本發(fā)明屬于電子元器件，特別是涉及一種基于聚合物鍵合技術(shù)的電容式微流體壓力傳感器及其制造方法。

背景技術(shù)：

1、近年來，微流體器件在微泵、微換熱器、微反應(yīng)器等多個領(lǐng)域取得快速發(fā)展。而壓力監(jiān)測對于微流體器件的設(shè)計，微流體器件工作狀態(tài)的控制以及微流動規(guī)律的研究都起著至關(guān)重要的作用。傳統(tǒng)的壓力表體積龐大，往往不能與微通道集成，只能通過導(dǎo)管引流，實現(xiàn)對微通道的壓力測量。在這一過程中，很容易出現(xiàn)壓力的損耗。而且在測量微通道沿程壓力時，還需要對微通道壁面打孔，接入導(dǎo)管，這更是進一步破壞了微通道的初始形貌。為實現(xiàn)對微通道內(nèi)流體壓力的精準測量，最好的辦法是將壓力傳感器布置在微通道內(nèi)壁面，對微流體進行原位測量，且要對微通道的初始形貌影響較小。

2、電容式壓力傳感器往往包括一個可動電極，一個固定電極，兩個電極形成電容?？蓜与姌O內(nèi)置在壓力感應(yīng)膜片中。壓力感應(yīng)膜片兩側(cè)的壓力差，使其產(chǎn)生形變，可動電極也隨之發(fā)生形變。此時，兩個電極之間的距離發(fā)生變化，電容式壓力傳感器的電容值也發(fā)生了變化，壓力信號被轉(zhuǎn)換為電容信號。

3、而對于電容式壓力傳感器的制造，傳統(tǒng)方法往往需要一個晶圓表面刻蝕出凹槽，形成兩個電極間的間隙，然后使用諸如硅對硅鍵合和陽極鍵合等技術(shù)將其粘合到另一個晶圓上。這些步驟對刻蝕的垂直度、深度、平整度要求較高，而且鍵合過程需要高溫以及對鍵合面的繁瑣預(yù)處理。與硅硅鍵合和陽極鍵合相比，聚合物鍵合對鍵合表面和溫度的要求較低，并且不需要施加電壓。聚合物鍵合是通過在鍵合表面，涂敷一層均勻的聚合物，在一定溫度與壓力作用下，來促進兩個鍵合面的鍵合?，F(xiàn)有電容式壓力傳感器的鍵合過程中，流體微通道凹槽部分無法被施加壓力，進而流體微通道凹槽的底面與下層晶圓的鍵合效果不好，所制備的微流體壓力傳感器性能不穩(wěn)定。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供一種基于聚合物鍵合技術(shù)的電容式微流體壓力傳感器及其制造方法，以解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種基于聚合物鍵合技術(shù)的電容式微流體壓力傳感器，包括通過聚合物粘接層依次連接的上層結(jié)構(gòu)、中間層結(jié)構(gòu)和下層結(jié)構(gòu)；所述上層結(jié)構(gòu)的頂部開設(shè)有上層引線孔、微通道進口和微通道出口，所述上層結(jié)構(gòu)和所述中間層結(jié)構(gòu)之間的聚合物粘接層中開設(shè)有第一凹槽，所述微通道進口和所述微通道出口均與所述第一凹槽連通；

3、所述中間層結(jié)構(gòu)頂部開設(shè)有第二凹槽和中間層引線孔，底部開設(shè)有上電極引線凹槽；所述第二凹槽和所述第一凹槽連通設(shè)置，構(gòu)成微通道；

4、所述下層結(jié)構(gòu)與所述中間層結(jié)構(gòu)之間的聚合物粘接層中開設(shè)有依次連通的下電極凹槽、帶狀凹槽和下電極引線凹槽；

5、所述上層引線孔、中間層引線孔和所述下電極引線凹槽依次連通；所述中間層結(jié)構(gòu)和下端面與所述下層結(jié)構(gòu)的下端面之間貫穿開設(shè)有下層引線孔；將所述微通道與所述下電極凹槽之間的懸空部分作為壓力感應(yīng)膜片。

