專利名稱:一種含有硅通孔的電容式壓力傳感器及其制造方法
技術領域:
本發(fā)明涉及電容式壓力傳感器,具體涉及一種含有硅通孔的電容式壓力傳感器及其制造方法,屬于微機械電子技術領域。
背景技術:
在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)、科學研究及日常生活中,凡是利用液體、氣體或蒸汽等作為傳遞介質(zhì)的都要體現(xiàn)壓力的作用。為了保證生產(chǎn)和科研能正確控制、順利實施,需要利用壓力傳感器來指示壓力的有無、大小和變化等情況。其中,電容式壓力傳感器因其低功耗、高靈敏度、高輸出阻抗、以及良好的動態(tài)響應特性等優(yōu)點,已成為壓力傳感器研究的一大熱點。電容式壓力傳感器的基本結(jié)構由兩部分組成,即包括固定電極8的基片B和包括可動電極9的膜片A,如圖1(b)和(c)所示??蓜与姌O9是一個能在壓力作用情況下發(fā)生撓度形變的敏感膜。固定電極8和可動電極9之間存在一定的間距,形成電容。壓力作用于彈性敏感膜(可動電極9),膜發(fā)生形變,使得兩個電極間距發(fā)生變化,產(chǎn)生相應的電容值變化。由于電容值隨著壓力變化而變化,電容值又與壓力值相互對應,由此形成壓力到電容的信號轉(zhuǎn)換。由于表面加工技術所帶來的薄膜應力和粘附問題很難解決,現(xiàn)有的電容式壓力傳感器通常以體硅濕法腐蝕工藝為基礎,對硅片的特定區(qū)域進行腐蝕形成硅膜,然后將此硅片貼裝到制作有固定電極的另一硅片(或玻璃)上,形成密封的腔體,如周偉等人于2006 年10月在《傳感技術學報》上發(fā)表的名稱為基于“倒裝技術的電容式絕對壓力傳感器研究” 的論文中所采用的結(jié)構。這種傳感器制造方法存在著如下問題一方面,密封腔內(nèi)可動電極難以通過低阻、 低損耗的方式從膜片引出,使得電容信號的測量值出現(xiàn)較大誤差,從而影響壓力信號的準確測量;另一方面,對于給定的壓力,硅膜的撓度依賴于膜的等效剛度,因此,當傳感器標定完成后,硅膜的剛度務必要保持恒定。然而,就體硅濕法腐蝕工藝制造的電容式壓力傳感器而言,由于硅膜與經(jīng)腐蝕后的硅片梯形槽斜面相連,當傳感器正常工作時,硅片梯形槽斜面也要受到傳遞介質(zhì)壓力的作用發(fā)生形變,使得硅膜除受到待測壓力的作用外,還要額外受到硅片梯形槽斜面的力學影響,此干擾力可以分解成對硅膜的軸向力與垂直力作用,其中, 軸向向內(nèi)的力會降低硅膜的剛度,軸向向外的力會增加硅膜的剛度,垂直力的作用方向與待測壓力的方向一致,使得所測得的結(jié)果不準。以上兩方面問題均會影響電容式壓力傳感器的測量精度。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在克服現(xiàn)有技術的不足,在傳感器中設計硅通孔結(jié)構,提出一種改進型的電容式壓力傳感器。和現(xiàn)有技術相同,本發(fā)明公開的電容式壓力傳感器也包括含固定電極的基片,
含可動電極的膜片,和與所述固定電極和可動電極電連接的測量電路;所述固定電極和所述可動電極之間存在間距,形成電容;所述可動電極位于所述膜片的梯形槽內(nèi),和現(xiàn)有技術不同之處在于,所述可動電極四周設有多個和所述可動電極相接的彼此間隔的經(jīng)填充的通孔,所述通孔位于所述梯形槽的斜面中,將所述可動電極和部分所述斜面分隔。優(yōu)選地,所述基片還包括金球凸點,所述金球凸點位于所述基片的表面,并和所述通孔相接。優(yōu)選地,所述通孔可等間距彼此間隔;通孔的徑向截面可呈正方形;位于所述可動電極相對兩側(cè)的通孔的數(shù)量可以相同。優(yōu)選地,所述電容式壓力傳感器還包括現(xiàn)有技術中的封裝片,所述封裝片包括壓力介質(zhì)傳遞通道。本發(fā)明還公開了一種含有硅通孔的電容式壓力傳感器的制造方法,其包括下列步驟a)通過下列步驟制造膜片i.在第一硅襯底的第一表面上通過摻雜形成導電層;ii.在第一硅襯底的第二表面上通過刻蝕形成梯形槽,使所述導電層的一個表面裸露;iii.