单硅片上集成制造四种电化学敏感电极的MEMS芯片及制造方法

本发明涉及mems传感器和低频振动信号检测领域，尤其涉及mems工艺制作领域，具体涉及一种单硅片上集成制造四种电化学敏感电极的mems芯片及制造方法。

背景技术：

1、电化学式地震检波器是以液体为惯性质量块的振动传感器，具有灵敏度高、噪声低和低频信号检测性能好等特点。与传统的电容或电磁式的地震检波器相比，电化学式地震检波器的工作倾角较大。一般能达到10°～15°以上。

2、电化学振动传感器的核心单元由敏感电极、电解液等组成。敏感电极主要采用阳极阴极阴极阳极的排列方式。电解液由含有ki和i2的水溶液组成，其中的i-在阳极失去电子生成i3-，而i3-在阴极得到电子生成i-。当外界振动时，电解液相对于电极位置发生相对运动，导致两阴阳电极间i3-浓度发生变化形成浓度差，反映在两对阴极输出电流的差分信号增强。通过检测差分电流就可以得到振动的振幅和频率。因此电化学振动传感器敏感电极的制作关系地震检波器的各项性能。

3、目前mems工艺制作的敏感电极芯片主要使用acca电极排布形式。使用集成两种电极的ac敏感电极芯片，通过手动对准的粘连方式或者阳极键合工艺将这两种芯片组合起来，形成一块acca敏感电极芯片。手动对准的粘连方式，对准精度低，阳极键合工艺相对复杂，成品率不高，且都需要消耗多层硅片，电极集成度低。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提供一种单硅片上集成制造四种电化学敏感电极的mems芯片及制作方法，在电极结构保证高灵敏度的同时，实现单硅片集成四种电极，降低生产成本。

2、为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种单硅片上集成制造四种电化学敏感电极的mems芯片，包含硅基底、贯通硅基底的流孔、绝缘层、第一阳极、第一阴极、第二阳极、第二阴极；

4、所述硅基底厚度均匀，表面洁净；所述流孔贯通硅基底的上下表面；所述绝缘层形成于硅基底上下表面，分为上表面绝缘层和下表面绝缘层；所述绝缘层还形成于流孔内壁，可以分为上内壁绝缘层和下内壁绝缘层；

5、所述第一阳极形成于所述的上表面绝缘层；第一阳极包括多个第一阳极引线和第一阳极焊盘；所有的第一阳极引线等间隔排列，末端都汇聚于第一阳极焊盘；

6、所述第一阴极形成于所述的上表面绝缘层和上内壁绝缘层；第一阴极包括第一阴极引线、第一侧壁阴极和第一阴极焊盘；所述第一侧壁阴极通过第一阴极引线引出与第一阴极焊盘连接；

7、所述第二阳极形成于所述的下表面绝缘层，第二阳极包括多个第二阳极引线和第二阳极焊盘；所有的第二阳极引线等间隔排列，末端都汇聚于第二阳极焊盘；第二阴极形成于所述的下表面绝缘层和下内壁绝缘层，所述第二阴极包括第二阴极引线、第二侧壁阴极和第二阴极焊盘；所述第二侧壁阴极通过第二阴极引线引出与第二阴极焊盘连接；

8、通过调整溅射过程中金属靶材和圆片的相对角度，在流孔侧壁上的第一阴极和第二阴极之间的制作绝缘区域，实现电极绝缘。

9、进一步地，硅基底的材料是硅片，选择晶向为<100>的n型硅或者p型硅，厚度在400um-500um范围内。

10、进一步地，所述流孔采用bosch工艺在硅基底的硅片上进行双面刻蚀，流孔分布是圆形或者六边形。

11、进一步地，所述绝缘层的材料采用氧化硅或者氮化硅。

12、进一步地，所述四种电极的材料为金属铂。

13、进一步地，流孔以单元的形式存在，一单元包括一个或多个流孔；每一个单元被第一阴极或者第二阴极完全覆盖，单元与单元间通过阴极引线串联。

14、进一步地，相邻的第一阳极引线、第二阳极引线均包裹一组单元和它们之间起串联作用的阴极引线。

15、本发明提供一种单硅片上集成制造四种电化学敏感电极的mems芯片的制造方法，包括以下步骤：

16、步骤(1)：选择并清洗硅基底；

17、步骤(2)：使用正性光刻胶在硅基底上表面进行匀胶、前烘、曝光、显影，暴露通孔位置，形成流孔刻蚀光刻胶掩膜；

18、步骤(3)：利用深硅刻蚀设备进行通孔的刻蚀，刻蚀深度略超过硅基底的一半厚度；刻蚀过后去除光刻胶掩膜，清洗硅基底；

19、步骤(4)：使用正性光刻胶在硅基底下表面进行匀胶，、前烘、曝光、显影，暴露通孔位置，形成流孔刻蚀光刻胶掩膜；工艺参数同步骤(2)；

20、步骤(5)：利用深硅刻蚀设备进行通孔的刻蚀，刻蚀深度略超过硅基底的一半厚度，使两次刻蚀的通孔贯通，形成流孔；工艺参数同步骤(3)；刻蚀过后去除光刻胶掩膜，清洗硅基底；

