[发明专利]一种抗环境干扰的多集成MEMS触觉传感器及其制作方法

权利要求书

1.一种抗环境干扰的多集成MEMS触觉传感器，其特征在于，包括：

基板，所述基板为硅制成的晶片；

温度传感器，位于所述基板上，所述温度传感器自下而上包括电绝缘层、热敏电阻，所述电绝缘层与所述热敏电阻直接接触；

压力传感器，位于所述基板上，所述压力传感器自下而上依次包括电绝缘层、压力腔室以及压敏电阻，所述电绝缘层与所述压力腔室直接接触且延伸至所述压力腔室上表面，所述压敏电阻位于所述压力腔室上表面，并与延伸出的所述电绝缘层直接接触；

热电红外探测器，位于所述基板上，所述热电红外探测器自下而上包括电绝缘层、凹腔、中心凸台、氮化硅吸收层和热电偶，所述凹腔位于所述基板上，所述中心凸台位于所述凹腔的中心，所述氮化硅吸收层位于所述基板上并水平延伸至所述中心凸台上表面，所述氮化硅吸收层悬置在所述凹腔的正上方，所述热电偶位于所述氮化硅吸收层上表面，所述电绝缘层与所述氮化硅吸收层直接接触；

导热传感器，位于所述基板上，所述导热传感器自下而上包括下部硅衬底、上部硅衬底、电绝缘层、同心铬/铂薄膜层，所述下部硅衬底位于所述基板上，所述上部硅衬底由底层至顶层包括底部硅层、多孔材料层、PDMS层、顶部硅层，所述底部硅层位于所述基板上，所述多孔材料层位于所述底部硅层上，所述PDMS层位于所述多孔材料层上，所述顶部硅层位于所述PDMS层上，所述同心铬/铂薄膜层分别位于所述底部硅层和所述顶部硅层上，所述电绝缘层位于下部硅衬底上并水平延伸至上部硅衬底上，所述电绝缘层悬置在所述基板的正上方，所述电绝缘层与同心铬/铂薄膜层直接接触。

2.根据权利要求1所述的抗环境干扰的多集成MEMS触觉传感器，其特征在于：所述温度传感器中所述的电绝缘层数量为2个，分别位于所述热敏电阻的下方并与所述热敏电阻直接接触，所述电绝缘层与所述热敏电阻均位于所述基板上。

3.根据权利要求1所述的抗环境干扰的多集成MEMS触觉传感器，其特征在于：所述压力传感器中所述的压力腔室整体为长方体结构，所述的压力腔室内部为真空，所述的压敏电阻数量为4个，均位于所述压力腔室外部上表面且互相间隔一定距离，所述电绝缘层数量亦为4个且互不接触，均位于所述基板上，延伸至所述压力腔室上表面，所述电绝缘层与所述压力腔室、所述压敏电阻直接接触。

4.根据权利要求1所述的抗环境干扰的多集成MEMS触觉传感器，其特征在于：所述热电红外探测器中所述的凹腔位于所述基板上，由蚀刻而成，所述中心凸台位于所述凹腔的中心，所述中心凸台的高度与所述凹腔的深度相等，所述氮化硅吸收层共15个，其分布为：左上方4个，右上方4个，左下方4个，右下方3个，所述氮化硅吸收层位于所述基板上并水平延伸至所述中心凸台上表面，所述氮化硅吸收层悬置于所述凹腔上方，所述热电偶数量亦为15个，分别分布在15个所述氮化硅吸收层的上表面，所述电绝缘层数量为2个，位于所述基板上右下方，与同方向其余3个所述氮化硅吸收层平行，并水平延伸至所述中心凸台上表面，所述电绝缘层悬置于所述凹腔上方。

5.根据权利要求1所述的抗环境干扰的多集成MEMS触觉传感器，其特征在于：所述导热传感器中所述的上部硅衬底与所述的下部硅衬底拥有相等的高度和宽度，所述的下部硅衬底只有硅，所述的上部硅衬底是由自底层到顶层的底部硅层、多孔材料层、PDMS层、顶部硅层叠加构成，所述的同心铬/铂薄膜层分别位于所述底部硅层和顶部硅层上，所述的同心铬/铂薄膜层为方形，所述的电绝缘层数量为4个，分别位于下部硅衬底上并水平延伸至所述上部硅衬底上表面，所述电绝缘层与所述同心铬/铂薄膜层的4个端分别直接接触。

