一種基于mems硅-玻璃工藝的七電極電導(dǎo)率傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明涉及一種基于MEMS硅-玻璃工藝的七電極電導(dǎo)率傳感器的制造方法，涉及微電子機(jī)械系統(tǒng)制造、海洋測(cè)量應(yīng)用場(chǎng)合，特別適用于高精度、大批量、低成本、小體積的電導(dǎo)率傳感器的制造。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，海洋觀測(cè)一直受到廣泛的關(guān)注，海水電導(dǎo)率是海洋水體最基本的物理要素，海洋中的各種現(xiàn)象、過(guò)程，海洋生物的生存與繁殖，以及人類(lèi)的海上活動(dòng)，包括海上軍事活動(dòng)，幾乎都與海水電導(dǎo)率的時(shí)空分布直接或間接相關(guān)。
[0003]現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量海水電導(dǎo)率的傳感器主要分為電極式和感應(yīng)式，其中電極式電導(dǎo)率傳感器后續(xù)處理電路簡(jiǎn)單、測(cè)量精度高、使用方便，廣泛用于海水的電導(dǎo)率測(cè)量中。電極式電導(dǎo)率傳感器一般采用多電極結(jié)構(gòu)，其中，七電極電導(dǎo)率傳感器與常用的兩電極、三電極、四電極電導(dǎo)率傳感器相比，精度更高，性能更好?，F(xiàn)有技術(shù)中，對(duì)七電極電導(dǎo)率傳感器的制造采用傳統(tǒng)的機(jī)械加工，加工精度低、加工難度大、加工成本高、不適合大批量制造。而采用MEMS技術(shù)制造電導(dǎo)率傳感器，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度、低成本、大批量的加工，MEMS制造出的傳感器還具有體積小、功耗低、易于與電子電路實(shí)現(xiàn)交互的特點(diǎn)，適合應(yīng)用于自動(dòng)、在線(xiàn)、長(zhǎng)期、連續(xù)、多平臺(tái)、網(wǎng)絡(luò)化的海洋觀測(cè)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的主要目的在于，克服傳統(tǒng)機(jī)械加工技術(shù)的不足，提供一種基于MEMS硅-玻璃工藝的七電極電導(dǎo)率傳感器的制造方法，該制造方法操作簡(jiǎn)單，可大批量生產(chǎn)，降低生產(chǎn)成本，加工精度高，可靠性高，通用性強(qiáng)。制造的電導(dǎo)率傳感器體積小巧，測(cè)量精度高，測(cè)量速度快，使用方便。
[0005]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:
一種基于MEMS硅-玻璃工藝的七電極電導(dǎo)率傳感器的制造方法，其特征在于，包括以下步驟:
(1)在N型硅片上淀積光刻膠并進(jìn)行光刻，使硅片的中間暴露出一個(gè)矩形區(qū)域作為擴(kuò)散窗口 ；
(2)以步驟(I)中的光刻膠作為掩膜，從步驟(I)中形成的擴(kuò)散窗口處向硅片進(jìn)行P型摻雜，在硅片內(nèi)部形成半圓柱形的P型擴(kuò)散層；
(3)采用PN結(jié)自停止腐蝕技術(shù)，對(duì)半圓柱形的P型擴(kuò)散層進(jìn)行腐蝕，形成半圓柱型空腔；
(4)對(duì)步驟(3)中形成的硅片上端面進(jìn)行氧化，形成的氧化層與N型硅片組合形成絕緣襯底；
(5)在步驟(4)中形成的半圓柱型空腔上端面沿著半圓柱型空腔的半圓橫截面方向平行淀積七個(gè)半圓環(huán)形的金屬電極，每個(gè)金屬電極的一端都各帶有一個(gè)金屬錨區(qū)；七個(gè)金屬電極都沿著半圓柱型空腔的長(zhǎng)度方向排布，電極之間相互平行，位于最外側(cè)的兩個(gè)電極為接地電極，位于中間的一個(gè)電極為電流電極，其余四個(gè)電極均為電壓電極，每?jī)蓚€(gè)相鄰的電壓電極為一對(duì)，以中間的電流電極為中心點(diǎn)，所述一對(duì)接地電極和兩對(duì)電壓電極沿空腔長(zhǎng)度方向?qū)ΨQ(chēng)設(shè)置;所述兩個(gè)接地電極和所述一個(gè)電流電極尺寸相同，所述四個(gè)電壓電極尺寸相同，其中，所有電極的長(zhǎng)度相等，電壓電極的寬度小于電流電極和接地電極的寬度；
