阅读说明：本技术 Mems电化学振动传感器四电极一体化敏感电极及其制造方法 (Four-electrode integrated sensitive electrode of MEMS (micro electro mechanical System) electrochemical vibration sensor and manufacturing method thereof ) 是由 王军波 段语默 陈德勇 许超 齐文杰 于 2021-09-07 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种MEMS电化学振动传感器四电极一体化敏感电极及其制造方法,包括衬底、形成于衬底正面的第一绝缘层和衬底背面的第二绝缘层,多个贯穿第一绝缘层、衬底和第二绝缘层的通孔、形成于通孔的内侧壁上的通孔侧壁绝缘层；第一绝缘层上具有第一阳极电极和与其对称的第一阴极电极,第一阴极电极形成于所述第一绝缘层的第二部分上和第二部分的通孔的内侧壁上；第二绝缘层上具有第二阳极电极和与其对称的第二阴极电极,第二阴极电极形成于所述第二绝缘层的第三部分和第三部分的通孔的内侧壁上。相比于已有的四电极集成方案,本方案阴阳极电极对的设计提升了阴极面积的有效利用率,且流道内壁也制作了阴极,大幅提升了灵敏度。(The invention discloses a four-electrode integrated sensitive electrode of an MEMS (micro-electromechanical system) electrochemical vibration sensor and a manufacturing method thereof, wherein the four-electrode integrated sensitive electrode comprises a substrate, a first insulating layer formed on the front surface of the substrate, a second insulating layer formed on the back surface of the substrate, a plurality of through holes penetrating through the first insulating layer, the substrate and the second insulating layer, and a through hole side wall insulating layer formed on the inner side wall of each through hole; the first insulating layer is provided with a first anode electrode and a first cathode electrode which is symmetrical to the first anode electrode, and the first cathode electrode is formed on the second part of the first insulating layer and on the inner side wall of the through hole of the second part; the second insulating layer is provided with a second anode electrode and a second cathode electrode which is symmetrical with the second anode electrode, and the second cathode electrode is formed on the third part of the second insulating layer and the inner side wall of the through hole of the third part. Compared with the existing four-electrode integration scheme, the cathode-anode electrode pair design improves the effective utilization rate of the cathode area, and the cathode is manufactured on the inner wall of the flow channel, so that the sensitivity is greatly improved.)

MEMS电化学振动传感器四电极一体化敏感电极及其制造方法

技术领域

本发明涉及振动传感器

技术领域

和MEMS(Micro-Electro-Mechanical-System，微机电系统)技术领域，尤其涉及一种MEMS电化学振动传感器四电极一体化敏感电极及其制造方法。

背景技术

振动传感器是将外部振动信号转化为电信号以供分析的传感器，种类繁多，原理各异。主要有电容式、电磁式、光学式、压电式和电化学式等。

其中电化学振动传感器采用以碘-碘化钾电解液为主的液体质量块代替传统的质量块，其核心是由两对阴阳极及流道组成的敏感电极核心。加速度计工作时，在两对阴阳极上施加偏置电压。当外部加速度为零时，电解液离子浓度对称分布，两对电极差分输出为零；当外部有加速度时，电解液通过流道流动，改变了离子浓度分布，两对电极产生差分输出，差分输出电流的大小反映了加速度的大小。相较于其它类型的检波器，电化学加速度计有如下突出的优势：首先以与弹性膜耦合的电解液作为惯性质量，无需位置和中心调整，工作倾角大；其次，内部没有精密机械部件和运动机械零件，所以从根本上保证了传感器还具有操作简单、抗冲击等优点；当活性离子在低频地震振动下在流动通道中移动时，它们有足够的时间扩散到电极表面，从而产生良好的响应。

早期电化学加速度计采用铂丝网制作电极，用陶瓷薄片或聚合物制作绝缘层，再利用陶瓷烧结工艺进行组装的传统方法进行制作，存在一致性差，工艺复杂，成本较高等诸多缺点。随后MEMS工艺被引入用以制作敏感电极以改善上述问题。目前有方案(专利公开号：CN105158493A)制作MEMS体电极结构时采用将一对阴阳极集成在单片硅片上的方法，虽然将所需芯片减少至两片，但仍然需要人工对准安装，且会降低器件的一致性。基于此，有一些方案被提出用以解决四电极单片集成的问题。