6.一种抗环境干扰的多集成MEMS触觉传感器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

制造4英寸硅晶片，通过硼铁注入对衬底进行掺杂；然后衬底在氧气中退火，在1100℃的环境中保持65分钟，以激活杂质掺杂并同时获得0.5μm厚的热氧化层；接下来，通过低压化学气相沉积0.5μm厚的低应力氮化硅膜；制造的二氧化硅/氮化硅薄膜充当所述压力传感器和温度传感器的电绝缘层；在所述热电红外探测器部分，通过反应离子蚀刻去除二氧化硅/氮化硅薄膜，以减少最终吸收膜的厚度；

通过低压化学气相沉积法依次沉积并图案化2μm厚的低温氧化物和0.25μm厚的磷硅酸盐玻璃；磷硅酸盐玻璃/低温氧化物层用作所述压力传感器的牺牲结构；低温氧化物定义了功能层和基板之间的间隙；覆盖低温氧化物的磷硅酸盐玻璃层可以加快横向蚀刻速度，其中磷的含量决定了蚀刻速度；侧向释放孔由磷硅酸盐玻璃组成，便于后期密封；

通过低压化学气相沉积在875℃下沉积1.2μm厚的LS-氮化硅；该多功能层用作所述压力传感器中的压力腔室，以及所述热电红外探测器中的吸收膜；通过调节气体的流速，调整富硅的氮化硅从而达到100MPa左右的低残余拉伸应力，由激光扫描轮廓仪测量；然后在620℃下通过低压化学气相沉积法沉积0.8μm厚的细粒多晶硅，然后进行B+注入，图案化多晶硅层以形成所述压敏电阻、热电偶和热敏电阻；接下来，通过反应离子蚀刻对1.2μm厚的LS-氮化硅薄膜进行构图，打开释放孔进行牺牲层刻蚀；

用40％氢氟酸对牺牲低温氧化物层去除8-10分钟，蚀刻过程通过透明的氮化硅膜片在显微镜下检查；通过低压化学气相沉积法沉积1.4μm厚的原硅酸四乙酯，并通过缓冲氧化物蚀刻进行图案化以密封释放孔；

在氧气环境中，1100℃下退火1小时，在具有100Ω/sq薄层电阻的多晶硅电阻器中获得均匀的离子分布；同时，在多晶硅外部获得0.4μm厚的热氧化物，然后通过低压化学气相沉积法沉积0.2μm厚的LS-氮化硅；接下来用反应离子蚀刻法打开接触孔，溅射和图案化0.6μm厚的铝层，铝层用于互连所述热电红外探测器的热电偶部分；至此，所述压力传感器和温度传感器的处理已完成；

打开所述热电红外探测器的释放槽，利用体微加工去除热电红外探测器吸收膜和热电偶下方一定深度的硅基板，以实现隔热，然后通过二氟化氙各向同性干法蚀刻工艺蚀刻硅，其中二氟化氙为2torr，氮气为60torr，每个周期设为20s，总共执行800个周期，蚀刻深度约50μm；至此，完成热电红外探测器制作；

最后，制造出带有反应离子蚀刻处理腔的盖晶圆，涂上2μm厚的苯并环丁烯并粘合到盖晶圆上，可在随后的切割过程中保护所述热电红外探测器；将所述压敏电阻和热敏电阻放置在盖晶圆的外面；

制作所述导热传感器的同心铬/铂薄膜层可以先在硅板上旋涂30μm光刻胶，通过光刻和显影获得图案，溅射30nm厚的铬作为粘附层，然后溅射150nm厚的铂作为粘附层热敏层；将图案化的基板浸入丙酮中2小时以溶解光刻胶，然后用无水乙醇和去离子水洗涤，最后在图案化的基板上沉积4μm厚的聚对二甲苯薄膜作为保护层；

所述导热传感器的多孔材料由PDMS，柠檬酸一水合物颗粒和银纳米颗粒制成；材料制作中，PDMS与柠檬酸一水合物体积比设为1：3，PDMS与交联剂体积比为10：1，银纳米颗粒占体积比为2％，充分搅拌混合物10分钟后，倒入PMMA模具在75℃下固化2小时，脱模后材料浸入乙醇中24小时以溶解柠檬酸一水合物并形成孔隙，然后用去离子水进行洗涤，最后在70℃条件下干燥1小时；最后把传感层粘附到制作好的PDMS层上表面和多孔材料的下表面，至此导热传感器制作完成。