专利名称：利用有机胶粘剂连接两片式硅微型话筒的方法
技术领域：
本发明属传感器技术领域，具体涉及一种利用有机胶粘剂连接两片式硅微型话筒的方法。
背景技术：
硅微型驻极体声传感器，由于它是驻极体的自偏置结构，即无需外加偏压系统。因此，和传统的外偏置电容话筒相比，结构简单，性能优异，成本低廉；又由于微型化，其加工工艺与平面工艺及微机械加工技术兼容，话筒结构设计集中了Si基无机驻极体复合膜的性能研究，硅的MEMS结构设计和工艺制造技术，以及CMOS IC芯片的设计和制造技术，从而可能实现全自动化的大规模生产；又由于硅基无机驻极体复合膜的长寿命和产品性能可靠等优点，和传统的分立式聚合物驻极体芯片的电容话筒及外偏置的硅微型电容话筒相比，具有明显的竞争优势，是新一代的可集成化硅基微型声电和电声传感器，可望用作通讯系统，信号检测，国防保安，航空航天等高科技产品。如可广泛用作为微型窃听器，无绳电话(手机)或普通电话，微型助听器，战地电话，舰船指挥的声讯系统，MP3播放器，收录机，数码相机等等。
通过自1983年以来的近20年努力，德国、荷兰、美国和新加坡等国的相关大学和公司的研究机构已经研制出几种类型的两片式硅基微型驻极体话筒的实验室初样。然而目前国内外尚无商业化产品，其主要原因之一是作为话筒的振膜片(驻极体层)和背极板的两片连接工艺未能解决(是这类电容式话筒实现产业化生产国际公认的技术瓶颈)。基本问题是两片式硅基驻极体微型电容话筒在两片连接过程中的半导体工艺与驻极体形成工艺的不兼容性。因为大部分的半导体工艺的两片连接技术需要在比驻极体储电层(振膜芯片)所能容忍的安全储存温度的更高值下实施，即经过实施连接工艺后已破坏了振膜的储电层，使这类储电功能膜丧失驻极体性能。
关于两片式Si基微型电容话筒振膜片和背极片的粘结工艺，已报道使用的方法有多种，例如1)T.Tajimai等利用粉末氧化硅键结法(Powder silicon oxide banding method，SootDeposited Integrated Circuit，SODIC)(Microelectronic Engineering，67-68(2003)，508-519)，是利用烟灰(碳黑)沉积法将SiO热处理软化作为上述两片的胶粘剂，其缺点是热处理温度高，不适用于Si微型驻极体话筒的粘结(即粘结工艺温度与振膜储电层的电荷稳定储存的要求温度不兼容)。
2)半导体领域对各类两片式硅基传感器使用的传统连接工艺包括静电键合和高温键合(含包含利用激光处理和电子束处理实现局部区域的高温熔融键合)，由于它们或者是借助在强电场下的静电力作用，或者是借助十分高的高温处理(例如T＞800℃)，从而导致了已形成的驻极体层内沉积电荷释放，及击穿了结构单元的相关微电子线路。因此，上述工艺与驻极体工艺不兼容。
3)R.Kressmann等利用将环氧片置于振膜片与背极片两片之间，经熔融和热压，使两片胶接(Sensors&Actuators，A，100(2002)，301-309)。其缺点是需利用手工操作，既难以控制胶接剂的用量和两片间胶粘层的厚度，又无法实现微型化后的分立小片连接时的套准工艺，因此不能确保结构单元的工艺质量，不适用于工业化生产。
4)本课题组于1994年利用环氧树脂在溶胶态时以胶联Si微型驻极体话筒的上述两片结构，以及德国Sessler教授课题组一直沿用的以指甲油作为胶粘剂，这些工艺虽然能较好地控制胶粘剂的厚度，但由于用环氧树脂的固化相和溶剂相稀释混合形成的环氧树脂胶粘剂(或指甲油)在干化过程中，部分溶剂由两片的连接缝内壁挥发进振膜与背极板间的气隙腔内，难以逸出，从而使这种气相挥发物长期与驻极体薄膜的自由面储电层作用，导致电荷的损失，引起器件在储存和使用期间内明显降低电荷储存寿命，危及器件的灵敏度和稳定性。
发明内容
本发明的目的在于提出一种粘结工艺与驻极体工艺兼容，工艺过程易于控制，不影响器件灵敏度和稳定性的连接两片式硅微型驻极体话筒的方法。
