本發(fā)明屬于微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)領(lǐng)域，尤其涉及一種微型高溫壓力傳感器。

(二)

背景技術(shù)：

微型高溫壓力傳感器是微機(jī)電系統(tǒng)領(lǐng)域中重要傳感器之一。體積小、耐高溫的優(yōu)點(diǎn)使其在高溫MEMS測(cè)量領(lǐng)域，如航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓力測(cè)量中得到廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。目前，對(duì)高溫壓力傳感器的研究，主要包括SOI、Poly-Si等半導(dǎo)體高溫壓力傳感器，還有濺射合金薄膜高溫壓力傳感器等。文獻(xiàn)《基于MEMS工藝的SOI高溫壓力傳感器設(shè)計(jì)》中提到的SOI高溫壓力傳感器可以在300℃范圍內(nèi)工作，文獻(xiàn)《一種新型MEMS壓阻式SiC高溫壓力傳感器》中提到的MEMS壓阻式高溫壓力傳感器可以在550℃環(huán)境溫度下工作。這些傳感器因?yàn)槊舾胁牧媳旧淼男再|(zhì)導(dǎo)致其無(wú)法在高溫環(huán)境下工作，而且傳統(tǒng)測(cè)量電路不耐高溫，所以目前技術(shù)遠(yuǎn)不能滿足高溫環(huán)境下的壓力測(cè)量需求。

(三)

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了滿足高溫領(lǐng)域的壓力測(cè)量需求，本發(fā)明提出一種基于法珀腔的碳化硅基高溫壓力傳感器及其制備方法，由于拋去了傳統(tǒng)測(cè)量電路使用了基于法珀腔的光纖傳感原理，使其耐高溫能力得到了極大的提升。

本發(fā)明提出的基于法珀腔的碳化硅基MEMS高溫壓力傳感器，主要包括碳化硅基底1，碳化硅敏感薄膜3及碳化硅光纖4；所述碳化硅基底1上有一置于中心位置的非貫通空腔，碳化硅基底1上有碳化硅敏感薄膜3，使得碳化硅基底1上的非貫通空腔形成一密閉真空腔，即法珀腔2；在碳化硅基底1下方中心，有位置與法珀腔2中心位置相應(yīng)的光纖4，用傳導(dǎo)信息。

該傳感器工作原理為：光源發(fā)出的光光學(xué)處理后形成平行光，經(jīng)光纖4以及入射到碳化硅敏感薄膜3上，在碳化硅敏感薄膜3下表面及碳化硅基底1上表面反射，再經(jīng)過(guò)光纖4傳輸?shù)焦饴方庹{(diào)系統(tǒng)中，兩束光間的光程差感受碳化硅敏感薄膜3上壓力引起的應(yīng)變變化。當(dāng)傳感器敏感膜片所受的壓力發(fā)生變化時(shí)，碳化硅基底1凹腔表面和碳化硅敏感薄膜3下表面兩個(gè)反射面間距發(fā)生變化，即改變了法珀腔2的腔長(zhǎng)，通過(guò)從反射回的干涉光信號(hào)中解調(diào)出腔長(zhǎng)信息即可實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力的傳感。

本發(fā)明提出了高溫壓力傳感器的工藝流程，該加工工藝過(guò)程見(jiàn)圖2，其工藝步驟為：

1)首先在潔凈的碳化硅基底1表面濺射一層金屬2，金屬2作為后續(xù)干法刻蝕的掩膜材料，如圖2(a)所示。

2)在金屬2表面旋涂光刻膠3，光刻顯影，形成法珀腔刻蝕窗口，如圖2(b)所示。

3)以光刻膠3為刻蝕掩膜，濕法腐蝕金屬2，如圖2(c)所示。

4)以光刻膠3和金屬2為刻蝕掩膜，采用高密度等離子體刻蝕技術(shù)干法刻蝕碳化硅基底1，如圖2(d)所示。

5)將刻蝕好的碳化硅基底1表面進(jìn)行表面處理，同時(shí)與另一片碳化硅晶片4在鍵合機(jī)中抽真空進(jìn)行直接高溫鍵合，圖2(e)所示。

6)將上層碳化硅晶片4通過(guò)CMP化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)進(jìn)行減薄拋光，如圖2(f)所示。

