CN106569037B - 一种基于mems技术的感应式电导率传感器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于MEMS技术的感应式电导率传感器及其制造方法，属于微电子机械系统制造及海洋测量领域。该电导率传感器包括一个导流管、一个电导池、两个环绕在导流管外壁的MEMS螺线管电感，所述导流管呈圆环柱形，其内部供液体流通的圆柱形空腔即为电导池，两个MEMS螺线管电感相互平行并间隔一段距离，两个螺线管分别通过连接引线与外界测试电路相连。本发明采用MEMS加工工艺来制造传感器，具有体积小、功耗低、成本低、可大批量生产的优点；本发明提供的传感器结构简单，操作方便，抗污染能力高，耐腐蚀性强，通用性强，可靠性高，适用于海水等高浓度水体的电导率测量。

Description

一种基于MEMS技术的感应式电导率传感器及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种基于MEMS技术的感应式电导率传感器及其制造方法，涉及微电子机械系统制造及海洋测量领域。
背景技术
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。
海水电导率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由于后续处理电路简单、测量精度高、使用方便，广泛用于各种水体的电导率测量中。与电极式电导率传感器相比，感应式电导率传感器不存在电极极化与电极被污染的问题，抗污染能力和抗腐蚀能力强，适合于应用在海水等高浓度水体中。
现有技术中，感应式电导率传感器都是采用传统机械加工技术制造而成，加工精度低、加工难度大、加工成本高、不适合大批量制造，而如果采用MEMS工艺来制造电导率传感器，将具有体积小、功耗低、成本低、可大批量生产、易于与电子电路实现交互等优点，是感应式电导率传感器的发展方向。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于MEMS技术的感应式电导率传感器及其制造方法，克服了传统机械加工技术的不足。本发明的电导率传感器结构简单，体积小巧，操作方便，成本较低，抗污染能力高，耐腐蚀性强，通用性强，可靠性高，适用于海水等高浓度水体的电导率测量。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一方面，本发明提供一种基于MEMS技术的感应式电导率传感器，包括一个导流管、一个电导池和两个环绕在导流管外壁的MEMS螺线管电感，其中，所述导流管呈圆环柱形，其内部供液体流通的圆柱形空腔即为电导池；两个所述MEMS螺线管电感分别为发射线圈和接收线圈，用于施加激励和接收响应，发射线圈和接收线圈相互平行且两者之间存在间隔；两个所述MEMS螺线管电感分别通过连接引线与外界测试电路相连。
作为本发明的进一步优化方案，所述导流管为玻璃材料通过正压热成型工艺制成。
作为本发明的进一步优化方案，所述MEMS螺线管电感为SU-8胶外覆铜/金材料制成。
作为本发明的进一步优化方案，两个所述MEMS螺线管电感的大小相同。
另一方面，本发明还提供一种上述基于MEMS技术的感应式电导率传感器的制造方法，包括以下步骤：
(1)在玻璃片a的正面制作两个相互平行、大小相同(长为l，宽为w)的MEMS螺线管电感，其中，MEMS螺线管电感的长为l，宽为w，且两个螺线管电感之间间隔一段距离d；
(2)选用与玻璃片a尺寸一致的基底硅片，在基底硅片上刻蚀长方形凹槽，其中，凹槽的长度大于l、宽度大于2w+d；
(3)将玻璃片a的背面和刻槽后的基底硅片进行阳极键合；
