CN105784189B - 硅-玻璃-硅结构声表面波温度和压力集成传感器及制备 - Google Patents
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Abstract
硅‑玻璃‑硅结构声表面波温度和压力集成传感器及制备，涉及传感器。传感器为硅‑玻璃‑硅三明治结构，压力传感器集成在上层的硅基感压薄膜上，温度传感器集成在底部的硅基底上，硅基底与上层通过玻璃框架隔离。制造方法：制备硅基底；制备硅基感压薄膜；硅基底、硅基感压薄膜与玻璃框架键合形成三明治结构空腔；以SOI晶圆片中的掩埋氧化硅层为腐蚀自停止层刻蚀SOI晶圆片的衬底层，留下SOI晶圆片的器件层作为压力传感器的硅基感压薄膜；在硅基感压薄膜上刻蚀四个电极区域，刻蚀区域为温度传感器和压力传感器电极区域的上方，分别以玻璃框架与硅基感压薄膜键合的界面和硅基感压薄膜上的镶嵌电极为刻蚀停止层；阵列器件裂片后得单个器件。
Description
技术领域
本发明涉及传感器，尤其是涉及一种硅-玻璃-硅结构的声表面波温度和压力集成传感器及其制造方法。
背景技术
无线无源化是传感器的一大发展趋势，传感器无需电源供应，无需与外界电连接，极大方便了某些特殊环境中的传感需求，如密闭环境中、高速旋转物体、强电磁电场工况等环境。传统压阻式压力传感器基于电阻的变化表征压力的变化。压阻式压力传感器需要电源供应和电线连接，限制了它的应用范围，并且压力测量的精度取决于外电路对电阻变化的敏感性，其精度普遍不高。声表面波器件利用插指换能器在压电材料表面激励声表面波，由于声表面波仅在压电材料表面一两个波长范围内传播所以对于外界扰动较为敏感，当使用压电薄膜类的基底时，基底结构的变化也会对声表面波的传播特性产生影响。而且，声表面波传感器输出的是谐振频率的变化随被测量的变化，相对于其他电学信号具有极高的精度。当外接电路与天线等配件集成后易于实现传感器的无线无源化，满足了现代物联网传感节点无源无人值守的需求。随着现代光刻相关技术的发展，高工作频率(1～3GHz)的声表面波器件可以大规模、低成本进行制造。基于这些特性，声表面波器件被广泛应用于航空航天及消费电子等通讯系统中(滤波器、谐振器)及各类传感器件中，如压力、气体、生物、紫外等声表面波传感器。
声表面波器件的插指换能器一般使用金属沉积在压电材料表面，如果不进行封装与外界环境隔离，声表面波器件将暴露在空气中。外界环境中的气体或者颗粒等物质会与器件产生反应或者吸附在器件表面，影响声表面波传感器的正常工作和寿命。此外，声表面波传感器对于许多环境因素的变化都有响应，当被测环境变量与其他环境变量一起变化，都会引起传感器谐振频率的变化。因此，如果不对声表面波压力传感器进行适当的封装，并对环境变动和干扰等变量进行补偿，将影响传感器的寿命和测量精度。例如，封装后环境温度的变化也会使得声表面波传感器的响应产生漂移，所以需要使用温度差分结构以消除温度的影响。所以，有必要对声表面波压力传感器进行隔离封装和温度补偿，以实现高精度压力传感。
综上所述，为了实现高精度，免于环境和温度对压力测量精度的影响，进行具有硅-剥离-硅结构的声表面波温度和压力集成传感器的研究，实现相关技术攻关，对整个压力传感器技术领域的进步和相关产业的发展具有积极的推动作用。
