專(zhuān)利名稱(chēng)：一種柔性傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種柔性傳感器的制作方法。
背景技術(shù)：
自從1962年第一個(gè)硅微壓力傳感器面世以來(lái)，微傳感器得到了迅速的發(fā)展。然而，大多數(shù)傳感器是利用傳統(tǒng)的技術(shù)光刻、刻蝕、沉積等工藝在剛性襯底(如硅，石英等)上制作的，如一些面陣觸覺(jué)傳感器、諧振力敏傳感器、微型加速度傳感器以及真空微電子傳感器等。在實(shí)際應(yīng)用中，能貼于任意曲面的柔性傳感器需求越來(lái)越多，國(guó)外一些研究機(jī)構(gòu)早在上個(gè)世紀(jì)八十年代就開(kāi)始了對(duì)這種柔性傳感器的研究，并將其應(yīng)用在生物醫(yī)學(xué)、機(jī)器人、軍事等領(lǐng)域，如BARTH等人在1985年報(bào)導(dǎo)在柔性聚酰亞胺襯底上制作硅溫度傳感器陣列的技術(shù)。該溫度傳感器可以用在癌癥治療方面在高溫治療癌癥時(shí)，要將溫度傳感器植入患者的腫瘤部位，這就需要這種柔性的對(duì)組織無(wú)損傷的溫度傳感器。觸覺(jué)是機(jī)器人實(shí)現(xiàn)與外部環(huán)境直接作用的必需媒介，柔性皮膚觸覺(jué)傳感器可以模擬人的感覺(jué)，在機(jī)器人領(lǐng)域備受重視。美國(guó)University of Illinois at Urbana-Champaign的研究人員開(kāi)發(fā)了機(jī)器人觸覺(jué)傳感器，可以感知物體的幾何尺寸、壓力、溫度、滑動(dòng)等，具有很好的穩(wěn)定性。日本佐賀大學(xué)用柔軟、韌性好的壓感導(dǎo)電橡膠研制了檢測(cè)溫度、硬度、熱傳導(dǎo)性的觸覺(jué)傳感系統(tǒng)。隨著MEMS技術(shù)的發(fā)展，如果將柔性傳感器制作和基于柔性皮膚層(flexible skin)的集成電路微制作技術(shù)溶為一體，則可以形成大面積的柔性傳感器，這種發(fā)展趨勢(shì)越來(lái)越受到國(guó)際一些研究機(jī)構(gòu)和公司的重視。著名半導(dǎo)體制造商德國(guó)Infineon公司宣稱(chēng)成功開(kāi)發(fā)出了在布料上嵌入大規(guī)模集成電路(LSI)和布線的技術(shù)，在夾克衫和罩衫上嵌入MP3播放器，制作了“可水洗MP3播放器”，也稱(chēng)為“Wearable Electronics”(可穿戴的電子器件)。這種集多功能的單片集成化是今后基于MEMS的柔性技術(shù)的主要發(fā)展趨勢(shì)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種柔性傳感器的制作方法，該傳感器可以卷曲起來(lái)，可以廣泛應(yīng)用于非平面表面。
本發(fā)明提供的一種柔性傳感器的制作方法，其步驟包括(1)制作剛性傳感器；(2)在剛性傳感器的晶片前表面上旋涂一層10-15μm厚的聚酰亞胺，再甩20-30μm厚的光刻膠；(3)晶片后表面被深刻蝕減至60-80μm厚，形成硅島空腔；(4)在后表面沉積一層300-500nm厚的氮化硅，光刻成形后，刻蝕硅片直到金屬層，形成硅島陣列結(jié)構(gòu)；(5)然后采用反應(yīng)離子刻蝕方法刻蝕步驟(4)沉積的氮化硅；(6)旋涂另一層10-15μm厚的聚酰亞胺于后表面來(lái)覆蓋硅島，即獲得柔性傳感器。
