基于PDMS-硅纳米膜的柔性心音传感器及其制备方法

基于pdms-硅纳米膜的柔性心音传感器及其制备方法技术领域1.本发明属于半导体技术领域，具体是一种基于pdms-硅纳米膜的柔性心音传感器及其制备方法。背景技术：2.心音是一种非常重要的人体生理信号，它是心脏及心血管系统机械运动和综合状况的反映。基于压阻效应制备的传感器，由于其结构简单、低频特性好、性能稳定被广泛应用在动力机械、生物医学、航天等压力测量领域。由于心音信号比较微弱，因此需要较高灵敏度的传感器来检测。由于多子迁移率的变化量有限导致基于压阻效应的器件灵敏度不是很高，而基于硅纳米膜制备的传感器具有巨压阻效应，它依靠的是应变引起表面势变化从而引起多子浓度的变化，最终可以提高器件的灵敏度。同时考虑到目前大部分的心音传感器是刚性的，适应性有一定的限制，且器件尺寸较大不够便携。技术实现要素：3.本发明的目的是为了解决上述技术中存在的问题，而提出了一种基于pdms-硅纳米膜的柔性心音传感器，该传感器是将soi片的顶层硅经过微纳加工工艺转印到pdms上制作成的柔性心音传感器。4.本发明是通过如下技术方案实现的：一种基于pdms-硅纳米膜的柔性心音传感器，包括硅纳米膜和柔性基底pdms，硅纳米膜设置于柔性基底pdms的顶面中心位置处；硅纳米膜为矩形片状结构，其中间位置为压阻区、两侧位置分别为欧姆接触区，欧姆接触区的顶面中间位置设有块状的合金区；其中，压阻区和欧姆接触区为soi片的顶层硅部分，并且欧姆接触区进行了浓硼扩散，合金区的材质为铬和金的合金。5.进一步的，本发明还提供了上述基于pdms-硅纳米膜的柔性心音传感器的制备方法，即：通过pecvd在soi片的上方形成氧化层，经过浓硼扩散后形成欧姆接触区，刻蚀顶层硅后形成压阻区，溅射、腐蚀金属并退火后形成合金，刻蚀并腐蚀埋氧层后形成屋檐结构，钻蚀埋氧层后形成悬空的硅纳米膜结构，最终将硅纳米膜转印到柔性基底pdms上。具体的制备工艺步骤如下：1）取soi片进行标准清洗，去离子水冲洗后用氮气吹干，保证晶圆的洁净；2）在soi片的顶层硅表面生成氧化硅层；3）设置第一层掩膜，光刻胶图形覆盖保护，刻蚀欧姆接触区；4）重掺杂，对欧姆接触区进行浓硼扩散；5）腐蚀掉经过重掺杂工艺后顶层硅表面形成的氧化硅层及杂质；6）设置第二层掩膜，光刻胶图形覆盖保护，刻蚀压阻区；7）将soi片清洗后磁控溅射金属铬和金，设置第三层掩膜，光刻胶图形覆盖保护，光刻保留位于合金区的金属；8）湿法腐蚀掉其他区域的金属，去胶后，将soi片进行退火处理，使合金区形成铬和金的合金；9）设置第四层掩膜，光刻胶图形覆盖保护，刻蚀除压阻区及欧姆接触区正下方以外的埋氧层；10）湿法腐蚀压阻区及欧姆接触区正下方的埋氧层，使该部分埋氧层的侧壁形成弧形凹面，欧姆接触区、埋氧层的弧形凹面、底层硅之间形成屋檐结构；11）旋涂光刻胶后全曝光，保留屋檐结构内的光刻胶部分；12）钻蚀埋氧层，用湿法腐蚀液将剩余的埋氧层部分彻底腐蚀掉，形成悬空的硅纳米膜；13）制备pdms，再将硅纳米膜转印到柔性基底pdms上；14）在硅纳米膜两侧打印电极。6.本发明采用光刻、刻蚀、腐蚀等一系列工艺的方法制备出硅纳米膜并将其转印到柔性基底pdms上形成器件，由于硅纳米膜的巨压阻效应使该心音传感器的灵敏度有较大的提升，同时柔性基底的存在使该心音传感器具有更好的适应性和便携性。7.优选的，步骤1）中，soi片采用p型soi片晶向为《100》，其由下而上依次为700μm厚的底层硅、3μm厚的埋氧层和340nm厚的顶层硅，顶层硅的电阻率为1~20ω·cm。8.优选的，步骤2）中，将soi片放入等离子体增强化学气相沉积仪中进行氧化硅层的沉积，氧化硅层的厚度为1μm。9.优选的，步骤3）中，刻蚀欧姆接触区时，将soi片放入tatung真空烘箱中淀积hmds粘附剂，130℃下持续1800s，均匀旋涂正性光刻胶az6130，转速设置为3000rp/min，光刻胶图形覆盖除欧姆接触区以外的区域，经过前烘、曝光、显影、去底膜、坚膜后光刻出欧姆接触区，然后将soi片放入rie-10nr刻蚀机中，干法刻蚀欧姆接触区的氧化硅，欧姆接触区的刻蚀深度为1μm。