一种基于硅导电的mems电化学振动传感器敏感电极及其制造方法
阅读说明：本技术 一种基于硅导电的mems电化学振动传感器敏感电极及其制造方法 (MEMS electrochemical vibration sensor sensitive electrode based on silicon conduction and manufacturing method thereof ) 是由 陈德勇 陈明惟 王军波 刘博文 梁天 齐文杰 钟安详 段语默 于 2021-09-08 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种基于硅导电的MEMS电化学振动传感器敏感电极及其制造方法。所述电极包括：基底；基底正背面绝缘层；正面绝缘层包括绝缘设置的第一区域和第二区域；背面绝缘层包括绝缘设置的第三区域和第四区域；第一区域和第三区域包括阳极接入面,每个阳极接入面上有阳极电压接入处和至少一个阳极接入孔；第一阴极形成于第二区域上；多个流道孔位于第二区域内；阳极接入孔和流道孔贯穿正背面绝缘层和基底；第二阴极,形成于第四区域上；流道孔侧壁阳极,形成于流道孔的内侧壁上,分别与第一阴极、第二阴极绝缘设置。使用硅导电的引线方式,无需占用硅片表面面积将每一个流孔侧壁的阳极引出,增加硅片表面的阴极面积,提高器件灵敏度。(The invention discloses a sensitive electrode of a silicon-conduction-based MEMS (micro-electromechanical system) electrochemical vibration sensor and a manufacturing method thereof. The electrode includes: a substrate; a substrate front and back insulating layer; the front insulating layer comprises a first area and a second area which are arranged in an insulating mode; the back insulating layer comprises a third area and a fourth area which are arranged in an insulating mode; the first area and the third area comprise anode access surfaces, and each anode access surface is provided with an anode voltage access position and at least one anode access hole; the first cathode is formed on the second region; a plurality of flow channel holes are located in the second region; the anode access hole and the flow passage hole penetrate through the front and back insulating layers and the substrate; a second cathode formed on the fourth region; and the anode of the side wall of the runner hole is formed on the inner side wall of the runner hole and is respectively arranged in an insulating way with the first cathode and the second cathode. By using a silicon conductive lead mode, the anode of the side wall of each flow hole is led out without occupying the surface area of the silicon wafer, the cathode area of the surface of the silicon wafer is increased, and the sensitivity of a device is improved.)
