区13、16，内侧的锚区14、15分别连接一条水平单晶硅锁存钩，其钩头6与悬浮单晶硅锁存杆的锁头3相配，钩头背面1与热执行器4的粗细两段梁折弯点活动铰支联接，所有的单晶硅锚区均生根于玻璃衬底上表面，单晶硅感温梁2、单晶硅锁存杆7、热执行器4以及单晶硅锁存钩6均与玻璃衬底5上表面设有间距，并位于同一高度平面；所说上下两组斜向悬浮单晶硅感温梁与垂线的夹角β=7°-14°。
为了能实现温度锁存测量，与水平中心线对称的两个锚区10、11支撑一组（多条）并行排列的单晶硅感温梁2，梁不垂直，略有倾斜（β=7°-14°），以保证热膨胀时会使单晶硅锁存杆7向右平移。当温度升高时，用于感知温度的梁2就会热膨胀推动单晶硅锁存杆7及锁头3向右移动，当温度值达到设定的阈值时，锁头3便会通过设定的锁存位置从而被锁存钩头6锁存。之后即使温度降低，系统仍将处于锁存状态，直到通过对热执行器4通电工作，通电后热执行器4的粗细两段梁产生热变形的不同，带动锁存钩6铰支运动与锁头3分离，对芯片进行复位，芯片的锁存部分才会被解锁。由于本传感器具有复位解锁功能，使传感器可以被重复利用。
本传感器采用体硅微机械加工工艺，首先选取硅片，并在其上涂胶，光刻刻出感温梁2，热执行器4区域的窗口，然后用ICP或RIE刻蚀硅形成一浅槽（1—10μm）。去掉光刻胶后溅射金属并光刻，形成键合区域。同时在玻璃衬底5上淀积金属并光刻形成键合区域和引线压焊区域。当上述工艺完成后，将硅片和玻璃采用Au-Au键合，并且采用化学机械抛光（CMP）使硅片减薄至合适的厚度。最后采用光刻和ICP硅刻蚀释放整个结构。
实施例：感温梁长度为500微米，宽度为5微米，，粗细梁热执行器的的细梁宽度为5-10μm，长度为200μm，粗梁宽度为50μm，长度为150μm，硅片的厚度为30-50μm。当温度大于100℃时温度值被锁存，直至给热执行器施加5v直流电压时，热执行器处于工作状态，锁存器解锁，从而实现传感器的重复利用。

Claims (3)

1.一种微电子温度传感器，其特征在于：以玻璃衬底为芯片基板，在玻璃衬底上表面设置两个单晶硅锚区，对称分列于水平中心线的上、下两侧，两个单晶硅锚区之间的水平中心线上设置一条单晶硅锁存杆，杆端设有锁头，单晶硅锁存杆与玻璃衬底上表面之间设有间距，单晶硅锁存杆与上、下两个单晶硅锚区之间分别设置一组数量相同、完全对称的多条悬浮单晶硅感温梁，单晶硅感温梁斜向、间隔、平行设置，以单晶硅锁存杆为联接一端，两组单晶硅感温梁另一端分别向左上、左下两个方向倾斜，悬浮联接上、下两个单晶硅锚区，在单晶硅锁存杆右侧，以单晶硅锁存杆为水平对称轴，上下各设置3个共6个单晶硅锚区，6个单晶硅锚区在同一垂线上，上、下各3个单晶硅锚区中，位于外侧的锚区与中间的锚区之间悬浮连接一热执行器，该热执行器是一条分为粗细两段的单晶硅梁，在粗细两段连接处折弯，粗段在外侧，其端点连接外侧的锚区，细段之端点连接中间的锚区，内侧的锚区悬浮连接一条水平单晶硅锁存钩，其钩头与单晶硅锁存杆的锁头相配，钩头背面与热执行器的粗细两段梁折弯点活动铰支联接，所有的单晶硅锚区均生根于玻璃衬底上表面。
2.根据权利要求1所述微电子温度传感器，其特征在于：上下两组斜向悬浮单晶硅感温梁与垂线的夹角7°-14°。
3.根据权利要求1所述微电子温度传感器的制备工艺，其特征在于：采用Au—Au低温键合实现单晶硅与玻璃衬底的键合并实现电的转移互连；首先选取单晶硅，并在其上涂胶，光刻刻出单晶硅感温梁及热执行器区域的窗口，然后采用ICP或RIE刻蚀硅形成1—10μm浅槽，去掉光刻胶后溅射金属并光刻，形成键合区域，同时在玻璃衬底上淀积金属并光刻形成键合区域和引线压焊区域，再将单晶硅和玻璃衬底采用Au-Au键合，并且采用化学机械抛光使硅片减薄至合适的厚度，最后采用光刻和ICP硅刻蚀释放整个结构。
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