在所述梯形槽的斜面和所述導電層接觸處通過刻蝕形成多個通孔,所述通孔彼此間隔,位于所述導電層四周;iv.通過電鍍在所述通孔內(nèi)進行填充材料的填充,所述填充材料的填充高度超過所述導電層的厚度;b)通過下列步驟制造基片i.在第二硅襯底的第一表面上形成氧化層;ii.在所述氧化層上通過金屬濺射和光刻形成固定電極;iii.在所述固定電極上覆蓋鈍化層;iv.在所述鈍化層上制作金球凸點,并使所述金球凸點和測量電路的輸入端相連, 所述金球凸點和所述通孔的位置相對應;v.在所述第二硅襯底上制造經(jīng)填充的過孔,并使所述過孔和測量電路的輸出端相連;c)將所述膜片貼裝于所述基片上,使所述金球凸點和所述通孔相連。優(yōu)選地,所述方法還包括通過下列步驟制造封裝片,并在步驟C)中將所述封裝片貼裝于所述基片上i.在第三硅襯底的第一表面上形成梯形槽;ii.在梯形槽底部形成多個壓力介質(zhì)傳遞通道;iii.在第三硅襯底的第一表面上制作與基片的過孔相應的金球焊點。與現(xiàn)有技術相比,本發(fā)明的有益效果是1)膜片上垂直互連通孔經(jīng)填充、與基片焊接后,可以起到固定可動電極的作用。當傳感器受到傳遞介質(zhì)外加壓力作用時,能夠有效減小梯形槽斜面對可動電極形變的干擾影響;2)可動電極通過垂直互連通孔引出,有效的減小了電容信號在傳輸過程中的損耗,從而測量得到比較精確的信號,提高了傳感器的測量精度。
圖1 (a)是現(xiàn)有技術的傳感器可動電極的俯視圖,圖1 (b)是圖1 (a)沿aa’方向的剖面圖,圖1(c)是圖1(b)的分解示意圖;圖2(a)是本發(fā)明的傳感器可動電極的俯視圖,圖2(b)是圖2(a)沿aa’方向的剖面圖,圖2(c)是可動電極,通孔和梯形槽斜面的立體示意圖;圖3是實施例1膜片的制造流程示意圖;圖4是實施例1基片的制造流程示意圖;圖5是實施例1封裝片的制造流程示意圖;圖6是實施例1傳感器的組裝結(jié)構示意圖;圖7是實施例2基片的制造流程示意圖;圖8是實施例2信號測量片的制造流程示意圖;圖9是實施例2傳感器的結(jié)構示意圖;其中A-膜片;B-基片;C-密封片;1-第一硅襯底;2-第二硅襯底;31,32,33,34-金球凸點;4_通孔;5_梯形槽斜面; 6-鈍化層;7-氧化層;8-固定電極;9-可動電極;IO-Cr粘附層與Au金屬層;11-壓力傳遞介質(zhì)通道;12-第三硅襯底;131,132-過孔;14-焊球;15-載體硅片;16-信號測量片。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細描述。實施例1參考圖2,在本實施例中,通孔4經(jīng)過填充后將可動電極9固定,并將電容信號引出。可動電極9的邊長為600 μ m,通孔4的水平截面為邊長40 μ m的正方形,可動電極9的每一邊被7個通孔4所固定。通孔4中填充的金屬必須與可動電極9有良好的接觸,以減小信號損失。最終制備的傳感器的結(jié)構如圖6所示,整個傳感器由膜片A、基片B以及封裝片C 構成。I、膜片A的工藝流程如圖3所示,包括1、準備η型<100>雙面拋光硅片作為第一硅襯底1,如圖3(a)所示;2、在第一硅襯底1的第一表面涂膠,在硅膜設計區(qū)光刻出擴散窗口,采用固態(tài)摻雜源進行濃硼擴散形成導電層,得到可動電極9,如圖3(b)所示;3、采用正膠保護,在膜片用于密封的地方進行光刻。然后用ICP刻蝕出凹槽,凹槽的深度約為40 μ m,如圖3(c)所示;4、先后在凹槽中濺射500A的Cr粘附層和2000A的Au金屬層10,如圖3 (d)所示;
