集成式復(fù)合敏感電極及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及加速度計技術(shù)領(lǐng)域和MEMS (微電子機械系統(tǒng))技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種MEMS電化學(xué)加速度計復(fù)合敏感電極及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]加速度計是一種將外界的加速度轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕拿舾衅骷?，在慣性導(dǎo)航、地震監(jiān)測、振動分析以及消費電子中有廣泛的應(yīng)用。常見的類型有傳統(tǒng)機械式加速度計、石英加速度計、MEMS加速度計以及光纖加速度計等，在這些器件的內(nèi)部有一個慣性質(zhì)量塊，工作時質(zhì)量塊在慣性力的作用下相對于器件的固定部件產(chǎn)生位移，或者梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力發(fā)生了改變，通過相關(guān)的技術(shù)可將該位移或應(yīng)力變化、頻移轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枴?br>[0003]與上述基于固體慣性質(zhì)量塊不同的是，近年來出現(xiàn)的電化學(xué)加速度計以電解質(zhì)溶液為慣性質(zhì)量塊，其敏感元件由兩對對稱的電極構(gòu)成。其中，每對電極均包含一個陽極和一個陰極，兩對電極呈陽極-陰極-陰極-陽極分布，敏感核心和電解液封裝在有機玻璃和橡膠薄膜構(gòu)成的外殼里。工作時，在陽極與陰極上施加一個恒定的工作電壓，參加反應(yīng)的離子將建立一個穩(wěn)定的濃度分布，在外界加速度的作用下，電解液和敏感電極產(chǎn)生相對運動，從而改變了兩對電極附近反應(yīng)離子的濃度分布，導(dǎo)致其中一對電極的電化學(xué)反應(yīng)速率變快，而另一對電極的電化學(xué)反應(yīng)速率變慢，進而使其中一對電極的輸出電流變大，另一對電極的輸出電流變小，兩對電極輸出電流的差分可以反應(yīng)外界加速度的大小。已有的電化學(xué)加速度計具有高靈敏度、低噪聲、低功耗、大傾角工作能力、不易損壞、設(shè)計簡單等優(yōu)點，已經(jīng)應(yīng)用在高性能的地震儀中。
[0004]已有的電化學(xué)檢波器的電極敏感核心由鉑絲網(wǎng)狀電極、多孔陶瓷薄片和陶瓷管組裝而成，工藝復(fù)雜、成本高、電極一致性差、批量化生產(chǎn)能力差，制約著其使用范圍。為了克服傳統(tǒng)工藝方法的缺點，近年來出現(xiàn)了基于MEMS技術(shù)的電化學(xué)加速度計。MEMS技術(shù)是在微電子技術(shù)和硅微加工基礎(chǔ)上發(fā)展起來的多學(xué)科交叉的新技術(shù)，具有微型化、集成化、可批量生產(chǎn)等特點。在新出現(xiàn)的MEMS電化學(xué)加速度計中，有的方案分別將電極層與間隔層制作出來，然后進行組裝，其優(yōu)點是單片硅片工藝簡單，但是存在層間對齊較差、組裝復(fù)雜的缺點。有的方案在一個硅片上完成所有的電極層與間隔層，其優(yōu)點是層間對齊好，缺點是電極參數(shù)調(diào)整的空間很小，并且靈敏度較低；另外，該技術(shù)用FIB技術(shù)刻蝕出多層電極結(jié)構(gòu)的通孔，由于其刻蝕效率慢，因而批量化生產(chǎn)能力差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明的一個目的在于提供一種基于MEMS技術(shù)的電化學(xué)加速度計復(fù)合敏感電極，本發(fā)明的另一個目的在于提供一種其的制造方法。
[0006]作為本發(fā)明的一個方面，本發(fā)明提供了一種復(fù)合陽極，其特征在于，所述復(fù)合陽極由硅基材料或石英材料通過MEMS技術(shù)制成，正面和背面之間形成通孔，作為電解液流動的通道；正面的表面及正面的通孔側(cè)壁有一層金屬材料作為電極，背面的表面及背面的孔側(cè)壁是一層絕緣材料保證相鄰復(fù)合電極之間的絕緣性，從而背面的孔在相鄰復(fù)合電極之間起到間隔層的作用。
[0007]其中，所述正面和背面之間形成的通孔為一個或多個方形或圓形的孔。
[0008]作為本發(fā)明的另一個方面，本發(fā)明提供了一種復(fù)合陰極，其特征在于，所述復(fù)合陰極由硅基材料或石英材料通過MEMS技術(shù)制成，正面和背面之間形成通孔，作為電解液流動的通道；正面的表面及正面的通孔側(cè)壁有一層金屬材料作為電極，背面的表面及背面的孔側(cè)壁是一層絕緣材料保證相鄰復(fù)合電極之間的絕緣性，從而背面的孔在相鄰復(fù)合電極之間起到間隔層的作用。
[0009]其中，所述正面和背面之間形成的通孔為一個或多個方形或圓形的孔。