采用本發(fā)明方法制作的柔性傳感器由于其特殊的結(jié)構(gòu)，在許多領(lǐng)域有很廣泛的市場(chǎng)前景。這種技術(shù)可以將傳感器制作成創(chuàng)可貼式的，隨意貼于人體皮膚上，則可以方便的監(jiān)視人的健康狀況，對(duì)于診斷病情，控制給藥，極其方便，這也是目前生物工程的一個(gè)重要應(yīng)用。近年來(lái)，隨著智能機(jī)器人研究的深入開(kāi)展，作為模仿皮膚的這些觸覺(jué)功能的觸覺(jué)傳感器受到了愈來(lái)愈多的重視和期待，如果利用柔性傳感器對(duì)位置、圖象、溫度、壓力、化學(xué)等環(huán)境因素進(jìn)行探測(cè)，則可以實(shí)現(xiàn)真正意義上的人工智能。本發(fā)明所研究的柔性剪切應(yīng)力傳感器，在飛行器的控制方面很有意義。本發(fā)明也將為其它柔性傳感器的制作提供了經(jīng)驗(yàn)，例如這種多晶硅薄膜還可以制作成水下傳感器，可用在潛艇和魚(yú)雷上面?；谶@種柔性制作技術(shù)，制作出許多仿生傳感器，如人造鼻子，眼睛等?？傊嵝詡鞲衅髯鳛橐粋€(gè)的新發(fā)展領(lǐng)域，將大大促進(jìn)MEMS傳感器的應(yīng)用前景和應(yīng)用范圍。


圖1為剪切應(yīng)力傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖，其中1-1為俯視圖，1-2為主視圖，a腐蝕孔，d傳感器長(zhǎng)度，D空腔寬度。
圖2制作工藝流程圖。
具體實(shí)施例方式
下面以剪切應(yīng)力傳感器為例，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。
實(shí)例1本發(fā)明提供的制作方法主要包括兩部分，首先是制作剛性襯底的剪切應(yīng)力傳感器，其次是在所制作的剛性剪切應(yīng)力傳感器上制作出柔性的結(jié)構(gòu)，形成柔性的剪切應(yīng)力傳感器。利用多晶硅的熱電阻/熱膜(Hot wire/film)效應(yīng)，設(shè)計(jì)了長(zhǎng)度為100μm，厚度為0.45μm，寬度為2μm多晶硅條結(jié)構(gòu)，如圖1-1，為了使盡可能少的熱量傳向襯底材料，在多晶硅條下面設(shè)計(jì)了一個(gè)方形的真空腔，如圖1-2所示。采用這種結(jié)構(gòu)的傳感器具有更高的靈敏度和頻率響應(yīng)范圍。
除剪切應(yīng)力傳感器外，本發(fā)明還可以采用其它剛性傳感器作為襯底，如溫度傳感器、壓力傳感器等，均可以采用現(xiàn)有技術(shù)制作。下面列舉一種剛性襯底上剪切應(yīng)力傳感器的制作方法，它依次包括以下步驟(1)清洗硅襯底表面，襯底厚度為300μm；(2)如圖2.1低壓化學(xué)氣相沉積(LPCVD)0.6μm的氮化硅，形成掩模層。用O2/CF4，O2/SF4粒子束刻蝕硅襯底形成1.2μm深的腔體結(jié)構(gòu)(在O2和CF4粒子束刻蝕中，氮化物和硅的交界處可能會(huì)出現(xiàn)氧化硅，為避免該情況的出現(xiàn)，氮化硅沉積之前應(yīng)先用HF浸泡硅襯底，以去處表面的氧化物。局部氧化(LOCOS)，使腔體中填充物為二氧化硅。通常，應(yīng)使氧化物比氮化物略微生長(zhǎng)的高些(氧化物約為2.5um厚)。然后將晶片浸入HF容器中，刻蝕掉背部的氧化物，使表面平整。