(6)將玻璃片的基底硅片上刻蝕長(zhǎng)方形的凹槽，所刻凹槽的長(zhǎng)、寬和步驟(2)中P型擴(kuò)散層在N型硅片表面的尺寸相同；
(7)使用玻璃片和步驟(6)中得到的刻槽后的基底硅片進(jìn)行陽(yáng)極鍵合，玻璃片和基底硅片的熱膨脹系數(shù)相同；
(8)使用高溫爐加熱鍵合后的器件，高溫作用下玻璃熔融，長(zhǎng)方形凹槽內(nèi)的氣體被加熱產(chǎn)生壓力發(fā)生膨脹，使玻璃片上形成半圓柱型玻璃蓋；
(9)使用選擇性腐蝕劑腐蝕掉基底硅片，保留玻璃片結(jié)構(gòu)；
(10)在玻璃片上制造與步驟(5)相同的七個(gè)不帶錨區(qū)的半圓環(huán)形的金屬電極；
(11)將半圓柱型空腔一側(cè)的玻璃片部分切除，使得玻璃片切除側(cè)的邊沿到半圓柱型空腔的距離小于步驟(5)中金屬錨區(qū)至N型硅片半圓柱型空腔的距離；
(12)將步驟(5)、步驟(10)中的七個(gè)金屬電極分別對(duì)應(yīng)設(shè)置，并對(duì)七個(gè)金屬電極的端面進(jìn)行金-金鍵合，形成七個(gè)環(huán)形金屬電極，環(huán)形金屬電極中形成圓柱型空腔；
(13)從圓柱型空腔側(cè)面填充封裝膠，使圓柱型空腔側(cè)壁封閉；沿著圓柱形空腔的橫截面的方向?qū)型硅片和玻璃片進(jìn)行切除，保留圓柱形空腔和七個(gè)環(huán)形的金屬電極，將N型硅片的兩個(gè)腐蝕電極切除，同時(shí)使圓柱形空腔沿長(zhǎng)度方向的兩端露出，進(jìn)行測(cè)量時(shí)，將電導(dǎo)率傳感器浸入海水中，海水可從圓柱形空腔的兩端流入空腔內(nèi)，該圓柱形空腔即為電導(dǎo)率傳感器的電導(dǎo)池。
[0006]本發(fā)明進(jìn)一步設(shè)置為:所述步驟(I)中，硅片中間暴露出的矩形區(qū)域(即擴(kuò)散窗口)的寬度很窄，大約在5微米左右。
[0007]本發(fā)明進(jìn)一步設(shè)置為:所述步驟(2)中，采用擴(kuò)散工藝，對(duì)擴(kuò)散窗口處進(jìn)行硼摻雜，由于擴(kuò)散具有各項(xiàng)同性的特點(diǎn)，同時(shí)又因?yàn)閿U(kuò)散窗口的寬度很窄，生成的P型擴(kuò)散層近似為一個(gè)半圓柱形。
[0008]本發(fā)明進(jìn)一步設(shè)置為:所述步驟(3)中，首先將光刻膠去掉，分別在P型擴(kuò)散層上端面和N型硅片下端面制作一個(gè)腐蝕電極，P型擴(kuò)散層的腐蝕電極位于P型擴(kuò)散層上端面、沿半圓柱形P型擴(kuò)散層長(zhǎng)度方向的一端，N型硅片的腐蝕電極位于N型硅片下端面、與P型擴(kuò)散層的腐蝕電極在垂直方向上對(duì)齊;然后整體浸入TMAH溶液中，采用PN結(jié)自停止腐蝕技術(shù)，在PN結(jié)之間施加反向偏壓，使N型硅片上施加的正電壓高于鈍化勢(shì)，P型擴(kuò)散層處于開(kāi)路電勢(shì)處，從而N型硅片被鈍化而不被腐蝕，P型擴(kuò)散層被腐蝕至與N型硅片交接處，腐蝕終止。
[0009]本發(fā)明進(jìn)一步設(shè)置為:所述步驟(4)中，采用氧化工藝對(duì)N型硅片上端面進(jìn)行氧化，生成一層二氧化硅作為絕緣層，二氧化硅層與所述N型硅片的上端面相連，二氧化硅層與N型硅片一起組成絕緣襯底。
[0010]本發(fā)明進(jìn)一步設(shè)置為:所述步驟(5)中，采用金屬微機(jī)械加工工藝制作金屬電極，金屬材料采用金。
[0011]本發(fā)明進(jìn)一步設(shè)置為:所述步驟(6)-(11)中，所述玻璃片采用硅片刻槽、硅-玻璃鍵合、高溫成型、腐蝕硅片的步驟制作成，所述玻璃片上的七個(gè)半圓環(huán)形的金屬電極采用與N型硅片相同的工藝、材料和步驟制造，玻璃片的半圓柱空腔、半圓環(huán)金屬電極與N型硅片的半圓柱空腔、半圓環(huán)金屬電極的尺寸和位置都相同，唯一不同的是，玻璃片的金屬電極不帶金屬錨區(qū)，而N型硅片的金屬電極的一端帶有金屬錨區(qū)。
