專利名稱：基于犧牲層技術(shù)的納米膜壓力傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型主要涉及一種基于犧牲層技術(shù)的納米膜壓力傳感器，屬于微機(jī)電系統(tǒng)(MHMS)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，利用半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)和良好的彈性，用集成電路工藝和硅微機(jī)械加工技術(shù)研制出了半導(dǎo)體壓力傳感器。由于具有體積小、重量輕和靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)，半導(dǎo)體壓力傳感器在環(huán)境控制、交通工具、醫(yī)學(xué)檢查、航空、石化、電力等方面應(yīng)用廣泛。半導(dǎo)體壓力傳感器按加工工藝分為體娃微機(jī)械和表面微機(jī)械加工技術(shù)兩種。體娃微機(jī)械是采用單晶硅各向異性腐蝕技術(shù)在硅襯底刻蝕底面形成感壓膜，在感壓膜上制造力敏電阻。該工藝特點(diǎn)是工藝成熟，但不易小型化和集成化。表面微機(jī)械加工技術(shù)(也稱犧牲層技術(shù))一般以多晶硅為結(jié)構(gòu)層，二氧化硅為犧牲層，通過選擇性腐蝕去掉犧牲層形成密閉空腔，以多晶硅為感壓膜并在膜上制造力敏電阻。該工藝特點(diǎn)是成本低、易集成和小型化。因此，表面微機(jī)械壓力傳感器發(fā)展前景廣闊。表面微機(jī)械半導(dǎo)體壓力傳感器按結(jié)構(gòu)分為平坦型和臺(tái)階型兩種。平坦型壓力傳感器密閉空腔是由對單晶硅襯底刻蝕的凹槽與平坦的多晶硅膜構(gòu)成，臺(tái)階型壓力傳感器密閉空腔是由單晶硅襯底與凸型(感壓面與支撐面構(gòu)成)的多晶硅膜構(gòu)成。平坦型工藝比臺(tái)階型工藝復(fù)雜。表面微機(jī)械加工的半導(dǎo)體壓力傳感器力敏電阻一般采用多晶硅電阻，多晶硅壓力傳感器造價(jià)低、高溫 特性好，但靈敏度較擴(kuò)散硅壓力傳感器低，由于普通多晶硅電阻一般厚度在一微米左右，對幾個(gè)微米厚度的壓感膜力學(xué)性能影響不可忽略。因此，多晶硅電阻制約了表面微機(jī)械半導(dǎo)體壓力傳感器優(yōu)越結(jié)構(gòu)性能。為了提高表面微機(jī)械結(jié)構(gòu)壓力傳感器性能，發(fā)明人提出了中國專利公開號(hào)CN1149931A，名稱為“半導(dǎo)體壓力傳感器及其制造方法”的發(fā)明專利，其特征是在SOI芯片上，以外延生長單晶硅為結(jié)構(gòu)層，以SOI的二氧化硅為犧牲層，擴(kuò)散硅為力敏電阻制造壓力傳感器。但由于采用SOI芯片，成本比單晶硅芯片大幅增加。當(dāng)前，表面微機(jī)械壓力傳感器存在如下問題:(I)表面微機(jī)械工藝成本低，但技術(shù)要求高。存在多晶硅內(nèi)應(yīng)力和膜片與襯底黏附等問題需要解決，以便提高傳感器性能；( 2)表面微機(jī)械壓力傳感器采用多晶硅力敏電阻，與擴(kuò)散硅相比，溫度特性好但靈敏度比低。本實(shí)用新型旨在解決上述問題。多晶娃納米薄膜是膜厚接近或小于100納米的多晶娃納米薄膜。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)這種材料具有良好的壓阻特性，突出體現(xiàn)為靈敏度高、溫度特性好、成本低。本實(shí)用新型正是基于這種現(xiàn)狀進(jìn)行的。發(fā)明內(nèi)容發(fā)明目的本實(shí)用新型是一種測量絕壓的表面微機(jī)械結(jié)構(gòu)壓力傳感器，目的是提高傳感器溫度穩(wěn)定性、提高靈敏度、減小芯片面積、降低成本、擴(kuò)大工作溫度范圍。技術(shù)方案本實(shí)用新型是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的:一種基于犧牲層技術(shù)的納米膜壓力傳感器，其特征在于:包括單晶硅襯底，在單晶硅襯底上設(shè)置剖面為臺(tái)階型的感壓膜，感壓膜與單晶硅襯底相連并在二者之間構(gòu)成密閉空腔，感壓膜臺(tái)階下邊緣設(shè)置有腐蝕孔，在感壓膜上面設(shè)有四個(gè)應(yīng)變電阻，四個(gè)應(yīng)變電阻通過金屬導(dǎo)線連接成惠斯通電橋，將壓力轉(zhuǎn)換成電壓輸出。