電化學(xué)敏感元件、其制備方法、應(yīng)用其的地震檢波器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種電化學(xué)敏感元件、其制備方法、應(yīng)用其的地震檢波器。該電化學(xué)敏感元件采用兩層硅片分別制作電極與流道結(jié)構(gòu)，使得制作電極的硅片上可以正反兩面都制作出電極結(jié)構(gòu)，在參數(shù)一樣的情況下，電極的有效面積增大一倍，從而電化學(xué)敏感元件的靈敏度也將增大一倍。
【專利說明】電化學(xué)敏感元件、其制備方法、應(yīng)用其的地震檢波器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及MEMS傳感器【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種電化學(xué)敏感元件、其制備方法、應(yīng)用其的地震檢波器。
【背景技術(shù)】
[0002]在眾多對地探測技術(shù)中，地震探測法是最為重要和效果較好的一種，地震探測中必不可少的環(huán)節(jié)就是感應(yīng)微弱地動波的地震儀器。作為地震儀器的核心部件，地震檢波器的性能直接決定著地震儀器的性能指標(biāo)、主要技術(shù)參數(shù)等，其重要性可見一斑。
[0003]目前的地震檢波器按照結(jié)構(gòu)和方法不同，分為動圈式地震檢波器、壓電式地震檢波器、光纖光柵式地震檢波器以及新興的與MEMS技術(shù)結(jié)合的MEMS加速度式地震檢波器、電化學(xué)地震檢波器等。電化學(xué)地震檢波器因?yàn)槠潇`敏度高、功耗低、器件小、制作簡單、低頻特性好成為新一代地震檢波器。
[0004]電化學(xué)地震檢波器由外殼、電解質(zhì)溶液以及電極芯片組成。電極芯片上濺射有陰極和陽極，在陰極和陽極之間施加一個恒定電壓，當(dāng)存在垂直于電極方向的速度或者加速度時，陰極和陽極之間的電解質(zhì)溶液正負(fù)離子將發(fā)生遷移，離子濃度隨之發(fā)生變化，電極間電流發(fā)生變化，通過檢測陰極和陽極之間的電流可以檢測加速度或速度的大小和方向。
[0005]本申請的 申請人:在先提出了 一種基于平面微電極的電化學(xué)地震檢波器(CN201110309982.9)，其在硅片上同時濺射陰陽電極，成叉指結(jié)構(gòu)排列，芯片背面刻有流道，引導(dǎo)流體的流動，然后多層芯片疊加形成芯片組。
[0006]然而，上述的芯片組設(shè)計(jì)方法中，單芯片只有一面帶有電極，叉指電極的有效面積偏小，并且和另一片芯片組裝后，另一芯片上的流道遮蓋了部分電極有效面積，導(dǎo)致芯片上的電極與電解液的接觸面積偏小，器件接收外界震動時輸入的震動量不能充分轉(zhuǎn)化為輸出電信號，所以器件的靈敏度低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007](一 )要解決的技術(shù)問題
[0008]鑒于上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種電化學(xué)敏感元件、其制備方法、應(yīng)用其的地震檢波器。
[0009]( 二 )技術(shù)方案
[0010]根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種電化學(xué)敏感元件。該電化學(xué)敏感元件上固定件；下固定件；層疊芯片組，包夾固定在所述上固定件和下固定件之間，由多個芯片層疊而成；所述多個芯片中的每一芯片包括:上芯片層，其正反兩面均具有縱向延伸的陽極和陰極；下芯片層，鍵合于所述上芯片層的表面，在該第二芯片層形成橫向絕緣流道，該橫向絕緣流道將所述上芯片層的陽極和陰極暴露；其中，該層疊芯片組中，上一芯片下芯片層的絕緣流道緊貼下一芯片上芯片層的陽極和陰極；兩條金屬焊線，用于分別電性連接所述層疊芯片中每一芯片上芯片層的陽極和陰極，該兩條金屬焊線的末端電性連接至所述上固定件或下固定件上相應(yīng)的電極焊盤。
