一種絕壓傳感器的制造方法
【專(zhuān)利摘要】一種絕壓傳感器，包括玻璃—硅復(fù)合極板和硅可動(dòng)極板，技術(shù)要點(diǎn)是：在硅可動(dòng)極板下固定一個(gè)玻璃—硅復(fù)合極板，所述硅可動(dòng)極板是在兩面拋光的硅片層兩側(cè)的中心島部分固定有氧化硅層，硅片層一端的側(cè)面固定有金屬導(dǎo)電層，該硅片層的厚度為380～420微米；所述玻璃—硅復(fù)合極板是玻璃層固定在單晶硅材料層上方，玻璃層中心位置帶有通孔，與玻璃層上的通孔對(duì)應(yīng)的硅片上固定有金屬層，在該金屬層上方固定有電極層；在所述硅片上的一端同樣固定有金屬導(dǎo)電層。該結(jié)構(gòu)主要是將利用硅材料本體將電極引出，不需要穿過(guò)密封的鍵合面，有效的保證了電容真空腔氣密性連接，保證傳感器能長(zhǎng)期穩(wěn)定的工作；核心部件采用硅-玻璃-硅結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，有效減小硅-玻璃材料差異造成的影響，降低傳感器的溫漂。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種絕壓傳感器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于傳感器【技術(shù)領(lǐng)域】，具體地說(shuō)是一種利用單晶硅材料、利用微電子和微機(jī)械加工融合技術(shù)制作的絕壓傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]硅電容型壓力傳感器是一種新型的結(jié)構(gòu)型壓力傳感器，其核心敏感器件采用單晶娃材料，利用微電子和微機(jī)械加工融合技術(shù)制作，由于娃材料彈性體的材料的自身優(yōu)勢(shì)，使硅電容傳感器與以往的金屬電容傳感器相比，在測(cè)量精度、穩(wěn)定性等方面都具有更加明顯的優(yōu)勢(shì)。硅電容傳感器的核心敏感器件把外加的大氣壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電容變化，檢測(cè)電路則把電容的變化轉(zhuǎn)換為需要的電信號(hào)，對(duì)該電信號(hào)進(jìn)行處理就可以得到響應(yīng)的輸出信號(hào)。作為智能壓力變送器的核心壓力檢測(cè)部件，可以在多個(gè)測(cè)量中得到應(yīng)用。
[0003]傳統(tǒng)的壓力傳感器通常是機(jī)械式的，體積相對(duì)來(lái)說(shuō)比較大，這樣對(duì)集成化和微型化有很多的不利。如果使用MEMS技術(shù)之后，上面所說(shuō)的缺點(diǎn)就可以得以解決，而且可以使它的性能變得更加的好，還可以使成本大大地降低?，F(xiàn)在使用了 MEMS技術(shù)之后得到廣泛應(yīng)用的壓力傳感器一般分為電容式和壓阻式兩類(lèi)。電容式壓力傳感器的溫漂比較小，精密度很好，但是它的線(xiàn)性度比較差，而且很容易受到寄生電容的有關(guān)影響。而壓阻式壓力傳感器跟它相比，溫漂就比較大、精密度比較低以及一致性比較差，但是它的線(xiàn)性度卻是很好的。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用電路對(duì)電容傳感器的線(xiàn)性補(bǔ)償非常容易實(shí)現(xiàn)，電容壓力傳感器由于具有精度高的優(yōu)勢(shì)，在高性能的壓力測(cè)量方面具有很好的優(yōu)勢(shì)。
[0004]目前，硅電容壓力傳感器核心部件是由玻璃-硅-玻璃形成的差動(dòng)電容結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，在不考慮外部封裝結(jié)構(gòu)的情況下，由于玻璃和硅為異種材料，其特性存在差異，導(dǎo)致最終形成的檢測(cè)部件的特性受到溫度、靜壓的影響，導(dǎo)致傳感器的輸出信號(hào)具有比較大的溫度漂移和靜壓誤差。