感壓膜上方還設(shè)有絕緣層，絕緣層上方設(shè)有鈍化層。在空腔中形成近似真空。感壓膜為多晶硅，其俯視形狀為矩形或圓形。應(yīng)變電阻為多晶硅納米膜電阻。優(yōu)點(diǎn)及效果本實(shí)用新型具有如下優(yōu)點(diǎn)及有益效果:本實(shí)用新型提供的一種多晶硅納米薄膜壓力傳感器由于采用表面微機(jī)械結(jié)構(gòu)，使傳感器的成本低、量程范圍寬、易集成和小型化；采用多晶硅納米薄膜作為應(yīng)變電阻提高了靈敏度和溫度穩(wěn)定性。

圖1是本實(shí)用新型傳感器俯視圖；圖2是本實(shí)用新型傳感器剖面圖；圖3是本實(shí)用新型形成犧牲層的工藝剖面圖；圖4是本實(shí)用新型形成第一層多晶硅和腐蝕孔工藝剖面圖；圖5是本實(shí)用新型形成空腔工藝剖面圖；圖6是本實(shí)用新型形成第二層多晶硅和封閉腐蝕孔工藝剖面圖；圖7是本實(shí)用新型形成多晶硅納米薄膜電阻工藝剖面圖。其中:1.單晶硅襯底，2.空腔，3.腐蝕孔，4.感壓膜，5.應(yīng)變電阻，6.金屬導(dǎo)線，101.第一層犧牲層，102.第二層犧牲層，103.第一層多晶娃，104.第二層多晶娃，105.絕緣層，106.純化層。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對本實(shí)用新型做進(jìn)一步的說明:本實(shí)用新型是一種基于犧牲層技術(shù)的納米膜壓力傳感器，如圖1和圖2中所示，傳感器包括單晶硅襯底1，在單晶硅襯底I上設(shè)置有剖面為臺(tái)階型的感壓膜4，感壓膜4與單晶硅襯底I相連并在感壓膜4與單晶硅襯底I之間構(gòu)成密閉空腔2，感壓膜4臺(tái)階下邊緣設(shè)置有刻蝕犧牲層后密封的腐 蝕孔3，在感壓膜4上面設(shè)有四個(gè)多晶硅納米膜應(yīng)變電阻5，四個(gè)應(yīng)變電阻通過金屬導(dǎo)線6連接成惠斯通電橋，將壓力轉(zhuǎn)換成電壓輸出。在空腔2中形成近似真空。本實(shí)用新型的傳感器結(jié)構(gòu)可采用多晶硅膜片，感壓膜4為多晶硅，感壓膜4的俯視形狀為矩形或圓形。應(yīng)變電阻5為重?fù)诫s多晶硅納米薄膜電阻(膜厚小于lOOnm)。通過改變本實(shí)用新型傳感器膜片厚度和膜片尺寸，可設(shè)計(jì)出各種量程的壓力傳感器。本實(shí)用新型的設(shè)計(jì)原理:本實(shí)用新型的主要結(jié)構(gòu)由硅襯底、感壓膜、腔體、腐蝕孔和應(yīng)變電阻構(gòu)成。感壓膜由多晶硅構(gòu)成，腔體采用表面機(jī)械加工技術(shù)，即犧牲層技術(shù)，用氫氟酸通過腐蝕孔去掉二氧化硅犧牲層而成，用多晶硅封閉腐蝕孔，感壓膜和硅襯底構(gòu)成封閉腔體，近似為真空。在每個(gè)傳感器感壓膜的邊緣和中心各設(shè)置兩個(gè)多晶硅納米薄膜應(yīng)變電阻，并連接成差動(dòng)全橋，構(gòu)成壓力測量電路，電路采用恒壓源或恒流源供電。當(dāng)壓力作用時(shí)，傳感器膜片都發(fā)生彎曲，膜片應(yīng)變作用于應(yīng)變電阻產(chǎn)生壓阻效應(yīng)，差動(dòng)全橋輸出差動(dòng)電壓信號(hào)與壓力值對應(yīng)。當(dāng)壓力在傳感器量程范圍時(shí)，傳感器輸出與壓力成線性關(guān)系的電壓值，當(dāng)壓力超過量程達(dá)某一值時(shí)，傳感器的感壓膜與襯底接觸，減緩膜片應(yīng)力隨壓力變化趨勢，保證大壓力下膜片不斷裂，提高過載能力。本實(shí)用新型采用的多晶硅納米薄膜是膜厚接近或小于IOOnm的多晶硅納米薄膜(普通多晶硅薄膜一般厚度在200納米以上)。