[發明專利]MOS力敏傳感器

無效

• 申請號: 200810101600.1
• 申請日: 2008-03-10
• 公開（公告）號: CN101241030A
• 公開（公告）日: 2008-08-13
• 發明（設計）人: 張兆華;張艷紅;劉理天;任天令;林惠旺
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: G01L1/18
• 分類號: G01L1/18;G01L1/20
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

MOS壓力傳感器屬于MOS器件以及壓力傳感器制造領域。

背景技術

按工作原理分，壓力傳感器主要包括電容式、諧振式和壓阻式三種。電容式和諧振式壓力傳感器靈敏度較高，但制作工藝比較復雜。相比于前兩類器件，壓阻式壓力傳感器制作工藝簡單，線性度高，得到廣泛地應用。

本發明基于MOS晶體管的力敏效應，提出了一種新型的MOS力敏傳感器，該傳感器與目前最廣泛使用的壓阻式力敏傳感器相比，一方面繼承了制作工藝簡單、穩定性和線性度好等優點；另一方面這種新型的MOS力敏傳感器具有更高的靈敏度、更低的功耗且性能參數可調，具有更廣闊的應有前景。

發明內容

本發明的目的是提供一種靈敏度高、功耗低、制作簡單、穩定可靠、性能可調的壓力傳感器。

本發明的特征在于：含有結構芯片和密封蓋板，其中，結構芯片位于所述傳感器的上層，中間是一個由空腔構成的倒置的硅杯，所述硅杯的縱截面呈倒梯形，四周是原厚度的體硅，中間是薄的硅膜，該硅膜呈四邊形，該四邊形的四條邊是硅杯的應力敏感集中區，在相對著的兩條邊的兩個中點分別制作MOS晶體管和壓敏電阻構成一個差分對管，構成壓敏元件，該差分對管采用在兩個MOS晶體管的源端和兩個壓敏電阻的非接地端之間加恒壓源的供電方式，在有壓力作用于所述結構芯片中間的硅膜時，會引起MOS晶體管溝道遷移率和壓敏電阻遷移率的變化，使得差分對管輸出的電壓差與壓力成線性關系；密封蓋板位于所述傳感器的下層，與所述結構芯片用鍵合方式密封連接。所述壓敏元件跨于硅膜和體硅交界區域或在交界區的硅膜一側。所述硅膜是方形、或圓形、或矩形、或多邊形。所述壓敏電阻由硅單晶、或多晶硅、或非晶硅、或壓敏金屬材料構成，所述MOS晶體管的柵極由鋁或多晶硅材料構成。

該壓力傳感器的輸出在外加電壓一定時和壓力值直接相關，具有制作簡單、穩定性和線性度好、靈敏度高、功耗低、性能可調的優點。

附圖說明

圖1.MOS壓力傳感器結構原理圖(方膜)：(a)俯視圖；(b)剖面圖；其中，1.MOS晶體管，2.壓敏電阻，3.壓力腔，4.硅襯底。

圖2.MOS壓力傳感器結構原理圖(圓膜)：(a)俯視圖；(b)剖面圖；其中，1.MOS晶體管，2.壓敏電阻，3.壓力腔，4.硅襯底。

圖3.MOS壓力傳感器電路原理圖。

圖4.MOS壓力傳感器的制作工藝流程圖；1.Si₃N₄，2.SiO₂，3.Si襯底，4.MOS晶體管，5.壓敏電阻，6.真空壓力腔，7.Au/Ti，8.Si密封蓋板。

具體實施方式

本發明包括兩種力敏元件，MOS晶體管和壓敏電阻，它們都是基于硅材料的壓敏效應原理，當有壓力作用時，MOS晶體管的溝道遷移率和電阻的阻值發生變化，通過檢測由MOS晶體管和電阻構成的壓敏電橋的輸出電壓(或電流)變化，就可以測知壓力的變化。

圖1是MOS晶體管壓力傳感器的結構原理圖，傳感器由兩層結構構成，上面是結構芯片，下面是密封蓋板。在結構芯片中間有一個方形的硅杯，四周是圓厚度體硅，中間是硅薄膜。在硅杯上有兩個壓力敏感MOS晶體管M1、M2和兩個壓力敏感電阻R1、R2，它們分布在硅杯結構的應力敏感集中區，它們對由壓力產生的應力敏感。

圖2是本實施例的另外一種實現方式，集成傳感器由兩層結構構成，上面是結構芯片，下面是密封蓋板。在結構芯片中間有一個圓形的硅杯，四周是原厚度體硅，中間是硅薄膜。在硅杯上有兩個壓力敏感MOS晶體管M1、M2和兩個壓力敏感電阻R1、R2，它們分布在硅杯結構的應力敏感集中區，它們對由壓力產生的應力敏感。

圖3是MOS晶體管壓力傳感器的電路原理圖，傳感器利用MOS晶體管和電阻構成的電橋來檢測輸入信號，電橋采用恒壓源供電方式。在壓力作用下，MOS晶體管M1和M2其溝道遷移率一個增加一個減小，壓敏電阻R1和R2的電阻值也是一個增加一個減小。電橋支路輸出會有一個差值Vout，我們通過測量Vout的值就可以來檢測壓力。使用圖3所示電橋結構的MOS力敏傳感器在整體性能方面也具有極大的優勢。一方面該MOS應力傳感器具有更高的靈敏度和更低的功耗；另一方面，該傳感器的靈敏度和功耗可以通過工藝參數(包括MOS晶體管的寬長比和壓敏電阻的阻值等)和電學參數(MOS晶體管的柵壓等)進行方便的調節。

圖4是MOS力敏傳感器的制作工藝流程圖，采用單晶硅注入電阻的體硅工藝。該MOS應力傳感器采用先制作硅膜后制作電路的工藝方案。圖4(a)初始材料準備，采用雙拋硅片作為襯底；圖4(b)采用體硅工藝腐蝕硅杯，形成壓力敏感結構；圖4(c)采用MOS工藝制作壓敏元件，形成壓敏電路；圖4(d)采用鍵合工藝形成壓力參考腔，完成MOS力敏傳感器制作。