(3)如圖2.2沉積0.5um的磷硅玻璃(PSG)，堅(jiān)膜成型后形成刻蝕通道。值得注意的是，堅(jiān)膜步驟是必不可少的，否則在HF中PSG的刻蝕面會(huì)出現(xiàn)不規(guī)則現(xiàn)象。成型步驟后，PSG置于1050攝氏度下熔融。
(4)如圖2.31.6um低壓氮化物沉積形成隔膜且用反應(yīng)離子刻蝕(RIE)刻蝕成空腔。氧化物和PSG均被高溶度的HF(48％)刻蝕掉，且氮化硅的刻蝕速率為5nm/min。
(5)如圖2.4真空中低溫氧化物(LTO)沉積來(lái)封閉腔體。LTO的沉積氣壓約為200mtorr。而實(shí)際中由于450攝氏度時(shí)腔體中殘余的SiH4與O2的繼續(xù)反應(yīng)，使隔離后的空腔中的實(shí)際氣壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于200motorr，近似于真空，便于更好的熱隔離。由于LTO并非有很好的密封質(zhì)量，于是另一層的氮化硅被沉積來(lái)加強(qiáng)密封效果，以減小傳入襯底的熱損失。該隔膜上的氮化硅以LTO為阻刻層并用RIE來(lái)進(jìn)行刻蝕，而LTO層則以HF來(lái)進(jìn)行刻蝕。
(5)如圖2.5多晶硅加工以形成剪切應(yīng)力傳感元件。多晶硅在560攝氏度下進(jìn)行沉積。在該溫度下，首先獲得的為無(wú)定形硅，在硼粒子注入及高溫1050攝氏度的退火后，無(wú)定形硅才轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗑Ч琛Ｔ蚴?，低溫下以無(wú)定形形式沉積的多晶硅在隨后的高溫處理后，比620攝氏度沉積的多晶硅有更好的可控性。其注入摻雜溶度選為2×1020/cm3，以獲得0.1％/K的正的電阻溫度系數(shù)(TCR)。該摻雜溶度能在多晶硅和鋁之間形成較好的接觸電阻特性。
(6)如圖2.6多晶硅深反應(yīng)離子刻蝕(DRIE)成型后，沉積0.2μm的氮化硅以使其鈍化。以O(shè)2和CF4等離子體粒子束刻蝕用于接觸的孔(contact holes)。由于0.2μm的氮化硅下面沒(méi)有阻擋層，故該刻蝕過(guò)程應(yīng)嚴(yán)格監(jiān)控。使用CF4而不用SF4的原因是CF4氣氛下刻蝕多晶硅比SF4氣氛下的速率要低的多。也可多沉積一層薄的LTO來(lái)作為阻刻層，使該步驟更加可控。在450°下蒸發(fā)鋁以形成較好的電阻連接特性。
經(jīng)過(guò)以上步驟，剛性襯底上的剪切應(yīng)力傳感器結(jié)構(gòu)就完成了。接著按照以下步驟完成柔性結(jié)構(gòu)的制作。
(1)如圖2.7首先在制作了剪切應(yīng)力傳感器的晶片前表面上旋涂一層聚酰亞胺(Du Pont PYRALIN PI 2808)聚酰亞胺層約為10μm厚，接著旋涂一層光刻膠，光刻膠應(yīng)要有20μm厚，操作時(shí)應(yīng)注意避免光刻膠的破裂。光刻成形露出傳感器單元。
(2)如圖2.8利用深刻蝕技術(shù)刻蝕硅后表面，刻蝕深度為240μm，形成硅島空腔。
(3)如圖2.9在后表面沉積一層300nm厚的氮化硅，光刻成形后，刻蝕硅片直到金屬層，形成硅島陣列。應(yīng)該注意的是，只有傳感器單元之間的區(qū)域(皮膚區(qū)域)被減薄，傳感器下面(皮膚間)的硅保持不變以保證足夠的機(jī)械支撐強(qiáng)度。然后RIE刻蝕前面沉積的氮化物。否則當(dāng)皮膚彎曲時(shí)氮化層會(huì)發(fā)生破裂，破壞鋁線。