厚度為80 IOOnm多晶硅納米薄膜在摻雜濃度為3X102° cm-3附近時(shí)具有顯著的隧道壓阻效應(yīng)，表現(xiàn)出比常規(guī)多晶硅納米薄膜更優(yōu)越的壓阻特性，應(yīng)變因子GF可達(dá)到34，比普通多晶硅薄膜高25%以上；電阻溫度系數(shù)TCR可小于10_4/°C，比普通薄膜小接近一個(gè)數(shù)量級(jí)；應(yīng)變因子溫度系數(shù)TCGF可小于10_3/°C，比普通薄膜小一倍以上。 多晶硅感壓膜的內(nèi)應(yīng)力是表面微機(jī)械工藝中的重要控制參數(shù)，它對機(jī)械結(jié)構(gòu)的性能和形變影響很大，壓內(nèi)應(yīng)力會(huì)使結(jié)構(gòu)層發(fā)生屈曲，而大張內(nèi)應(yīng)力將可能使結(jié)構(gòu)層斷裂。為保證器件有良好的機(jī)械特性，結(jié)構(gòu)層最好為零內(nèi)應(yīng)力，至少應(yīng)使結(jié)構(gòu)層保證為小內(nèi)張應(yīng)力。人們已研究出多種降低多晶硅內(nèi)應(yīng)力的工藝方法，主要方法是采用摻雜、退火工藝。當(dāng)犧牲層腐蝕后干燥時(shí)，如果不采取措施，在范德瓦爾斯力和氫鍵的共同作用下，兩個(gè)由于多晶硅內(nèi)應(yīng)力和毛細(xì)作用力而接觸的表面之間就會(huì)粘附在一起，造成器件失效。為防止黏附，犧牲層腐蝕后干燥方法可采用冷卻干燥法、臨界干燥法、液橋裂解法或疏水性涂層法。本實(shí)用新型這種基于犧牲層技術(shù)的納米膜壓力傳感器芯片可廣泛用于汽車中多路壓力測量、環(huán)境控制壓力測量以及航空系統(tǒng)、石化、電力等領(lǐng)域中的壓力測量。
權(quán)利要求1.一種基于犧牲層技術(shù)的納米膜壓力傳感器，其特征在于:包括單晶硅襯底(I)，在單晶硅襯底(I)上設(shè)置剖面為臺(tái)階型的感壓膜(4)，感壓膜(4)與單晶硅襯底(I)相連并在二者之間構(gòu)成密閉空腔(2)，感壓膜(4)臺(tái)階下邊緣設(shè)置有腐蝕孔(3)，在感壓膜(4)上面設(shè)有四個(gè)應(yīng)變電阻(5)，四個(gè)應(yīng)變電阻(5)通過金屬導(dǎo)線(6)連接成惠斯通電橋，將壓力轉(zhuǎn)換成電壓輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于犧牲層技術(shù)的納米膜壓力傳感器，其特征在于:感壓膜(4)上方還設(shè)有絕緣層(105)，絕緣層(105)上方設(shè)有鈍化層(106)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于犧牲層技術(shù)的納米膜壓力傳感器，其特征在于:在空腔(2)中形成近似真空。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于犧牲層技術(shù)的納米膜壓力傳感器，其特征在于:感壓膜(4)為多晶娃,其俯視形狀為矩形或圓形。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于犧牲層技術(shù)的納米膜壓力傳感器，其特征在于:應(yīng)變電阻(5)為多晶硅納米膜 電阻。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種基于犧牲層技術(shù)的納米膜壓力傳感器。這種傳感器包括單晶硅襯底；在硅襯底上設(shè)置剖面為臺(tái)階型多晶硅的感壓膜；采用犧牲層技術(shù)在感壓膜和襯底之間形成的密閉空腔；在膜片上表面設(shè)有四個(gè)多晶硅納米膜應(yīng)變電阻；四個(gè)應(yīng)變電阻通過金屬導(dǎo)線連接成惠斯通電橋，將壓力轉(zhuǎn)換成電壓輸出；感壓膜臺(tái)階下邊緣設(shè)置有腐蝕孔。本實(shí)用新型具有體積小、靈敏度高、溫度特性好、制造工藝與集成電路工藝兼容等特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01L1/18GK203132745SQ20132013080
公開日2013年8月14日 申請日期2013年3月21日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月21日
發(fā)明者揣榮巖, 王健, 于能斌, 李春峰 申請人:揣榮巖