[發明專利]嵌入式單晶硅腔體的六邊形硅膜壓阻式壓力傳感器及方法

有效

• 申請號: 201010205614.5
• 申請日: 2010-06-22
• 公開（公告）號: CN101881676A
• 公開（公告）日: 2010-11-10
• 發明（設計）人: 王家疇;李昕欣
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海微系統與信息技術研究所
• 主分類號: G01L1/20
• 分類號: G01L1/20;G01L9/02;B81B7/02;B81C1/00
• 代理公司: 上海智信專利代理有限公司 31002
• 代理人: 潘振甦

技術領域

本發明涉及一種嵌入式單晶硅腔體的六邊形硅膜片壓阻式壓力傳感器及制作方法，屬于硅微機械傳感器領域。

背景技術

壓阻式壓力傳感器出現于上世紀六十年代，隨著MEMS技術的不斷發展，硅微機械加工工藝的日趨成熟使得敏感元件微型化，實現了傳感器生產的批量化、低成本化，確立了其在壓力測量領域的主導地位，較之傳統的膜合電位計式、變電感式、力平衡式、金屬應變片式、變電容式及半導體應變片式傳感器技術上要先進得多，其不僅具有靈敏度高、響應速度快、可靠性好、精度較高、低功耗、且易于微型化與集成化等一系列優點。在以大規模集成電路和計算機軟件技術介入為特色的智能傳感器中，由于它能做成單片式多功能復合敏感元件而構成智能傳感器的基礎。

當前壓力傳感器主要是用(100)硅片通過硅微機械工藝加工制造而成，壓力膜片主要有方形和圓形兩種形式并通過在膜片上分布壓敏電阻組成惠斯頓電橋實現對外部壓力的檢測。這種結構的壓力傳感器的最大特點在于需要依靠硅-玻璃或者硅-硅鍵合方式來形成壓力腔體和提供襯底框架[Tsung-Lin?Chou，Chen-Hung?Chu，Chun-Te?Lin，Kuo-Ning?Chiang.Sensitivity?analysis?of?packaging?effect?of?silicon-basedpiezoresistive?pressure?sensor，Sensor?and?Actuators，2009，A152：29-38]。因此，這這種結構的壓力傳感器不僅結構尺寸較大，制作成本較高并且工藝比較復雜。傳統壓力傳感器都是從硅片背面腐蝕減薄硅片來加工壓力膜片，由于硅圓片厚度不可能做到處處一致，再加上KOH濕法刻蝕速率難以做到各處相同，因此，加工后的膜片厚度均勻性存在一定的問題。尤其是加工薄膜片，均將導致壓力傳感器靈敏度不一致和成品率難以進一步提高，同時，這種從硅片背面減薄加工薄膜的方法也使得加工后傳感器芯片尺寸偏大。再者，以體硅微機械加工的壓力傳感器多般采用高溫鍵合方式構成壓力傳感器的密封腔體，這種方式不僅使加工后的傳感器尺寸不宜進一步縮小，而且大大提高生產成本。另外，鍵合過程中不同材料間的熱不匹配所導致的殘余應力對傳感器零漂會產生較大的影響[Kovacs?GTA，Maluf?NI，PetersenKE.Bulk?micromachining?of?silicon，P?IEEE，1998，86(8)：1536～1551]。

當前，以表面微機械加工的壓力傳感器技術得以廣泛應用，這種結構的傳感器主要采用氮化硅、多晶硅或其他材料作為壓力膜片材料[H?S?Ko，C?Wliu，C?Gau.Novel?fabrication?of?a?pressure?sensor?with?polymer?materialand?evaluation?of?its?performance，J.Micromech.Microeng.，2007，17：1640-1648]，并通過在薄膜上方沉積多晶硅電阻組成壓阻檢測電路，壓力腔體主要通過腐蝕犧牲層來實現。由于這些薄膜材料在力學性能方面劣于單晶硅薄膜材料，并且表面微機械加工出來的壓力膜片也不能太厚，因此不能加工大量程的壓力傳感器，還有沉積薄膜的內在應力也影響到傳感器輸出特性等問題，再者，表面微機械加工的壓力傳感器也不易在膜片上集成壓阻器件。而本發明擬提出一種嵌入式單晶硅腔體的六邊形硅膜片壓阻式壓力傳感器及其單一硅片單面制作方法，采用單晶硅六邊形薄膜作為壓力薄膜，壓力腔體被巧妙地嵌入到硅基襯底內部，取代了傳統通過鍵合封裝來形成腔體的方法。使發明提供的傳感器不僅結構新穎實用，工藝簡單，而且避免了采用體硅微機械或表面微機械加工壓力傳感器所帶來的不足，可實現小型化、低成本和大批量生產要求。從而構筑成本發明的主要構思。

發明內容

本發明的目的在于提供嵌入式單晶硅腔體的六邊形硅膜壓阻式壓力傳感器及方法，以克服傳統壓阻式壓力傳感器及其相應硅微機械加工方法所存在的不足，也即本發明提供一種新型三維體硅微機械加工技術，通過單一硅片單面實現嵌入式單晶硅腔體的六邊形硅膜片壓阻式壓力傳感器以及制作方法。