(4)使用高温炉加热步骤(3)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a形成半圆环柱形玻璃盖和半圆柱形空腔；
(5)使用选择性腐蚀剂腐蚀掉基底硅片，保留玻璃片结构；
(6)重复步骤(1)～(5)，在玻璃片b的相同位置上制作出两个相互平行、大小相同的MEMS螺线管电感，其中，MEMS螺线管电感的长为l、宽为w，两个MEMS螺线管电感的间距为d，并使玻璃片b形成同样的半圆环柱形玻璃盖和半圆柱形空腔；
(7)将步骤(1)中玻璃片a上的两个MEMS螺线管电感与步骤(6)中玻璃片b上的两个MEMS螺线管电感一一对齐，并将两个半圆环柱形玻璃盖对齐，对两个玻璃盖的端面进行键合，形成完整的圆环柱形的导流管和圆柱形空腔；
(8)采用电镀工艺将玻璃片a上的MEMS螺线管电感与玻璃片b上相应的MEMS螺线管电感相连，形成环绕在导流管外壁的发射线圈和接收线圈；
(9)分别沿着圆环柱形导流管的长度方向和横截面方向对玻璃片a和玻璃片b进行切除，保留圆环柱形导流管、圆柱形空腔、发射线圈和接收线圈，使圆环柱形导流管沿长度方向的两端露出；在进行测量时，将电导率传感器浸入海水中，海水可从圆环柱形导流管的两端流入圆柱形空腔内，该圆柱形空腔即为电导率传感器的电导池。
作为本发明的进一步优化方案，所述玻璃片a、玻璃片b和基底硅片的热膨胀系数相同。
作为本发明的进一步优化方案，步骤(1)中在玻璃片a的正面制作两个相互平行、大小相同的MEMS螺线管电感，具体为：
A.在玻璃片的正面淀积一层铬作为电镀种子层，然后淀积一层二氧化硅作为钝化层，再在二氧化硅上淀积一层钛/铜/钛作为牺牲层，刻蚀二氧化硅和钛/铜/钛，露出电感的下电极的位置，形成覆盖三层基底层的玻璃片a；
B.旋涂一层SU-8胶，SU-8胶的厚度用于定义电感的高度，针对电感的连接柱区域进行大剂量曝光，针对电感的上横梁区域进行小剂量曝光；
C.光刻SU-8胶，形成两组门形结构，在SU-8门形结构表面和基底层表面溅射铬/金种子层；
D.电镀铜/金层，并将钛/铜/钛移除，铜/金层将覆盖SU-8门形结构和下电极区域，形成螺线管电感，螺线管电感的每一个上横梁分别连接两个连接柱，这两个连接柱分别与两个下电极的一端相连，形成立体交叉螺旋的结构；
E.移除二氧化硅层和未被电感覆盖的铬层，将两组电感相互孤立出来，完成螺线管电感的制作。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明提供的一种基于MEMS技术的感应式电导率传感器，具有体积小、功耗低、成本低、可大批量生产、抗污染能力高，耐腐蚀性强，通用性强，可靠性高等优点，适用于海水等高浓度水体的电导率测量。
附图说明
图1为MEMS感应式电导率传感器的结构示意图。
图2为覆盖了铬、二氧化硅、钛/铜/钛的玻璃片a的A-A剖面图。
图3为覆盖了SU-8胶并曝光的玻璃片a的A-A剖面图。
图4为光刻SU-8胶并溅射铬/金种子层的玻璃片a的A-A剖面图。
图5为电镀铜/金层并移除钛/铜/钛层的玻璃片a的A-A剖面图。
图6为移除铬和二氧化硅层的玻璃片a的A-A剖面图。
图7为图6所示玻璃片a的俯视图。
图8为刻蚀凹槽的基底硅片a的B-B剖面图。
图9为玻璃片a和基底硅片a阳极键合后的B-B剖面图。
图10为玻璃片a和基底硅片a高温加温后的B-B剖面图。
图11为玻璃片a和玻璃片b键合后的MEMS感应式电导率传感器B-B剖面图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
一种MEMS感应式电导率传感器的结构，如图1所示，包括一个导流管1、一个电导池2和两个MEMS螺线管电感3、4。所述导流管1呈圆环柱形，其内部供液体流通的圆柱形空腔即为电导池2；所述两个MEMS螺线管电感3、4呈环形环绕在导流管外壁，分别为发射线圈和接收线圈，用于施加激励和接收响应；发射线圈和接收线圈相互平行并间隔一段距离；两个螺线管3、4分别通过连接引线与外界测试电路相连。