5、金屬剝離;6、在第一硅襯底1的第二表面光刻出窗口,去除氧化層,采用KOH溶液進行濕法腐蝕,實現(xiàn)可動電極9的釋放,然后跟載體15鍵合,如圖3(e)所示;7、保護好可動電極9,在梯形槽上需要垂直過孔連接的地方用掩膜進行DRIE過刻蝕,形成通孔4。其中,SF6氣體流量為130sCCm,C4F8氣體流量為lOOsccm,載臺功率為600W, APC(自動壓力控制)選擇60。每刻蝕9s后鈍化7s,讓刻蝕和鈍化交替進行,最終形成符合要求的通孔4,如圖3(f)所示;8、在通孔4內(nèi)生長SiO2,制作絕緣層;利用帶傾角的RIE,刻蝕掉通孔4內(nèi)壁絕緣層與可動電極9接觸的部分;在通孔4內(nèi)濺射Ti/W/Cu,制作擴散阻擋層和種子層;將可動電極9保護好,然后對通孔4進行高深寬比的銅電鍍,直至電鍍的銅高過可動電極9為止, 如圖3(g)所示;9、進行后續(xù)工藝,將載體15解鍵合,如圖3(h)所示II、基片B的工藝流程如圖4所示,包括1、選擇已制作好信號測量電路的第二硅襯底2,將器件層的電路保護好,如圖 4(a)所示。2、采用干氧-濕氧-干氧的方式,在硅片空白處生長一層厚度約為Ιμπι的氧化層 7,如圖4(b)所示。3、金屬濺射,光刻出固定電極8及互連線。4、采用PECVD工藝淀積出1_2 μ m氮化硅鈍化保護層6,刻蝕出用于和金球凸點互連的金屬區(qū),如圖4(c)所示。5、制作金球凸點31和32,將與通孔4對齊的金球凸點32與信號測量電路的輸入端相連,如圖4(d)所示。6、保護好襯底上制作好的結(jié)構和電路,與載體15鍵合,如圖4(e)所示。7、在襯底上需要垂直過孔連接的地方用掩膜進行DRIE過刻蝕,形成過孔131,如圖4(f)所示。8、在過孔131內(nèi)生長SiO2,制作絕緣層;在過孔內(nèi)濺射Ti/W/Cu,制作擴散阻擋層和種子層;將襯底上的結(jié)構保護好,然后對過孔131進行高深寬比的銅電鍍,直到電鍍滿整個過孔131為止,如圖4(g)所示。11、對過孔131與測量電路的輸出端相連,將載體15解鍵合,如圖4(h)所示。12、在過孔131的另一端制作焊球14,如圖4 (i)所示。III、封裝片C的工藝流程如圖5所示,包括1、準備η型<100>雙面拋光硅片作為第三硅襯底12 ;2、涂膠,光刻出正面的窗口,采用KOH溶液進行濕法腐蝕形成梯形槽,如圖5 (a)所
7J\ ο3、在硅片背面涂膠,在梯形槽底部光刻出若干窗口,利用ICP刻蝕出通孔作為壓力傳遞介質(zhì)通道11,如圖5(b)所示。4、在硅片背面未被KOH腐蝕處制作與基片B的過孔131對齊的金球焊點33,如圖 5(c)所示。先后將膜片A和封裝片C貼裝到基片B上,即可制成電容式壓力傳感器,如圖6所不。實施例2最終制備的傳感器的結(jié)構如圖9所示,整個傳感器由膜片A、基片B、信號測量片D 以及封裝片C構成。膜片A與封裝片C的工藝流程與實例一的工藝流程一樣,不再贅述?;珺的工藝流程如圖7所示,包括1、準備空白硅片作為第二硅襯底2,如圖7(a)所示。2、采用干氧-濕氧-干氧的方式,在硅片空白處生長一層厚度約為Ιμπι的氧化層 7,如圖7(b)所示。3、金屬濺射,光刻出固定電極8及互連線。4、采用PECVD工藝淀積出1_2 μ m氮化硅鈍化保護層6,刻蝕出用于和金球凸點互連的金屬區(qū),如圖7(c)所示。5、制作金球凸點31和32,如圖7(d)所示。6、保護好制作好的結(jié)構和互連,與載體15鍵合,如圖7(e)所示。7、在襯底上需要用垂直過孔引出電容信號的的地方用掩膜進行DRIE過刻蝕,形成過孔131,如圖7(f)所示。8、在過孔131內(nèi)生長SiO2,制作絕緣層;在過孔內(nèi)濺射Ti/W/Cu,制作擴散阻擋層和種子層;將襯底上的敏感結(jié)構保護好,然后對過孔131進行高深寬比的銅電鍍,直到電鍍滿整個過孔131為止,如圖7(g)所示。11、將載體15解鍵合,如圖7(h)所示。信號測量片的工藝流程如圖8所示,包括1、選擇已制作好信號測量電路的硅片作為信號測量片16,將器件層的電路保護好,如圖8(a)所示。2、制作金球凸點34,將它與信號測量電路的輸入端相連,如圖8(b)所示。3、保護好信號測量片16上制作好的結(jié)構和電路,與載體15鍵合;4、在信號測量片上16需要用垂直過孔互連的地方用掩膜進行DRIE過刻蝕,形成過孔132,如圖8(c)所示。5、在過孔132內(nèi)生長SiO2,制作絕緣層;在過孔內(nèi)濺射Ti/W/Cu,制作擴散阻擋層和種子層;將信號測量片16上的敏感結(jié)構保護好,然后對過孔132進行高深寬比的銅電鍍, 直到電鍍滿整個過孔132為止,如圖8(d)所示。8、將過孔與測量電路的輸出端相連,將載體15解鍵合;9、在過孔的另一端制作焊球14,如圖8(e)所示。先后將膜片A和封裝片C與基片B、信號測量片16組裝起來,即可制成電容式壓力傳感器,如圖9所示。以上通過詳細實例描述了本發(fā)明,本領域的技術人員應當理解,在不脫離本發(fā)明實質(zhì)的范圍內(nèi),可以對本發(fā)明做一定的變形或修改;其制備方法也不限于實施例中所公開的內(nèi)容。