技术领域
本发明涉及MEMS传感器领域和低频振动测量领域，尤其涉及MEMS工艺制作领域，具体涉及一种基于硅导电的MEMS电化学振动传感器敏感电极及其制造方法。
背景技术
目前已经开发出基于各种原理的振动传感器。按照工作原理的不同，可以分为压电加速度计、光纤传感器、电化学振动传感器等，以上几种振动传感器除了电化学振动传感器，它们的振动传感单元都是使用精密机械部件作为惯性质量，存在器件体积大、重量重等问题，而电化学振动传感器使用液体溶液作为惯性质量，无需位置和中心调整，具有更大的工作倾角，而且灵敏度高，动态范围大且自噪声较小。
电化学振动传感器的核心单元由敏感电极、电解液等组成。敏感电极主要采用阳极-阴极-阴极-阳极的排列方式，电解液由含有KI和I2的水溶液组成，其中的I-在阳极失去电子生成I3 -，而I3 -在阴极得到电子生成I-。当外界振动时，相对于电极有离子流动，导致两阴阳电极间离子发生不平衡，从而导致输出电流不平衡，通过检测不平衡电流就可以得到振动的振幅和频率，这就是电化学振动传感器的工作原理。因此电化学振动传感器敏感电极的制作质量关系到器件的灵敏度等重要性能。
目前，MEMS(Micro-Electro-Mechanical-System，微机电系统)敏感电极结构主要有ACCA四电极结构和CAC三电极结构两种，通过改变MEMS敏感电极的阴阳极间距，增加阴极面积等方式，提高传感器的灵敏度。电极从早期的人工对齐七层多孔板到使用晶圆级键合对齐两层芯片，最后实现单片集成，提高电极集成度。
在减少芯片数量的同时，电极如何引线是一个重要的问题。多层芯片的各层铂电极本身就分别覆盖不同芯片表面，可以方便地从各个芯片表面引线接入电压。而集成在一个芯片上的ACCA结构敏感电极的一对阳极和阴极需要制作在同一面，做成阳极包围阴极的方式(或者阴极包围阳极)，需要在芯片表面溅射复杂的金属线条将被包围的电极连接到外围的电压接入点引线；集成在一个芯片上的CAC结构敏感电极是正面阴极，中间阳极，背面阴极的排列形式，阳极分布在各个独立的流道孔侧壁，同样需要在表面溅射复杂的金属线条将每个流孔的阳极都连接到芯片表面，并在外部引线。这种通过在芯片表面溅射复杂的金属线条连接分散电极进行引线的方式增加了工艺的复杂程度，同时减小芯片表面面积利用率。因此本发明提出一种使用支撑层硅导电的引线方式，电极不需要从表面引线，简化工艺，同时增加芯片表面有效电极面积。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提出一种基于硅导电的MEMS电化学振动传感器敏感电极及其制造方法，解决一体化敏感电极引线的问题，减小工艺步骤，增加阴极面积，优化电极尺寸参数，提高传感器灵敏度。
本发明采用如下技术手段：
一种基于硅导电的MEMS电化学振动传感器敏感电极，包括基底、第一绝缘层、第二绝缘层、多个流道孔、第一阴极、流道孔侧壁阳极、第二阴极、阳极接入孔和阳极电压接入处。
所述基底具有彼此相反的第一表面和第二表面；
第一绝缘层，形成于所述的第一表面上；
第二绝缘层，形成于所述的第二表面上；
第一绝缘层划分为相互绝缘设置的第一区域和第二区域；其中第一区域包括多个阳极接入面。
第二绝缘层划分为相互绝缘设置的第三区域和第四区域；第三区域包括多个阳极接入面。所述第三区域上的多个阳极接入面相互绝缘设置或者不绝缘设置。
每个阳极接入面上具有阳极电压接入处。
在所述第一区域中，每个阳极接入面上具有至少一个贯穿到第三区域阳极接入面的阳极接入孔，所述阳极接入孔贯穿所述第一绝缘层、基底和第二绝缘层。
第一阴极，形成于所述第二区域上，所述第一阴极与流道孔之间具有沿着所述流道孔外周分布的绝缘环；