本发明提出的连接两片式硅微型话筒的方法，是选择热胶结温度低于沉积于驻极体薄膜内的驻极体电荷的热激发脱阱温度的固态有机胶粘剂，采用真空热蒸发技术，热蒸发上述胶粘剂，使之沉积在话筒的背极板片或振膜片、或两者兼具的设计接触区域内，再通过两片套准技术和在受控温度下的热压胶粘实现两片连接。
本发明中，胶粘剂选择低聚合度，低交联度的热塑性聚合物，其熔融温度为250～450℃范围内，如固态环氧树脂、固态热塑性聚酰胺(PA)和固态热塑性聚酰亚胺(PI)等，其形态可以是片、粒或粉体等。
本发明方法在真空蒸发装置中进行，其装置结构如图1所示。
在真空室内的两电极间连接(安置)一个钽舟或钼舟，用以装填待蒸发的有机固态胶粘剂。热电偶的敏感点置于舟底，并与舟底金属层紧密可靠接触(或直接插入舟内的胶粘剂中)，从而可以通过热电偶可靠地监控胶粘剂的加热过程和热蒸发的温度及其变化。热电偶的引线连接至蒸发室外并和数字温度显示器相连接。
利用上述装置进行真空热蒸发的工艺如下真空室内抽真空至10-3～10-4乇量级；对钽或钼舟进行电控加热，并在不同的温区按不同的升温速率进行调控在升温的初期阶段，即在低于胶粘剂的蒸发温度约50℃前的温区内，升温速率控制为2～15℃/min；在胶粘剂的蒸发温度前约50℃的温区内，升温速率控制为1-2℃/min，直至到达蒸发温度。在后期降低升温速率，可以避免热过调，确保恒温状态。
在一定的真空度下(如10-4乇)，升温至胶粘剂要求的蒸发温度时，真空计的指针出现向真空度较低的方向飘移(即真空度降低)时，表示热蒸发过程明显发生。
本发明中，可通过调控蒸发温度、蒸发时间和投入舟内的胶粘剂量，以控制蒸发的胶粘剂层厚度和胶粘剂层表面态。
一般地，胶粘剂的热蒸发温度选择为该胶粘剂的熔融温度Tf1-Tf2中的某一值。如果热蒸发温度过低，则会影响固熔胶的挥发，降低沉积效率和沉积层的附着力；如果热蒸发温度过高，则会影响沉积层的横向均匀性和沉积层的表面态，甚至导致胶粘剂的变性。例如，对PA-170固熔胶，其蒸发温度在220～260℃之间比较合适。
在实际操作时，本发明也可在真空室内达到要求的真空度后，通过直接调控通入钽舟或钼舟的电流值，以实现胶粘剂的蒸发(即通过控制电流，达到前述的升温要求)，并控制胶粘剂沉积层的厚度和表面态。对于不同的固熔胶，由于熔融温度不同，需要调控不同的电流值。例如，对于PA-170固熔胶，其调控的电流值约为200mA至1A，蒸发时间在10分钟～3小时为宜。
本发明中，在蒸发温度一定以及舟内投放足够量的胶粘剂的条件下，可以通过调控蒸发时间来控制沉积胶粘剂的厚度。一般地，沉积胶粘剂厚度为2～100μm时，蒸发时间在10分钟～3小时为宜。
本发明中，在蒸发时间一定的条件下，可以通过调控通入钽舟或钼舟的电流来控制胶粘剂热蒸发的均匀性和沉积厚度。一般地，交流电的控制范围为200mA～1A。
本发明中，定位套准工艺可采用激光加工或半导体平面工艺加工的套准定位系统。
本发明的特点如下1、通过选择具有合理熔融温度的有机胶粘剂，使其热胶结温度控制在驻极体电荷稳定储存的安全温度区内，实现粘结工艺和驻极体工艺的兼容性；2、通过调控流过钼(或钽)舟的电流、蒸发时间、蒸发温度和在舟内投放待蒸发的树脂量等基本工艺参数，及真空室的真空度，控制沉积层的厚度及其沉积层的横向均匀性，确保两片连接后合理的气隙间距；3、通过掩膜板对振膜片的振膜区和背极片的气孔区在蒸发期间的有效隔离，使胶粘剂沉积层仅仅覆盖在例如振膜片和背极板的框架区，或在结构单元中设计的合理区域内，避免因胶粘剂在振膜面或者气孔内沉积，破坏在振膜的电荷沉积区储电层的驻极态及其机械性能，以及改变通气孔腔体的有效体积，从而危及器件的灵敏度及频响特性；4、通过精确的定位套准工艺(如激光加工或借助半导体平面工艺加工的套准定位系统)可实现含有大量话筒结构单元的4英寸或更大尺寸硅片整片胶接，因此其工艺具有产业化意义。
图1为对振膜片和背极片进行真空热蒸发有机胶粘剂的装置示意图。
图中标号1为真空罩，2为钼舟或钽舟，3为真空泵，4为电极，5为热电偶，6为数字温度计，7为数字电流表，8为样品(可旋转系统)，9为电源。
具体实施例方式
下面通过实施例进一步具体描述本发明。