(4)如圖2.10)另一層厚為10μm的聚酰亞胺旋涂于背面來(lái)覆蓋硅島。
整個(gè)柔性傳感器的制作便完成了。
實(shí)例2選擇400μm后的硅襯底，按照上述剛性襯底的工藝制作完剪切應(yīng)力傳感器后，接著按以下步驟完成柔性結(jié)構(gòu)的制作。
(1)如圖2.7首先在制作了剪切應(yīng)力傳感器的晶片前表面上旋涂一層聚酰亞胺(Du Pont PYRALINPI 2808)聚酰亞胺層約為15μm厚，接著旋涂一層光刻膠，光刻膠為30μm厚，光刻成形露出傳感器單元。
(3)如圖2.8利用深刻蝕技術(shù)刻蝕硅后表面，刻蝕深度為320μm，形成硅島空腔。
(3)如圖2.9在后表面沉積一層500nm厚的氮化硅，光刻成形后，刻蝕硅片直到金屬層，形成硅島陣列結(jié)構(gòu)。應(yīng)該注意的是，只有傳感器單元之間的區(qū)域(皮膚區(qū)域)被減薄，傳感器下面(皮膚間)的硅保持不變以保證足夠的機(jī)械支撐強(qiáng)度。然后RIE刻蝕前面沉積的氮化物。否則當(dāng)皮膚彎曲時(shí)氮化層會(huì)發(fā)生破裂，破壞鋁線。
(4)如圖2.10另一層厚為15μm的聚酰亞胺旋涂于背面來(lái)覆蓋硅島。
整個(gè)柔性傳感器的制作便完成了。
權(quán)利要求
1.一種柔性傳感器的制作方法，其步驟包括(1)制作剛性傳感器；(2)在剛性傳感器的晶片前表面上旋涂一層10-15μm厚的聚酰亞胺，再甩20-30μm厚的光刻膠；(3)晶片后表面被深刻蝕減至60-80μm厚，形成硅島空腔；(4)在后表面沉積一層300-500nm厚的氮化硅，光刻成形后，刻蝕硅片直到金屬層，形成硅島陣列結(jié)構(gòu)；(5)然后采用反應(yīng)離子刻蝕方法刻蝕步驟(4)沉積的氮化硅；(6)旋涂另一層10-15μm厚的聚酰亞胺于后表面來(lái)覆蓋硅島，即獲得柔性傳感器。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種柔性傳感器的制作方法，步驟為制作剛性傳感器；在剛性傳感器的晶片前表面上旋涂一層10－15μm厚的聚酰亞胺，再甩20－30μm厚的光刻膠；晶片后表面被深刻蝕減至60－80μm厚，形成硅島；在后表面沉積一層300－500nm厚的氮化硅，光刻成形后，刻蝕硅片直到金屬層；然后采用反應(yīng)離子刻蝕方法刻蝕步驟(4)沉積的氮化硅；旋涂另一層10－15μm厚的聚酰亞胺于后表面來(lái)覆蓋硅島，即獲得傳感器可以卷曲起來(lái)，并廣泛應(yīng)用于非平面表面。柔性傳感器制作成創(chuàng)可貼式的，隨意貼于人體皮膚上，也可以運(yùn)用于飛行器的控制領(lǐng)域。柔性傳感器作為一個(gè)的新發(fā)展領(lǐng)域，將大大促進(jìn)MEMS傳感器的應(yīng)用前景和應(yīng)用范圍。
文檔編號(hào)B81C1/00GK1619259SQ20041006127
公開(kāi)日2005年5月25日 申請(qǐng)日期2004年12月6日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月6日
發(fā)明者陳四海, 馬宏, 汪殿民, 王志勇, 朱福龍, 潘峰, 徐涌, 易新建 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)