多个流道孔，位于所述第二区域内，所述流道孔贯穿所述第一绝缘层、基底和第二绝缘层，所述流道孔在第二绝缘层的出口位于所述第四区域。
第二阴极，形成于所述第四区域上，所述第二阴极与流道孔之间具有沿着所述流道孔外周分布的绝缘环。
流道孔侧壁阳极，形成于流道孔的内侧壁上，分别与第一阴极、第二阴极绝缘设置。
优选地，第一区域的阳极接入面和第三区域的阳极接入面图案一致。
进一步地，流道孔侧壁阳极，通过沿着所述流道孔外周分布的绝缘环，分别与第一阴极、第二阴极绝缘设置。
进一步地，所述的相互绝缘设置通过绝缘带实现。所述绝缘带为氧化硅或氮化硅绝缘带。例如，第一绝缘层的第一区域和第二区域之间通过绝缘带实现相互绝缘。第二绝缘层的第三区域和第四区域之间通过绝缘带实现相互绝缘。第一区域包括多个通过绝缘带间隔开的阳极接入面，所述绝缘带实现多个阳极接入面间的表面绝缘，阳极接入面之间通过阳极接入孔金属和硅基底连在一起。
第三区域包括两个通过绝缘带间隔开的阳极接入面，所述绝缘带实现多个阳极接入面间的表面绝缘。
进一步地，所述阳极接入孔的内侧壁溅射金属；优选地，所述金属为Pt。
进一步地，所述绝缘层材料选自氧化硅或氮化硅。
进一步地，所述流道孔分布是圆形或方形。
进一步地，所述的基底为硅片；优选地，所述硅片选自N型硅或者P型硅。
进一步地，阳极电压接入处位于阳极接入面上。所述阳极接入面上具有金属层；阳极接入孔内侧壁具有金属层。阳极接入孔内侧壁的金属和阳极电压接入处表面的金属连接。优选地，阳极接入孔内侧壁的金属和阳极电压接入处表面的金属直接连接。例如，所述金属层为Pt层，优选地，所述Pt层厚度为所述金属层也可以为Pt层以及夹在Pt层和阳极接入面之间的Ti或Cr层，优选地，所述Pt层厚度为所述Ti或Cr层厚度为
进一步地，流道孔侧壁阳极与第一阴极通过包覆于流道孔四周的绝缘环进行绝缘设置。
进一步地，流道孔侧壁阳极与第二阴极通过包覆于流道孔四周的绝缘环进行绝缘设置。
进一步地，所述绝缘环材料选自氧化硅或氮化硅。
一种如上任一所述的敏感电极的制造方法，包括以下步骤：
步骤(1)：选择并清洁基底；
步骤(2)：在基底第一表面和第二表面分别形成第一绝缘层、第二绝缘层；
步骤(3)：使用光刻胶，在第一绝缘层上进行甩胶，前烘，曝光，显影，形成通过绝缘带间隔开的第一区域、第二区域，和第一区域上的多个相互绝缘设置的阳极接入面；
步骤(4)：在第一绝缘层的第二区域上，生长第一阴极金属层，同时在第一区域的多个阳极接入面上分别生长金属层；
步骤(5)：去除光刻胶和胶上的金属，形成第一阴极和具有金属层的阳极接入面；
步骤(6)：使用光刻胶，在基底第二表面进行甩胶，前烘，套刻，显影，工艺参数同步骤(3)一致，形成通过绝缘带间隔开的第三区域、第四区域，和第三区域上的多个相互绝缘设置的阳极接入面；
步骤(7)：在第二绝缘层上的第四区域上，生长第二阴极金属层；同时在第三区域的多个阳极接入面上分别生长金属层；
步骤(8)：去除光刻胶和胶上的金属，形成第二阴极和具有金属层的阳极接入面；
步骤(9)：使用光刻胶，在第一绝缘层上进行甩胶，前烘，正面套刻，显影；
步骤(10)：以步骤(9)中的光刻胶为掩膜，刻蚀第一绝缘层，再刻蚀基底，最后刻蚀第二绝缘层，形成流道孔和阳极接入孔；
步骤(11)：在第一绝缘层上使用干膜进行曝光显影，覆盖第一阴极图案和绝缘设置的位置；阳极接入孔和阳极接入处需要完全暴露，使溅射时阳极接入孔侧壁和阳极接入处表面的金属充分连接；
步骤(12)：使用溅射工艺从第一绝缘层上溅射金属。优选地，先溅射Ti或Cr层，然后溅射Pt层；优选地，所述Ti或Cr层厚度为优选地，所述Pt层厚度为
步骤(13)：去除干膜和金属，形成流道孔侧壁阳极；同时完成阳极接入处到基底的金属连接，形成电压接入处到电解液发生反应的阳极的通路。
进一步地，绝缘层使用热氧工艺制作或者使用PECVD方法沉积。
进一步地，步骤(4)中生长第一阴极金属层和步骤(7)中生长第二阴极金属层分别采用电子束蒸发工艺。
进一步地，步骤(8)中，第二阴极金属图案同第一阴极金属图案完全一致。
进一步地，流道孔的形状是方形或圆形。
