CN112601354A - 一种嵌入式薄膜传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种嵌入式薄膜传感器，包括依次连接金属基底层、基底粘接层、绝缘层、上粘接层、种子层、封装层，传感器电路层嵌入在绝缘层中，传感器电路的焊盘裸露在外用于连接。本发明采用嵌入式结构使传感器得到完全的保护，满足更加恶劣条件下的使用；绝缘层复合结构既解决了单纯采用电子束蒸发淀积的氧化铝作为绝缘层不能实现绝缘功能的难题，同时解决了单纯采用等离子增强化学气相沉积工艺淀积的氮化硅在高温使用条件下易与金属基底发生反应而导致绝缘失败的难题，同时也解决了应对高温条件单纯采用原子层堆积淀积一定厚度绝缘层所花费的大量时间和成本问题，原子层淀积厚10‑500nm氧化铝属正常范围；防护层制作工艺简单、时间短、成本低、强度高。

Description

一种嵌入式薄膜传感器

技术领域

本发明涉及一种嵌入式薄膜传感器，主要应用于恶劣环境中，属于薄膜传感器技术领域。

背景技术

随着工业互联网及智能制造的产业升级，制造过程实时监控已经变得越来越重要，一方面不仅可以通过制造过程中关键工艺参数的获取来改进产品质量、提升生产效率，同时还可以提前发现问题并及时进行干预从而避免恶性事故的发生。作为获取关键工艺参数等数据的传感器扮演着十分重要的角色，然而传统传感器由于尺寸大，很难接近待测点，即便通过不同的安装方式接触待测点，对于原有物理场的破坏也很大，破坏了检测的真实性；同时由于传统传感器响应慢，有很大的滞后性，很难满足现场实时监测的需求。于是薄膜传感器应运而生，借助其尺寸小、响应快的特点，能够提供较高的空间分辨率和时间分辨率，使得现场的监控更真实、更及时。但是常规基于硅基底的薄膜传感器由于基底材料的脆性和不耐高温等缺点，很难应用到高温、高压、大应变以及腐蚀性的场合。

为了解决上述问题，基于金属基底的薄膜传感器被开发出来，为了应对外界环境中的刮擦、磨损等破坏，还需对传感器进行防护，通常的办法是采用物理气相沉积或化学气相沉积等工艺在传感器上淀积一层防护层。

然而基于工艺的限制，淀积的防护层很薄，并且防护层的材料种类有限，想要淀积具有一定厚度和足够强度的防护层需要花费大量的时间和成本。

扩散焊工艺（diffusion bonding）作为实现金属化封装的手段，由于需要将被焊接金属加热至其熔点60%-80%的温度，同时对封装部件施加压力实现二者表面的接触；为了减少氧化，还需要在真空环境中进行操作，并且工艺过程时间较长，带来了大量的时间消耗和成本；较高的温度有可能破坏或者降低传感器电路和金属基底的性能。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种将传感器嵌入到金属里面的结构及制作工艺，即实现了基于金属基底的薄膜传感器的绝缘，同时以较低的成本实现了传感器的有效防护，很好地应对各种恶劣条件。

为了实现上述技术目的，本发明采用的技术方案是：一种嵌入式薄膜传感器，包括依次连接金属基底层、基底粘接层、绝缘层、上粘接层、种子层、封装层，传感器电路层嵌入在绝缘层中，传感器电路层的焊盘裸露在外用于连接。

进一步的，所述基底粘接层为通过溅射工艺在金属基底上淀积一层5～50 nm的金属钛层，用于提高绝缘层与金属基底之间的粘接性。

进一步的，所述绝缘层为通过电子束蒸发工艺在基底粘接层上淀积的一层厚0.2～5 um 氧化铝第一绝缘层；

通过等离子增强化学气相淀积工艺在氧化铝第一绝缘层上淀积的一层厚0.5～5um 氮化硅第二绝缘层；

或者通过原子层堆积工艺在氧化铝第一绝缘层上淀积的一层厚10～500nm的氧化铝第二绝缘层；

通过电子束蒸发工艺在氮化硅第二绝缘层上或者氧化铝第二绝缘层上淀积一层厚0.2～5 um 的氧化铝第三绝缘层。

进一步的，所述传感器电路层嵌入在绝缘层中是指：通过光刻、溅射、剥离工艺在氧化铝第三绝缘层上淀积传感器电路层；

借助金属掩膜版，通过电子束蒸发工艺在除传感器电路焊盘外的区域上，淀积一层0.2～5 um 的氧化铝第四绝缘层。

更进一步的，所述氧化铝第四绝缘层上，借助金属掩膜版，通过等离子增强化学气相淀积工艺在氧化铝第四绝缘层上淀积一层0.5～5 um 的氮化硅第五绝缘层；或通过原子层堆积工艺在氧化铝第四绝缘层上淀积一层10～500 nm的氧化铝第五绝缘层。