中国专利CN101625274公开一种可提高压力测量灵敏度或温度频率响应速度的声表面波压力和温度传感器，包括密封安装在一起的顶盖和贯穿有金属电极的基座，基座设有压力传导通孔，其内表面密封固定有覆盖在压力传导通孔的流体隔膜，基座、顶盖和流体隔膜间形成密闭腔，衬底两端与流体隔膜固定且衬底横跨压力传导通孔，衬底上的声表面波压力传感谐振器、基准谐振器和衬底沿长度方向相互平行，声表面波温度传感谐振器相对于基准谐振器成一水平夹角，压力传感谐振器正对压力传导通孔的中心部分，温度传感谐振器、压力传感谐振器和基准谐振器分别与对应的焊盘连接，金属电极对应地与两个焊盘连接，衬底上的压力敏感区的正投影面积小于压力传导通孔的横截面面积。
中国专利CN204439245U公开一种声表面波温度和压力传感器，包括：衬底，所述衬底上平行安装有两个延迟型声表面波传感器图形，分别为：压力图形和温度图形；所述压力图形和所述温度图形分别包括：单向叉指换能器和多个反射栅，所述压力图形的单向叉指换能器与所述温度图形的单向叉指换能器相连接；所述衬底下固定有基座，所述基座在所述压力图形的多个反射栅下方开设有压力传导孔；所述基座上还设置有盖顶，所述盖顶与所述基座形成一腔体。
发明内容
本发明的目的是提供高精度、高可靠性且适用于潮湿、酸碱、静电等恶劣环境下的一种硅-玻璃-硅结构的声表面波温度和压力集成传感器及其制造方法。
所述硅-玻璃-硅结构的声表面波温度和压力集成传感器为硅-玻璃-硅三明治结构，压力传感器集成在上层的硅基感压薄膜上，温度传感器集成在底部的硅基底上，硅基底与上层硅基硅感压薄膜通过玻璃框架隔离；所述上层硅基硅感压薄膜是基于氧化锌/硅薄膜声表面波结构的敏感薄膜，传感压力的金属插指换能器沉积在氧化锌压电薄膜上。所述硅基底是基于氧化锌/硅声表面波结构的硅片，传感温度的金属插指换能器沉积在氧化锌压电薄膜上。所述硅基底和硅基感压薄膜分别与玻璃框架键合形成三明治结构空腔，声表面波器件被封闭在空腔内部，实现与外界环境隔离。硅基感压薄膜上的声表面波压力传感器和硅基底上的声表面波温度传感器的电极分别从玻璃框架与硅的键合界面引出到外面；两个传感器电极并联连接，实现输出信号的差分处理，消除温度对压力测量的影响，同时实现压力和温度的测量，以及压力测量时的温度补偿，提高了器件的测量精度和工作可靠性。声表面波器件可以和天线结合实现无线无源传感的需求。
所述硅基底可采用玻璃基底或压电陶瓷基底等代替；所述硅基感压薄膜可由绝缘体上硅(SOI)晶圆制成。所述氧化锌/硅结构由硅基底或硅基感压薄膜使用磁控溅射技术沉积氧化锌压电薄膜制成，也可使用氮化铝或铁电类陶瓷。所述压电薄膜区域应小于硅基底或硅基感压薄膜的面积，保留边缘区域与玻璃框架键合。所述声表面波温度传感器和压力传感器的金属插指换能器、反射栅和电极可以由紫外光刻技术沉积金属薄膜，经由剥离后制成，该金属可为金或铝。
所述硅-玻璃-硅结构的声表面波温度和压力集成传感器的制造方法，包括以下步骤：
1)制备硅基底；
在步骤1)中，所述制备硅基底的具体方法如下：
(1)利用掩膜板和光刻胶在硅基底上正方形区域内使用磁控溅射技术沉积氧化锌压电薄膜；
(2)利用掩膜板和光刻胶在压电薄膜上沉积一层金属插指换能器和反射栅，并包含有两个电极引出到边缘区域，制成声表面波温度传感器。
2)制备硅基感压薄膜；
在步骤2)中，所述制备硅基感压薄膜的具体方法如下：
(1)利用掩膜板和光刻胶在硅基感压薄膜上正方形区域内使用磁控溅射技术沉积氧化锌压电薄膜；
(2)利用掩膜板和光刻胶在压电薄膜上沉积一层金属插指换能器和反射栅，并包含有两个电极引出到边缘区域，制成声表面波压力传感器。其方向应与硅基底上声表面波器件呈90度角。
3)硅基底、硅基感压薄膜与玻璃框架的键合，形成三明治结构空腔；
在步骤3)中，所述硅基底、硅基感压薄膜与玻璃框架的键合的具体方法如下：