6、可選的，所述中間層結(jié)構(gòu)采用soi晶圓，從下至上依次包括下表面二氧化硅層、器件層、埋氧層、襯底層和上表面二氧化硅層；

7、所述中間層引線孔貫穿所述下表面二氧化硅層、器件層、埋氧層、襯底層和所述上表面二氧化硅層，與所述下電極引線凹槽和所述上層引線孔分別連通；所述第二凹槽以所述埋氧層為底面，貫穿所述襯底層和所述上表面二氧化硅層與所述第一凹槽連通；所述上電極引線凹槽以所述器件層為底面，貫穿延伸至所述上表面二氧化硅層的上端面；

8、所述壓力感應(yīng)膜片包括懸空部分的埋氧層、器件層、下表面二氧化硅層，將懸空部分的器件層作為上電極。

9、可選的，所述上電極引線凹槽內(nèi)設(shè)置有上電極引線焊盤，所述上電極引線焊盤通過器件層與所述上電極電連接。

10、可選的，所述上層結(jié)構(gòu)和所述下層結(jié)構(gòu)均采用玻璃晶圓。

11、可選的，所述下電極引線凹槽內(nèi)設(shè)置有下電極引線焊盤，所述下電極凹槽內(nèi)安裝有下電極，所述下電極引線焊盤通過所述帶狀凹槽與所述下電極電導(dǎo)通。

12、一種基于聚合物鍵合技術(shù)的電容式微流體壓力傳感器的制備方法，包括：

13、步驟一：獲取第一玻璃晶圓，在所述第一玻璃晶圓下表面旋涂第一聚合物粘接層并進行開槽處理，得到第一凹槽；在所述第一玻璃晶圓上進行開孔，得到上層引線孔、微通道進口和微通道出口，進行清洗甩干，完成上層晶圓的制備；

14、步驟二：獲取soi晶圓，在所述soi晶圓的下表面構(gòu)建上電極引線凹槽及中間層引線孔所對應(yīng)的凹槽；在上電極引線凹槽對應(yīng)的凹槽內(nèi)生成上電極引線焊盤；基于旋涂光刻膠法和干法刻蝕法使中間層引線孔對應(yīng)的凹槽延伸至soi晶圓的襯底層；進行清洗甩干，完成中層晶圓的制備；

15、步驟三：獲取第二玻璃晶圓，通過lift?off工藝在所述第二玻璃晶圓上表面磁控濺射金屬薄膜，生成下電極、帶狀引線結(jié)構(gòu)和下電極引線焊盤；旋涂第二聚合物薄膜粘接層并進行圖形化處理，得到下電極凹槽、帶狀凹槽和下電極引線凹槽；在所述第二玻璃晶圓底部進行激光打孔，得到下層引線孔；進行清洗甩干，完成下層晶圓的制備；

16、步驟四：基于聚合物鍵合技術(shù)將所述下層晶圓與所述中層晶圓進行鍵合，在所述中層晶圓上表面構(gòu)建第二凹槽，并貫穿所述中層晶圓的上表面至中間層引線孔對應(yīng)的凹槽，得到第一鍵合體；基于聚合物鍵合技術(shù)將上層晶圓和所述第一鍵合體進行鍵合，得到第二鍵合體，對所述第二鍵合體進行切割，得到若干電容式微流體壓力傳感器。

17、可選的，所述步驟二，具體包括：

18、在所述soi晶圓的上下表面構(gòu)建二氧化硅層，通過boe溶液去除上表面的二氧化硅層，并對下表面的二氧化硅層進行圖形化處理，得到上電極引線凹槽及中間層引線孔所對應(yīng)的凹槽；通過lift?off工藝在上電極引線凹槽對應(yīng)的凹槽內(nèi)磁控濺射金屬薄膜，生成上電極引線焊盤；基于旋涂光刻膠法和干法刻蝕法使中間層引線孔對應(yīng)的凹槽延伸至soi晶圓的襯底層；進行清洗甩干，完成中層晶圓的制備。

