[其他]矩形雙島硅膜結構過壓保護型壓力傳感器

無效

• 申請號: 88201030
• 申請日: 1988-01-28
• 公開（公告）號: CN88201030U
• 公開（公告）日: 1988-09-07
• 發明（設計）人: 吳憲平;于連忠
• 申請（專利權）人: 復旦大學
• 主分類號: G01L1/18
• 分類號: G01L1/18;G01L1/20
• 代理公司: 復旦大學專利事務所
• 代理人: 陸飛

本實用新型屬半導體壓力傳感器領域，是一種硅膜帶有矩形雙島結構并具有過壓保護功能的壓力傳感器。

壓力傳感器的技術指標中以壓力靈敏度和線性度最為突出。現有的壓力傳感器的彈性體多數采用平膜型（或稱C型）和環槽單島型（或稱E型）結構。對于既定的設計，壓力靈敏度主要取決于膜厚與其尺寸之比。為了提高壓力靈敏度，尤其是微壓傳感器的靈敏度，需要將硅膜腐蝕得很薄。但這樣做不僅在工藝上難度大，而且由于薄膜的“氣球效應”等使器件的線性度受嚴重影響。靈敏度和線性度兩者的矛盾十分突出。此外，過壓保護也是一個困難問題，尤其對于0.2公斤／cm²量程以下的微壓傳感器。沒有過壓保護或過壓保護范圍太小的壓力傳感器在實用中極易受到偶然的過壓而報廢。微壓傳感器的高線性度和過壓保護是國際上也沒有得到很好解決的兩個問題。采用雙島結構代替C型或E型結構可提高壓阻式壓力傳感器的靈敏度。但以往的報道沒有解決矩形雙島凸角在各向異性腐蝕時的削角問題，腐蝕形成的雙島呈多邊形，因而雙島之間、雙島與邊框側壁之間不是均勻細長的溝槽，導致器件的線性度不高，尤其是在高輸出時。這樣，傳感器的精度就受到影響。圖1為方形硅膜和無削角補償矩形雙島結構示意圖，實線為雙島在腐蝕前的掩模圖形，是兩個矩形。虛線為雙島在腐蝕后的上下邊線，其矩形各角產生削角，雙島成為多邊形。

本實用新型的目的是對雙島硅膜結構的壓力傳感器加以改進，以改善器件的線性度，進一步提高其靈敏度，并使器件具有過壓保護的功能。

圖2為本實用新型的結構圖。圖2（a）為矩形雙島硅膜結構正視圖，圖2（b）為圖2（a）在A－A′處的剖視圖。兩個虛線方框表示在硅膜2背面的矩形或近似矩形硅島1的底部邊線；力敏電阻3設置在硅膜2的正面，位于兩硅島之間的中心溝槽的相應部位及硅島與硅膜邊框4側壁之間的邊緣溝槽的相應部位；兩硅島端面和器件襯底5之間有一層間隙6，襯底帶有小孔7。

本實用新型的芯片材料可采用（001）晶向N型硅片，硅膜可為方形。這時方膜與矩形硅島的邊線各自平行于〔110〕或〔110〕方向。硅島高度h為150至250微米，硅島的縱向寬度為方膜邊長的1／3至1／2。中心溝槽寬度是邊緣溝槽寬度的2.5至3.5倍。

由于在對硅片進行各向異性腐蝕形成硅島時會產生削角作用，其削角暴露面為｛212｝晶面族，它們與硅片（001）表面相交于〈210〉晶向族，為了能經腐蝕得到正規的矩形硅島，在對雙島腐蝕掩模版圖形設計時，進行圖形削角補償處理，即在兩個矩形的每個直角處各附加一個補償角，該角由〈210〉晶面族中的相應晶向組成。這樣，雙島腐蝕掩模圖形為由矩形在〔110〕或〔110〕方向的基線段及在直角上的補償角組成的兩個多角形。圖3為帶有補償角的雙島腐蝕掩模圖形，虛線為腐蝕終止時的上下邊線。圖4為圖3中一個多角形的放大圖，其中小點線表示沒有補償角時矩形硅島在各向異性腐蝕時的削角線。各邊線上方括號內數字表示該線晶向。補償角θ＝53.13°，角邊與〔110〕或〔110〕方向夾角γ＝18.43°。稱直角頂點到該直角之補償角邊線的距離δ_c為補償角寬度；稱直角頂點到該直角削角線的距離δ_u為削角寬度。要求δ_c等于或近似等于δ_u。若δ_c＝δ_u，則當各向異性腐蝕時補償角縮為一點而得到的硅島形狀恰為矩形；若δ_c＜δ_u，則腐蝕得到的硅島略有削角，為近似矩形，稱欠補償；若δ_c＞δ_u，則腐蝕得到的硅島角頂上有補償角的殘留部分，稱為過補償。

硅膜正面力敏電阻布局最合理的設計方案為：在中心溝槽的對應部位對稱設置2個，為R₂、R₃，在兩個邊緣溝槽的對應部位各設置一個，為R₁、R₄。它們的形狀、大小、取向均相同，并且聯成惠斯頓電橋。R₁、R₄和R₂、R₃各構成電橋的一對橋臂。

硅島端面與器件襯底表面間保留一層間隙，其作用在于當器件正面受到過壓時，能使硅膜的撓度位移受到襯底表面的限制，從而保護硅膜，防止硅膜破裂。間隙高度在硅膜邊長的0.4％至0.8％為宜。該間隙可由下述方法形成：在硅島端面部位比邊框部位多腐蝕去一層，或在襯底上與硅島對應部位先用腐蝕或其它方法形成一個平整淺坑。襯底材料為玻片或硅片，與硅膜邊框進行靜電封接。