其中，导流管1为玻璃材料通过正压热成型工艺制成，MEMS螺线管电感3、4为SU-8胶外覆铜/金材料制成。
本发明中还提供一种上述基于MEMS技术的感应式电导率传感器的制造方法，包括以下步骤：
(1)在玻璃片a的正面制作两个相互平行、大小相同(长为l，宽为w)的MEMS螺线管电感3a、4a，且两个螺线管电感3a、4a之间间隔一段距离d，具体步骤为：
A.在玻璃片a的正面淀积一层铬5a作为电镀种子层，然后淀积一层二氧化硅6a作为钝化层，在二氧化硅6a上淀积一层钛/铜/钛7a作为牺牲层，刻蚀二氧化硅6a和钛/铜/钛7a，露出电感的下电极的位置，如图2所示，形成覆盖三层基底层的玻璃片a；
B.如图3所示，旋涂一层SU-8胶8a，SU-8胶8a的厚度用于定义电感的高度，针对电感的连接柱区域301a、401a进行大剂量曝光，针对电感的上横梁区域302a、402a进行小剂量曝光；
C.如图4所示，光刻SU-8胶8a，形成两组门形结构，在SU-8门形结构表面和基底层表面溅射铬/金9a种子层；
D.如图5所示，电镀铜/金层10a并将钛/铜/钛7a移除，铜/金层10a将覆盖SU-8门形结构和下电极区域，形成螺线管电感，螺线管电感的每一个上横梁分别连接两个连接柱，这两个连接柱分别与两个下电极的一端相连，形成立体交叉螺旋的结构；
E.如图6所示，移除二氧化硅层6a和未被电感覆盖的铬层5a，将两组电感3a、4a相互孤立出来，完成螺线管电感的制作；如图7所示为玻璃片a的俯视图，两组电感3a、4a相互平行，大小相等，长为l，宽为w，两组电感之间的间距为d；
(2)如图8所示，选用与玻璃片a尺寸一致的基底硅片11a，在基底硅片上刻蚀长方形凹槽12a，凹槽的长度大于l，宽度大于2w+d；(一般来说，选取凹槽的长度略大于l、宽度略大于2w+d，以方便在后续的步骤(8)采用电镀工艺将两个螺线管电感相连，且连接后的电感性能更好)；
(3)如图9所示，将玻璃片a的背面和刻槽后的基底硅片11a进行阳极键合，玻璃片a和基底硅片11a的热膨胀系数相同；
(4)如图10所示，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12a内的气体被加热产生压力发生膨胀，使玻璃片a形成半圆环柱形玻璃盖1a和半圆柱形空腔2a；
(5)使用选择性腐蚀剂腐蚀掉基底硅片11a，保留玻璃片结构；
(6)重复步骤(1)～(5)，在另一片玻璃片b的相同位置上制造出大小相同(长为l，宽为w，间距为d)的两个MEMS螺线管电感，并使玻璃片b形成同样的半圆环柱形玻璃盖1b和半圆柱形空腔2b；
(7)如图11所示，将步骤(1)中的两个螺线管电感与步骤(6)中的两个螺线管电感一一对齐，同时将两个半圆环柱形玻璃盖1a、1b对齐，对玻璃盖1a、1b的端面进行键合，形成完整的圆环形导流管1和圆柱形空腔2；
(8)使用电镀工艺，将玻璃片a上的螺线管电感与玻璃片b上相对应的螺线管电感相连，形成环绕在导流管外壁的发射线圈3和接收线圈4；
(9)分别沿着圆环柱形导流管的长度方向和横截面方向对玻璃片a和玻璃片b进行切除，保留圆环柱形导流管1、圆柱形空腔2、发射线圈3和接收线圈4，使圆环柱形导流管1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，海水可从圆环柱形导流管1的两端流入圆柱形空腔2内，该圆柱形空腔2即为电导率传感器的电导池。
