[發明專利]一種MEMS壓力傳感器及其制備方法

有效

• 申請號: 202011597567.3
• 申請日: 2020-12-30
• 公開（公告）號: CN112284578B
• 公開（公告）日: 2021-03-12
• 發明（設計）人: 黃曉東;張鵬飛;張志強
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: G01L1/18
• 分類號: G01L1/18;G01L9/06;B81B7/00;B81C1/00
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙) 32249
• 代理人: 吳旭

本發明公開了一種MEMS壓力傳感器，包括體硅層、埋氧層、襯底、壓敏電阻、第一鈍化層、電極層、第二鈍化層。壓敏電阻位于埋氧層上表面，第一鈍化層為位于埋氧層上表面的長方體殼體，長方體殼體的頂部中央設有通孔，第一鈍化層蓋合在壓敏電阻上，與壓敏電阻之間的空隙構成隔離腔。電極層位于第一鈍化層的上表面，并通過通孔與壓敏電阻連接。第二鈍化層位于電極層的上表面。通過設置隔開的鈍化層，有效抑制鈍化層中缺陷及其電荷俘獲造成的壓敏電阻性能漂移，從而提高傳感器的長期穩定性，同時緩解鈍化層與壓敏電阻之間的材料特性失配引起的穩定性問題以及抑制環境氣氛和輻照等對壓敏電阻性能的影響。

技術領域

本發明涉及一種MEMS（Micro-Electro-Mechanical System，微機電系統）壓力傳感器及其制備方法。

背景技術

壓力傳感器在航空航天、工業生產、農業監測、環境監控、國防軍事等眾多國計民生領域得到廣泛應用。相比于機械式壓力傳感器，MEMS壓力傳感器具有體積小、精度高、成本低及易集成等特點，目前已發展成為壓力傳感器一個重要分支。MEMS壓阻式壓力傳感器基于壓阻效應實現壓力檢測，它具有結構簡單、性能優和價格低等優點，因此，一直占據著MEMS壓力傳感器的主要份額。傳統的MEMS壓阻式壓力傳感器的壓敏電阻與基底之間通常采用pn結隔離，因為pn結漏電流隨著溫度升高會急劇上升，所以傳統MEMS壓阻式壓力傳感器往往難以應用于高溫場合。在此背景下，近年來出現了SOI （Silicon On Insulator） MEMS壓阻式壓力傳感器。這種傳感器的壓敏電阻與基底之間采用了全介質隔離，因此，有效解決了傳統MEMS壓阻式壓力傳感器存在的漏電問題，在航空航天、石油化工等高溫惡劣環境應用廣泛。

現有的SOI MEMS壓阻式壓力傳感器的壓敏電阻通常被鈍化層緊密包裹，并通過在鈍化層開孔實現壓敏電阻的電極引出。一方面，現有的鈍化層材料，如二氧化硅、氮化硅和制備工藝，如化學氣相沉積、物理氣相沉積造成鈍化層存在數目可觀的缺陷，這些缺陷會俘獲電荷；另一方面，SOI MEMS壓阻式壓力傳感器往往面臨極端惡劣的環境，如高溫、高濕、高輻照，這些環境極易導致鈍化層中俘獲的電荷產生漂移以及造成鈍化層產生新的缺陷與電荷，這不利于傳感器的穩定性能。此外，在以上極端惡劣的環境中，鈍化層與壓敏電阻之間的材料特性失配，如熱膨脹系數失配，也會造成壓敏電阻的損傷。以上問題導致現有的SOIMEMS壓阻式壓力傳感器存在長期穩定性問題。

發明內容

發明目的：針對上述現有技術，提出一種MEMS壓力傳感器及其制備方法，有效解決現有SOI MEMS壓阻式壓力傳感器存在的長期穩定性問題。

技術方案：一種MEMS壓力傳感器，包括體硅層、埋氧層、襯底、壓敏電阻、第一鈍化層、電極層、第二鈍化層；所述體硅層位于襯底上表面，所述埋氧層位于所述體硅層上表面，所述體硅層內部設有空腔，所述空腔正上方的體硅層與所述埋氧層共同形成壓力敏感薄膜；所述壓敏電阻位于所述埋氧層上表面，所述第一鈍化層為位于所述埋氧層上表面的長方體殼體，所述長方體殼體的頂部中央設有通孔，所述第一鈍化層蓋合在所述壓敏電阻上，與所述壓敏電阻之間的空隙構成隔離腔；所述電極層位于所述第一鈍化層的上表面，并通過所述通孔與所述壓敏電阻連接；所述第二鈍化層位于所述電極層的上表面。

進一步的，所述壓力傳感器包括設置在所述埋氧層上表面的共四個所述壓敏電阻，四個所述壓敏電阻分別設置在所述空腔四邊的中點正上方位置，每個所述壓敏電阻單獨設置有所述第一鈍化層、電極層、第二鈍化層；四個所述壓敏電阻采用惠斯通電橋方式連接。

進一步的，所述電極層完全覆蓋所述第一鈍化層的上表面。

進一步的，所述第一鈍化層和第二鈍化層的材料和厚度均一致。

進一步的，所述襯底的材料為單晶硅或玻璃，厚度為200-2000μm。

進一步的，所述壓力敏感薄膜的厚度為1-50μm。