單片復合敏感電極、其制造方法、基于其的敏感器件的制作方法
【技術領域】
[0001 ]本發明涉及加速度計技術領域與MEMS(微電子機械系統)技術領域，尤其涉及一種基于MEMS技術的單片復合敏感電極及其制造方法。
【背景技術】
[0002]電化學加速度計是一種將外界的加速度信號轉變為電信號的傳感器件，其敏感元件是一個四電極結構，浸在碘與碘化鉀的混合溶液中，溶液盛在一個兩端由彈性膜密封的管里。四個電極按照陽極-陰極-陰極-陽極的順序排列，工作時，在陽極與陰極上施加的一個固定的電壓發生電極反應，經過一段時間后，反應離子會形成穩定的濃度分布。當器件受到外界加速度作用時，電解液會相對電極產生位移，導致電極上發生的電化學反應速度發生變化，進而影響兩個陰極的輸出電流(其中一個變大而另一個變小)。最后，兩個陰極的輸出電流信號經過電流-電壓轉化以及差分后得到的電壓信號正比于輸入加速度信號。
[0003]與采用固體質量塊-彈簧(或者懸臂梁等)拾振結構的加速度計相比，電化學加速度計最大的區別是采用電解液-彈性膜結構為拾振系統，因此，它可以在較大的傾角下工作。此外，基于電化學反應的工作原理使其具有較高的靈敏度。因此，電化學加速度計在地震監測領域具有明顯的優勢，尤其是在海底地震觀測這類不易安裝、部署的場合。
[0004]傳統的電化學加速度計的敏感電極由鉑網電極與多孔陶瓷薄片組裝而成，但是采用陶瓷燒結工藝，在燒結與冷卻的過程中，絕緣層薄片容易破裂，并且薄片由于冷卻時收縮不一致導致器件的一致性較差。因此，這種工藝的成本比較高、批量化生產能力差，限制了電化學加速度的廣泛使用。為了克服傳統工藝方法的缺點，近年來，微機械電子(MEMS)技術被引入用來制作電化學加速度計的敏感電極。MEMS技術是在微電子技術和硅微加工基礎上發展起來的多學科交叉的新技術，具有微型化、集成化、可批量生產等特點。近年來出現的MEMS敏感電極，有的由于電極面積較小導致器件靈敏度低;有的需要多達七層硅片進行對齊、鍵合，工藝難度大、效率低，不適合大批量生產。
【發明內容】
[0005](一)要解決的技術問題
[0006]為了解決上述MEMS敏感電極的問題，本發明提供一種單片復合敏感電極及其制造方法。此外，本發明還提供了一種基于單片復合敏感電極的敏感電極器件和一種電化學加速度計敏感核心。
[0007](二)技術方案
[0008]根據本發明的第一方面，提供一種單片復合敏感電極，包括硅片，該硅片具有陽極面和陰極面，所述陽極面設有陽極，所述陰極面設有陰極。
[0009]優選地，所述陽極面上設有二氧化硅層或氮化硅層，所述二氧化硅層或氮化硅層上設有鉑層作為陽極，所述陽極面開有若干陽極孔。
[0010]優選地，所述陰極面上設有鉑層，所述陰極面開有若干陰極孔，所述陰極孔的側壁也覆有鉑層，陰極面上的鉑層和陰極孔的側壁上的鉑層一起構成陰極;所述陰極孔與所述陽極孔相通，形成電解液流動的通道。
[0011]優選地，所述陰極孔的孔徑小于所述陽極孔的孔徑。
[0012]優選地，所述陰極孔的數量多于所述陽極孔的數量，并且一個陽極孔與多個陰極孔相通。
[0013]根據本發明的第二方面，提供一種敏感電極器件，包括:單片復合敏感電極，其包括硅片，該硅片具有陽極面和陰極面，所述陽極面設有陽極，所述陰極面設有陰極;兩個印刷電路板，一個印刷電路板組裝到所述單片復合敏感電極的硅片的陽極面并與所述陽極連接，另一個印刷電路板組裝到所述單片復合敏感電極的硅片的陰極面并與所述陰極連接。
