CN109342836A - 基于压电压阻式宽频高场强微型电场传感器的生产工艺 - Google Patents

Abstract

一种基于压电压阻式宽频高场强微型电场传感器的生产工艺，包括硅基晶片加工步骤、玻璃加工步骤、组合装配步骤。其有益效果是：采用微加工技术，可以实现电场传感器的小体积复杂结构，进而减小传感器本身对外电场的畸变影响；本发明对于传感器不同界面采用不同键合方式，对于不同结构采用针对性的微加工工艺，对于不同加工步骤采用可兼容的加工流程，有利于提高传感器的可靠性与实用性。

Description

基于压电压阻式宽频高场强微型电场传感器的生产工艺

技术领域

本发明涉及传感器微加工领域，特别是一种横向-纵向模态的基于压电压阻耦合效应的宽频高场强电场传感器的微加工生产工艺。

背景技术

近些年来，电力系统输电线及电气设备对电压的实时监测提出了广泛需求。传统型式的电压互感器体积大、成本高，无法满足广域范围内传感器节点密布的需求，使得电力网络内广域数据的获取受到阻碍。相比之下，集成化电场传感器为非接触式电压测量器件，具有体积小、成本低、精度高等优点，同时可以避免电力系统一二次系统的耦合。目前的集成化电场传感器主要采用光电效应、压电效应、电磁感应等原理。

压电材料具有温度稳定性高、电场响应范围广等特点，结合半导体压阻材料的高灵敏度线性I-V特性，将其应用于电场传感器件中不仅能减小体积、降低成本，且具有高灵敏度、宽测量频带及高电场幅值等优点，适用于各种气候环境及稳态、故障电场环境。由于这一压电压阻耦合的原理设计适用于稳态交直流电场、暂态电场等多种形态的电场环境，因此除了电力系统，该电场传感器也适用于军事雷达、工业生产及家用电器等多种场合，成为监测环境中电场电压数据的重要来源。

本发明针对T-L模态的基于压电压阻耦合原理的电场传感器进行工艺设计。该压电压阻式T-L模态电场传感器的结构，包括块状压电材料，离子掺杂区，半导体薄膜，中间夹层，空腔，衬底。

该传感结构相对复杂，存在薄膜与块状体特殊界面耦合问题、压电材料极化问题、工艺不兼容问题等，在器件体积小、精度高、结构稳定的要求下，一般的加工工艺流程无法满足，所以需要利用微加工工艺，设计专门的加工流程对器件进行加工。

发明内容

本发明的目的是：提供一种压电压阻式T-L模态电场传感器的加工方法，即采用微加工工艺，利用绝缘体上硅(SOI)、玻璃等材料加工成为电场传感器，提供一种工艺可靠、简单的压电压阻式T-L模态电场传感器的加工工艺流程。工艺采用了微加工技术中光刻、腐蚀、沉积等多种技术，将不同技术的优点相结合，适合于加工有复杂结构的微型器件。

为了实现上述发明目的，设计了一种基于压电压阻式宽频高场强微型电场传感器的生产工艺。具体设计方案为：

一种基于压电压阻式宽频高场强微型电场传感器的生产工艺，包括硅基晶片加工步骤、玻璃加工步骤、组合装配步骤，

所述硅基晶片加工步骤中，包括刻蚀对准标记步骤、离子注入及激活步骤、腐蚀体硅步骤、释放欧姆接触区及薄膜表面步骤、蒸发电极步骤、暴露打线区域步骤，

所述玻璃加工步骤中，包括玻璃刻槽步骤、玻璃蒸发电极步骤、打线区域加厚步骤、玻璃穿孔步骤，

所述组合装配步骤包括阳极键合步骤、装配步骤、打线步骤。

所述硅基晶片加工步骤中，

刻蚀对准标记步骤中：利用光刻技术在硅基材料表面刻蚀对准标记；

离子注入及激活步骤中：一定温度及气分环境下，选定合适的掺杂能量及掺杂剂量，使掺杂离子(如P型掺杂离子B+)轰击SOI器件硅实现半导体硅薄膜图形化的压阻部分掺杂，然后经过高温退火以激活离子掺杂区；

