[发明专利]基于硅通孔技术的微型电容式壁面剪应力传感器及其制作方法

说明书

所属领域：

本发明涉及一种微型电容式壁面剪应力传感器及其制作方法，特别涉及一种基于硅通孔技术的背孔连接的微型电容式壁面剪应力传感器，属于传感器技术领域。

背景技术：

近壁流动参数，尤其是壁面剪应力是研究、判断流场形态以及边界层状态等的重要参数，也是对飞行器以及水下航行器开展外形优化设计以及减阻降噪设计的重要参考依据。用于测量剪应力的常规传感器，主要包括摩阻天平、普雷斯顿管(Preston tube)、斯坦顿管(Stanton tube)等。受加工手段的限制，其尺寸较大，动态范围窄,且不同程度的存在信号滞后等弊端。此外，传统工艺制作的剪应力传感器不易形成阵列化，无法实现壁面剪应力的分布式测量。

MEMS（微机电系统）剪应力传感器具有许多传统传感器无法比拟的优点：具有体积小、功能多、重量轻并且稳定可靠的优点。通过IC工艺可大批量和高精度生产，单件成本低，一致性好、功耗低、谐振频率高、响应时间短、综合集成度高、附加值高等特点，具有极好的发展前景。

剪应力的测量分为间接测量和直接测量两种方式，间接测量主要通过测量近壁面处的压力梯度、速度梯度、热交换以及其他参数建立与剪应力的关系，由于受到多个环节影响，间接测量时精度不高；直接测量时所用到的传感器一般都具有浮动单元，剪应力作用于浮动单元，浮动单元的位移与剪应力的大小成比例。电容式浮动结构比较常见。

电容式传感器的工作原理是把被测的剪应力转换成电容的变化量，通过外部处理电路将电容值转换为响应的电压或者电流。电容式传感器还具有温度系数小、稳定性好、制作工艺比较简单等特点，因此选取电容作为微剪应力传感器的检测方式具有显著的优势。

由于浮动式剪应力传感器直接与壁面流场接触，所以传感器的封装与外部电路的电连接尤为重要。采用传统的引线键合（wire bonding）方式封装体积较大，同时引线暴露于流场中，金属易氧化且容易受到干扰产生寄生电容，影响传感器的输出，尤其在高速流体中，键合强度不足，引线容易断裂。引线键合方式也不利于微型传感器与IC工艺的3D集成封装。A.O’Grady，R.Larger等人在“A MEMS sensor for mean shear stress measurements in high-speed turbulent flow with backside interconnects”中，在基底层硅上刻蚀出背面过孔，在过孔内绝缘后溅射金属，然后采用导电的银基环氧树脂与PIN针黏接，引出电信号，但此方法采用的环氧树脂与PIN针黏接易受温度影响而脱落，导致传感器失效，可靠性不高，并且容易产生寄生电容。

发明内容：

本发明的目的是针对使用传统的平面封装工艺封装的MEMS电容式剪应力传感器存在的键合强度不足、封装方式容易引入干扰和不利于传感器与IC工艺的3D封装集成等不足，提供一种基于硅通孔技术的背孔连接的微型电容式壁面剪应力传感器及其制作方法。将硅通孔技术与MEMS传统工艺相互结合，安排合理的工艺流程，尽量减小TSV的制作对上层传感器敏感结构的影响。

硅通孔技术（TSV，Through Silicon Via）是通过在芯片和芯片间、晶圆和晶圆间制作垂直通孔，实现芯片之间互连的最新技术，能够使芯片在三维方向堆叠的密度最大，外形尺寸最小，且大大改善芯片速度和功耗的性能，能解决传统平面封装工艺带来的导致封装尺寸过大、成本较高的缺陷，TSV被称为继引线键合、TAB和倒装芯片（FC）之后的第四代封装技术，能够为MEMS芯片的三维封装提供性能优良的电互连方式。

本发明的技术方案是：参阅图1和图2，一种基于硅通孔技术的背孔连接的电容式壁面剪应力传感器，包括浮动单元锚点1、弹性梁2、可动梳齿3、固定梳齿4、固定梳齿锚点5、TSV引线6、浮动单元7、牺牲层8、基底层9和TSV电绝缘层10；整个传感器左右对称；

所述浮动单元7两侧布有可动梳齿3，浮动单元7与可动梳齿3通过弹性梁2与浮动单元锚点1连接，悬浮于基底层9上；固定梳齿4连接于固定梳齿锚点5上，所述固定梳齿4与可动梳齿3相配，形成电容；浮动单元锚点1和固定梳齿锚点5则置于基底层9上的牺牲层8之上；TSV引线6在器件厚度方向依次贯穿各浮动单元锚点1和固定梳齿锚点5、牺牲层8和基底层9后，从器件背面引出，TSV引线6外壁与器件孔内壁之间为TSV绝缘层10，以实现电绝缘；所述TSV引线6上端头沿径向向外延伸出小平面，并和各浮动单元锚点1和固定梳齿锚点5上表面形成电接触。