(1)通过金属掩膜板使用湿法或者干法对玻璃进行刻蚀，获得中空的玻璃框架，同时将温度传感器电极上方区域刻蚀使电极可以暴露出来；
(2)通过键合工艺将玻璃框架和硅基底键合在一起；
(3)通过键合工艺将玻璃框架和硅基感压薄膜键合在一起，形成三明治结构空腔。
4)以SOI晶圆片中的掩埋氧化硅层为腐蚀自停止层通过湿法刻蚀工艺刻蚀SOI晶圆片的衬底层，留下SOI晶圆片的器件层作为压力传感器的硅基感压薄膜；在硅基感压薄膜上刻蚀出四个电极区域，刻蚀区域为温度传感器和压力传感器电极区域的上方，分别以玻璃框架与硅基感压薄膜键合的界面和硅基感压薄膜上的镶嵌电极为刻蚀停止层；使用划片机将阵列器件进行裂片，得到单个器件；使用铝丝压焊机拉出引线，制得硅-玻璃-硅结构的声表面波温度和压力集成传感器。
对制得的硅-玻璃-硅结构的声表面波温度和压力集成传感器可进行测试。
所述玻璃框架通过金属掩膜板使用湿法或干法腐蚀技术刻蚀出中空结构，并将硅基底上温度传感器上方区域的玻璃同时进行刻蚀，在封装后可以使电极暴露出来。
所述硅基感压薄膜以绝缘体上硅(SOI)晶圆为基础，使用湿法腐蚀技术进行刻蚀，以掩埋氧化硅层为腐蚀停止层，通过硅器件层的厚度精确控制硅基感压薄膜的厚度。
所述硅-玻璃-硅三明治结构封装完后，在硅基感压薄膜上刻蚀出声表面波温度传感器和声表面波压力传感器的电极区域，位置为电极的正上方。
本发明提供了一种具有硅-玻璃-硅结构的声表面波温度和压力集成传感器的设计和制作方法。具有硅-玻璃-硅结构的声表面波温度和压力集成传感器，是一个三明治结构。包括一个含有氧化锌压电薄膜的硅基底，一个含有氧化锌压电薄膜的硅基感压薄膜，以上结构通过玻璃框架键合成三明治结构。所述硅基底和硅基感压薄膜上的氧化锌压电薄膜，分别包含有声表面波温度传感器和声表面波压力传感器。所述两个传感器电极的并联连接可以实现输出信号的差分处理，消除温度对压力测量的影响。声表面波器件可以和天线结合实现无线无源传感的需求。所述两个声表面波器件均通过键合密封于绝压腔内，将声表面波器件与外界环境隔绝，避免外界环境对声表面波传感器的扰动，避免外界酸碱、粉尘、液滴等恶劣条件对器件的影响，提高传感器的可靠性和精度。
附图说明
图1为具有硅-玻璃-硅结构的声表面波温度和压力集成传感器的俯视图；
图2为图1的A-A剖视图；
图3为图2的B-B剖视图；
图4为键合所用玻璃框架的结构图；
图5为图2的C-C剖视图。
具体实施方式
如图1～5所示，本发明提出了一种具有硅-玻璃-硅结构的声表面波温度和压力集成传感器。所述芯片主体为三明治结构，所述传感器主体设有硅基底、玻璃框架和硅基感压薄膜；所述硅基底首先沉积一层氧化锌压电薄膜，在氧化锌压电薄膜上再沉积一层金属插指换能器、反射栅和引出电极，制成声表面波温度传感器；所述玻璃框架由玻璃组成，底部与硅基底键合，顶部与硅基感压薄膜键合形成空腔，使声表面波温度传感器和声表面波压力传感器与外界环境隔离；所述硅基感压薄膜在空腔一侧沉积有压电薄膜，在压电薄膜上沉积金属插指换能器、反射栅和引出电极，制成声表面波压力传感器。所述两个声表面波传感器分别由各自的电极与外界实现电连接。
本发明同样揭示了一种具有硅-玻璃-硅结构的声表面波温度和压力集成传感器的制造方法。该制造方法主要包括四个部分。它们分别为键合前基底上的制造流程，键合前感压薄膜上的制造流程，基底和薄膜与玻璃的键合流程，键合后的制造流程。
硅基底上的主要工艺是：
第一，利用掩膜板和光刻胶在硅基底(5)上正方形区域内使用磁控溅射技术沉积一定厚度的氧化锌压电薄膜(6)；