更进一步的，所述氮化硅第五绝缘层或氧化铝第五绝缘层上，借助金属掩膜版，通过电子束蒸发工艺在氮化硅第五绝缘层或氧化铝第五绝缘层上淀积一层0.2～5 um 厚的氧化铝第六绝缘层。

进一步的，所述上粘接层为通过溅射工艺在氧化铝绝缘层上沉积的厚5～50 nm的钛金属层。

进一步的，所述种子层为通过溅射工艺在上粘接层上沉积的厚10～500 nm的镍金属层，镍金属层作为电镀工艺的种子层。

更进一步的，所述封装层为通过电镀工艺沉积的厚度1～5000 um金属层，完成传感器的嵌入式封装。

更进一步的，所述封装层为镍、铜、镍钴等可电镀金属的一种。

其制作方法，步骤如下：

将金属基底通过丙酮、异丙醇和去离子水清洗、氮气吹干完成基底准备；

通过溅射工艺在金属基底上淀积一层5～50 nm的金属钛层；

通过电子束蒸发工艺在金属钛层上淀积一层0.2～5 um的氧化铝绝缘层；

通过等离子增强化学气相淀积工艺在氧化铝绝缘层上淀积一层0.5～5um的氮化硅绝缘层；或者通过原子层堆积工艺在上步淀积的氧化铝绝缘层上淀积一层10～500nm的氧化铝绝缘层；

通过电子束蒸发工艺在氮化硅绝缘层上或者氧化铝绝缘层上淀积一层0.2～5um的氧化铝绝缘层；

通过光刻、溅射、剥离等工艺在氧化铝绝缘层上淀积传感器电路层；

借助金属掩膜版，通过电子束蒸发工艺在除传感器电路焊盘外的区域上，淀积一层0.2～5 um的氧化铝绝缘层；

借助金属掩膜版，通过等离子增强化学气相淀积工艺在氧化铝绝缘层上淀积一层0.5～5 um的氮化硅绝缘层；或者通过原子层堆积工艺在上步淀积的氧化铝绝缘层上淀积一层10～500 nm的氧化铝绝缘层，传感器电路的焊盘应该裸露出来，不被氮化硅/氧化铝绝缘层覆盖；

借助金属掩膜版，通过电子束蒸发工艺在氮化硅绝缘层/氧化铝绝缘层上淀积一层0.2～5 um的氧化铝绝缘层，传感器电路的焊盘应该裸露出来，不被氧化铝绝缘层覆盖；

通过溅射工艺在氧化铝绝缘层上先后沉积5～50nm的钛层和10～500nm的镍层,传感器电路的焊盘应该裸露出来，不被溅射金属层覆盖；

然后通过电镀工艺沉积厚1-5000 um 的金属层，完成传感器的嵌入式封装，传感器电路的焊盘应该裸露出来，不被电镀金属层覆盖。

本发明的有益技术效果是：嵌入式结构将传感器完全嵌入到金属里面，使得传感器得到完全的保护，可满足更加恶劣条件下的使用；绝缘层复合结构既解决了单纯采用电子束蒸发淀积的氧化铝作为绝缘层中易出现针孔而不能实现绝缘功能的难题，同时也解决了单纯采用等离子增强化学气相沉积工艺淀积的氮化硅在高温使用条件下易与金属基底发生反应而导致绝缘失败的难题，同时也解决了满足高温条件而单纯采用原子层堆积淀积一定厚度绝缘层所花费的大量时间和成本问题，本发明通过原子层堆积淀积氧化铝的厚度10-500nm属于正常范围；防护层的制作工艺简单、时间短、成本低、强度高。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明。

图1为本发明的结构示意图。

图中：1、金属基底层，2、基底粘接层，3、绝缘层，31、第一绝缘层，32、第二绝缘层，33、第三绝缘层，34、第四绝缘层，35、第五绝缘层，36、第六绝缘层，4、上粘接层，5、种子层，6、封装层，7、传感器电路层。

具体实施方式

实施例1

一种嵌入式薄膜传感器，包括依次连接金属基底层1、基底粘接层2、绝缘层3、上粘接层4、种子层5、封装层6，传感器电路层7嵌入在绝缘层3中，传感器电路层7的焊盘裸露在外用于连接。

实施例2

如图1所示，作为实施例1的一种具体设计，所述基底粘接层2为通过溅射工艺在金属基底上淀积一层5～50 nm的金属钛层，用于提高绝缘层3与金属基底之间的粘接性；金属铬也具有粘接性。