[0012]本發(fā)明進(jìn)一步設(shè)置為:所述步驟(12)中，N型硅片和玻璃片通過(guò)金-金鍵合工藝相連，由于在所述步驟(11)中，對(duì)玻璃片上對(duì)應(yīng)于N型硅片金屬錨區(qū)位置的部分玻璃片結(jié)構(gòu)進(jìn)行了切除，N型硅片的金屬錨區(qū)在所述步驟(12)完成后，暴露在外部，方便與外部電路的引線(xiàn)相連。
[0013]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的一種基于MEMS硅-玻璃工藝的七電極電導(dǎo)率傳感器的制造方法，具有制造方法簡(jiǎn)單、操作方便、加工精度高、加工成本低、可大批量生產(chǎn)等諸多優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)采用MEMS加工技術(shù)制造的電導(dǎo)率傳感器，還具有體積小、功耗低、易于與電子電路實(shí)現(xiàn)交互的特點(diǎn)，適合應(yīng)用于自動(dòng)、在線(xiàn)、長(zhǎng)期、連續(xù)、多平臺(tái)、網(wǎng)絡(luò)化的海洋觀測(cè)。
[0014]上述內(nèi)容僅是本發(fā)明技術(shù)方案的概述，為了更清楚的了解本發(fā)明的技術(shù)手段，下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。
【附圖說(shuō)明】
[0015]圖1為硅片的N型硅片的剖面圖；
圖2為覆蓋光刻膠作為掩膜的硅片剖面圖；
圖3為覆蓋光刻膠作為掩膜的硅片俯視圖；
圖4為進(jìn)行P型摻雜后形成P型擴(kuò)散層的硅片剖面圖；
圖5為淀積腐蝕電極后的N型硅片剖面圖；
圖6為淀積腐蝕電極后的N型硅片俯視圖；
圖7為淀積腐蝕電極后的N型娃片仰視圖；
圖8為腐蝕P型擴(kuò)散層后的N型硅片剖面圖；
圖9為氧化后的N型硅片剖面圖；
圖10為淀積7個(gè)測(cè)試電極后的N型硅片剖面圖；
圖11為淀積7個(gè)測(cè)試電極后的N型硅片俯視圖；
圖12為玻璃片的基底硅片的剖面圖；
圖13為玻璃片的基底硅片刻槽后的剖面圖；
圖14為玻璃片的基底硅片與玻璃片陽(yáng)極鍵合后的剖面圖；
圖15為玻璃片高溫加溫后的剖面圖；
圖16為玻璃片的基底硅片去除后，淀積金屬電極并切除右側(cè)結(jié)構(gòu)后的剖面圖；
圖17為玻璃片b的基底硅片去除后，淀積金屬電極并切除右側(cè)結(jié)構(gòu)后的俯視圖；
圖18為金-金鍵合后的七電極電導(dǎo)率傳感器剖面圖。
【具體實(shí)施方式】
[0016]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作更進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
[0017]如圖1?14所示為一種基于MEMS硅-玻璃工藝的七電極電導(dǎo)率傳感器的制造方法，包括以下步驟: (1)如圖1?3所示，在N型硅片1la上淀積光刻膠2a并進(jìn)行光刻，使N型硅片1la的中間暴露出一個(gè)矩形區(qū)域作為擴(kuò)散窗口 3a，擴(kuò)散窗口 3a的寬度很窄，大約在5微米左右；
(2)如圖4所示，以步驟(I)中的光刻膠2a作為掩膜，采用擴(kuò)散工藝，從步驟(I)中形成的擴(kuò)散窗口 3a處向N型硅片進(jìn)行硼摻雜，由于擴(kuò)散具有各項(xiàng)同性的特點(diǎn)，同時(shí)又因?yàn)閿U(kuò)散窗口3a的寬度很窄，在N型娃片1la內(nèi)部形成的P型擴(kuò)散層4a似為一個(gè)半圓柱形；
(3)如圖5?8所示，首先將光刻膠2a去掉，分別在P型擴(kuò)散層4a上端面和N型硅片1la下端面制作一個(gè)用于腐蝕的腐蝕電極5a和6a，腐蝕電極5a的四周、半圓柱形P型擴(kuò)散層4a的上端面覆蓋一層氧化層501a作為保護(hù)層，保護(hù)腐蝕電極5a在腐蝕過(guò)程中不會(huì)脫離P型擴(kuò)散層4a;所述P型擴(kuò)散層4a的腐蝕電極5a，位于P型擴(kuò)散層4a上端面、沿半圓柱形P型擴(kuò)散層4a長(zhǎng)度方向的一端;所述N型娃片10 Ia的腐蝕電極6a位于N型娃片10 Ia下端面、與P型擴(kuò)散層4a的腐蝕電極5a在垂直方向上對(duì)齊;然后將N型硅片浸入TMA