CN103115703A

CN103115703A - 基于硅通孔技术的微型电容式壁面剪应力传感器及其制作方法

Info

Publication number: CN103115703A
Application number: CN2013100202653A
Authority: CN
Inventors: 马炳和; 项志杰; 邓进军
Original assignee: Northwestern Polytechnical University
Current assignee: Northwestern Polytechnical University
Priority date: 2013-01-21
Filing date: 2013-01-21
Publication date: 2013-05-22
Anticipated expiration: 2033-01-21
Also published as: CN103115703B

Abstract

本发明公开了一种基于硅通孔技术的微型电容式壁面剪应力传感器及其制作方法，属于传感器技术领域。该传感器包括浮动单元锚点1、弹性梁2、可动梳齿3、固定梳齿4、固定梳齿锚点5、TSV引线6、浮动单元7、牺牲层8、基底层9和TSV电绝缘层10，传感器通过微加工工艺和金属电镀工艺加工完成。本发明提出的基于硅通孔技术的微型电容剪应力传感器采用了基于硅通孔技术的背面引线工艺取代原有的引线键合工艺，避免了金属引线暴露于流场中产生干扰；减小了传感器的封装尺寸，有利于传感器的阵列化，有利于传感器与集成电路的3D封装；测量装置不侵入流场，可以对流场进行非侵入式的壁面剪应力测量。

Description

基于硅通孔技术的微型电容式壁面剪应力传感器及其制作方法

所属领域：

本发明涉及一种微型电容式壁面剪应力传感器及其制作方法，特别涉及一种基于硅通孔技术的背孔连接的微型电容式壁面剪应力传感器，属于传感器技术领域。

背景技术：

近壁流动参数，尤其是壁面剪应力是研究、判断流场形态以及边界层状态等的重要参数，也是对飞行器以及水下航行器开展外形优化设计以及减阻降噪设计的重要参考依据。用于测量剪应力的常规传感器，主要包括摩阻天平、普雷斯顿管(Prestontube)、斯坦顿管(Stanton tube)等。受加工手段的限制，其尺寸较大，动态范围窄,且不同程度的存在信号滞后等弊端。此外，传统工艺制作的剪应力传感器不易形成阵列化，无法实现壁面剪应力的分布式测量。

MEMS（微机电系统）剪应力传感器具有许多传统传感器无法比拟的优点：具有体积小、功能多、重量轻并且稳定可靠的优点。通过IC工艺可大批量和高精度生产，单件成本低，一致性好、功耗低、谐振频率高、响应时间短、综合集成度高、附加值高等特点，具有极好的发展前景。

剪应力的测量分为间接测量和直接测量两种方式，间接测量主要通过测量近壁面处的压力梯度、速度梯度、热交换以及其他参数建立与剪应力的关系，由于受到多个环节影响，间接测量时精度不高；直接测量时所用到的传感器一般都具有浮动单元，剪应力作用于浮动单元，浮动单元的位移与剪应力的大小成比例。电容式浮动结构比较常见。

电容式传感器的工作原理是把被测的剪应力转换成电容的变化量，通过外部处理电路将电容值转换为响应的电压或者电流。电容式传感器还具有温度系数小、稳定性好、制作工艺比较简单等特点，因此选取电容作为微剪应力传感器的检测方式具有显著的优势。

由于浮动式剪应力传感器直接与壁面流场接触，所以传感器的封装与外部电路的电连接尤为重要。采用传统的引线键合（wire bonding）方式封装体积较大，同时引线暴露于流场中，金属易氧化且容易受到干扰产生寄生电容，影响传感器的输出，尤其在高速流体中，键合强度不足，引线容易断裂。引线键合方式也不利于微型传感器与IC工艺的3D集成封装。A.O’Grady，R.Larger等人在“A MEMS sensor for meanshear stress measurements in high-speed turbulent flow with backsideinterconnects”中，在基底层硅上刻蚀出背面过孔，在过孔内绝缘后溅射金属，然后采用导电的银基环氧树脂与PIN针黏接，引出电信号，但此方法采用的环氧树脂与PIN针黏接易受温度影响而脱落，导致传感器失效，可靠性不高，并且容易产生寄生电容。