第二，利用掩膜板和光刻胶在压电薄膜上沉积一层金属插指换能器(8)和反射栅，并包含有两个电极(1)引出到边缘区域，制成声表面波温度传感器。
硅基感压薄膜上的主要工艺是：
第一，利用掩膜板和光刻胶在硅基感压薄膜(4)上正方形区域内使用磁控溅射技术沉积一定厚度的氧化锌压电薄膜(7)；
第二，利用掩膜板和光刻胶在压电薄膜上沉积一层金属插指换能器(9)和反射栅，并包含有两个电极(2)引出到边缘区域，制成声表面波压力传感器。其方向应与硅基底上声表面波器件呈90度角。
玻璃框架及键合工艺：
第一，通过金属掩膜板使用湿法或者干法对玻璃进行刻蚀，获得中空的玻璃框架，同时将温度传感器电极上方区域刻蚀使电极可以暴露出来；
第二，通过键合工艺将玻璃框架(3)和硅基底(5)键合在一起；
第三，通过键合工艺将玻璃框架(3)和硅基感压薄膜(4)键合在一起。
键合后的工艺：
第一，首先以SOI晶圆片中的掩埋氧化硅层为腐蚀自停止层通过湿法刻蚀工艺刻蚀SOI晶圆片的衬底层，留下SOI晶圆片的器件层作为压力传感器的硅基感压薄膜(4)；
第二，在硅基感压薄膜(4)上刻蚀出四个电极区域，刻蚀区域为温度传感器和压力传感器电极区域的上方，分别以玻璃框架(3)与硅基感压薄膜(4)键合的界面和硅基感压薄膜(4)上的镶嵌电极(2)为刻蚀停止层；
第三，使用划片机将阵列器件进行裂片，得到单个器件；
第四，使用铝丝压焊机拉出引线，最后进行测试。
如图(2)所述芯片主体为硅-玻璃-硅三明治结构，所述压力传感器集成在硅基感压薄膜上，温度传感器集成在硅基底上。所述硅基感压薄膜基于氧化锌/硅薄膜声表面波结构，金属插指换能器沉积在氧化锌压电薄膜上。所述硅基底基于氧化锌/硅声表面波结构的硅片，金属插指换能器沉积在氧化锌压电薄膜上。所述三明治结构由玻璃框架分别与硅基底和硅基感压薄膜键合形成与外界环境隔离。硅基感压薄膜上的声表面波压力传感器和硅基底上声表面波温度传感器的电极分别从硅和玻璃的键合界面引出到外面。
两个传感器电极的并联连接可以实现输出信号的差分处理，消除温度对压力测量的影响，可同时实现压力和温度的测量，以及压力测量时的温度补偿。
声表面波温度传感器和压力传感器的插指方向可互相垂直布置或平行布置，在封闭的矩形空腔上下表面以面对面方式布置。
所述硅基感压薄膜使用绝缘体上硅(SOI)晶片，通过硅器件层厚度精确控制感压薄膜厚度。
所述压电薄膜包括氧化锌、氮化铝及铁电类压电陶瓷。
传感器电极分别由玻璃框架与硅基底和硅基感压薄膜键合界面掩埋层引出，并最终通过刻蚀硅层将焊盘电极暴露出来。
两个传感器电极可与器件外部的天线连接，实现无线无源的温度和压力测量功能。
以下给出具有硅-玻璃-硅结构的声表面波温度和压力集成传感器芯片的制造方法，包括以下步骤：
第一阶段：温度传感器制备
a.清洗；氧化硅片；
b.制备光刻胶掩膜，通过磁控溅射沉积压电材料，通过剥离工艺制备所需尺寸和形状的压电衬底；
c.制备光刻胶掩膜，通过磁控溅射或蒸发沉积金属，通过剥离工艺制备所需尺寸和形状的插指换能器、反射栅和电极；
第二阶段：压力传感器制备
a.清洗；氧化硅片；
b.制备光刻胶掩膜，通过磁控溅射沉积压电材料，通过剥离工艺制备所需尺寸和形状的压电衬底；
c.制备光刻胶掩膜，通过磁控溅射或蒸发沉积金属，通过剥离工艺制备所需尺寸和形状的插指换能器、反射栅和电极；
第三阶段：玻璃框架及键合工艺
a.通过金属掩膜板使用湿法或者干法对玻璃进行刻蚀，获得中空的玻璃框架，同时将温度传感器上方区域刻蚀使电极暴露出来；
b.通过阳极键合工艺将硅基底和玻璃框架键合在一起；