19、可選的，在所述中層晶圓上表面構(gòu)建第二凹槽，并貫穿所述中層晶圓的上表面至中間層引線孔對應(yīng)的凹槽，具體包括：

20、在所述中層晶圓上表面旋涂光刻膠，進行圖形化處理和刻蝕處理，得到微通道凹槽與中間層引線孔，并去除多余光刻膠。

21、本發(fā)明的技術(shù)效果為：

22、本發(fā)明提供的傳感器可以在幾乎不破壞微通道形狀的情況下，與微流體芯片進行集成，實現(xiàn)對微流體壓力的原位實時動態(tài)測量。本實施例使用圖形化的聚合物來形成下電極凹槽、帶狀凹槽以及下電極引線凹槽，不需要通過刻蝕來實現(xiàn)這三個結(jié)構(gòu)，大大簡化了工藝。本實施例使用圖形化的金屬層來作為下電極。該傳感器的鍵合技術(shù)采用了聚合物鍵合技術(shù)，對鍵合面在鍵合前的工藝的要求更低，鍵合穩(wěn)定性提高，鍵合成本更低，鍵合所需要的時間更少，鍵合效率更高。該傳感器的制備方法相對于現(xiàn)有工藝更加容易、穩(wěn)定和高效，成本也更加低廉。

技術(shù)特征：

1.一種基于聚合物鍵合技術(shù)的電容式微流體壓力傳感器，其特征在于，包括通過聚合物粘接層依次連接的上層結(jié)構(gòu)(18)、中間層結(jié)構(gòu)(19)和下層結(jié)構(gòu)(20)；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于聚合物鍵合技術(shù)的電容式微流體壓力傳感器，其特征在于，所述中間層結(jié)構(gòu)(19)采用soi晶圓，從下至上依次包括下表面二氧化硅層、器件層、埋氧層、襯底層和上表面二氧化硅層；

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于聚合物鍵合技術(shù)的電容式微流體壓力傳感器，其特征在于，所述上電極引線凹槽(5)內(nèi)設(shè)置有上電極引線焊盤(4)，所述上電極引線焊盤(4)通過器件層與所述上電極(22)電連接。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于聚合物鍵合技術(shù)的電容式微流體壓力傳感器，其特征在于，所述上層結(jié)構(gòu)(18)和所述下層結(jié)構(gòu)(20)均采用玻璃晶圓。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于聚合物鍵合技術(shù)的電容式微流體壓力傳感器，其特征在于，所述下電極引線凹槽(12)內(nèi)設(shè)置有下電極引線焊盤(13)，所述下電極凹槽(10)內(nèi)安裝有下電極(7)，所述下電極引線焊盤(13)通過所述帶狀凹槽(11)與所述下電極(7)電導(dǎo)通。

6.一種基于聚合物鍵合技術(shù)的電容式微流體壓力傳感器的制備方法，其特征在于，包括：

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種基于聚合物鍵合技術(shù)的電容式微流體壓力傳感器的制備方法，其特征在于，所述步驟二，具體包括：

8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種基于聚合物鍵合技術(shù)的電容式微流體壓力傳感器的制備方法，其特征在于，在所述中層晶圓上表面構(gòu)建第二凹槽，并貫穿所述中層晶圓的上表面至中間層引線孔(14)對應(yīng)的凹槽，具體包括：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明屬于電子元器件技術(shù)領(lǐng)域，并公開了一種基于聚合物鍵合技術(shù)的電容式微流體壓力傳感器及其制造方法，包括上層、中層、下層經(jīng)聚合物粘接層依次連接得到的傳感器，上層含引線孔、微通道進出口，第一凹槽；中層頂部有第二凹槽連通第一凹槽，底部設(shè)上電極引線凹槽；下層與中層間聚合物層含下電極、帶狀及下電極引線凹槽，且上層、中層、下層引線孔相連通。貫穿中層至下層的下層引線孔設(shè)置。微通道與下電極凹槽間懸空部分作為壓力感應(yīng)膜片。本發(fā)明所述技術(shù)方案整體緊湊集成，性能穩(wěn)定、能夠?qū)崿F(xiàn)微通道與電極系統(tǒng)的高效集成與壓力實時感測。

技術(shù)研發(fā)人員：徐天彤,李海旺,曹曉達,陶智,安迪,翟彥欣,路浩楠
受保護的技術(shù)使用者：北京航空航天大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/9