发明内容：

本发明的目的是针对使用传统的平面封装工艺封装的MEMS电容式剪应力传感器存在的键合强度不足、封装方式容易引入干扰和不利于传感器与IC工艺的3D封装集成等不足，提供一种基于硅通孔技术的背孔连接的微型电容式壁面剪应力传感器及其制作方法。将硅通孔技术与MEMS传统工艺相互结合，安排合理的工艺流程，尽量减小TSV的制作对上层传感器敏感结构的影响。

硅通孔技术（TSV，Through Silicon Via）是通过在芯片和芯片间、晶圆和晶圆间制作垂直通孔，实现芯片之间互连的最新技术，能够使芯片在三维方向堆叠的密度最大，外形尺寸最小，且大大改善芯片速度和功耗的性能，能解决传统平面封装工艺带来的导致封装尺寸过大、成本较高的缺陷，TSV被称为继引线键合、TAB和倒装芯片（FC）之后的第四代封装技术，能够为MEMS芯片的三维封装提供性能优良的电互连方式。

本发明的技术方案是：参阅图1和图2，一种基于硅通孔技术的背孔连接的电容式壁面剪应力传感器，包括浮动单元锚点1、弹性梁2、可动梳齿3、固定梳齿4、固定梳齿锚点5、TSV引线6、浮动单元7、牺牲层8、基底层9和TSV电绝缘层10；整个传感器左右对称；

所述浮动单元7两侧布有可动梳齿3，浮动单元7与可动梳齿3通过弹性梁2与浮动单元锚点1连接，悬浮于基底层9上；固定梳齿4连接于固定梳齿锚点5上，所述固定梳齿4与可动梳齿3相配，形成电容；浮动单元锚点1和固定梳齿锚点5则置于基底层9上的牺牲层8之上；TSV引线6在器件厚度方向依次贯穿各浮动单元锚点1和固定梳齿锚点5、牺牲层8和基底层9后，从器件背面引出，TSV引线6外壁与器件孔内壁之间为TSV绝缘层10，以实现电绝缘；所述TSV引线6上端头沿径向向外延伸出小平面，并和各浮动单元锚点1和固定梳齿锚点5上表面形成电接触。

工作时，传感器平齐安装在流体壁面，浮动单元7感测流体作用与待测壁面的剪应力后，弹性梁2产生弹性变形，可动梳齿3产生一段位移，与固定梳齿4形成了差动的电容，电容信号依次通过浮动单元锚点1和固定梳齿锚点5、TSV引线6与外部电路进行连接，输出电信号。