有方案(Hai H,Carande B,Rui T,et al.Amicro seismometerbased onmolecular electronic transducer technology for planetary exploration[J].Applied Physics Letters,2013,102(19):4524-4546.)是在硅基底上沉积铂电极及氮化硅绝缘层，再采用聚焦离子束技术刻蚀通孔作为流道孔，该方案由于采用FIB技术加工垂直流道，一次只能加工一个流道孔，效率低，不适于大规模生产，且电解液和电极的接触面积很小，导致灵敏度较低，不适宜实际应用。

另有方案(Sun Z,Chen D,Jian C,et al.AMEMS based electrochemicalseismometer with a novel integrated sensing unit[C]//2016IEEE 29thInternational Conference on Micro Electro Mechanical Systems(MEMS).IEEE,2016.)通过在硅片两侧先制作图形化的铂电极结构作为阴极，刻蚀流道孔后，再沉积SU-8薄膜作绝缘层，再沉积铂电极作为阳极以实现集成。但此方案同样存在电解液与电极接触面积小的问题，且成品率极低，可重复性差。

另有方案(专利公开号CN110568518A)将一对阴阳极集成在一片衬底上，刻蚀流孔形成流道，再将两片敏感电极以及橡胶圈组合安装形成四电极敏感核心。该方案利用了流孔侧壁，增加了阴极面积，提升了输出灵敏度，但集成度较低，相较于单片集成结构流阻较大，且需要人工对准安装，影响器件的一致性。

另有方案(专利公开号：CN110426532A)在硅片两侧分别制作图形化的平面电极阴阳极对，再刻蚀流孔进行联通。此方案可重复性好，但由于流道内壁没有阴极面积，且大多数处在芯片中间的阴极难以利用，导致灵敏度低且低频性能极差。

发明内容

针对以上问题，本发明提出一种MEMS电化学振动传感器四电极一体化敏感电极及其制造方法。所述四电极一体化敏感电极为新型的四电极一体化敏感电极，在纯硅结构的基础上，简化制作工艺，通过单片集成降低流阻，且对表面及流道内壁电极面积的充分利用提高器件灵敏度，同时保证器件一致性。

为了无需人工对准，充分利用芯片电极面积，以简化工艺，提升一致性的同时保持高灵敏度，本发明提出了一种四电极一体化敏感电极及其制造方法。

本发明采用以下技术方案：

一种MEMS电化学振动传感器四电极一体化敏感电极，其包括衬底、绝缘层、多个通孔、第一阳极电极、第一阴极电极、第二阳极电极和第二阴极电极；其中，

所述衬底包括彼此相反的第一表面和第二表面；

所述绝缘层包括第一绝缘层，第二绝缘层和通孔侧壁绝缘层，所述第一绝缘层形成于所述衬底的第一表面上，所述第二绝缘层形成于所述衬底的第二表面上，所述通孔侧壁绝缘层形成于通孔的内侧壁上；

所述第一绝缘层包括第一部分、第二部分、以及第一部分和第二部分之间的绝缘带，所述第二绝缘层包括第三部分、第四部分、以及第三部分和第四部分之间的绝缘带；所述第一部分上具有多个贯穿到第三部分上的通孔，所述第二部分上具有多个贯穿到第四部分上的通孔，所述通孔贯穿第一绝缘层、衬底和第二绝缘层；

第一阳极电极，形成于所述第一绝缘层的第一部分的除通孔外周绝缘环以外的区域上；

第一阴极电极，形成于所述第一绝缘层的第二部分和第二部分的通孔的内侧壁上；

第二阴极电极，形成于所述第二绝缘层的第三部分和第三部分的通孔的内侧壁上；

第二阳极电极，形成于所述第二绝缘层的第四部分除通孔外周绝缘环以外的区域上。

所述通孔为流孔，是电解液的流道。

在本发明的一个实施方案中，在第一绝缘层上，所述第一部分上的第一阳极电极和第二部分上的第一阴极电极沿衬底中线对称，或者所述第一部分上的第一阳极电极和第二部分上的第一阴极电极为插指形设计。