c.通过阳极键合工艺将玻璃框架的另一侧与感压薄膜键合在一起；
第四阶段：键合之后的相关工艺
a.湿法腐蚀感压薄膜一侧，以SOI圆片中的氧化硅层为腐蚀自停止层，使用湿法腐蚀对SOI晶圆片进行减薄，减薄后形成特定厚度的感压薄膜；
b.制备光刻胶掩膜，对感压薄膜上四个电极对应区域进行刻蚀，将焊盘电极暴露出来。
Claims (3)
1.硅-玻璃-硅结构声表面波温度和压力集成传感器，其特征在于为硅-玻璃-硅三明治结构，压力传感器集成在上层的硅基感压薄膜上，温度传感器集成在底部的硅基底上，硅基底与上层硅基感压薄膜通过玻璃框架隔离；所述硅基底和硅基感压薄膜分别与玻璃框架键合形成三明治结构空腔，声表面波器件被封闭在空腔内部，实现与外界环境隔离；硅基感压薄膜上的声表面波压力传感器和硅基底上的声表面波温度传感器的电极分别从玻璃框架与硅基感压薄膜和硅基底的键合界面引出到外面；两个传感器电极并联连接，实现输出信号的差分处理；
所述硅-玻璃-硅结构的声表面波温度和压力集成传感器由以下方法制造：
1)制备硅基底，具体方法如下：
(1)利用掩膜板和光刻胶在硅基底上正方形区域内使用磁控溅射技术沉积氧化锌压电薄膜，压电薄膜区域应小于硅基底的面积，保留硅基底边缘区域与玻璃框架键合；
(2)利用掩膜板和光刻胶在压电薄膜上沉积一层金属插指换能器和反射栅，并包含有两个电极引出到硅基底边缘区域，制成声表面波温度传感器；
2)制备硅基感压薄膜，具体方法如下：
(1)利用掩膜板和光刻胶在硅基感压薄膜上正方形区域内使用磁控溅射技术沉积氧化锌压电薄膜，压电薄膜区域应小于硅基感压薄膜的面积，保留硅基感压薄膜边缘区域与玻璃框架键合；
(2)利用掩膜板和光刻胶在压电薄膜上沉积一层金属插指换能器和反射栅，并包含有两个电极引出到硅基感应薄膜边缘区域，制成声表面波压力传感器，其方向应与硅基底上声表面波器件呈90度角；
3)硅基底、硅基感压薄膜与玻璃框架的键合，形成三明治结构空腔，具体方法如下：
(1)通过金属掩膜板使用湿法或者干法对玻璃进行刻蚀，获得中空的玻璃框架，同时将温度传感器电极上方区域刻蚀使电极暴露出；
(2)通过键合工艺将玻璃框架和硅基底键合在一起；
(3)通过键合工艺将玻璃框架和硅基感压薄膜键合在一起，形成三明治结构空腔；
4)以SOI晶圆片中的掩埋氧化硅层为腐蚀停止层，通过湿法刻蚀工艺刻蚀SOI晶圆片的衬底层，留下SOI晶圆片的器件层作为压力传感器的硅基感压薄膜；在硅基感压薄膜上刻蚀出四个电极区域，刻蚀区域为温度传感器和压力传感器电极区域的上方，分别以玻璃框架与硅基感压薄膜键合的界面和硅基感压薄膜上的镶嵌电极为刻蚀停止层；使用划片机将阵列器件进行裂片，得到单个器件；使用铝丝压焊机拉出引线，制得硅-玻璃-硅结构的声表面波温度和压力集成传感器。
2.如权利要求1所述硅-玻璃-硅结构声表面波温度和压力集成传感器，其特征在于所述硅基底采用玻璃基底或压电陶瓷基底代替。
3.如权利要求1所述硅-玻璃-硅结构声表面波温度和压力集成传感器，其特征在于所述声表面波温度传感器和压力传感器的金属插指换能器、反射栅和电极由紫外光刻技术沉积金属薄膜，经由剥离后制成，该金属薄膜为金或铝。
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2016
- 2016-05-05 CN CN201610293100.7A patent/CN105784189B/zh active Active
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