所述基于硅通孔技术的微型电容式壁面剪应力传感器的制作方法，包括如下步骤：

步骤1：SOI硅片正面制作传感器敏感结构，包括浮动单元锚点1、弹性梁2、可动梳齿3、固定梳齿4、固定梳齿锚点5、浮动单元7，参阅附图3(a)；

步骤2：从SOI硅片背面制作TSV通孔并进行氧化绝缘处理和阻挡层淀积，形成TSV绝缘层10，参阅附图3(b)；

步骤3：TSV金属电镀填充，形成TSV引线6，参阅附图3(c)；该过程具体包括如下子步骤：

子步骤1：辅助硅片正面抛光，去除表面的氧化层；

子步骤2：在辅助硅片上溅射金属种子层，并旋涂光刻胶，与完成步骤1和步骤2后的SOI硅片正面进行黏合；

子步骤3：以SOI硅片作为光刻掩膜，对辅助硅片上与TSV导线6上端头相应位置处的光刻胶进行曝光，显影露出过该位置处的金属种子层；

子步骤4：将黏合有辅助硅片的SOI硅片浸入硫酸铜电镀液中进行电镀，形成TSV引线6；

步骤4：去除辅助硅片，释放SOI硅片的正面浮动结构，包括浮动单元7、弹性梁2和可动梳齿3，并进行划片，得到分离的微型电容式壁面剪应力传感器，参阅附图3(d)。

有益效果：

本发明在辅助硅片的金属种子层上采用从底向上的方式进行硅通孔内的TSV引线6电镀填充，避免了高深宽比的通孔内电镀填充不完全和孔内空隙的产生。本发明提出的基于硅通孔技术的微型电容剪应力传感器可以达到较好的综合性能：（1）大大提高了传感器的抗干扰能力；由于采用了基于硅通孔技术的背面引线工艺取代原有的引线键合工艺，避免了金属引线暴露于流场中产生干扰。（2）减小了传感器的封装尺寸，有利于传感器的阵列化，有利于传感器与集成电路的3D封装。（3）测量装置不侵入流场，可以对流场进行非侵入式的壁面剪应力测量。

附图说明：

图1是实施例中基于硅通孔技术的微型电容式壁面剪应力传感器结构示意图；

图2是图1的A-A剖视图；

图3是实施例中基于硅通孔技术的微型电容式壁面剪应力传感器制作方法工艺步骤示意图。

图中：1-浮动单元锚点；2-弹性梁；3-可动梳齿；4-固定梳齿；5-固定梳齿锚点；6–TSV引线；7-浮动单元；8-牺牲层；9-基底层；10-TSV电绝缘层。

具体实施方式：

本实施例中的基于硅通孔技术的背孔连接的微型电容式壁面剪应力传感器，主要包括浮动单元锚点1、弹性梁2、可动梳齿3、固定梳齿4、固定梳齿锚点5、TSV引线6、浮动单元7、牺牲层8、基底层9和TSV电绝缘层10；所述浮动单元7、弹性梁2、可动梳齿3、固定梳齿4和锚点由微细加工工艺整体加工得到，电连接TSV采用电镀完成，整个传感器左右对称；浮动单元7与可动梳齿3通过弹性梁2与浮动单元锚点1连接，悬浮于基底层9上；固定梳齿4与固定梳齿锚点5连接，可动梳齿3和固定梳齿4形成电容，TSV引线6与浮动单元锚点1、固定梳齿锚点5形成电接触，TSV电绝缘层10将TSV引线6与基底层9电绝缘隔离绝缘。TSV引线6贯穿整个传感器结构，将器件层电容信号从传感器背面引出。

本实施例中剪应力传感器采用的材料为SOI硅片，通过微加工工艺和金属电镀工艺加工完成，主要步骤如下：

步骤1：SOI硅片正面制作传感器敏感结构，包括浮动单元锚点1、弹性梁2、可动梳齿3、固定梳齿4、固定梳齿锚点5、浮动单元7，参阅附图3(a)；包括如下子步骤：

子步骤1：清洗SOI硅片，去除表面原生氧化层、有机物污染，并进行热烘处理15min，温度为800℃，保护氮气流量3L/min。SOI硅片的规格为30×4×400μm；

