本發(fā)明屬于微電子機(jī)械技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種微慣性傳感器，具體涉及一種基于柔性材料的mems加速度傳感器的設(shè)計(jì)及其制作方法。

背景技術(shù)：

近年來微機(jī)械慣性傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣，市場也越來越大，許多智能化的檢測設(shè)備已經(jīng)大量地采用了各種各樣的傳感器，比如在生物醫(yī)學(xué)檢測、智能機(jī)器人、可穿戴設(shè)備、柔性顯示等領(lǐng)域傳感器就得到了廣泛的應(yīng)用，而這些領(lǐng)域往往需要傳感器具有可彎曲、可拉伸的特點(diǎn)，能夠滿足貼附在各種不規(guī)則的表面上的需求。隨著柔性基質(zhì)材料的發(fā)展，滿足上述各類趨勢、特點(diǎn)的柔性傳感器在此基礎(chǔ)上應(yīng)運(yùn)而生。

傳統(tǒng)的mems加速度傳感器一般都制作在硅片上，應(yīng)用在手機(jī)、手環(huán)等設(shè)備中，通過外接的電路來檢測加速度信號，應(yīng)用受到限制。新型的基于柔性材料的mems加速度傳感器可以通過ic工藝與檢測電路集成在一起，制作在柔性材料上，可直接穿戴在身上或貼在皮膚上單獨(dú)工作，這樣就打破了應(yīng)用設(shè)備的限制，給人們提供更多便利。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于柔性材料的mems加速度傳感器及其制作方法，該mems加速度傳感器的工作原理是熱對流原理，制作在柔性材料聚酰亞胺基底上，使用溫度敏感性較好的材料——鉑來制作傳感器的核心部分——溫度敏感電阻；用導(dǎo)電性能較好的材料——金來制作傳遞信號用的互連線；最后使用bcb鍵合膠對玻璃蓋板和基底進(jìn)行鍵合，來形成一個(gè)密閉的空腔，避免外界空氣對傳感器產(chǎn)生不利影響。本發(fā)明所涉及的mems熱對流加速度傳感器使用表面微加工工藝來進(jìn)行加工制作，所使用的柔性材料聚酰亞胺是綜合性能最好的有機(jī)高分子材料之一，不僅機(jī)械強(qiáng)度高而且隔熱絕緣，且化學(xué)性能穩(wěn)定，是制作柔性傳感器的理想材料。

本發(fā)明提供的mems熱對流加速度傳感器包括柔性材料聚酰亞胺膜、制作在聚酰亞胺膜上的鉑電阻、制作在聚酰亞胺膜上且與鉑電阻相連接用以接入接出信號的金互連線、制作在已做好結(jié)構(gòu)一面的最外層氮化硅保護(hù)層、與基底鍵合在一起的玻璃蓋板。

所述的聚酰亞胺薄膜制作于第一基板硅片上，厚度2～200微米。

所述的鉑電阻均為“s”形布置，一共三部分，包括一個(gè)加熱電阻和兩個(gè)傳感電阻。加熱電阻長度20～6000微米，寬度1～100微米，厚度0.1～10微米；傳感電阻長度20～6000微米，寬度1～100微米，厚度0.1～10微米，且兩個(gè)傳感電阻長度、寬度、厚度和形狀均相同，對稱放置于加熱電阻的兩邊。所述的金互連線主體部分寬度100～2000微米，厚度1～10微米。

所述的氮化硅保護(hù)層厚度0.3～3微米，在金互連線的端點(diǎn)處有邊長為100～2000微米的正方形開孔，作為鍵合區(qū)，用以封裝時(shí)接引線。

所述的玻璃蓋板通過bcb鍵合膠與柔性基底鍵合在一起，形成密閉空腔。

制作該mems加速度傳感器的具體步驟是：

步驟1、在第一基板硅片的拋光面上形成聚酰亞胺薄膜；

步驟2、在聚酰亞胺膜上形成鉑電阻；

步驟3、在聚酰亞胺膜上形成金互連線；

步驟4、在已做好結(jié)構(gòu)的一面整片形成氮化硅薄膜；步驟5、刻蝕氮化硅薄膜，在所述金互連線端點(diǎn)處形成鍵合區(qū)；

步驟6、使用bcb鍵合技術(shù)把玻璃蓋板和硅片鍵合在一起形成密閉空腔；

步驟7、劃片后去掉第一基板，傳感器制作完成。

綜上所述，根據(jù)本發(fā)明方法可以實(shí)現(xiàn)由柔性材料聚酰亞胺膜、制作在聚酰亞胺膜上的鉑電阻、制作在聚酰亞胺膜上的與鉑電阻相連接的金互連線、制作在整個(gè)芯片上的最外層氮化硅薄膜、與柔性基底通過bcb鍵合膠鍵合在一起的玻璃蓋板組成的基于柔性材料的mems加速度傳感器。加熱電阻和傳感電阻材料均為鉑，且都制作在柔性基底聚酰亞胺膜上，加熱電阻和傳感電阻組成核心作用部件，兩個(gè)傳感電阻完全相同，對稱放置在加熱電阻兩邊。

