基于嵌入式微柱的超高加速冲击传感器及其制备方法技术

本发明专利技术为一种基于嵌入式微柱的超高加速度冲击传感器及其制备方法，其包括基片、位于所述基片上表面的金属浆料、焊接于所述金属浆料上的芯片，所述芯片包括质量块以及嵌入在所述质量块底部的圆柱形敏感微柱，所述敏感微柱与所述质量块为一体的且具有压阻效应，自所述质量块的下表面向上凹陷形成有凹槽，所述敏感微柱自所述凹槽向下凸出所述质量块的下表面，所述敏感微柱的下表面坐落在所述金属浆料上。与现有技术相比，本发明专利技术基于嵌入式微柱的超高加速度冲击传感器将单晶硅加工成一体化的质量块和敏感微柱，用材料的体电阻代替传统的扩散电阻、用圆柱纵向受力代替悬臂型应变梁的横向受力，具有灵敏度高、谐振频率高、可靠性高的优点。

【技术实现步骤摘要】
基于嵌入式微柱的超高加速冲击传感器及其制备方法
本专利技术属于传感器领域，特别是涉及一种基于嵌入式微柱的超高加速度冲击传感器及其制备方法。
技术介绍
目前，超高加速度冲击传感器大多是沿用低加速度传感器的结构，即以悬臂梁加质量块为核心的结构形式。但其工艺复杂、对工艺环境要求高；其次，由于受结构固有性能的影响，谐振频率低，在超高加速度瞬时冲击时易损，因而严重影响其使用的可靠性，特别是在严重恶劣环境中如武器、航空、航天领域的运用；现有的大多传感器是运用传统的悬臂梁，通过传统的剪切应力作用到悬臂梁上，对传感器的量程造成了较大的限制。因此，有必要提供一种新的超高加速度冲击传感器来解决上述问题。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于提供一种量程大、可靠性高的基于嵌入式微柱的超高速度冲击传感器及其制备方法。本专利技术通过如下技术方案实现上述目的：一种基于嵌入式微柱的超高加速度冲击传感器，其包括基片、位于所述基片上表面的金属浆料、焊接于所述金属浆料上的芯片，所述芯片包括质量块以及嵌入在所述质量块底部的圆柱形敏感微柱，所述敏感微柱与所述质量块为一体的且具有压阻效应，自所述质量块的下表面向上凹陷形成有凹槽，所述敏感微柱自所述凹槽向下凸出所述质量块的下表面，所述敏感微柱的下表面坐落在所述金属浆料上。具体的，所述敏感微柱为偶数个，且包括第一组敏感微柱、第二组敏感微柱。具体的，所述第一组敏感微柱和所述第二组敏感微柱通过串联或并联方式构成敏感电阻。具体的，所述金属浆料包括第一区域金属浆料、第二区域金属浆料。具体的，所述第一区域金属浆料和所述第二区域金属浆料上具有金属电极，所述金属电极端连接有引线。具体的，所述第一组敏感微柱焊接在所述第一区域金属浆料上，所述第二组敏感微柱焊接在所述第二区域金属浆料上。具体的，所述基于嵌入式微柱的超高速度冲击传感器还具有用于固定连接传感器的金属连接件，所述基片焊接在所述金属连接件的上表面。为了实现上述目的，本专利技术还提出了一种基于嵌入式微柱的超高加速度冲击传感器的制备方法，包括以下步骤：1)制备芯片①在具有压阻效应的材料上进行双面浓硼扩散；②在所述材料的一个表面溅射或蒸发一层金属薄膜；③对金属薄膜进行光刻；④在同一面上再溅射或蒸发一层铝薄膜；⑤对铝薄膜进行光刻；⑥以深槽刻蚀工艺对硅片进行腐蚀，形成质量块和嵌入在质量块内部的敏感微柱；⑦去除铝薄膜，再次以深槽刻蚀工艺对硅片进行腐蚀，使敏感微柱表面高于其余部分表面。2)制备基片在所述基片上印刷金属浆料，印刷域分为两个相互绝缘的部分；3)整合芯片和基片以金属浆料将芯片与基片焊接为一个整体；4)焊接引线在基片上的金属浆料烧结成的金属电极上焊接引线。与现有技术相比，本专利技术基于嵌入式微柱的超高加速度冲击传感器及其制备方法的有益效果在于：1、本专利技术提供的基于嵌入式微柱的超高加速度冲击传感器将单晶硅加工成一体化的质量块和敏感微柱，具备了灵敏度高和谐振频率高的优点，从而在瞬态超高加速度冲击测量中具有更高的可靠性；2、以圆柱形敏感微柱的串并联构成的敏感电阻代替传统的扩散电阻，用圆柱纵向受力代替型应变梁的横向受力，提高了极限应变值，提高了传感器的可靠性，简化了传感器的制作工艺，同时也降低了制造成本；3、用材料的体电阻代替传统器件的扩散电阻提高了器件的一致性、互换性，为使用带来了方便。【附图说明】图1为本专利技术基于嵌入式微柱的超高加速度冲击传感器结构的剖面示意图。图中数字表示：1为芯片，11为敏感微柱，111为第一组敏感微柱，112为第二组敏感微柱，12为质量块；2为基片；3为金属浆料，31为第一区域金属浆料，32为第二区域金属浆料，33为金属电极；4为金属连接件；5为引线。【具体实施方式】请参照图1所示，本专利技术基于嵌入式微柱的超高加速度冲击传感器包括基片2、位于基片2上表面的金属浆料3、焊接于金属浆料3上的芯片1，芯片1包括质量块12以及嵌入在质量块12底部的圆柱形敏感微柱11，敏感微柱11与质量块12为一体的且具有压阻效应，自质量块12的下表面向上凹陷形成有凹槽，敏感微柱11自凹槽向下凸出质量块12的下表面，敏感微柱11的下表面坐落在金属浆料3上。压阻效应是指当半导体受到应力作用时，由于载流子迁移率的变化，使其电阻率发生变化的现象。压阻效应已经被广泛应用于各种半导体材料制作而成的感知器中，在本实施方式中，敏感微柱11与质量块12是由具有压阻效应的(110)晶向的高阻单晶硅片通过微机电系统(MEMS)技术加工而成的一个整体，高阻单晶硅片的厚度范围为300μ～2000μ。具有压阻效应的材料还有锗、多晶硅、非晶硅、碳化硅等。硅的电阻变化不单是来自与应力有关的几何形变，而且也来自材料本身与应力相关的电阻。在硅中掺入特定的杂质可以制成P型硅和N型硅，在本实施方式中，制作芯片1的材料为P型硅，在其他实施方式中也可选取N型硅。将敏感微柱11与质量块12制作成一体的好处在于用材料的体电阻代替了传统的扩散电阻，提高了敏感微柱11的灵敏度，并且具有较高的谐振频率，从而在瞬态超高加速度冲击测量中具有更高的可靠性。将敏感微柱11设置成圆柱形，其用处在于用圆柱纵向受力代替型应变梁的横向受力提高了极限应变值，因而提高了传感器的测量上限值，即提高了传感器的量程。在本实施方式中，敏感微柱11为偶数个，且包括通过串联或并联方式构成敏感电阻的第一组敏感微柱111、第二组敏感微柱112，敏感微柱11的直径为Φ50μ～Φ500μ，凸出质量块12底面3μ～50μ，与质量块12的间距为20μ～100μ。金属浆料3包括相互绝缘的第一区域金属浆料31、第二区域金属浆料32，第一组敏感微柱111焊接在第一区域金属浆料31上，第二组敏感微柱112焊接在第二区域金属浆料32上，金属浆料3还包括用于连接电线的金属电极33，金属电极33端焊接有引线5。本专利技术基于嵌入式微柱的超高速度冲击传感器还具有用于固定连接传感器的金属连接件4，基片2焊接在金属连接件4的上表面。请参照图1，当质量块12受力时，质量块12将冲击加速度转化为惯性力，惯性力通过压应力作用到敏感微柱11上，敏感微柱11产生纵向形变，因敏感微柱11是由具有压阻效应的单晶硅制成，形变的同时引起由敏感微柱11通过串联或并联的方式形成的敏感电阻阻值的变化，通过测量敏感电阻阻值的变化量，即通过相关运算获得冲击加速度的量值。本专利技术还提出一种上述的基于嵌入式微柱的超高加速度冲击传感器的制备方法，具体按照以下步骤制备：1)制备芯片1①在(110)晶向的高阻P型硅片上进行双面浓硼扩散；②在该硅片的一个表面(定义此表面为元件面)溅射或蒸发一层金属薄膜，可以是铬、钛、钨、镍、金等一种或多种组合，其厚度一般在0.08μmm～1μmm；③对金属薄膜进行光刻，微柱对应区域保留，其余部分去除；④在元件面上再溅射或蒸发一层铝薄膜，其厚度一般在0.08μmm～2μm；⑤对铝薄膜进行光刻，围绕敏感微柱11对应区域外侧40μm～60μm的环形区域和单个芯片1的边缘区域去除铝薄膜，其余部分保留；⑥以深槽刻蚀工艺对硅片进行腐蚀，深度为100μmm～200μm，形成嵌入式的敏感微柱11，敏感微柱11包括第一组敏感微柱111、第二组敏感微柱112；⑦去除铝薄膜，再次以深槽刻蚀工艺对硅片进行腐蚀，深度为5本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于嵌入式微柱的超高加速度冲击传感器，其包括基片、位于所述基片上表面的金属浆料、焊接于所述金属浆料上的芯片，其特征在于：所述芯片包括质量块以及嵌入在所述质量块底部的圆柱形敏感微柱，所述敏感微柱与所述质量块为一体的且具有压阻效应，自所述质量块的下表面向上凹陷形成有凹槽，所述敏感微柱自所述凹槽向下凸出所述质量块的下表面，所述敏感微柱的下表面坐落在所述金属浆料上。