本发明还提供一种基于硅导电的MEMS电化学振动传感器，包括如上任一项所述的敏感电极或者如上任一项所述的方法制造的敏感电极。
本发明的有益效果：
(1)使用了阴极-阳极-阴极的结构，采用了单片硅片集成所有电极的方式，后面组装器件时无需人工对齐多对电极，降低组装难度。
(2)电极结构的一致性误差只由MEMS工艺制作时产生，提高器件的一致性。
(3)使用硅导电的引线方式，无需占用硅片表面面积将每一个流孔侧壁的阳极引出，增加硅片表面的阴极面积，提高器件灵敏度。
(4)使用硅导电的引线方式，不需要在表面溅射复杂的金属线条，避免了由于工艺制作中可能存在表面引线部分未引出而导致部分阳极流孔未利用的问题，降低工艺图案的复杂程度，也减少了工艺步骤，提高成片率。
(5)本发明说明使用硅引入电极电压的可行性，为后面的电极结构设计时的引线问题提供一种方法。
附图说明
图1基于硅导电的MEMS敏感电极结构；
图2基于硅导电的MEMS敏感电极结构工艺流程图。
图中，101：阳极接入孔；102：阳极电压接入处1；103：阳极电压接入处2；104：正面阴极；105：绝缘层；106敏感单元流道孔；107：流道侧壁阳极；108低阻硅；109：背面阴极；110：流道。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例详细介绍本发明。但以下的实施例仅限于解释本发明，本发明的保护范围应包括权利要求的全部内容，而且通过以下实施例的叙述，本领域的技术人员是可以完全实现本发明权利要求的全部内容。
图1是本发明所提出的基于硅导电的敏感电极的整体示意图和截面图。如图1所示，本发明提供一种基于硅导电的MEMS敏感电极结构，包括基底、第一绝缘层、第二绝缘层、多个敏感单元流道孔106、正面阴极104、流道侧壁阳极107、背面阴极109、阳极接入孔101、阳极电压接入处1102、阳极电压接入处2103。所述基底可以为硅片。本发明一个实施例中，所述基底为低阻硅108。绝缘层105包括第一绝缘层和第二绝缘层。优选地，所述绝缘层材料选自氧化硅或氮化硅。
第一绝缘层形成于基底的正面，第二个绝缘层形成于基底的背面。敏感单元流道孔106数量为多个，所述敏感单元流道孔106贯穿第一绝缘层、基底、第二绝缘层。敏感单元流道孔106为阳极孔。
第一绝缘层划分为相互绝缘设置的第一区域和第二区域。第一绝缘层的第一区域和第二区域通过绝缘带间隔开。
其中第一区域包括两个通过绝缘带间隔开的阳极接入面，其中一个阳极接入面上具有阳极电压接入处1102和至少一个阳极接入孔101；另外一个阳极接入面上具有阳极电压接入处2103和至少一个阳极接入孔101。
第二绝缘层划分为相互绝缘设置的第三区域和第四区域，第三区域和第四区域通过绝缘带间隔开。第三区域包括两个通过绝缘带间隔开的阳极接入面，每个阳极接入面上具有阳极电压接入处。优选地，第一区域上阳极接入面图案的和第三区域上阳极接入面图案一致。
在所述第一区域中，阳极接入孔101贯穿到第三区域阳极接入面。所述阳极接入孔101贯穿所述第一绝缘层、基底和第二绝缘层。
每个阳极接入面上具有金属层；阳极接入孔101侧壁具有金属层。同一个阳极接入面内的阳极接入孔101侧壁的金属和阳极电压接入处表面的金属连接。例如，阳极接入面上的金属层和阳极接入孔101侧壁的金属层相同，所述金属层为Pt层，优选地所述Pt层厚度为 所述金属层也可以为Pt层以及夹在Pt层和阳极接入面之间的Ti或Cr层，优选地，所述Pt层厚度为所述Ti或Cr层厚度为
所述第二区域上设置有正面阴极104，所述正面阴极104与敏感单元流道孔106之间具有沿着所述流道孔106外周分布的绝缘环。
流道侧壁阳极107，形成于敏感单元流道孔106的内侧壁上，通过绝缘环分别与正面阴极104、背面阴极109相间隔。所述绝缘环包覆于敏感单元流道孔106的四周，绝缘环的径向宽度为20um。
背面阴极109，形成于第二绝缘层的第四区域上，通过绝缘环与流道侧壁阳极107相间隔。
敏感单元流道孔106为电解质溶液的流道。优选地，正面阴极104和背面阴极109图案一致。
第一绝缘层、第二绝缘层、绝缘带和绝缘环材料可以用氧化硅，也可以用氮化硅等其他材料。