[0014]優選地，通過金絲球壓焊使位于硅片的陽極面印刷電路板的焊盤與所述陽極連接，并通過金絲球壓焊使位于硅片的陰極面印刷電路板的焊盤與所述陰極連接。
[0015]根據本發明的第三方面，提供一種電化學加速度計敏感核心，包括兩個疊在一起的如權利要求6所述的敏感電極器件，其中，兩個單片復合敏感電極構成兩個陰、陽電極對，排列的方式為陽極-陰極-陰極-陽極;其中，在兩個敏感電極器件之間放置一個彈性O形圈，通過機械壓緊的方式保證彈性O形圈與兩個敏感電極器件之間的密封性。
[0016]根據本發明的第四方面，提供一種單片復合敏感電極制造方法，包括以下步驟:步驟SlOl，在硅片的陽極面覆蓋一個二氧化硅層;步驟S102，在二氧化硅層上面旋涂光刻膠；步驟S103，對光刻膠曝光并顯影，完成圖形化;步驟S104，在陽極面上濺射鉑；步驟S105，剝離光刻膠上的鉑，其余的鉑形成陽極;步驟S106，在陽極的鉑表面上制作光刻膠掩膜;步驟S107，去除光刻膠掩膜未覆蓋處的二氧化硅;步驟S108，刻蝕硅片，形成陽極表面的陽極孔；步驟S109，從硅片的陰極面刻蝕陰極孔直至與陽極表面的陽極孔相通形成通孔；以及步驟S110，在陰極面上濺射鉑，形成陰極。
[0017]根據本發明的第五方面，提供一種單片復合敏感電極制造方法，其特征在于，包括以下步驟:步驟S201，在硅片的陽極面覆蓋一個二氧化硅層；步驟S202，在二氧化硅層上面旋涂光刻膠;步驟S203，對光刻膠曝光并顯影，完成圖形化;步驟S204，在陽極面上濺射鉑；步驟S205，剝離光刻膠上的鉑，其余的鉑形成陽極;步驟S206，在陽極的鉑表面上制作光刻膠掩膜;步驟S207，去除光刻膠掩膜未覆蓋處的二氧化硅;步驟S208，刻蝕硅片，其中，刻蝕硅片時光刻膠掩膜開窗的孔徑為陰極孔的孔徑;步驟S209，曝光去除部分光刻膠，其中，去除部分光刻膠時窗口的孔徑為陽極孔的孔徑;步驟S210，從陽極面去除暴露出的二氧化硅層;步驟S211，從陽極面刻蝕硅片，直至將硅片刻穿；步驟S212，在硅片的陰極面上濺射鉑，形成陰極。
[0018](三)有益效果
[0019]本發明的有益效果是:
[0020]i)將電化學加速度計所需的硅片減少到兩層，工藝難度顯著降低；
[0021 ] ?)可以方便地改變陰陽極的間距，優化器件性能；
[0022]iii)兩層硅片之間不需要粘連鍵合，避免了液態膠(如硅橡膠)的使用，因而避免了碘被膠吸附所引起的器件失效的問題。
【附圖說明】
[0023]圖1A是本發明的單片復合敏感電極的正面(陽極面)示意圖。
[0024]圖1B是本發明的單片復合敏感電極的背面(陰極面)示意圖。
[0025]圖1C是本發明的單片復合敏感電極的沿X軸方向(正面朝上)的橫截面示意圖。
[0026]圖2A是本發明的用單片復合敏感電極與兩個PCB組裝出的敏感電極器件的正面(陽極面)示意圖。
[0027]圖2B是本發明的用單片復合敏感電極與兩個PCB組裝出的敏感電極器件的背面(陰極面)示意圖。
[0028]圖2C是本發明的用單片復合敏感電極與兩個PCB組裝出的敏感電極器件的分離立體圖。
[0029]圖3是本發明的用敏感電極器件組裝的電化學加速度計敏感核心的示意圖。
[0030]圖4是本發明單片復合敏感電極的一種MEMS工藝流程圖。
[0031 ]圖5是本發明單片復合敏感電極的另一種MEMS工藝流程圖。
[0032]以上附圖中附圖標記所表示的含義為:
[0033]1-單片復合敏感電極；2-陽極孔；
[0034]3-陰極孔；4-娃；