[0005]電容壓力傳感器應(yīng)用領(lǐng)域有:工業(yè)過(guò)程檢測(cè)、環(huán)境的監(jiān)測(cè)、氣象的預(yù)報(bào)、航天和航空等等，在這些領(lǐng)域里，它的應(yīng)用是十分廣泛的。分為壓差式(差壓、表壓)、絕壓式。在某些測(cè)量環(huán)境下比如測(cè)量大氣壓時(shí)，無(wú)法使用壓差傳感器，因?yàn)楸粶y(cè)的是相對(duì)真空狀態(tài)下的絕對(duì)壓，由于壓差傳感器是測(cè)量?jī)牲c(diǎn)之間壓差的測(cè)量單元，即不能測(cè)量絕對(duì)壓力。絕壓型傳感器其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工藝實(shí)現(xiàn)方面有比較大的差異。
[0006]對(duì)于電容型絕壓傳感器，其測(cè)量電容處于真空腔室內(nèi)，其敏感電容電極必須弓I出到腔室外，以實(shí)現(xiàn)電容檢測(cè)。采用硅-玻璃結(jié)構(gòu)的絕壓傳感器其內(nèi)部極板導(dǎo)出線(xiàn)是穿過(guò)鍵合面與外部電極連接的，鍵合面氣密性不易有效保證，會(huì)導(dǎo)致微漏氣傳感器出現(xiàn)輸出漂移，致使傳感器無(wú)法正常工作。為保證在長(zhǎng)時(shí)間使用的情況下傳感器正常工作，需要一種能夠長(zhǎng)久保持真空腔室密閉狀態(tài)的結(jié)構(gòu)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本實(shí)用新型的目的是提供一種電容型的利用單晶硅材料、利用微電子和微機(jī)械加工融合的絕壓傳感器。
[0008]本實(shí)用新型的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的:它包括有玻璃一硅復(fù)合極板和硅可動(dòng)極板，其特征是:在硅可動(dòng)極板下固定一個(gè)玻璃一硅復(fù)合極板，所述硅可動(dòng)極板是在兩面拋光的硅片層兩側(cè)的中心島部分固定有氧化娃層，娃片層的一端側(cè)面固定有金屬導(dǎo)電層，該娃片層的厚度為380~420微米；所述玻璃一娃復(fù)合極板是玻璃層固定在單晶硅材料層上方，玻璃層中心位置帶有通孔，與玻璃層上的通孔對(duì)應(yīng)的硅片上固定有金屬層，在該金屬層上方固定有電極層；在所述單晶娃材料層上的一端同樣固定有金屬導(dǎo)電層。
[0009]上述電容型絕壓傳感器的制造方法是如下:其中玻璃一娃復(fù)合極板制造方法為:
[0010]首先對(duì)單晶硅材料進(jìn)行熱氧化，然后對(duì)熱氧化后的單晶硅材料進(jìn)行光刻，形成帶有開(kāi)孔的氧化屏蔽膜，再進(jìn)行對(duì)單晶硅材料層整體進(jìn)行各項(xiàng)異性腐蝕，腐蝕厚度5微米，去掉氧化屏蔽膜，并在開(kāi)孔位置腐蝕出電極槽，在單晶硅材料帶有電極槽的一側(cè)濺射金屬層，對(duì)金屬層光刻去除多余金屬并合金，制成電極；在玻璃層相對(duì)于單晶硅材料的電極位置制出通孔，將通孔與電極同心定位并固定后，對(duì)單晶硅材料和玻璃層進(jìn)行靜電封接；在封接后的玻璃一硅極板上玻璃層表面濺射金屬層，最后進(jìn)行光刻，保留通孔處由金屬形成的電極層及電極槽內(nèi)的金屬層；
[0011]硅可動(dòng)極板的制造方法為:對(duì)厚度為380-420微米的雙面拋光硅片層進(jìn)行熱氧化，對(duì)氧化后的硅片層進(jìn)行光刻、去膠，光刻時(shí)保留中心島處的氧化膜，對(duì)于硅片層進(jìn)行各項(xiàng)異性腐蝕，在中心島邊緣腐蝕出凹陷，形成電容間隙，再次對(duì)硅片層進(jìn)行熱氧化并光刻，依舊保留中心島處的氧化膜，再次進(jìn)行各項(xiàng)異性腐蝕，消除硅片層兩端的氧化層；對(duì)硅片一端的上表面進(jìn)行局部金屬濺射，并對(duì)濺射后產(chǎn)生的金屬層進(jìn)行光刻，制出電極。