10.优选的，步骤4）中，重掺杂时，将soi片放入扩散炉青岛华旗hq100a中，对欧姆接触区进行浓硼扩散，温度保持1000℃，时间10min。11.优选的，步骤5）中，腐蚀杂质时，用缓冲氧化物刻蚀液在40℃下湿法腐蚀顶层硅表面形成的氧化硅层及硼硅玻璃等杂质。12.优选的，步骤6）中，刻蚀压阻区时，在soi片上均匀旋涂正性光刻胶，光刻胶图形覆盖压阻区区域，前烘、曝光、显影并坚膜，保留压阻区区域，采用反应离子刻蚀（rie）刻蚀顶层硅，刻蚀的压阻区深度为340nm。13.优选的，步骤7）中，溅射金属时，将soi片放入磁控溅射镀膜机中，先溅射30nm厚的铬,然后溅射300nm厚的金，之后旋涂光刻胶，光刻胶图形覆盖合金区区域，前烘、曝光、显影并坚膜，光刻出合金区区域。14.优选的，步骤8）中，湿法腐蚀合金区以外的金属，采用22% (nh4)2ce(no3)6 +8% hac + 70% h2o的腐蚀液腐蚀金属铬，采用5% i2 + 10% ki +85% h2o的腐蚀液腐蚀金属金；退火处理时，将soi片放入真空退火炉中，设置退火温度为380℃、时间为30min。15.优选的，步骤9）中，光刻胶图形覆盖除欧姆接触区与压阻区以外的区域，将soi片放入rie刻蚀机中，刻蚀速率为20nm/min，刻蚀时间为150min，刻蚀的埋氧层深度为3μm。16.优选的，步骤10）中，采用hf腐蚀液湿法腐蚀压阻区及欧姆接触区正下方的埋氧层, 腐蚀的横向深度为3μm，即弧形凹面的深度为3μm。17.优选的，步骤11）中，旋涂光刻胶进行全曝光时，曝光剂量为20mj/cm2，之后显影坚膜，以保留屋檐结构下的光刻胶。18.优选的，步骤12）中，湿法腐蚀液采用hf腐蚀液。19.优选的，步骤13）中，将硅纳米膜经过两次转印，从而转印到柔性基底pdms上。20.优选的，步骤14）中，用银墨水在硅纳米膜两侧打印电极。21.优选的，步骤13）具体工艺如下：第一步：有机清洗一个新的硅片，之后用去离子水冲洗干净，再用氮气枪吹干，保证晶圆表面的洁净；第二步：将洁净的硅片放入parylene淀积机中，在硅片上镀parylene薄膜，parylene薄膜的厚度为2μm；硅片上镀parylene薄膜的目的是为了制备pdms时，pdms能更容易的从硅片上揭下来；第三步：制备不同粘度、不同厚度的pdms，将sylgard184a（pdms）与固化剂按质量比10:1混合，将混合液抽气泡后均匀的倒在镀有parylene薄膜的硅片上，匀胶厚度300μm，然后放在75℃的加热台上加热3h，在硅片上制备得到厚度为300μm的pdms，将300μm的pdms从硅片上揭下，并切成2cm×2cm的方块pdms备用；将sylgard184a（pdms）与固化剂按质量比5:1混合，将混合液抽气泡后均匀的倒在镀有parylene薄膜的硅片上，匀胶厚度400μm，然后放在75℃的加热台上加热3h，在硅片上制备得到厚度为400μm的pdms，将400μm的pdms从硅片上揭下，并切成1cm×5cm的长条pdms备用；第四步：转印硅纳米膜，将载有硅纳米膜的soi片放到平整的台子上，用长条pdms覆盖在上方，用大拇指按压后揭下，完成硅纳米膜的第一次转印；将长条pdms以载有硅纳米膜的一面朝上放置并与方块pdms一起放在硅片上，将其一起放入等离子去胶机中进行氧等离子体处理；之后将载有硅纳米膜的长条pdms放在水平的位置，将方块pdms贴到长条的pdms上，确保无空隙后，用大拇指按压，完成硅纳米膜的第二次转印，其中的第二次转印的方块pdms即为柔性基底pdms。22.优选的，步骤14）具体工艺如下：第一步：将载有硅纳米膜的柔性基底pdms整体放置在喷墨打印机的工作台上，将吸有银墨水的针尖移动到硅纳米膜的一侧，针尖出墨时开始打印，进行多次打印，打印完一侧的电极后再打印另一侧的电极；第二步：打印电极完毕后，将载有硅纳米膜的柔性基底pdms整体立刻放到温度为120℃的烘台上加热1h，从而固化银墨水；第三步：将两根引线放置在硅纳米膜两侧的银电极上，涂覆导电银浆，升温固化20min，然后将其封装成型即可。