【技术特征摘要】
1.一种基于嵌入式微柱的超高加速度冲击传感器，其包括基片、位于所述基片上表面的金属浆料、焊接于所述金属浆料上的芯片，其特征在于：所述芯片包括质量块以及嵌入在所述质量块底部的圆柱形敏感微柱，所述敏感微柱与所述质量块为一体的且具有压阻效应，自所述质量块的下表面向上凹陷形成有凹槽，所述敏感微柱自所述凹槽向下凸出所述质量块的下表面，所述敏感微柱的下表面坐落在所述金属浆料上。2.如权利要求1所述的基于嵌入式微柱的超高加速度冲击传感器，其特征在于：所述敏感微柱为偶数个，且包括第一组敏感微柱、第二组敏感微柱。3.如权利要求2所述的基于嵌入式微柱的超高加速度冲击传感器，其特征在于：所述第一组敏感微柱和所述第二组敏感微柱通过串联或并联方式构成敏感电阻。4.如权利要求2所述的基于嵌入式微柱的超高加速度冲击传感器，其特征在于：所述金属浆料包括第一区域金属浆料、第二区域金属浆料。5.如权利要求4所述的基于嵌入式微柱的超高加速度冲击传感器，其特征在于：所述第一区域金属浆料和所述第二区域金属浆料上具有金属电极，所述金属电极端连接有引线。6.如权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：李策，
申请(专利权)人：昆山泰莱宏成传感技术有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32