腐蚀体硅步骤中：以二氧化硅作硬掩模湿法腐蚀体硅，暴露部分埋氧层，形成可自由振动的薄膜区域；

释放欧姆接触区及薄膜表面步骤中：刻蚀器件硅表面氧化硅，暴露出压阻掺杂欧姆接触区域以及自由振动薄膜区域；

蒸发电极步骤中：在器件硅表面图形化金属电极，构成惠斯通桥的电路连接；

暴露打线区域步骤中：刻蚀体硅及器件硅，暴露中间夹层玻璃上的金属打线区域，方便后期打线。

所述玻璃加工步骤中，

玻璃刻槽步骤中：在中间夹层玻璃表面湿法刻蚀浅槽；

玻璃蒸发电极步骤中：在中间夹层玻璃表面的浅槽内图形化蒸发金属电极，实现器件硅上电极的引出；

打线区域加厚步骤中：沉积金属，加厚中间夹层玻璃上的金属打线区域；

玻璃穿孔步骤中：利用喷砂刻蚀或激光刻蚀方式在中间夹层玻璃上图形化穿孔。

所述组合装配步骤中，

阳极键合步骤中：利用阳极键合方式，将中间夹层玻璃上表面与SOI的器件硅表面键合；

装配步骤中：将切割成型的合适尺寸的块状压电晶体装入中间夹层玻璃的穿孔中，并将衬底玻璃键合至中间夹层玻璃上；

打线步骤中：从金属打线区域上引出金属线。

通过本发明的上述技术方案得到的基于压电压阻式宽频高场强微型电场传感器的生产工艺，其有益效果是：

采用微加工技术，可以实现电场传感器的小体积复杂结构，进而减小传感器本身对外电场的畸变影响；本发明对于传感器不同界面采用不同键合方式，对于不同结构采用针对性的微加工工艺，对于不同加工步骤采用可兼容的加工流程，有利于提高传感器的可靠性与实用性。

附图说明

图1是本发明所述基于压电压阻式宽频高场强微型电场传感器的生产工艺的流程示意图；

图2是本发明所述SOI材料结构示意图

图3是本发明所述离子注入及激活步骤的结构示意图；

图4是本发明所述腐蚀体硅步骤的结构示意图；

图5是本发明所述释放欧姆接触区及薄膜表面步骤的结构示意图；

图6是本发明所述蒸发电极步骤的结构示意图；

图7是本发明所述暴露打线区域步骤的结构示意图；

图8是本发明所述玻璃刻槽步骤的结构示意图；

图9是本发明所述玻璃蒸发电极步骤的结构示意图；

图10是本发明所述打线区域加厚步骤的结构示意图；

图11是本发明所述玻璃穿孔步骤的结构示意图；

图12是本发明所述阳极键合步骤的结构示意图；

图13是本发明所述装配步骤的结构示意图；

图14是本发明所述打线步骤的结构示意图；

图15是利用本发明制作的基于压电压阻式宽频高场强微型电场传感器的结构示意图；

图中，1、块状压电材料；2、离子掺杂区；3、玻璃；4、中间夹层；5、空腔；6、衬底；7、体硅；8、器件硅；9、薄膜暴露区域及压阻掺杂欧姆接触区域；10、金属电极。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行具体描述。

一种基于压电压阻式宽频高场强微型电场传感器的生产工艺，包括硅基晶片加工步骤、玻璃加工步骤、组合装配步骤，

所述硅基晶片加工步骤中，包括刻蚀对准标记步骤、离子注入及激活步骤、腐蚀体硅7步骤、释放欧姆接触区及薄膜表面步骤、蒸发电极步骤、暴露打线区域步骤，

所述玻璃加工步骤中，包括玻璃刻槽步骤、玻璃蒸发电极步骤、打线区域加厚步骤、玻璃穿孔步骤，

所述组合装配步骤包括阳极键合步骤、装配步骤、打线步骤。

所述硅基晶片加工步骤中，

刻蚀对准标记步骤中：利用光刻技术在硅基材料表面刻蚀对准标记；

离子注入及激活步骤中：一定温度及气分环境下，选定合适的掺杂能量及掺杂剂量，使掺杂离子(如P型掺杂离子B+)轰击SOI器件硅8实现半导体硅7薄膜图形化的压阻部分掺杂，然后经过高温退火以激活离子掺杂区2；