權利要求
1.一種含有硅通孔的電容式壓力傳感器,其包括含固定電極的基片,含可動電極的膜片,和與所述固定電極和可動電極電連接的測量電路;所述固定電極和所述可動電極之間存在間距,形成電容;所述可動電極位于所述膜片的梯形槽內(nèi),其特征在于,所述可動電極四周設有多個和所述可動電極相接的彼此間隔的經(jīng)填充的通孔,所述通孔位于所述梯形槽的斜面中,將所述可動電極和部分所述斜面分隔。
2.如權利要求書1所述的含有硅通孔的電容式壓力傳感器,其特征在于,所述基片還包括金球凸點,所述金球凸點位于所述基片的表面,并和所述通孔相接。
3.如權利要求書1所述的含有硅通孔的電容式壓力傳感器,其特征在于,所述通孔等間距彼此間隔。
4.如權利要求書1所述的含有硅通孔的電容式壓力傳感器,其特征在于,所述通孔的徑向截面呈正方形。
5.如權利要求書1所述的含有硅通孔的電容式壓力傳感器,其特征在于,位于所述可動電極相對兩側(cè)的通孔的數(shù)量相同。
6.如權利要求書1-5任意一項所述的含有硅通孔的電容式壓力傳感器,其特征在于, 所述電容式壓力傳感器還包括封裝片,所述封裝片包括壓力介質(zhì)傳遞通道。
7.一種含有硅通孔的電容式壓力傳感器的制造方法,其包括下列步驟a)通過下列步驟制造膜片i.在第一硅襯底的第一表面上通過摻雜形成導電層; .在第一硅襯底的第二表面上通過刻蝕形成梯形槽,使所述導電層的一個表面裸露;iii.在所述梯形槽的斜面和所述導電層接觸處通過刻蝕形成多個通孔,所述通孔彼此間隔,位于所述導電層四周;iv.通過電鍍在所述通孔內(nèi)進行填充材料的填充,所述填充材料的填充高度超過所述導電層的厚度;b)通過下列步驟制造基片i.在第二硅襯底的第一表面上形成氧化層; .在所述氧化層上通過金屬濺射和光刻形成固定電極;iii.在所述固定電極上覆蓋鈍化層;iv.在所述鈍化層上制作金球凸點,并使所述金球凸點和測量電路的輸入端相連,所述金球凸點和所述通孔的位置相對應;V.在所述第二硅襯底上制造經(jīng)填充的過孔,并使所述過孔和測量電路的輸出端相連; C)將所述膜片貼裝于所述基片上,使所述金球凸點和所述通孔相連。
8.如權利要求7所述的含有硅通孔的電容式壓力傳感器的制造方法,其特征在于,所述方法還包括通過下列步驟制造封裝片,并在步驟c)中將所述封裝片貼裝于所述基片上i.在第三硅襯底的第一表面上形成梯形槽; .在梯形槽底部形成多個壓力介質(zhì)傳遞通道; iii.在第三硅襯底的第一表面上制作與基片的過孔相應的金球焊點。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種含有硅通孔的電容式壓力傳感器及其制造方法,屬于微機械電子技術領域。本發(fā)明的電容式壓力傳感器包括含固定電極的基片,含可動電極的膜片,和與所述固定電極和可動電極電連接的測量電路;所述固定電極和所述可動電極之間存在間距,形成電容;所述可動電極位于所述膜片的梯形槽內(nèi),所述可動電極四周設有多個和所述可動電極相接的彼此間隔的經(jīng)填充的通孔,所述通孔位于所述梯形槽的斜面中,將所述可動電極和部分所述斜面分隔。本發(fā)明還公開了含有硅通孔的電容式壓力傳感器的制造方法。本發(fā)明可用于現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)、科學研究及日常生活中的多個應用領域。
文檔編號B81B3/00GK102183333SQ201010612818
公開日2011年9月14日 申請日期2010年12月29日 優(yōu)先權日2010年12月29日
發(fā)明者于民, 朱智源, 朱韞暉, 繆旻, 金玉豐 申請人:北京大學