[0012]最后，對(duì)玻璃一娃復(fù)合極板和硅可動(dòng)極板進(jìn)行真空環(huán)境下靜電封接并進(jìn)行劃片制出成品，封接時(shí)硅可動(dòng)極板接封接設(shè)備的正電極，玻璃一硅復(fù)合極板的玻璃層接負(fù)電極，封接電壓500~1200V。
[0013]所述金屬層是密度與硅片相近的純鋁層。
[0014]所述玻璃層的厚度為200-800微米。
[0015]本實(shí)用新型具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0016]本實(shí)用新型針對(duì)現(xiàn)有硅電容傳感器的核心部件，提出了一種新的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方案。即電容的固定極板使用靜電封接工藝把玻璃把硅材料連接起來(lái)，不需要硅-硅鍵合工藝必須的高溫鍵合爐、超凈環(huán)境，工藝條件相對(duì)簡(jiǎn)單，與現(xiàn)有的工藝直接相容，特別是可以調(diào)整玻璃薄層的厚度，控制層間寄生電容在一定范圍內(nèi)，通過(guò)調(diào)整玻璃層的厚度，本實(shí)用新型的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的硅電容傳感器性能實(shí)現(xiàn)了近似硅-硅方案的效果。
[0017]方案中，玻璃-硅復(fù)合固定極板，單晶硅材料厚度為I~1.5毫米，主要起電容電極外引出和氣密性密封作用，玻璃層200微米~800微米，硅材料為100晶面，定位線(xiàn)沿110晶向。玻璃和硅材料表面通過(guò)拋光工藝達(dá)到靜電封接的要求。硅和玻璃通過(guò)靜電封接工藝形成氣密性封接。本實(shí)用新型提供的絕壓封裝結(jié)構(gòu)利用硅材料本體將電極引出，不需要穿過(guò)密封的鍵合面，有效的保證了電容真空腔氣密性連接，保證傳感器能長(zhǎng)期穩(wěn)定的工作。
[0018]本實(shí)用新型還具有結(jié)構(gòu)合理、安全可靠、應(yīng)用范圍寬、測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】[0019]圖1是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意簡(jiǎn)圖；
[0020]圖2是圖1中的玻璃一娃復(fù)合極板制造工藝流程簡(jiǎn)圖；
[0021]圖3是圖1中的硅可動(dòng)極板制造工藝流程簡(jiǎn)圖；
[0022]圖4是本實(shí)用新型的未劃片狀態(tài)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023]下面將結(jié)合附圖通過(guò)實(shí)例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，但下述的實(shí)例僅僅是本實(shí)用新型其中的例子而已，并不代表本實(shí)用新型所限定的權(quán)利保護(hù)范圍，本實(shí)用新型的權(quán)利保護(hù)范圍以權(quán)利要求書(shū)為準(zhǔn)。
【具體實(shí)施方式】
[0024]實(shí)施例1
[0025]如圖1所示，在硅可動(dòng)極板下固定一個(gè)玻璃一硅復(fù)合極板，所述硅可動(dòng)極板是在兩面拋光的硅片層I兩側(cè)的中心島部分固定有氧化硅層2，硅片層I的一端側(cè)面固定有金屬導(dǎo)電層3，該硅片層的厚度為380-420微米；所述玻璃一娃復(fù)合極板是玻璃層4固定在單晶硅材料層5上方，玻璃層中心位置帶有通孔6，與玻璃層上的通孔對(duì)應(yīng)的硅片上固定有金屬層8，在該金屬層上方固定有電極層7 ;在所述單晶硅材料層上的一端同樣固定有金屬導(dǎo)電層3。