[0011]根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，還提供了一種上述的電化學(xué)敏感元件的制備方法。該制備方法包括:步驟A，制備多個芯片；步驟B，將所述多個芯片進(jìn)行層疊粘合或者鍵合，得到層疊芯片組；步驟C，用上固定件和下固定件將所述層疊芯片組夾緊固定，并將層疊芯片組中每一芯片的陽極和陰極與相應(yīng)的導(dǎo)線進(jìn)行壓焊。 [0012]根據(jù)本發(fā)明的在一個方面，還提供了一種基于上述電化學(xué)敏感元件的地震檢波器。該地震檢波器包括:封裝外殼；電化學(xué)敏感元件，為上述的電化學(xué)敏感元件；其中，所述電化學(xué)敏感元件置于所述封裝外殼內(nèi)，其層疊芯片組中各芯片的流道與封裝外殼的壓縮流道平行；電解質(zhì)溶液，密封于所述封裝外殼內(nèi)，所述電化學(xué)敏感元件的周圍。
[0013](三)有益效果
[0014]從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明電化學(xué)敏感元件、其制備方法、應(yīng)用其的地震檢波器具有以下有益效果:
[0015](I)采用兩層硅片分別制作電極與流道結(jié)構(gòu)，使得制作電極的硅片上可以正反兩面都制作出電極結(jié)構(gòu)，在參數(shù)一樣的情況下，電極的有效面積增大一倍，從而電化學(xué)敏感元件的靈敏度也將增大一倍；
[0016](2)地震檢波器的封裝采用單一的封裝外殼來封裝，其在設(shè)計(jì)上比較簡單，易于加工；沒有過多橫切面，可以防止漏液，能夠降低器件的封裝難度并且提高器件的可靠性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1為本發(fā)明實(shí)施例電化學(xué)敏感元件的示意圖；
[0018]圖2為圖1所示電化學(xué)敏感元件中一芯片的上視圖；
[0019]圖3為圖1所示電化學(xué)敏感元件制備過程中各步驟執(zhí)行后器件的剖面示意圖；
[0020]圖4為本發(fā)明實(shí)施例地震檢波器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021]圖5為圖4所示地震檢波器中封裝外殼中封裝外殼本體的示意圖。
[0022]【本發(fā)明主要元件符號說明】
[0023]
2-1:陽極；2-2:陰極電極；
3-1:電極焊盤；3-2:流道；
3-3:PCB板；3-4:金屬焊線；
4-1:芯片卡槽4-2:槽口結(jié)構(gòu)；
4-3:注液孔4-4:螺孔
5-1:芯片組5-2:封裝外殼
5-3:橡膠墊 5-4:固定環(huán)。
【具體實(shí)施方式】
[0024]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。[0025]需要說明的是，在附圖或說明書描述中，相似或相同的部分都使用相同的圖號。附圖中未繪示或描述的實(shí)現(xiàn)方式，為所屬【技術(shù)領(lǐng)域】中普通技術(shù)人員所知的形式。另外，雖然本文可提供包含特定值的參數(shù)的示范，但應(yīng)了解，參數(shù)無需確切等于相應(yīng)的值，而是可在可接受的誤差容限或設(shè)計(jì)約束內(nèi)近似于相應(yīng)的值。此外，以下實(shí)施例中提到的方向用語，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，僅是參考附圖的方向。因此，使用的方向用語是用來說明并非用來限制本發(fā)明。