在本发明的一个实施方案中，在第二绝缘层上，所述第三部分上的第二阴极电极和第四部分上的第二阳极电极沿衬底中线对称，或者所述第三部分上的第二阴极电极和第四部分上的第二阳极电极为插指形设计。

在本发明的一个实施方案中，所述第一绝缘层和所述第二绝缘层的图形成中心对称。

在本发明的一个实施方案中，所述衬底为硅片。优选地，所述硅片厚度为200微米。

在本发明的一个实施方案中，所述绝缘层为二氧化硅绝缘层或者氮化硅绝缘层。优选地，所述绝缘层的厚度为5000-8000埃。优选地，所述绝缘层的厚度为1微米。

在本发明的一个实施方案中，所述阳极和阴极的材料分别为Pt，厚度2000-3000埃。

在本发明的一个实施方案中，所述电极表面流孔形状为单圆孔或其他图形，优选地孔径80-150微米。

在本发明的一个实施方案中，绝缘环宽度为10-20微米，绝缘带宽度为60-100微米。所述绝缘环为二氧化硅绝缘环或者氮化硅绝缘环。所述绝缘带为二氧化硅绝缘带或者氮化硅绝缘带。

如上任一项所述的一体化敏感电极的制造方法，其包括：

步骤(a)：光刻，在衬底的第一表面涂光刻胶并光刻，使其表面图形化；

步骤(b)：刻蚀衬底并去胶，用深反应离子刻蚀(DRIE)刻蚀衬底制作通孔，去除表面残余的光刻胶；

步骤(c)：热氧化，对刻蚀后的进行热氧化，形成第一绝缘层，第二绝缘层和通孔侧壁绝缘层，使衬底绝缘；

步骤(d)：光刻，在衬底的一面贴附一层干膜并光刻，制作出表面电极，绝缘环及绝缘带的光刻胶图形；

步骤(e)：溅射金属并剥离，溅射过渡层金属钛及电极层金属，接着进行剥离，同时制作出该面的阳极电极和该面及孔内的阴极电极，阴阳极之间的绝缘环及绝缘带；

步骤(f)：在另一面重复步骤(d)～步骤(e)，完成另一侧阳极电极和阴极电极的制作。

进一步地，步骤(e)中，该面的阳极电极和该面及孔内的阴极电极彼此绝缘。

进一步地，步骤(f)中，该面的阳极电极和该面及孔内的阴极电极彼此绝缘。

在本发明的一个实施方案中，所述的过渡层金属为钛，优选地过渡层厚度300埃；所述电极层金属为铂，优选地电极层厚度2000-3000埃。

本发明的有益效果：

(1)将敏感核心的四个电极及绝缘层集成在一片硅片上，无需人工对准，简化了工艺，提高了器件的一致性和可重复性。

(2)所用的MEMS工艺都操作简单且效率高，从而成品率高，有利于未来产品化生产。

(3)对电极性能有影响的参数，如流道孔径，阴阳极间距等可以很方便的进行调整，有利于器件性能的优化及探究。

相比于已有的四电极集成方案，本方案在减小流阻的同时，阴阳极电极对的设计提升了阴极面积的有效利用率，且流道内壁也制作了阴极，大幅提升了灵敏度。

附图说明

图1四电极一体化敏感电极示意图；图1(a)四电极一体化敏感电极截面图，图1(b)四电极一体化敏感电极俯视示意图；

图2四电极一体化敏感电极制作流程示意图。

图中，100-四电极一体化敏感电极；101-硅片衬底；102-绝缘层；103-阳极铂电极；104-阴极铂电极；105-通孔。

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为本发明所述的MEMS电化学加速度计一体化敏感电极的结构示意图。如图1(a)敏感电极截面图所示，本发明提供的一种基于MEMS技术的四电极一体化敏感电极100。该结构包括硅片衬底101，包裹硅片衬底101正背两面及流道侧壁的上下两面的二氧化硅绝缘层102，绝缘层102上的沿硅片中线左右对称阳极铂电极103和阴极铂电极104，多个贯穿硅片衬底101、绝缘层102的通孔105。