所述绝缘层3为通过电子束蒸发工艺在基底粘接层2上淀积的一层厚0.2～5 um氧化铝第一绝缘层31；

通过等离子增强化学气相淀积工艺在氧化铝第一绝缘层31上淀积的一层厚0.5～5 um 氮化硅第二绝缘层32；

或者通过原子层堆积工艺在氧化铝第一绝缘层上淀积的一层厚10～500nm的氧化铝第二绝缘层；

通过电子束蒸发工艺在氮化硅第二绝缘层32上或者氧化铝第二绝缘层上淀积一层厚0.2～5 um 的氧化铝第三绝缘层33。

所述传感器电路层7嵌入在绝缘层3中是指：通过光刻、溅射、剥离工艺在氧化铝第三绝缘层33上淀积传感器电路层；

借助金属掩膜版，通过电子束蒸发工艺在除传感器电路焊盘外的区域上，淀积一层0.2～5 um 的氧化铝第四绝缘层34。

所述氧化铝第四绝缘层34上，借助金属掩膜版，通过等离子增强化学气相淀积工艺在氧化铝第四绝缘层34上淀积一层1～5 um 的氮化硅第五绝缘层35；或通过原子层堆积工艺在氧化铝第四绝缘层34上淀积一层10～500 nm的氧化铝第五绝缘层。

所述氮化硅第五绝缘层35或氧化铝第五绝缘层上，借助金属掩膜版，通过电子束蒸发工艺在氮化硅第五绝缘层35或氧化铝第五绝缘层上淀积一层0.2～5 um 厚的氧化铝第六绝缘层36。

所述上粘接层4为通过溅射工艺在氧化铝第六绝缘层36上沉积的厚5～50 nm的钛金属层。

所述种子层5为通过溅射工艺在上粘接层上沉积的厚10～500 nm的镍金属层或铜金属层或镍钴金属层，作为电镀工艺的种子层。

所述封装层6为通过电镀工艺沉积的厚度1～5000 um金属层，完成传感器的嵌入式封装。

所述封装层6为通过电镀工艺沉积的厚度1～5000 um金属层，完成传感器的嵌入式封装。所述封装层为镍、铜、镍钴等可电镀金属的一种。

实施例3

作为实施例1、2的具体制作方法，步骤如下：

将金属基底通过清洗（丙酮、异丙醇和去离子水）、氮气吹干完成基底准备；

通过溅射工艺（sputtering）在金属基底上淀积一层5-50纳米（nm）的金属钛（Ti）层，用于提高后续绝缘层与金属基底之间的粘接性；

通过电子束蒸发工艺（E-beam evaporation）在金属钛（Ti）层上淀积一层0.2-5微米（um）的氧化铝（Al2O3）绝缘层；

通过等离子增强化学气相淀积工艺（PECVD）在氧化铝（Al2O3）绝缘层上淀积一层0.5-5微米（um）的氮化硅（Si3N4）绝缘层；或者通过原子层堆积工艺（ALD）在上步淀积的氧化铝（Al2O3）绝缘层上淀积一层10-500纳米（nm）的氧化铝（Al2O3）绝缘层；

通过电子束蒸发工艺（E-beam evaporation）在氮化硅（Si3N4）绝缘层上或者氧化铝（Al2O3）绝缘层上淀积一层0.2-5微米（um）的氧化铝（Al2O3）绝缘层；

通过光刻、溅射、剥离等工艺在氧化铝（Al2O3）绝缘层上淀积传感器电路层；

借助金属掩膜版，通过电子束蒸发工艺（E-beam evaporation）在除传感器电路焊盘外的区域上，淀积一层0.2-5微米（um）的氧化铝（Al2O3）绝缘层；

借助金属掩膜版，通过等离子增强化学气相淀积工艺（PECVD）在氧化铝（Al2O3）绝缘层上淀积一层0.5-5微米（um）的氮化硅（Si3N4）绝缘层；或者通过原子层堆积工艺（ALD）在上步淀积的氧化铝（Al2O3）绝缘层上淀积一层10-500纳米（nm）的氧化铝（Al2O3）绝缘层；（传感器电路的焊盘应该裸露出来，不被氮化硅/氧化铝绝缘层覆盖）

借助金属掩膜版，通过电子束蒸发工艺（E-beam evaporation）在氮化硅（Si3N4）绝缘层/氧化铝（Al2O3）绝缘层上淀积一层0.2-5微米（um）的氧化铝（Al2O3）绝缘层（传感器电路的焊盘应该裸露出来，不被氧化铝绝缘层覆盖）；