本發(fā)明提出的傳感器能夠在0-650℃環(huán)境溫度下工作。采用碳化硅-碳化硅高溫直接鍵合，避免了不同材料鍵合產(chǎn)生的測(cè)量誤差，如果敏感膜片與凹槽采用不同材料，由于它們熱膨脹系數(shù)的差異，使得敏感膜片與凹槽鍵合處存在著較大的應(yīng)力，從而使得光纖法珀腔壓力傳感器溫漂系數(shù)大，線性度差；而且由于敏感膜片與凹槽鍵合處的熱應(yīng)力失配，使得敏感膜片隨溫度變化，產(chǎn)生附加形變，從而光纖法珀腔壓力傳感器重復(fù)性下降，時(shí)漂增加，進(jìn)一步降低光纖法珀腔壓力傳感器的精度。而且在碳化硅-碳化硅高溫鍵合工藝過(guò)程中，同時(shí)抽真空，光纖破壞碳化硅基底，使得法珀腔在工作時(shí)保持真空狀態(tài)，相比于《CN 103234673 B》該專(zhuān)利中提到的傳感器，大大提高了測(cè)量精度和穩(wěn)定性。

(四)附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖

圖2是本發(fā)明的制備工藝過(guò)程

圖2(a)濺射金屬掩膜

圖2(b)光刻形成刻蝕區(qū)域

圖2(c)刻蝕金屬掩膜

圖2(d)干法刻蝕碳化硅

圖2(e)高溫直接鍵合

圖2(f)減薄拋光

(五)具體實(shí)施方法

如圖1所示，本實(shí)施例中的基于法珀腔的碳化硅基MEMS高溫壓力傳感器，主要包括碳化硅基底1，碳化硅敏感薄膜3及碳化硅光纖4；所述碳化硅基底1上有一置于中心位置的非貫通空腔，碳化硅基底1上有碳化硅敏感薄膜3，使得碳化硅基底1上的非貫通空腔形成一密閉真空腔，即法珀腔2；在碳化硅基底1下方中心，有位置與法珀腔2中心位置相應(yīng)的光纖4，用傳導(dǎo)信息。該實(shí)施例中的法珀腔2直徑1.3mm，腔長(zhǎng)20μm，碳化硅敏感薄膜厚度為50μm。

本實(shí)施例中的基于法珀腔的碳化硅基MEMS高溫壓力傳感器的制備過(guò)程如下：

1)首先在潔凈的碳化硅基底表面濺射200nm的金屬鎳，金屬鎳作為后續(xù)碳化硅干法刻蝕的掩膜材料；

2)在金屬鎳表面旋涂光刻膠，光刻顯影，形成F-P腔刻蝕窗口；

3)以光刻膠為刻蝕掩膜，F(xiàn)eCl3:H20＝1:20濕法腐蝕金屬鎳；

4)以光刻膠和金屬鎳為刻蝕掩膜，采用高密度等離子體刻蝕技術(shù)干法刻蝕碳化硅基底。設(shè)置底板功率150W，線圈功率850W，刻蝕10s，鈍化1s為一組循環(huán)，刻蝕速度350-400nm/min?？涛g40mins后測(cè)量為腔深15μm，為了保證F-P腔側(cè)壁的垂直度以及底部的表面粗糙度，將底板功率降低為100W，刻蝕速度200nm/min，刻蝕25min后結(jié)束該工藝。

5)將刻蝕好的碳化硅基底表面進(jìn)行表面處理，同時(shí)與另一片碳化硅晶片4在鍵合機(jī)中抽真空進(jìn)行直接高溫鍵合，氣壓達(dá)到5×10^-3mbar后，兩片碳化硅晶片進(jìn)行高溫鍵合；

6)將上層碳化硅材料通過(guò)CMP化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)進(jìn)行減薄拋光，直至上層碳化硅的厚度達(dá)到設(shè)計(jì)要求，同時(shí)碳化硅表面的粗糙度達(dá)到要求。