[0026]參見(jiàn)圖2~4，本實(shí)用新型的電容型絕壓傳感器的制造方法為:
[0027]首先對(duì)`單晶硅材料進(jìn)行熱氧化，然后對(duì)熱氧化后的單晶硅材料進(jìn)行光刻，形成帶有開(kāi)孔的氧化屏蔽膜，再進(jìn)行對(duì)單晶硅材料整體進(jìn)行各項(xiàng)異性腐蝕，腐蝕厚度5微米，去掉氧化屏蔽膜，并在開(kāi)孔位置腐蝕出電極槽，在單晶硅材料帶有電極槽的一側(cè)濺射金屬層，對(duì)金屬層光刻去除多余金屬并合金，制成電極；在玻璃層相對(duì)于單晶硅材料的電極位置制出通孔，將通孔與電極同心定位并固定后，對(duì)單晶硅材料和玻璃層進(jìn)行靜電封接；在封接后的玻璃一硅極板上玻璃層表面濺射金屬層，最后進(jìn)行光刻，保留通孔處由金屬形成的電極層及電極槽內(nèi)的金屬層；
[0028]硅可動(dòng)極板的制造方法為:對(duì)厚度為380-420微米的雙面拋光硅片層進(jìn)行熱氧化，對(duì)氧化后的硅片層進(jìn)行光刻、去膠，光刻時(shí)保留中心島處的氧化膜，對(duì)于硅片層進(jìn)行各項(xiàng)異性腐蝕，在中心島邊緣腐蝕出凹陷，形成電容間隙，再次對(duì)硅片層進(jìn)行熱氧化并光刻，依舊保留中心島處的氧化膜，再次進(jìn)行各項(xiàng)異性腐蝕，消除硅片層兩端的氧化層；對(duì)硅片一端的上表面進(jìn)行局部金屬濺射，并對(duì)濺射后產(chǎn)生的金屬層進(jìn)行光刻，制出電極。
[0029]最后，對(duì)玻璃一硅復(fù)合極板和硅可動(dòng)極板進(jìn)行靜電封接并進(jìn)行劃片制出成品，封接時(shí)硅可動(dòng)極板接封接設(shè)備的正電極，玻璃一硅復(fù)合極板的玻璃層接負(fù)電極，封接電壓700~800V，硅層厚度為I~1.5毫米。
[0030]所述金屬層是密度與硅片相近的純鋁層。
[0031]所述玻璃層的厚度為200-800微米。
[0032]使用熱氧化方法對(duì)硅進(jìn)行大范圍處理，可以在滿(mǎn)足性能要求的情況下提高生產(chǎn)效率。
[0033]使用時(shí)，壓力壓迫娃可動(dòng)極板，使電容產(chǎn)生變化發(fā)出電信號(hào)，電信號(hào)由娃可動(dòng)極板一端的電極和玻璃一娃復(fù)合極板上的電極傳遞。電信號(hào)通過(guò)玻璃一娃復(fù)合極板的電機(jī)槽內(nèi)的電極經(jīng)硅片傳導(dǎo)至封裝區(qū)外的電極上。
【權(quán)利要求】
1.一種絕壓傳感器，它包括有玻璃一硅復(fù)合極板和硅可動(dòng)極板，其特征是:在硅可動(dòng)極板下固定一個(gè)玻璃一娃復(fù)合極板，所述娃可動(dòng)極板是在兩面拋光的娃片層兩側(cè)的中心島部分固定有氧化娃層，娃片層的一端側(cè)面固定有金屬導(dǎo)電層，該娃片層的厚度為380~420微米；所述玻璃一硅復(fù)合極板是玻璃層固定在單晶硅材料層上方，玻璃層中心位置帶有通孔，與玻璃層上的通孔對(duì)應(yīng)的硅片上固定有金屬層，在該金屬層上方固定有電極層；在所述單晶娃材料層上的一端同樣固定有金屬導(dǎo)電層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的絕壓傳感器，其特征是:所述金屬層是密度與硅相近的純鋁層。
3.根據(jù)權(quán)利要求1 所述的絕壓傳感器，其特征是:所述玻璃層的厚度為200-800微米。
【文檔編號(hào)】G01L9/12GK203534757SQ201320586159
【公開(kāi)日】2014年4月9日 申請(qǐng)日期:2013年9月23日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月23日
【發(fā)明者】張治國(guó), 李穎, 祝永峰, 劉劍, 鄭東明, 張哲 , 張娜 申請(qǐng)人:沈陽(yáng)儀表科學(xué)研究院有限公司