通过溅射（sputtering）工艺在氧化铝绝缘层上先后沉积5-50纳米（nm）的钛层（Ti）和10-500纳米（nm）的镍层（Ni）,其中钛层起到绝缘层与金属镍层（Ni）之间的粘结作用，镍层（Ni）是作为电镀工艺的种子层；（传感器电路的焊盘应该裸露出来，不被溅射金属层覆盖）；

然后通过电镀工艺沉积金属层，厚度：1-5000 um，完成传感器的嵌入式封装；传感器电路的焊盘应该裸露出来，不被电镀金属层覆盖。

本发明采用嵌入式结构，将传感器完全嵌入到金属里面，使得传感器得到完全的保护，可满足更加恶劣条件下的使用；绝缘层复合结构既解决了单纯采用电子束蒸发淀积的氧化铝作为绝缘层中易出现针孔而不能实现绝缘功能的难题，同时也解决了单纯采用等离子增强化学气相沉积工艺淀积的氮化硅在高温使用条件下易与金属基底发生反应而导致绝缘失败的难题，同时也解决了满足高温条件而单纯采用原子层堆积淀积一定厚度绝缘层所花费的大量时间和成本问题，本发明通过原子层堆积淀积氧化铝的厚度10-500nm属于正常范围；防护层的制作工艺简单、时间短、成本低、强度高。

上述实施例仅仅作为对本发明技术方案的解释，并不能作为对本发明技术方案的限制，凡是在本发明基础上的简单改进，均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种嵌入式薄膜传感器，其特征在于：包括依次连接金属基底层、基底粘接层、绝缘层、上粘接层、种子层、封装层，传感器电路层嵌入在绝缘层中，传感器电路的焊盘裸露在外用于连接。

2.根据权利要求1所述的嵌入式薄膜传感器，其特征在于：所述粘接层为通过溅射工艺在金属基底上淀积一层5～50 nm的金属钛层或金属铬层，用于提高绝缘层与金属基底之间的粘接性。

3.根据权利要求1所述的嵌入式薄膜传感器，其特征在于：所述绝缘层为通过电子束蒸发工艺在粘接层上淀积的一层厚0.2～5 um 氧化铝第一绝缘层；通过等离子增强化学气相淀积工艺在氧化铝第一绝缘层上淀积的一层厚0.5～5 um 氮化硅第二绝缘层；或者通过原子层堆积工艺在氧化铝第一绝缘层上淀积的一层厚10～500nm的氧化铝第二绝缘层；通过电子束蒸发工艺在氮化硅第二绝缘层上或者氧化铝第二绝缘层上淀积一层厚0.2～5 um的氧化铝第三绝缘层。

4.根据权利要求1所述的嵌入式薄膜传感器，其特征在于：所述传感器电路层嵌入在绝缘层中是指：通过光刻、溅射、剥离工艺在氧化铝第三绝缘层上淀积传感器电路层；借助金属掩膜版，通过电子束蒸发工艺在除传感器电路焊盘外的区域上，淀积一层0.2～5 um 的氧化铝第四绝缘层。

5.根据权利要求1所述的嵌入式薄膜传感器，其特征在于：所述氧化铝第四绝缘层上，借助金属掩膜版，通过等离子增强化学气相淀积工艺在氧化铝第四绝缘层上淀积一层0.5～5 um 的氮化硅第五绝缘层；或通过原子层堆积工艺在氧化铝第四绝缘层上淀积一层10～500 nm的氧化铝第五绝缘层。

6.根据权利要求1所述的嵌入式薄膜传感器，其特征在于：所述氮化硅第五绝缘层或氧化铝第五绝缘层上，借助金属掩膜版，通过电子束蒸发工艺在氮化硅第五绝缘层或氧化铝第五绝缘层上淀积一层0.2～5 um 厚的氧化铝第六绝缘层。

7.根据权利要求1所述的嵌入式薄膜传感器，其特征在于：所述上粘接层为通过溅射工艺在氧化铝绝缘层上沉积的厚5～50 nm的金属钛层或金属铬层。

8.根据权利要求1所述的嵌入式薄膜传感器，其特征在于：所述种子层为通过溅射工艺在上粘接层上沉积的厚10～500 nm的镍金属层或铜金属层或镍钴金属层，作为电镀工艺的种子层。

9.根据权利要求1所述的嵌入式薄膜传感器，其特征在于：所述封装层为通过电镀工艺沉积的厚度1～5000 um金属层，完成传感器的嵌入式封装。

10.根据权利要求9所述的嵌入式薄膜传感器，其特征在于：所述封装层为电镀金属的一种，包括镍、铜、镍钴。

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