[發(fā)明專利]一種電容式壓力傳感器的制備方法

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310033190.2
• 申請(qǐng)日: 2013-01-29
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN103964370A
• 公開(kāi)（公告）日: 2014-08-06
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉圣亞;高成臣;郝一龍
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京大學(xué)
• 主分類號(hào): B81C1/00
• 分類號(hào): B81C1/00
• 代理公司: 暫無(wú)信息
• 代理人: 暫無(wú)信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及微電子機(jī)械加工領(lǐng)域，尤其涉及一種基于硅各向異性腐蝕的高精度電容式壓力傳感器的加工方法。

背景技術(shù)

在工業(yè)生產(chǎn)中，氣體和液體的壓力的測(cè)量時(shí)是相當(dāng)重要的一部分，壓力測(cè)量的原理和方法有很多，針對(duì)所應(yīng)用的各個(gè)領(lǐng)域或特別需求，有不同的設(shè)計(jì)方法與考慮，目前壓力傳感器的設(shè)計(jì)方法主要包括：壓阻式、壓電式、電容式等類型。由于電容式壓力傳感器具有高的靈敏度，靜態(tài)功耗低，受溫度影響小等特點(diǎn)而被廣泛的應(yīng)用。特別是微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的發(fā)展，使得壓力傳感器具有微小型化，可批量制造、成本低的特點(diǎn)，且可以將弱信號(hào)測(cè)量電路利用集成電路工藝和傳感器件做在一個(gè)芯片上形成單個(gè)元件，這樣對(duì)于壓力傳感器尤為重要，這樣弱信號(hào)就可以在芯片上做就近做放大處理，可以避免電磁干擾，雜散電容的干擾等，且可以利用信號(hào)處理電路，通過(guò)模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路后，再輸入到中央處理單元，可以提高信號(hào)的可靠性，減少連線數(shù)與中央控制系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)。近年來(lái)，微機(jī)械電容式壓力傳感器發(fā)展很快，在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

電容壓力傳感器的在國(guó)外的發(fā)展始于80年帶初期，有代表的是1980年的Sander等人開(kāi)發(fā)出的單片集成壓力傳感器用于生物醫(yī)療中的疾病的的檢測(cè)，采用體硅加工和陽(yáng)極鍵合工藝，是早期微電容壓力傳感器的代表。該傳感器采用了平膜片結(jié)構(gòu)，非線性較大，增加了后續(xù)電路處理的負(fù)擔(dān)。

1988年密歇根大學(xué)的Wise K.D等提出用選擇性硼重?fù)诫s自停止腐蝕的方法來(lái)制作敏感電容，主要用于心血管的血壓的測(cè)量，這種溶硅技術(shù)后來(lái)被廣泛的應(yīng)用于壓力傳感器的設(shè)計(jì)，此壓力傳感器也是用平膜片制造。

1990年Hanneborg和Ohlckers采用帶凸起的膜和用于陽(yáng)極鍵合的硼硅酸鹽玻璃濺射薄膜來(lái)加工壓力傳感器，輸出采用頻率調(diào)制，獲得了相當(dāng)?shù)偷臏囟认禂?shù)和零點(diǎn)漂移。

為了實(shí)現(xiàn)與集成電路的兼容，90年代表面微機(jī)械的犧牲層技術(shù)被引入壓力傳感器的制造。早期的表面微機(jī)械電容式壓力傳感器基于PN結(jié)隔離，利用多晶硅充當(dāng)敏感膜。對(duì)于應(yīng)用在汽車(chē)、航天工業(yè)中的壓力傳感器，PN結(jié)在高溫下具有明顯的漏電流。為了解決這一問(wèn)題，Kasten等人嘗試采用注氧隔離技術(shù)以實(shí)現(xiàn)較低的溫度漂移。在制作壓力敏感單元的同時(shí)，還在厚氧 層上加工出壓力參考單元，這樣壓力信號(hào)將轉(zhuǎn)化為敏感電容同參考基準(zhǔn)電容的比值，大大提高了測(cè)量的靈敏度，有效的抑制了電容信號(hào)的寄生效應(yīng)。但是傳感器結(jié)構(gòu)是平米結(jié)構(gòu)。為了提高電容式壓力傳感器的線性度，采用島膜結(jié)構(gòu)或波紋膜片結(jié)構(gòu)，但是島膜結(jié)構(gòu)有較大的應(yīng)力集中，波紋膜片結(jié)構(gòu)工藝實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜且誤差較大，難于控制精度。

文中所說(shuō)的電容式壓力傳感器，特征在于敏感膜片結(jié)構(gòu)和工藝制造方法及電極引出方法上。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明在于用采用簡(jiǎn)單的工藝方法，制造出結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單但是可靠性好，重復(fù)性好的器件。具體加工方法包括，敏感膜片的加工，電容間隙的加工，電極的加工及電極引出，硅玻璃的鍵合等。

敏感膜片的加工過(guò)程包括：電容間隙的腐蝕，硅島的腐蝕可采用四甲基氫氧化銨溶液或氫氧化鉀溶液，硅島的腐蝕采用氫氧化鉀溶液。本專利的發(fā)明在于硅島的腐蝕，有文獻(xiàn)記載的是E型膜片和波紋型膜片及平膜片。本發(fā)明在于提出了一種變面截(八角形)膜片。工藝簡(jiǎn)單，在用ansys仿真可以看出，在相同的膜厚及面積下，變E型膜片有更好的靈敏度，線性度，且有較低的應(yīng)力集中。電容間隙在用TMAH溶液易于控制腐蝕精度。腐蝕好電容間隙之后，淀積金屬電極，并圖形化電極，與玻璃電極鍵合在一起，玻璃面用膠保護(hù)好后，光刻正面并腐蝕出硅島，在鍵合時(shí)，考慮靜電鍵合和防進(jìn)水，做了相應(yīng)的設(shè)計(jì)。很好的避免了上述問(wèn)題。

相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明有以下特點(diǎn)：

第一，敏感膜片的結(jié)構(gòu)，采用變截面(八角形)膜片，工藝簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)且優(yōu)于其他膜片。

第二，采用先腐蝕出電容間隙后先與玻璃鍵合，再腐蝕硅島。

第三，該壓力傳感器結(jié)構(gòu)為玻璃-硅-玻璃三層結(jié)構(gòu)。

附圖說(shuō)明

圖1是整體裝配圖。11是打孔玻璃，12是敏感膜片，13是玻璃電極。

圖2是敏感膜片。21是島結(jié)構(gòu)。

圖3是玻璃極板。31是玻璃上Cr/Au電極。

圖4是硅片基底。

圖5是圖4的剖切圖。52是氧化硅。51是硅。

圖6是附圖步驟說(shuō)明

圖7是電容間隙的制備過(guò)程。71是電容間隙。