[0026]本發(fā)明電化學(xué)敏感元件、其制備方法、應(yīng)用其的地震檢波器，改變了用單一硅片正面濺射電極背面深刻蝕做流道的設(shè)計(jì)方案，采用兩硅片分別做電極和流道，兩硅片通過粘合鍵合保持牢固接觸。由于芯片正反兩面都有電極，從而使電極有效面積將增大一倍。
[0027]在本發(fā)明的第一個示例性實(shí)施例中，提供了一種電化學(xué)敏感元件。本實(shí)施例電化學(xué)敏感元件的基本原理是:對硅片的上下兩面都濺射同樣的電極結(jié)構(gòu)，電極成叉指形排列，然后在已經(jīng)濺射電極的硅片上直接粘合鍵合另一片硅片，對第二片硅片進(jìn)行深刻蝕做成帶有多道“一”字型方槽的流道，再進(jìn)行芯片的層疊構(gòu)成芯片組，最后對芯片組上引出的電極進(jìn)行壓焊連接到外電路。
[0028]請參照圖1，該電化學(xué)敏感元件包括:兩塊PCB板，層疊芯片組和兩條金屬焊線。其中，兩塊PCB板分別作為上固定件和下固定件，用于對層疊芯片組進(jìn)行固定。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)清楚，上固定件和下固定件還可以選用其他的絕緣材料。
[0029]層疊芯片組包夾固定在所述上固定件和下固定件之間，由多個芯片層疊而成；所述多個芯片中的每一芯片包括:上芯片層，其正反兩面均具有縱向延伸的陽極和陰極；下芯片層，鍵合于所述上芯片層的表面，在該第二芯片層形成橫向絕緣流道，該橫向絕緣流道將所述上芯片層的陽極和陰極暴露；其中，該層疊芯片組中，上一芯片下芯片層的絕緣流道緊貼下一芯片上芯片層的陽極和陰極。本實(shí)施例中，上芯片層和下芯片層的襯底材料均為單晶硅襯底；上芯片層上的陽極和陰極的材料為:金、銀或鉬。而本領(lǐng)域技術(shù)人員也可以根據(jù)需要來選擇襯底材料和電極的材料。
[0030]圖2為圖1所示電化學(xué)敏感元件中一芯片的上視圖。請參照圖2,本實(shí)施例中，上芯片層正反兩面的陽極和陰極呈叉指結(jié)構(gòu)排列并構(gòu)成縱向的N個叉指對。與圖2所示上芯片層對應(yīng)，下芯片層上形成有N條絕緣流道，每條絕緣流道均將對應(yīng)叉指對的陽極和陰極暴露。絕緣流道為“一”字型方形溝槽，各絕緣流道之間相互平行。
[0031]本實(shí)施例中，層疊芯片組中多個芯片通過層疊粘合或者鍵合的方式結(jié)合；每一芯片的上芯片層和下芯片層通過粘結(jié)鍵合的方式結(jié)合在一起。
[0032]兩條金屬焊線分別電性連接所述層疊芯片中每一芯片上芯片層的陽極和陰極，該兩條金屬焊線的末端電性連接至所述上固定件或下固定件上相應(yīng)的電極焊盤。本實(shí)施例中，該兩條金屬焊線的材料為金、銀或鉬。在本發(fā)明的第二個示例性實(shí)施例中，提供了一種上述電化學(xué)敏感元件的制備方法。請參照圖2和圖3，該制備方法包括:
[0033]步驟A，通過熱氧化工藝在如圖3中1-1所示的單晶硅表面生長出氧化層，如圖3中1-2所示；
[0034]步驟B，在氧化后的單晶硅表面甩膠，如圖3中1-3所示；
[0035]步驟C，進(jìn)行光刻，得到微電極圖形，如圖3中1-4所示；
[0036]步驟D，濺射鉬或者其他惰性金屬電極做成叉指電極對，如圖3中1-5所示；[0037]步驟E，剝離光刻膠得到正面的電極結(jié)構(gòu)，如圖3中1-6所示，電極圖案為陽極2-1和陰極2-2成叉指排列，電極寬度以及電極之間的間距可以根據(jù)器件性能需要進(jìn)行調(diào)節(jié)；