23.本发明公开的一种基于pdms-硅纳米膜的柔性心音传感器及其制备方法，是将一定尺寸的硅纳米膜经过一系列的微纳加工工艺成功的转印到柔性基底pdms上。与现有的技术相比，本发明的有益效果是：形成了以硅纳米膜为压阻的柔性心音传感器，由于硅纳米膜的具有巨压阻效应，因此可以提高该心音传感器的灵敏度，同时pdms是柔性基底，增加了传感器的适应性和便捷性。附图说明24.此处的附图用来提供对本发明的进一步说明，构成本技术的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用来解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。25.图1为本发明传感器的结构主视图。26.图2为本发明传感器的结构俯视图。27.图3为本发明传感器的制备方法流程框图。28.图4为本发明传感器制备过程在不同阶段形成的器件结构示意图。29.图中：1-柔性基底pdms、2-压阻区、3-欧姆接触区、4-合金区；a-底层硅、b-埋氧层、c-顶层硅、d-氧化硅层、e-屋檐结构。具体实施方式30.为了使本领域技术人员更好的理解本发明，以下结合参考附图并结合实施例对本发明作进一步清楚、完整的说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。31.本实施例提供了一种基于pdms-硅纳米膜的柔性心音传感器，如图1和图2所示，其包括硅纳米膜和柔性基底pdms 1，硅纳米膜设置于柔性基底pdms 1的顶面中心位置处；硅纳米膜为矩形片状结构，其中间位置为压阻区2、两侧位置分别为欧姆接触区3，欧姆接触区3的顶面中间位置设有块状的合金区4；其中，压阻区2和欧姆接触区3为soi片的顶层硅部分，并且欧姆接触区3进行了浓硼扩散，合金区4的材质为铬和金的合金。32.上述基于pdms-硅纳米膜的柔性心音传感器的制备方法，其制备流程如图3的框图所示，具体包括如下步骤：1）取soi片进行标准清洗，去离子水冲洗后用氮气吹干，保证晶圆的洁净；soi片采用p型soi片晶向为《100》，其由下而上依次为700μm厚的底层硅a、3μm厚的埋氧层b和340nm厚的顶层硅c，顶层硅c的电阻率为1~20ω·cm。33.2）在soi片的顶层硅c表面生成氧化硅层d，如图4中的a；将soi片放入等离子体增强化学气相沉积仪中进行氧化硅层d的沉积，氧化硅层d的厚度为1μm。34.3）设置第一层掩膜，光刻胶图形覆盖保护，刻蚀欧姆接触区3；刻蚀欧姆接触区3时，将soi片放入tatung真空烘箱中淀积hmds粘附剂，130℃下持续1800s，均匀旋涂正性光刻胶az6130，转速设置为3000rp/min，光刻胶图形覆盖除欧姆接触区3以外的区域，经过前烘、曝光、显影、去底膜、坚膜后光刻出欧姆接触区3，然后将soi片放入rie-10nr刻蚀机中，干法刻蚀欧姆接触区3的氧化硅，欧姆接触区3的刻蚀深度为1μm。35.4）重掺杂，对欧姆接触区3进行浓硼扩散；重掺杂时，将soi片放入扩散炉青岛华旗hq100a中，对欧姆接触区3进行浓硼扩散，温度保持1000℃，时间10min。36.5）腐蚀掉经过重掺杂工艺后顶层硅c表面形成的氧化硅层d及杂质，如图4中的b；腐蚀杂质时，用缓冲氧化物刻蚀液在40℃下湿法腐蚀顶层硅c表面形成的氧化硅层d及硼硅玻璃杂质。37.6）设置第二层掩膜，光刻胶图形覆盖保护，刻蚀压阻区2，如图4中的c；刻蚀压阻区2时，在soi片上均匀旋涂正性光刻胶，光刻胶图形覆盖压阻区2区域，前烘、曝光、显影并坚膜，保留压阻区2区域，采用反应离子刻蚀（rie）刻蚀顶层硅c，刻蚀的压阻区2深度为340nm。38.7）将soi片清洗后磁控溅射金属铬和金，设置第三层掩膜，光刻胶图形覆盖保护，光刻保留位于合金区4的金属；溅射金属时，将soi片放入磁控溅射镀膜机中，先溅射30nm厚的铬,然后溅射300nm厚的金，之后旋涂光刻胶，光刻胶图形覆盖合金区4区域，前烘、曝光、显影并坚膜，光刻出合金区4区域。