子步骤2：SOI硅片正面作为基片旋涂EPG533型光刻胶，热烘后进行光刻和显影，显影液采用质量浓度为2.38%的四甲基氢氧化铵(TMAH)；

子步骤3：对步骤2中显影后的硅片进行ICP刻蚀出正面结构。并用丙酮去除光刻胶。

步骤2：从SOI硅片背面制作TSV通孔并进行氧化绝缘处理和阻挡层淀积，形成TSV绝缘层10，参阅附图3(b)；包括如下的子步骤：

子步骤1：在硅片1背面旋涂光刻胶，光刻和显影后，ICP刻蚀背面的过通孔内的硅；

子步骤2：在步骤4硅片1的背面RIE刻蚀牺牲层的4μm的二氧化硅,完成整个过通孔的制作，并清洗光刻胶。

子步骤3：热氧化处理，在过通孔内壁形成一层致密的二氧化硅绝缘层，厚度约为600nm。并在通孔内淀积阻挡层钛，厚度为50nm；

子步骤1：辅助硅片正面抛光，去除表面的氧化层；

子步骤2：在辅助硅片上溅射300nm金属种子层，并旋涂光刻胶，与完成步骤1和步骤2后的SOI硅片正面进行黏合；本实施例中金属种子层材料为金；旋涂的光刻胶厚度为1.2μm；

子步骤4：将黏合有辅助硅片的SOI硅片浸入硫酸铜电镀液中进行电镀，形成TSV引线6，电镀参数：电流密度为30mA/cm²，温度为35℃，电镀液PH值为1，电镀时间为3-5小时。

步骤4：去除辅助硅片，释放SOI硅片的正面浮动结构，包括浮动单元7、弹性梁2和可动梳齿3，并进行划片，得到分离的微型电容式壁面剪应力传感器，参阅附图3(d),包括如下的子步骤：

子步骤1：电镀完成后，在剥离器中移除辅助硅片及光刻胶；

子步骤2：将SOI硅片放入氢氟酸中，释放正面浮动结构，完成整个传感器制作；

子步骤3：划片，得到分离的电容式壁面剪应力传感器。

Claims

1.一种基于硅通孔技术的背孔连接的电容式壁面剪应力传感器，包括浮动单元锚点（1）、弹性梁（2）、可动梳齿（3）、固定梳齿（4）、固定梳齿锚点（5）、TSV引线（6）、浮动单元（7）、牺牲层（8）、基底层（8）和TSV电绝缘层（10）；整个传感器左右对称；

所述浮动单元（7）两侧布有可动梳齿（3），浮动单元（7）与可动梳齿（3）通过弹性梁（2）与浮动单元锚点（1）连接，悬浮于基底层（8）上；固定梳齿（4）连接于固定梳齿锚点（5）上，所述固定梳齿（4）与可动梳齿（3）相配，形成电容；浮动单元锚点（1）和固定梳齿锚点（5）则置于基底层（8）上的牺牲层（8）之上；TSV引线（6）在器件厚度方向依次贯穿各浮动单元锚点（1）和固定梳齿锚点（5）、牺牲层（8）和基底层（8）后，从器件背面引出，TSV引线（6）外壁与器件孔内壁之间为TSV绝缘层（10），以实现电绝缘；所述TSV引线（6）上端头沿径向向外延伸出小平面，并和各浮动单元锚点（1）和固定梳齿锚点（5）上表面形成电接触。

2.一种如权利要求1所述的基于硅通孔技术的微型电容式壁面剪应力传感器的制作方法，包括如下步骤：

步骤1：SOI硅片正面制作传感器敏感结构，包括浮动单元锚点（1）、弹性梁（2）、可动梳齿（3）、固定梳齿（4）、固定梳齿锚点（5）、浮动单元（7）；

步骤2：从SOI硅片背面制作TSV通孔并进行氧化绝缘处理和阻挡层淀积，形成TSV绝缘层（10）；

步骤3：TSV金属电镀填充，形成TSV引线（6），该过程具体包括如下子步骤：

子步骤1：辅助硅片正面抛光，去除表面的氧化层；

子步骤3：以SOI硅片作为光刻掩膜，对辅助硅片上与TSV导线（6）上端头相应位置处的光刻胶进行曝光，显影露出过该位置处的金属种子层；

子步骤4：将黏合有辅助硅片的SOI硅片浸入硫酸铜电镀液中进行电镀，形成TSV引线（6）；

步骤4：去除辅助硅片，释放SOI硅片的正面浮动结构，包括浮动单元（7）、弹性梁（2）和可动梳齿（3），并进行划片，得到分离的微型电容式壁面剪应力传感器。