[0038]步驟F，重復(fù)步驟B?步驟E，在單晶硅片另一面濺射鉬或其他惰性金屬，得到上下兩面都濺射有微電極的結(jié)構(gòu)，如圖3中1-7所示；
[0039]步驟G,重復(fù)步驟A,對另一娃片進(jìn)行氧化；
[0040]步驟H，采用粘合鍵合工藝，在兩面都濺射有微電極圖形的硅片上，粘合鍵合步驟G得到的硅片，如圖3中1-8所示；
[0041]步驟I，重復(fù)光刻的步驟，對粘合鍵合之后的硅片進(jìn)行深刻蝕，在新粘合鍵合的硅片上刻蝕出“一”字方槽形的流道結(jié)構(gòu)3-2，流道之間成平行排列，刻蝕的深度應(yīng)當(dāng)剛好是新粘合鍵合的硅片厚度，讓底層的電極結(jié)構(gòu)露出。最后劃片；
[0042]步驟G，將按以上步驟制作好的單芯片進(jìn)行層疊粘合或者鍵合，得到疊加后的芯片組。再在該芯片組外粘合兩塊帶鍍金焊盤的PCB板3-3，將芯片組上引出來的同一電極3-1自上而下進(jìn)行壓焊，一直連接到PCB板的焊盤上。壓焊時采用金線3-4或其他易于焊接導(dǎo)電的材料。
[0043]基于上述實(shí)施例的電化學(xué)敏感元件，在本發(fā)明的第三個示例性實(shí)施例中，提供了一種地震檢波器，請參照圖4和圖5，該地震檢波器包括:電化學(xué)敏感元件，封裝外殼，橡膠墊和壓緊固定環(huán)。其中，電化學(xué)敏感元件置于封裝外殼內(nèi)，其層疊芯片組中各芯片的流道與封裝外殼的壓縮流道平行；電解質(zhì)溶液，密封于封裝外殼內(nèi)，電化學(xué)敏感元件的周圍。電化學(xué)敏感元件的插入方向，要以流道方向?yàn)榛鶞?zhǔn)，保證二者流道的方向一致。
[0044]請參照圖4和圖5，封裝外殼包括:封裝外殼本體，具有壓縮流道的腔體；上壓緊固定環(huán)和下壓緊固定環(huán)，分別通過橡膠墊固定于封裝外殼本體的上方和下方，實(shí)現(xiàn)腔體的密封；注液孔和出液孔，位于封裝外殼本體的側(cè)面，用于對腔體內(nèi)注入電介質(zhì)溶液；芯片卡槽，位于封裝外殼本體正面的槽口內(nèi)，與壓縮流道腔體相通，用于插入電化學(xué)敏感元件。其中，封裝外殼本體的材料為有機(jī)玻璃或其他耐電解液腐蝕的材料；上壓緊固定環(huán)和下壓緊固定環(huán)的材料為不銹鋼或其他耐電解液腐蝕的材料；電解質(zhì)溶液選自于以下溶液的其中之一:碘化鉀和碘單質(zhì)的混合溶液；溴化物和溴單質(zhì)的混合溶液；或包含二階鐵離子和三價鐵離子的混合溶液。
[0045]本實(shí)施例地震檢波器的基本原理是:對芯片組用兩面PCB板進(jìn)行包夾保護(hù)，避免芯片組直接與封裝外殼5-2硬接觸。然后采用有機(jī)玻璃或其他耐電解液腐蝕的材料加工成一個帶有注液孔4-3，壓縮流道，芯片卡槽4-1，螺孔4-4和槽口 4-2的外殼，將芯片組插入到芯片卡槽4-1中，壓緊橡膠墊5-3，壓緊固定環(huán)5-4，通過螺釘緊固，裝入電解質(zhì)溶液并粘結(jié)密封注液孔4-3。本設(shè)計(jì)提供的封裝結(jié)構(gòu)簡單，易于加工，因而一致性好。本發(fā)明為了封裝方便，同時保證電解液只能通過芯片組的流道流通，設(shè)計(jì)了槽口結(jié)構(gòu)4-2，該槽口配合芯片卡槽4-1，使得卡槽長度與芯片組長度一致，卡槽寬度與芯片組寬度一致，只需在槽口處和卡槽兩壁粘合密封，即可固定和密封芯片組。
[0046]為了更清楚的理解本實(shí)施例地震檢波器的構(gòu)造，以下給出一種上述地震檢波器的制備方法。該制備方法包括:
[0047]I)封裝外殼、橡膠墊和壓緊固定環(huán)的加工。封裝外殼包含注液孔4-3、螺孔4-4、壓縮流道、芯片卡槽4-1以及槽口結(jié)構(gòu)4-2等主要結(jié)構(gòu)。方孔卡槽為通孔，便于插入并卡住芯片組，其三維方向的尺度都要略大于芯片組的尺度，長度和寬度大于芯片組0.5_左右，深度方向上大于芯片組Imm左右。方形槽口的長度和寬度都大于芯片卡槽尺寸2_或者以上，便于粘合密封。橡膠墊的設(shè)計(jì)要與封裝外殼5-2和固定環(huán)5-4相匹配。其中，芯片卡槽4-1的橫截面僅僅略大于敏感元件的橫截面。電化學(xué)敏感元件的插入深度要保障流道相通的面積最大，不宜過深或者過淺。
[0048]2)將層疊的芯片組5-1插入芯片卡槽4-1中，采用粘合密封實(shí)現(xiàn)封裝。
[0049]3)用橡膠墊封住封裝外殼5-2兩端，壓緊固定環(huán)5-4，通過螺孔4_4插入螺釘并擰緊進(jìn)行緊固。
[0050]4)通過注液孔4-3注滿電解液，然后粘結(jié)密封注液孔4-3，固化后即得完整器件。
[0051]至此，已經(jīng)結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)描述。依據(jù)以上描述，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)對本發(fā)明電化學(xué)敏感元件、其制備方法、應(yīng)用其的地震檢波器有了清楚的認(rèn)識。
[0052]此外，上述對各元件的定義并不僅限于實(shí)施方式中提到的各種具體結(jié)構(gòu)或形狀，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可對其進(jìn)行簡單地熟知地替換，例如:
[0053](I) “叉指排列”還可以用“交叉排列”來代替；
[0054](2) “一”字方槽形可以用“直槽”來代替。
[0055]綜上所述，本發(fā)明提供一種電化學(xué)敏感元件、其制備方法、應(yīng)用其的地震檢波器。通過采用兩硅片分別做電極和流道，從而使電極有效面積將增大一倍，有效提高了平面微電極電化學(xué)地震檢波器的檢測精度。
[0056]以上所述的具體實(shí)施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種電化學(xué)敏感元件，其特征在于，包括: 上固定件； 下固定件； 層疊芯片組，包夾固定在所述上固定件和下固定件之間，由多個芯片層疊而成；所述多個芯片中的每一芯片包括: 上芯片層，其正反兩面均具有縱向延伸的陽極和陰極； 下芯片層，鍵合于所述上芯片層的表面，在該第二芯片層形成橫向絕緣流道，該橫向絕緣流道將所述上芯片層的陽極和陰極暴露； 其中，該層疊芯片組中，上一芯片下芯片層的絕緣流道緊貼下一芯片上芯片層的陽極和陰極； 兩條金屬焊線，用于分別電性連接所述層疊芯片中每一芯片上芯片層的陽極和陰極，該兩條金屬焊線的末端電性連接至所述上固定件或下固定件上相應(yīng)的電極焊盤。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電化學(xué)敏感元 件，其特征在于，所述上芯片層正反兩面的陽極和陰極呈叉指結(jié)構(gòu)排列并構(gòu)成縱向的N個叉指對； 所述下芯片層上形成有N條絕緣流道，每條絕緣流道均將對應(yīng)叉指對的陽極和陰極暴露。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電化學(xué)敏感元件，其特征在于，所述絕緣流道為“一”字型方形溝槽，各絕緣流道之間相互平行。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的電化學(xué)敏感元件，其特征在于，所述層疊芯片組中多個芯片通過層疊粘合或者鍵合的方式結(jié)合； 所述每一芯片的上芯片層和下芯片層通過粘結(jié)鍵合的方式結(jié)合在一起。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的電化學(xué)敏感元件，其特征在于，所述上固定件和下固定件為PCB板； 所述上芯片層和下芯片層的襯底材料均為單晶娃襯底； 所述上芯片層上的陽極和陰極的材料為:金、銀或鉬。