敏感电极主要由三个按照阴极104-阳极107-阴极109排列的电极和电极之间的绝缘层105组成，电极是Pt电极，固定于充满电解质溶液的流道110内。所述流道110是指敏感电极封装时所处的流道110，如图1所示。电解质溶液充满阳极孔，分布在正面阴极104，背面阴极109表面和所述阳极107表面。本发明在阳极电压接入处1(102)接入0.3V电压，电压经阳极接入孔101侧壁溅射的Pt引入低阻硅108，并由低阻硅108导电传递到流道侧壁的阳极107，两个阴极直接由正反面分别引出。通过测量阳极电压接入处1(102)和接入处2(103)之间的电阻，就可以近似表征0.3V电压从接入处到阳极107的输入电阻。
通过这种使用支撑层硅接入阳极电压的方法，解决电极需要从表面设计图案，溅射金属引线的问题，降低工艺的复杂程度，同时表面不需要占用阴极的面积，增加了表面面积利用率，增大阴极面积。当阴阳极存在电压差时，电解质溶液中的离子分别在阳极和阴极发生反应，完成阴阳极之间的电荷转移。当电解质溶液存在机械运动时，引起电极周围离子分布不平衡，导致两阴极电流输出不平衡，计算阴极输出的差分电流就可以得到和外界输入运动信号成比例的电信号。
图2是本发明所提出的电化学振动传感器敏感单元的MEMS工艺流程图。具体步骤如下：
步骤(1)：选择电阻率为0.0015Ω.cm，厚度为200μm的四寸硅片，进行煮酸和煮水，清洁硅片。所述硅片为低阻硅108。
步骤(2)：通过热氧的方法，在硅片表面生长700nm厚的氧化硅作为绝缘层105。
步骤(3)：打氧清洁硅片后，使用正性光刻胶AZ1500，在硅片正面进行甩胶，前烘，曝光，显影。形成通过绝缘带间隔开的第一区域、第二区域，和第一区域上的多个相互绝缘设置的阳极接入面。
步骤(4)：使用电子束蒸发工艺在硅片正面生长Ti Pt
步骤(5)：使用丙酮进行剥离工艺，去除光刻胶和胶上的金属，留下作为正面阴极104的金属和具有金属层的阳极接入面。
步骤(6)：打氧清洁硅片后，使用正性光刻胶AZ1500，在硅片背面进行甩胶，前烘，背面套刻，显影。工艺参数同步骤(3)一致。形成通过绝缘带间隔开的第三区域、第四区域，和第三区域上的多个相互绝缘设置的阳极接入面。
步骤(7)：使用电子束蒸发工艺在硅片背面生长Ti Pt
步骤(8)：使用丙酮进行剥离工艺，去除光刻胶和胶上的金属，留下作为背面阴极109的金属，金属图案同正面完全一致，保证两阴极结构的一致性。同时，形成具有金属层的阳极接入面。
步骤(9)：使用正性光刻胶AZ4620，在硅片正面进行甩胶，前烘，正面套刻，显影。
步骤(10)：以步骤(9)中的光刻胶为掩膜，使用(RIE)反应离子刻蚀工艺刻蚀正面的氧化硅，再使用(DRIE)深反应离子刻蚀工艺刻蚀硅，最后使用RIE工艺刻蚀背面的氧化硅，形成敏感单元流道孔(106)和阳极接入孔。使用丙酮去除剩余的光刻胶。
步骤(11)：在硅片正面使用干膜进行曝光显影，覆盖正面阴极104图案和绝缘环的位置。阳极接入孔101和阳极电压接入处(102、103)需要完全暴露，使溅射时阳极接入孔101侧壁和接入电压处表面(102、103)的金属充分连接。
步骤(12)：使用溅射工艺从硅片正面溅射TiPt
步骤(13)：使用NaOH溶液剥离，去除干膜和金属，留下位于敏感单元流道孔106侧壁的阳极107。同时完成阳极电压接入处(102、103)到低阻硅108的金属连接，形成电压接入处102到电解液发生反应的阳极107的通路。
在本发明的一些实施例中，绝缘层材料可以用氮化硅等其他材料；
在本发明的一些实施例中，绝缘层的氧化硅可以使用热氧工艺制作，也可以使用PECVD方法沉积。
在本发明的一些实施例中，流道孔的形状可以是方形等形状，芯片流道部分的流道孔分布可以是圆形也可以是方形。在本发明的一些实施例中，过渡电极材料Ti还可使用其他不易从硅表面脱落的金属如Cr等。
在本发明的一些实施例中，使用的硅片可以是N型硅，也可以是P型硅。
本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
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