[0010]作為本發(fā)明的再一個方面，本發(fā)明提供了一種MEMS電化學(xué)加速度計復(fù)合敏感電極，其特征在于，所述復(fù)合敏感電極由如權(quán)利要求1或2所述的復(fù)合陽極與如權(quán)利要求3或4所述的復(fù)合陰極交替堆疊而成，堆疊順序是陽極-陰極-陰極-陽極。
[0011]其中，所述復(fù)合陽極表面的所述通孔中存在一通孔用于引出與其相鄰的所述復(fù)合陰極的電極引線。
[0012]作為本發(fā)明的再一個方面，本發(fā)明提供了一種復(fù)合陽極或復(fù)合陰極的制造方法，米用MEMS加工方法進彳丁制造，包括以下步驟:
[0013]在襯底的背面刻蝕出多個孔，然后在其正面刻蝕出多個孔形成通孔，再在襯底表面生長一層絕緣材料作為絕緣層，最后在正面生長出導(dǎo)電材料得到導(dǎo)電層，從而形成所述復(fù)合陽極或復(fù)合陰極。
[0014]作為本發(fā)明的還一個方面，本發(fā)明提供了一種MEMS電化學(xué)加速度計復(fù)合敏感電極的制造方法，包括以下步驟:
[0015]步驟SI，采用MEMS加工方法分別制備復(fù)合陽極和復(fù)合陰極；
[0016]步驟S2，通過鍵合工藝將所述復(fù)合陽極與所述復(fù)合陰極堆疊在一起。
[0017]其中，步驟SI進一步包括:
[0018]步驟S11，在襯底單晶硅的背面通過深刻蝕工藝刻蝕一定深度的孔徑較大的孔，但不刻穿整個硅片；
[0019]步驟S12，在單晶硅襯底的正面用深刻蝕工藝刻蝕孔直到與背面已有的孔相通形成通孔；
[0020]步驟S13，以熱氧化方法在所述單晶硅襯底表面生長氧化硅；
[0021]步驟S14，在正面的氧化硅的表面濺射鉑金分別得到對應(yīng)的所述復(fù)合陽極或復(fù)合陰極。
[0022]其中，步驟S2進一步包括:
[0023]步驟S21，在復(fù)合陰極的正面涂上BCB膠，然后通過對準設(shè)備將復(fù)合陽極與復(fù)合陰極對準進行鍵合，得到一對復(fù)合陰陽電極；使用同樣的工藝可以得到另一對相同的復(fù)合電極；
[0024]步驟S22，將步驟S21得到的兩對復(fù)合電極鍵合在一起得到所述復(fù)合敏感電極；
[0025]步驟S23，通過引線鍵合工藝將電極引線引出。
[0026]基于上述技術(shù)方案可知，本發(fā)明的復(fù)合敏感電極具有如下有益效果:(i)間隔層與電極層集成在同一硅片上，使敏感電極的總層數(shù)由7減少到4，降低了層間對齊難度，簡化了加工工藝；(ii)間隔層的厚度可以根據(jù)需要方便地控制為幾微米直到上百微米，因而實現(xiàn)了器件靈敏度的自由調(diào)節(jié)。
【附圖說明】
[0027]圖1是本發(fā)明的復(fù)合敏感電極的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028]圖2是本發(fā)明的復(fù)合陽極的MEMS工藝制作流程圖；
[0029]圖3是本發(fā)明的復(fù)合陰極的MEMS工藝制作流程圖；
[0030]圖4是本發(fā)明的復(fù)合陽極與復(fù)合陰極的鍵合工藝流程圖。
[0031]附圖中符號含義為:
[0032]1-復(fù)合陽極 2-復(fù)合陰極 3-單晶硅
[0033]4- 二氧化硅 5-鉑6-BCB 膠
[0034]a-背面深刻蝕b-正面深刻蝕C-熱氧化
[0035]d-濺射e-涂BCB膠 f、g_鍵合
[0036]h-電極引線
【具體實施方式】
[0037]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，對本發(fā)明作進一步的詳細說明。
[0038]本發(fā)明公開了一種MEMS電化學(xué)加速度計復(fù)合敏感電極，由間隔層集成式復(fù)合陽極與間隔層集成式復(fù)合陰極交替堆疊而成，其順序是陽極-陰極-陰極-陽極。其中，該間隔層集成式復(fù)合陽極，由硅基材料或石英材料制成，正面布滿方形或圓形或其他形狀的孔，背面布滿孔徑較大的方形或圓形或其他形狀的凹槽孔與正面的孔相通形成通孔，作為電解液流動的通道；正面的表面及正面的通孔側(cè)壁有一層金屬材料作為電極，背面的表面及背面的孔側(cè)壁是一層絕緣材料保證相鄰復(fù)合電極之間的絕緣性；這樣，背面的孔在相鄰復(fù)合電極之間起到間隔作用，實際上形成了一個間隔層。復(fù)合陽極再設(shè)計一個孔徑較大的通孔，以便從此通孔引出復(fù)合陰極的電極引線。
[0039]該間隔層集成式復(fù)合陰極，除沒有電極引線的通孔外，其特征與復(fù)合陽極相同。上述復(fù)合陽極與復(fù)合陽極中，所謂的復(fù)合，是指將電極層與隔開相鄰電極的間隔層集成在同一個薄片上，而不需要單獨做一個間隔層將相鄰電極層隔開的方式。
[0040]本發(fā)明還提供了一種MEMS電化學(xué)加速度計復(fù)合敏感電極的制造方法，包括以下步驟:
[0041]步驟SI，采用MEMS加工方法制備復(fù)合陽極與復(fù)合陰極；
[0042]具體包括:在襯底的背面刻蝕出多個孔徑較大的孔，然后在其正面刻蝕出多個孔徑較小的孔形成通孔，再在襯底表面生長一層絕緣材料作為絕緣層，最后在正面生長出導(dǎo)電材料得到導(dǎo)電層以供電化學(xué)反應(yīng)；
[0043]步驟S2，通過鍵合工藝將該復(fù)合陽極與該復(fù)合陰極堆疊在一起。
[0044]其中，步驟SI進一步包括:
[0045]步驟S11，在襯底