6.一種制備方法，用于制備權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的電化學(xué)敏感元件，其特征在于，包括: 步驟A，制備多個芯片； 步驟B，將所述多個芯片進(jìn)行層疊粘合或者鍵合，得到層疊芯片組； 步驟C，用上固定件和下固定件將所述層疊芯片組夾緊固定，并將層疊芯片組中每一芯片的陽極和陰極與相應(yīng)的導(dǎo)線進(jìn)行壓焊。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備方法，其特征在于，所述步驟A中制備一芯片的步驟包括: 子步驟Al，制備正反兩面均具有縱向延伸的陽極和陰極的上芯片層，包括: 子分步驟Ala，對單晶硅的表面進(jìn)行氧化； 子分步驟Alb，在氧化后的單晶硅表面甩膠，再進(jìn)行光刻，得到微電極圖形，濺射金屬電極做成叉指電極對，剝離光刻膠，從而在單晶硅正面得到陽極和陰極； 子分步驟Alc，重復(fù)子分步驟Alb，在單晶硅背面制備陽極和陰極； 子步驟A2，將下芯片層粘結(jié)鍵合至所述上芯片層；子步驟A3，對下芯片層進(jìn)行深刻蝕，形成橫向絕緣流道。
8.—種地震檢波器，其特征在于，包括: 封裝外殼； 電化學(xué)敏感元件，為權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的電化學(xué)敏感元件； 其中，所述電化學(xué)敏感元件置于所述封裝外殼內(nèi)，其層疊芯片組中各芯片的流道與封裝外殼的壓縮流道平行； 電解質(zhì)溶液，密封于所述封裝外殼內(nèi)，所述電化學(xué)敏感元件的周圍。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的電化學(xué)地震檢波器，其特征在于，所述封裝外殼包括: 封裝外殼本體，具有壓縮流道的腔體； 上壓緊固定環(huán)和下壓緊固定環(huán)，分別通過橡膠墊固定于所述封裝外殼本體的上方和下方，實(shí)現(xiàn)所述腔體的密封； 注液孔和出液孔，位于所述封裝外殼本體的側(cè)面，用于對所述腔體內(nèi)注入電介質(zhì)溶液； 芯片卡槽，位于所述封裝外殼本體正面的槽口內(nèi)，與所述壓縮流道腔體相通，用于插入所述電化學(xué)敏感元件； 其中，電化學(xué)敏感元件的插入方向，要以流道方向?yàn)榛鶞?zhǔn)，保證二者流道的方向一致。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的電化學(xué)地震檢波器，其特征在于: 所述封裝外殼本體的材料為有機(jī)玻璃或其他耐電解液腐蝕的材料； 所述上壓緊固定環(huán)和下壓緊固定環(huán)的材料為不銹鋼或其他耐電解液腐蝕的材料； 所述電解質(zhì)溶液選自于以下溶液的其中之一:碘化鉀和碘單質(zhì)的混合溶液；溴化物和溴單質(zhì)的混合溶液；或包含二階鐵離子和三價鐵離子的混合溶液。
【文檔編號】G01V1/18GK103472480SQ201310432017
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年9月22日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月22日
【發(fā)明者】王軍波, 龔黎明, 陳德勇, 陳健 申請人:中國科學(xué)院電子學(xué)研究所