通过本发明提供的一种基于MEMS技术的感应式低电导率传感器，克服了传统机械加工技术的不足，采用MEMS加工技术制造电导率传感器，具有体积小、功耗低、成本低、可大批量生产、抗污染能力高，耐腐蚀性强，通用性强，可靠性高等优点，适用于海水等高浓度水体的电导率测量。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种基于MEMS技术的感应式电导率传感器的制造方法，所述感应式电导率传感器包括一个导流管、一个电导池和两个环绕在导流管外壁的MEMS螺线管电感，其中，所述导流管呈圆环柱形，其内部供液体流通的圆柱形空腔即为电导池；两个所述MEMS螺线管电感分别为发射线圈和接收线圈，用于施加激励和接收响应，发射线圈和接收线圈相互平行且两者之间存在间隔；两个所述MEMS螺线管电感分别通过连接引线与外界测试电路相连，其特征在于，该制造方法包括以下步骤：
(1)在玻璃片a的正面制作两个相互平行、大小相同的MEMS螺线管电感，其中，MEMS螺线管电感的长为l，宽为w，且两个MEMS螺线管电感之间间隔一段距离d；
(2)选用与玻璃片a尺寸一致的基底硅片，在基底硅片上刻蚀长方形凹槽，其中，长方形凹槽的长度大于l、宽度大于2w+d；
(3)将玻璃片a的背面和刻槽后的基底硅片进行阳极键合；
(4)使用高温炉加热步骤(3)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a形成半圆环柱形玻璃盖和半圆柱形空腔；
(5)使用选择性腐蚀剂腐蚀掉基底硅片，保留玻璃片a结构；
(6)重复步骤(1)～(5)，在玻璃片b的相同位置上制作出两个相互平行、大小相同的MEMS螺线管电感，其中，MEMS螺线管电感的长为l、宽为w，两个MEMS螺线管电感的间距为d，并使玻璃片b形成同样的半圆环柱形玻璃盖和半圆柱形空腔；
(7)将步骤(1)中玻璃片a上的两个MEMS螺线管电感与步骤(6)中玻璃片b上的两个MEMS螺线管电感一一对齐，并将两个半圆环柱形玻璃盖对齐，对两个半圆环柱形玻璃盖的端面进行键合，形成完整的圆环柱形的导流管和圆柱形空腔；
(8)采用电镀工艺将玻璃片a上的MEMS螺线管电感与玻璃片b上相应的MEMS螺线管电感相连，形成环绕在导流管外壁的发射线圈和接收线圈；
(9)分别沿着圆环柱形导流管的长度方向和横截面方向对玻璃片a和玻璃片b进行切除，保留圆环柱形导流管、圆柱形空腔、发射线圈和接收线圈，使圆环柱形导流管沿长度方向的两端露出；在进行测量时，将电导率传感器浸入海水中，海水可从圆环柱形导流管的两端流入圆柱形空腔内，该圆柱形空腔即为电导率传感器的电导池。
2.根据权利要求1所述的一种基于MEMS技术的感应式电导率传感器的制造方法，其特征在于，所述玻璃片a、玻璃片b和基底硅片的热膨胀系数相同。
3.根据权利要求1所述的一种基于MEMS技术的感应式电导率传感器的制造方法，其特征在于，步骤(1)中在玻璃片a的正面制作两个相互平行、大小相同的MEMS螺线管电感，具体为：
A.在玻璃片a的正面淀积一层铬作为电镀种子层，然后淀积一层二氧化硅作为钝化层，再在二氧化硅上淀积一层钛/铜/钛作为牺牲层，刻蚀二氧化硅和钛/铜/钛，露出电感的下电极的位置，形成覆盖三层基底层的玻璃片；
B.旋涂一层SU-8胶，SU-8胶的厚度用于定义电感的高度，针对电感的连接柱区域进行大剂量曝光，针对电感的上横梁区域进行小剂量曝光；
C.光刻SU-8胶，形成两组门形结构，在SU-8门形结构表面和基底层表面溅射铬/金种子层；
D.电镀铜/金层，并将钛/铜/钛移除，铜/金层将覆盖SU-8门形结构和下电极区域，形成MEMS螺线管电感，MEMS螺线管电感的每一个上横梁分别连接两个连接柱，这两个连接柱分别与两个下电极的一端相连，形成立体交叉螺旋的结构；
E.移除二氧化硅层和未被电感覆盖的铬层，将两组电感相互孤立出来，完成MEMS螺线管电感的制作。
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