腐蚀体硅步骤中：以二氧化硅作硬掩模湿法腐蚀体硅7，暴露部分埋氧层，形成可自由振动的薄膜区域；

释放欧姆接触区及薄膜表面步骤中：刻蚀器件硅8表面氧化硅，暴露出压阻掺杂欧姆接触区域以及可自由振动薄膜区域9；

蒸发电极步骤中：在器件硅8表面图形化金属电极10，构成惠斯通桥的电路连接；

暴露打线区域步骤中：刻蚀体硅7及器件硅8，暴露中间夹层玻璃上的金属打线区域，方便后期打线。

所述玻璃加工步骤中，

玻璃刻槽步骤中：在中间夹层玻璃3表面湿法刻蚀浅槽；

玻璃蒸发电极步骤中：在中间夹层玻璃3表面的浅槽内图形化蒸发金属电极10，实现器件硅8上电极的引出；

打线区域加厚步骤中：沉积金属，加厚中间夹层玻璃3上的金属打线区域；

玻璃穿孔步骤中：利用喷砂刻蚀或激光刻蚀方式在中间夹层玻璃3上图形化穿孔。

所述组合装配步骤中，

阳极键合步骤中：利用阳极键合方式，将中间夹层玻璃3上表面与SOI的器件硅8表面键合，中间夹层玻璃3上表面金属电极与SOI的器件硅8表面的金属电极应对准贴合；

装配步骤中：将切割成型的合适尺寸的块状压电材料1装入中间夹层玻璃3的穿孔中，并将衬底玻璃键合至中间夹层玻璃3上；

打线步骤中：从金属打线区域上引出金属线。

微加工工艺是对微小结构进行加工的一种工艺，通过减薄、刻蚀、溅射等技术将晶圆加工成器件。在传感器领域，微加工工艺已经在微型传感器的制备中得到了广泛应用，如超声传感器、压力传感器等。对于基于压电压阻耦合效应的宽频高场强电场传感器的新结构，需要设计合理的工艺流程、确定合理的加工方式，保证结构的可靠性和实用性。

本发明的加工工艺制成的传感器既可以在电场环境下对电场进行测量，又可以将电压直接加在压电材料两端对传感器性能进行测试。在实际的电场环境测量运用过程中，该器件本身可起到传感测量的作用，不需附加其余结构或模块；对于有特殊需求的测量场景，可相应调整或简化本发明提出的工艺流程。

此种方式加工出的电场传感器兼有电压测试和电场测试的功能。若仅考虑传感器的空间电场工作环境，则工艺流程中的暴露打线区域步骤、玻璃刻槽步骤、玻璃蒸发电极步骤、打线区域加厚步骤可以省略，并且，SOI与玻璃的键合工艺可进一步简化。

上述技术方案仅体现了本发明技术方案的优选技术方案，本技术领域的技术人员对其中某些部分所可能做出的一些变动均体现了本发明的原理，属于本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于压电压阻式宽频高场强微型电场传感器的生产工艺，包括硅基晶片加工步骤、玻璃加工步骤、组合装配步骤，其特征在于，

所述硅基晶片加工步骤中，包括刻蚀对准标记步骤、离子注入及激活步骤、腐蚀体硅步骤、释放欧姆接触区及薄膜表面步骤、蒸发电极步骤、暴露打线区域步骤，

所述玻璃加工步骤中，包括玻璃刻槽步骤、玻璃蒸发电极步骤、打线区域加厚步骤、玻璃穿孔步骤，

所述组合装配步骤中，包括阳极键合步骤、装配步骤、打线步骤。

2.根据权利要求1中所述的基于压电压阻式宽频高场强微型电场传感器的生产工艺，其特征在于，所述硅基晶片加工步骤中，

刻蚀对准标记步骤中：利用光刻技术在硅基材料表面刻蚀对准标记；

离子注入及激活步骤中：选定合适的掺杂能量及掺杂剂量，使掺杂离子轰击器件硅实现半导体硅薄膜图形化的压阻部分掺杂，然后经过高温退火以激活离子掺杂区；

腐蚀体硅步骤中：以二氧化硅作硬掩模湿法腐蚀体硅，暴露部分埋氧层，形成可自由振动的薄膜区域；

释放欧姆接触区及薄膜表面步骤中：刻蚀器件硅表面氧化硅，暴露出压阻掺杂欧姆接触区域以及自由振动薄膜区域；

蒸发电极步骤中：在器件硅表面图形化金属电极，构成惠斯通桥的电路连接；

暴露打线区域步骤中：刻蚀体硅及器件硅，暴露中间夹层玻璃上的金属打线区域，方便后期打线。

3.根据权利要求1中所述的基于压电压阻式宽频高场强微型电场传感器的生产工艺，其特征在于，所述玻璃加工步骤中，

玻璃刻槽步骤中：在中间夹层玻璃表面湿法刻蚀浅槽；

玻璃蒸发电极步骤中：在中间夹层玻璃表面的浅槽内图形化蒸发金属电极，实现器件硅上电极的引出；

打线区域加厚步骤中：沉积金属，加厚中间夹层玻璃上的金属打线区域；

玻璃穿孔步骤中：利用喷砂刻蚀或激光刻蚀方式在中间夹层玻璃上图形化穿孔。

4.根据权利要求1中所述的基于压电压阻式宽频高场强微型电场传感器的生产工艺，其特征在于，所述组合装配步骤中，

阳极键合步骤中：利用阳极键合方式，将中间夹层玻璃上表面与SOI的器件硅表面键合；

装配步骤中：将切割成型的合适尺寸的块状压电晶体装入中间夹层玻璃的穿孔中，并将衬底玻璃键合至中间夹层玻璃上；

打线步骤中：从金属打线区域上引出金属线。