本發(fā)明所涉及的mems熱對流加速度傳感器在所述的第一基板上制作了一層柔性材基底——聚酰亞胺膜來防止熱量散失，保證熱氣團(tuán)更好地發(fā)揮作用和降低功耗，并且聚酰亞胺膜也可以防止鉑電阻漏電，同時(shí)也使此加速度傳感器作為柔性器件來實(shí)現(xiàn)更多應(yīng)用。本發(fā)明所涉及的mems熱對流加速度傳感器沒有在硅片上開孔形成空腔結(jié)構(gòu)，而是通過bcb鍵合膠把玻璃蓋板和硅片鍵合來形成密閉空腔，這種設(shè)計(jì)使工藝過程變得簡單而且制作出來的傳感器結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，可靠性高，性能也更好，更重要的是，這種設(shè)計(jì)打破了傳統(tǒng)傳感器制作在剛性基底上的限制，對新型柔性傳感器的發(fā)展起了推動(dòng)作用。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2（a）-2（h）為本發(fā)明的制作工藝流程示意圖；

其中各附圖標(biāo)記說明如下：

1代表硅片；

2代表聚酰亞胺；

3代表鉑加熱電阻；

4代表鉑傳感電阻；

5代表金互連線；

6代表氮化硅；

7代表刻蝕氮化硅形成的鍵合區(qū)；

8代表bcb鍵合膠；

9代表玻璃蓋板。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合實(shí)施例和附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步說明，但本發(fā)明決非僅限于所介紹的實(shí)施例。

本發(fā)明的實(shí)施例涉及一種基于柔性材料的mems加速度傳感器，如圖1所示，在第一基板上制作一層聚酰亞胺膜；在聚酰亞胺膜上制作鉑電阻，傳感器核心部分的兩個(gè)完全相同的傳感電阻對稱放置在加熱電阻兩邊；互連線連接在各電阻的端點(diǎn)處；使用bcb鍵合技術(shù)把玻璃蓋板和柔性基底鍵合在一起；在最外層淀積一層氮化硅保護(hù)層防止外界灰塵或顆粒物對器件造成污染。

本實(shí)施例涉及的基于柔性材料的mems加速度傳感器的制作方法，參考圖2（a）-2（h）的工藝流程圖來進(jìn)行說明，主要包括以下工藝步驟：

a、選用單拋的低阻硅片作為第一基板1，在硅片的拋光面形成聚酰亞胺膜2，并亞胺化。

b、結(jié)合掩膜版（mask1），用光刻膠作為掩膜，曝光、顯影后使用磁控濺射機(jī)濺射鉑，濺射鉑之前先濺射一層20～500納米的鉻（或鈦）來增加鉑和基底的粘附性，然后用剝離工藝將不需要的鉻鉑（或鈦鉑）去除，形成鉑電阻3和4。

c、用磁控濺射機(jī)在上述已做了結(jié)構(gòu)的一面整片濺射一層20～500納米的鉻（或鈦），再在鉻上濺射一層20～500納米的金，然后結(jié)合掩膜版（mask2），用光刻膠作為掩膜，曝光、顯影后放入電鍍液中通電，進(jìn)行金的電鍍，到達(dá)需要的厚度之后，去膠，然后用ibe刻蝕機(jī)整片刻蝕掉一層40～1000納米厚度的金屬層，形成金互連線5。

d、用pecvd在上述已做了結(jié)構(gòu)的一面整片沉積氮化硅，形成保護(hù)層6。

e、結(jié)合掩膜版（mask3），用光刻膠作為掩膜，曝光、顯影后使用rie離子刻蝕進(jìn)行氮化硅的刻蝕，去膠后在金互連線端點(diǎn)處形成引線區(qū)7。

f、在上述已做了結(jié)構(gòu)的一面整片涂覆光敏性的bcb鍵合膠，然后結(jié)合掩膜版（mask4）曝光、顯影，形成圖形化了的bcb鍵合膠8。

g、玻璃蓋板9與器件通過bcb鍵合膠8鍵合在一起，并進(jìn)行bcb膠的固化。

h、劃片完成后去掉第一基板硅片，器件完成。

由以上工藝步驟制作出本發(fā)明涉及的基于柔性材料的mems加速度傳感器。結(jié)合圖1的整體結(jié)構(gòu)示意圖對本發(fā)明的原理進(jìn)行說明。

加熱電阻通過外部電路的控制來對密閉空腔內(nèi)的空氣進(jìn)行加熱，傳感電阻的作用是檢測加熱電阻兩邊的溫度場的變化，在沒有加速度的情況下，溫度場恒定，腔內(nèi)空氣進(jìn)行自然對流換熱，對稱放置在加熱電阻兩邊的傳感電阻感知到的溫度場是相同的，相應(yīng)的電阻值也相等，再通過連接外部電路，兩邊輸出的電壓值相同，外部檢測電路的差分放大器輸出為0；當(dāng)對傳感器施加一個(gè)如圖1所示某一敏感方向的加速度時(shí)，溫度場的平衡狀態(tài)被打破，溫度場的改變將使放置于加熱電阻兩邊的傳感電阻的電阻值大小發(fā)生改變，這樣通過外接檢測電路就可測量出一個(gè)差分信號，進(jìn)而測出加速度。由于材料的溫度敏感性很強(qiáng)，本發(fā)明涉及的基于柔性材料的mems熱對流加速度傳感器精度高，性能好。同時(shí)本發(fā)明涉及的基于柔性材料的mems加速度傳感器所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)合理，所選材料性能好，因此制作出的傳感器可靠性好，強(qiáng)度高，且制作工藝簡單，成品率高，可滿足大批量生產(chǎn)。