21、步骤(6)：在硅基底的上下表面和流孔内壁生长绝缘层；

22、步骤(7)：在上表面绝缘层上使用干膜，进行曝光、显影，暴露流孔、第一阳极引线和第一阴极引线的位置，形成电极溅射掩膜；

23、步骤(8)：使用溅射工艺在上表面绝缘层和上内壁绝缘层上溅射金属；

24、步骤(9)：去除干膜和其上的金属，形成电极图形；

25、步骤(10)：在下表面绝缘层上使用干膜，进行曝光、显影，暴露流孔、第一阳极引线和第一阴极引线的位置，形成电极溅射掩膜；工艺参数同步骤(7)；

26、步骤(11)：使用溅射工艺在下表面绝缘层和下内壁绝缘层上溅射金属；工艺参数同步骤(8)；

27、步骤(12)；去除干膜和其上的金属，形成电极图形；

28、步骤(13)：清洗制作完成的集成电极芯片。

29、本发明还提供另一种单硅片上集成制造四种电化学敏感电极的mems芯片的制造方法，包括以下步骤：

30、步骤(1)：选择并清洗硅基底，所述基底为高电阻率硅；

31、步骤(2)：在硅基底的上下表面生长绝缘层；

32、步骤(3)：使用反转光刻胶在上表面绝缘层进行匀胶、前烘、曝光、后烘、泛曝光、显影，暴露电极引线位置，形成溅射光刻胶掩膜；

33、步骤(4)：使用溅射工艺在上表面绝缘层溅射金属；

34、步骤(5)：去除光刻胶及其上的金属，形成电极引线图形；

35、步骤(6)：使用负性光刻胶在下表面绝缘层进行匀胶，前烘、曝光、后烘、泛曝光、显影，暴露电极引线位置，形成溅射光刻胶掩膜；工艺参数同步骤(3)；

36、步骤(7)：使用溅射工艺在下表面绝缘层溅射金属；工艺参数同步骤(4)；

37、步骤(8)：去除光刻胶及其上的金属，形成电极引线图形；

38、步骤(9)：使用正性光刻胶在基底上表面进行匀胶、前烘、曝光、显影，暴露通孔位置，形成通孔刻蚀光刻胶掩膜；

39、步骤(10)：利用深硅刻蚀设备进行通孔的刻蚀，刻蚀深度略超过基底的一半厚度；刻蚀过后去除光刻胶掩膜，清洗硅基底；

40、步骤(11)：使用正性光刻胶在基底下表面进行匀胶、前烘、曝光、显影，暴露通孔位置，形成通孔刻蚀光刻胶掩膜；工艺参数同步骤(9)；

41、步骤(12)：利用深硅刻蚀设备进行通孔的刻蚀，刻蚀深度略超过基底的一半厚度；刻蚀过后去除光刻胶掩膜，清洗硅基底；使两次刻蚀的通孔贯通，形成流孔；

42、步骤(13)：在上表面绝缘层上使用干膜，进行曝光、显影，暴露流孔的位置，形成电极溅射掩膜；

43、步骤(14)：使用溅射工艺在流孔上内壁溅射金属；

44、步骤(15)：去除干膜和其上的金属，形成侧壁电极图形；

45、步骤(16)：在下表面绝缘层上使用干膜，进行曝光、显影，暴露流孔的位置，形成电极溅射掩膜；工艺参数同步骤(13)；

46、步骤(17)：使用溅射工艺在流孔下内壁溅射金属；工艺参数同步骤(14)；

47、步骤(18)；去除干膜和其上的金属，形成侧壁电极图形；

48、步骤(19)：清洗制作完成的集成电极芯片。

49、有益效果：

50、(1)本发明在单片硅片上集成制作了四种电极，提升了敏感电极集成度，可以减少芯片的使用数量，提高生产效率，降低生产成本。

51、(2)本发明电极和流孔的一致性误差取决于光刻对准的误差，器件一致性好。

52、(3)本发明验证了倾斜溅射避免流孔内壁上下电极短接的可行性，为后面的集成电极芯片的设计提供一种参照方法。