实施例1，胶粘剂采用PA-170树脂(热塑性聚酰胺，熔融温度220～250℃)，采用图1所示真空热蒸发装置，将蒸发室抽真空至10-4乇后接通电源，在钼舟(或钽舟)内装满上述树脂的条件下(3.0克)，调节通过钼舟(或钽舟)的电流至0.60A，经过约7min后，舟体温度从室温升至205℃。此后，电流被维持在0.60～0.65A历时约70min(温度在215℃～220℃)后切断电源，则在Si片的设计蒸发区域内已被热蒸发上一层厚度均匀，表面态平整的层厚约4μm的PA-170树脂层。如果真空度在10-3乇，保持其它参数不变，也得出相近的结果。由此方法蒸发的胶粘剂将硅微型话筒的背极片和振膜片连接，效果十分理想。
如果将舟内PA-170树脂从3.0克减至0.6克，则在0.60A的电流作用下逐步升温至205～210℃，再以0.60～0.62A的电流使温度在220～235℃维持5～8分钟，`内树脂全部蒸发，在基片上形成了层厚约2～3μm的胶粘膜。
实施例2，胶粘剂采用PA-170树脂，并将其装满舟体(约3.0克)，将蒸发室的真空度抽至10-3～10-4乇后接通电源，以7℃/min的热率从室温升至190℃，再以1～2℃/min的升温率缓慢地升至230℃后维持在该温度约15min，则在基片上的设计区域内已沉积上3μm厚的PA-170膜(仅使舟内少部分树脂被蒸发)；如果在260℃恒温30min，维持上述其它参数不变，则沉积的PA-170树脂层厚约为15μm。由此方法蒸发的胶粘剂将硅微型话筒的背极片和振膜片连接，效果十分理想。
实施例3，胶粘剂采用HMF热熔胶(含醋酸乙烯侧基团的乙烯聚合物，熔融温度约150～190℃)，在蒸发室内抽真空至10-4乇后，以7～10℃/min的速率升温至140℃后，再以1～2℃/min升温至180℃，恒温蒸发历时20min，则在基片上沉积一层厚度达10μm的HMF热熔胶膜。由此方法蒸发的胶粘剂将硅微型话筒的背极片和振膜片连接，效果十分理想。
权利要求
1.一种连接两片式硅微型驻极体话筒的方法，其特征在于选择热胶结温度低于沉积于驻极体薄膜内的驻极体电荷的热激发脱阱温度的固态有机胶粘剂，采用真空热蒸发技术，热蒸发上述胶粘剂，使之沉积在话筒的背极片或振膜片，或两者兼具的设计接触区域内，再通过两片套准技术和在受控温度下的热压胶粘实现两片连接。
2.根据权利要求1所述的连接方法，其特征在于胶粘剂采用固态环氧树脂、固态热塑性聚酰胺、固态热塑性聚酰亚胺等胶粘树脂之一种。
3.根据权利要求1所述的连接方法，其特征在于在真空热蒸发装置中，真空室内抽真空至10-3-10-4乇量级；对钽或钼舟进行电控加热，并在不同的温区按不同的升温速率进行调控在升温的初期阶段，即在低于胶粘剂的蒸发温度50℃前的温区内，升温速率控制为2～15℃/min；在胶粘剂的蒸发温度前50℃的温区内，升温速率控制为1～2℃/min，直至到达蒸发温度。
4.根据权利要求3所述的连接方法，其特征在于胶粘剂的热蒸发温度选择为该胶粘剂的熔融温度Tf1-Tf2中的某一值。
5.根据权利要求3所述的连接方法，其特征在于在蒸发温度一定的条件下，通过调控蒸发时间，或者通过调控投入舟内的胶粘剂量来控制沉积胶粘剂层的厚度。
6.根据权利要求3所述的连接方法，其特征在于在蒸发时间一定的条件下，通过调控通入钽舟或钼舟的电流来控制胶粘剂热蒸发的均匀性和沉积厚度。
全文摘要
本发明为一种利用有机胶粘剂连接两片式硅微型话筒的方法，具体是选择低聚合度、低交联度和具有合适熔融温区的固态有机胶粘剂，采用真空热蒸发技术在话筒的背极片，振膜片的设计接触区域沉积胶粘剂，再通过两片套准工艺，在受控温度下热压胶粘实现两片连接。本发明方法可使粘结工艺与驻极体工艺兼容，并可避免胶粘剂在振膜片的振膜区或者背极片的气孔内沉积，因而不影响器件的灵敏度及频响特性。此外，还可实现含有大量话筒结构单元的硅片的整片胶结，具有产业化前景。
文档编号H04R31/00GK1596036SQ20041002563
公开日2005年3月16日 申请日期2004年6月30日 优先权日2004年6月30日
发明者夏钟福, 吴贤勇, 沈绍群, 王丽, 李军 申请人:同济大学, 复旦大学, 深圳市豪恩电声科技有限公司