39.8）湿法腐蚀掉其他区域的金属，去胶后，将soi片进行退火处理，使合金区4形成铬和金的合金，如图4中的d；湿法腐蚀合金区4以外的金属，采用22% (nh4)2ce(no3)6 +8% hac + 70% h2o的腐蚀液腐蚀金属铬，采用5% i2 + 10% ki +85% h2o的腐蚀液腐蚀金属金；退火处理时，将soi片放入真空退火炉中，设置退火温度为380℃、时间为30min。40.9）设置第四层掩膜，光刻胶图形覆盖保护，刻蚀除压阻区2及欧姆接触区3正下方以外的埋氧层b；光刻胶图形覆盖除欧姆接触区3与压阻区2以外的区域，将soi片放入rie刻蚀机中，刻蚀速率为20nm/min，刻蚀时间为150min，刻蚀的埋氧层b深度为3μm。41.10）湿法腐蚀压阻区2及欧姆接触区3正下方的埋氧层b，使该部分埋氧层b的侧壁形成弧形凹面，欧姆接触区3、埋氧层b的弧形凹面、底层硅a之间形成屋檐结构e，如图4中的e；采用hf腐蚀液湿法腐蚀压阻区2及欧姆接触区3正下方的埋氧层b，腐蚀的横向深度为3μm，即弧形凹面的深度为3μm。42.11）旋涂光刻胶后全曝光，保留屋檐结构内的光刻胶部分；旋涂光刻胶进行全曝光时，曝光剂量为20mj/cm2，之后显影坚膜，以保留屋檐结构下的光刻胶。43.12）钻蚀埋氧层b，用湿法腐蚀液将剩余的埋氧层b部分彻底腐蚀掉，形成悬空的硅纳米膜，如图4中的f；用hf腐蚀液湿法腐蚀埋氧层b,腐蚀的深度为3μm。44.13）制备柔性基底pdms 1，再将硅纳米膜经两次转印，转印到柔性基底pdms 1上，如图4中的g，具体的如下：第一步：有机清洗一个新的硅片，之后用去离子水冲洗干净，再用氮气枪吹干，保证晶圆表面的洁净；第二步：将洁净的硅片放入parylene淀积机中，在硅片上镀parylene薄膜，parylene薄膜的厚度为2μm；硅片上镀parylene薄膜的目的是为了制备pdms时，pdms能更容易的从硅片上揭下来；第三步：制备不同粘度、不同厚度的pdms，将sylgard184a与固化剂按质量比10:1混合，将混合液抽气泡后均匀的倒在镀有parylene薄膜的硅片上，匀胶厚度300μm，然后放在75℃的加热台上加热3h，在硅片上制备得到厚度为300μm的pdms，将300μm的pdms从硅片上揭下，并切成2cm×2cm的方块pdms备用；将sylgard184a与固化剂按质量比5:1混合，将混合液抽气泡后均匀的倒在镀有parylene薄膜的硅片上，匀胶厚度400μm，然后放在75℃的加热台上加热3h，在硅片上制备得到厚度为400μm的pdms，将400μm的pdms从硅片上揭下，并切成1cm×5cm的长条pdms备用；第四步：转印硅纳米膜，将载有硅纳米膜的soi片放到平整的台子上，用长条pdms覆盖在上方，用大拇指按压后揭下，完成硅纳米膜的第一次转印；将长条pdms以载有硅纳米膜的一面朝上放置并与方块pdms一起放在硅片上，将其一起放入等离子去胶机中进行氧等离子体处理；之后将载有硅纳米膜的长条pdms放在水平的位置，将方块pdms贴到长条的pdms上，确保无空隙后，用大拇指按压，完成硅纳米膜的第二次转印，其中的第二次转印的方块pdms即为柔性基底pdms。45.14）在硅纳米膜两侧用银墨水打印电极，具体如下；第一步：将载有硅纳米膜的柔性基底pdms 1整体放置在喷墨打印机的工作台上，将吸有银墨水的针尖移动到硅纳米膜的一侧，针尖出墨时开始打印，进行多次打印，打印完一侧的电极后再打印另一侧的电极；第二步：打印电极完毕后，将载有硅纳米膜的柔性基底pdms 1整体立刻放到温度为120℃的烘台上加热1h，从而固化银墨水；第三步：将两根引线放置在硅纳米膜两侧的银电极上，涂覆导电银浆，升温固化20min，然后将其封装成型即可。46.上面是对本发明实施例中的技术方案进行了清楚、完整地描述，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。