阳极铂电极103包括第一阳极电极和第二阳极电极。阴极铂电极104包括第一阴极电极和第二阴极电极。

硅片衬底正面的绝缘层102包括第一部分、第二部分、以及第一部分和第二部分之间的绝缘带，所述绝缘带将所述第一部分和所述第二部分间隔开，实现第一部分和第二部分之间绝缘，优选地所述绝缘带宽度为60-100微米。

硅片衬底101背面的绝缘层102包括第三部分、第四部分、以及第三部分和第四部分之间的绝缘带，所述绝缘带将所述第三部分和所述第四部分间隔开，实现第三部分和第四部分之间绝缘，优选地所述绝缘带宽度为60-100微米。

所述第一部分上具有多个贯穿到第三部分上的通孔105，所述第二部分上具有多个贯穿到第四部分上的通孔105。

第一阳极电极，形成于硅片衬底正面绝缘层102的第一部分的除通孔外周绝缘环以外的区域上。优选地绝缘环的径向宽度为10-20微米。

第一阴极电极，形成于硅片衬底正面绝缘层102的第二部分和第二部分的通孔的内侧壁上。

第二阴极电极，形成于硅片衬底背面绝缘层102的第三部分和第三部分的通孔的内侧壁上。

第二阳极电极，形成于硅片衬底背面绝缘层102的第四部分除通孔外周绝缘环以外的区域上。优选地绝缘环的径向宽度为10-20微米。

阳极铂电极103和阴极铂电极104为电解液发生氧化还原反应所需的电极，而通孔105作为电解液的流道。通孔105形状为单圆孔或其他图形，优选地通孔105孔径80-150μm。为便于制作出通孔105，为便于刻蚀工艺制作通孔105，优选硅片厚度200微米。图1(b)为敏感电极俯视示意图，正面与背面的图形成中心对称。

本发明所述的MEMS电化学加速度计一体化敏感电极的MEMS工艺制作流程图。如图2所示，本发明还提供了一体化敏感电极100的制作流程图，其包括：

步骤(a)：光刻。在硅片衬底101的一面旋涂一层正胶AZ4620并光刻，使其表面图形化。

步骤(b)：刻蚀硅衬底并去胶。用深反应离子刻蚀(DRIE)刻蚀硅衬底制作流道，去除表面残余的光刻胶。

步骤(c)：热氧化。对刻蚀后的硅片衬底101清洗后，进行热氧化，生长1微米的二氧化硅层102使衬底绝缘。

步骤(d)：光刻。在硅衬底的一面贴附一层干膜(Dry Film)并光刻，制作出表面电极，绝缘环及绝缘带的光刻胶图形。

步骤(e)：溅射铂并剥离。溅射过渡层钛及电极层铂，接着进行剥离，同时制作出该面的阳极铂电极103和该面及孔内的阴极铂电极104及绝缘环和绝缘带。流孔周围的绝缘环及芯片中间的绝缘带保证阴阳极间的相互绝缘。剥离后金属区域就是电极，未覆盖金属的就是绝缘区，绝缘环和绝缘带都是光刻图形化后剥离，同电极一起形成的。

步骤(f)：在另一面重复步骤(d)～步骤(e)，完成另一侧阳极铂电极103和阴极铂电极104的制作。

在本发明的一些实施例中，二氧化硅绝缘层可用氮化硅等其他材料替代。

在本发明的一些实施例中，电极表面图形不局限于单圆孔，可制作其他图形。

在本发明的一些实施例中，单面阴阳极可不局限于沿中线左右对称的形式，可设计插指形等进行改进。

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。