[0035]5-二氧化硅(或氮化硅)層；6-鉑層；
[0036 ]7-用單片復合敏感電極與PCB組裝出的敏感電極器件；
[0037]8-印刷電路板(PCB);9_(金)引線；
[0038]10_(金)焊盤；11-彈性O形圈；
[0039]12-光刻膠(比如:AZ4620);
[0040]a_沉積二氧化硅；b_旋涂光刻膠；
[0041]C-曝光與顯影；d-濺射鉑；
[0042]e-剝離光刻膠上的鉑；f_制作光刻膠掩膜；
[0043]g-去除二氧化硅層；h_刻蝕硅；
[0044]i_從背面刻蝕硅形成通孔；
[0045]j_去除部分光刻膠掩膜；k_去除二氧化硅層；
[0046]1-從正面刻蝕硅形成通孔；m-從背面濺射鉑。
【具體實施方式】
[0047]為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發明進一步詳細說明。
[0048]圖1A是本發明的單片復合敏感電極的正面(陽極面)示意圖。
[0049]圖1B是本發明的單片復合敏感電極的背面(陰極面)示意圖。
[0050]圖1C是本發明的單片復合敏感電極的沿X軸方向(正面朝上)的橫截面示意圖。
[0051]根據本發明的一個實施方式，提供一種如圖1A-1C所示的單片復合敏感電極I，該敏感電極基于硅片進行加工制作，具有如圖1A所示的陽面和如圖1B所示的陰極面，所述陽極面設有陽極，所述陰極面設有陰極，并且在其陽極面與陰極面分別開有陽極孔2與陰極孔
3.
[0052]在如圖1A-1C所示的單片復合敏感電極中，優選地，在硅片4的陽極面上設有二氧化硅層或氮化硅層5，所述二氧化硅層或氮化硅層5上設有鉑層6作為陽極。
[0053]在如圖1A-1C所示的單片復合敏感電極中，優選地，所述陰極面上設有鉑層6，所述陰極孔3的側壁也覆有鉑層，陰極面上的鉑層6和陰極孔3的側壁上的鉑層一起構成陰極;所述陰極孔3與所述陽極孔2相通，形成電解液流動的通道。優選地，所述陰極孔3的孔徑小于所述陽極孔2的孔徑。優選地，所述陰極孔3的數量多于所述陽極孔2的數量，并且一個陽極孔2與多個陰極孔3相通。
[0054]優選地，在如圖1A-1C所示的單片復合敏感電極中，陽極面分布有若干孔徑為400μm的陽極孔2，這些陽極孔2與背面的孔徑為80μπι的陰極孔3相通形成通孔，作為電解液流動的通道。在如圖1A-1C所示的單片復合敏感電極中，在陽極面的鉑層6下面的二氧化硅或氮化硅層5起到陰、陽極的絕緣作用。此外，優選地，陰極孔3的深度為80μπι，陽極孔2的深度為50μπι，二氧化硅或氮化硅層5的厚度為0.4μπι，鉑層6的厚度為0.4μπι，硅片4的厚度為130μπι。
[0055]圖2Α是本發明的用單片復合敏感電極與PCB組裝出的敏感電極器件的正面(陽極面)示意圖。
[0056]圖2Β是本發明的用單片復合敏感電極與PCB組裝出的敏感電極器件的背面(陰極面)示意圖。
[0057]圖2C是本發明的用單片復合敏感電極與兩個PCB組裝出的敏感電極器件的分離立體圖。
[0058]圖2A-2C是敏感電極器件(也稱為組裝電極)的示意圖，根據本發明的一個實施方式，提供一種敏感電極器件，包括:單片復合敏感電極I，其包括硅片，該硅片具有陽極面和陰極面，所述陽極面設有陽極，所述陰極面設有陰極;兩個印刷電路板8，一個印刷電路板8組裝到所述單片復合敏感電極I的硅片的陽極面并與所述陽極連接，另一個印刷電路板8組裝到所述單片復合敏感電極I的硅片的陰極面并與所述陰極連接。