CN100449815C - 半导体压力传感器 - Google Patents
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Abstract
一种半导体压力传感器(semiconductor pressure sensor)。该半导体压力传感器包含有一非单晶硅基底；一可动的隔膜(diaphragm)；至少一压电电阻(piezoresistor)，设于该隔膜上；一支承构件(supporter)，设于该非单晶硅基底上，用来固定该隔膜的两端，使得该隔膜与该非单晶硅基底之间形成一凹穴(cavity)；以及一薄膜晶体管(thin film transistor，TFT)控制电路，电连接于该隔膜与该压电电阻。
Description
技术领域
本发明涉及一种压力传感器，尤其是一种制造成本较低的半导体压力传感器(piezoresistive semiconductor pressure sensor)，并可避免漏电流的产生，以期符合市场竞争的需求。
背景技术
气压或液压测量是工业控制中相当重要的一环。一般而言，压力量测的原理与方法有许多，针对所应用的各个领域或特别需求，而有不同设计方法与考虑。目前压力传感器的设计方法主要包含有压阻式(piezoresistive)、压电式(piezoelectric)、电容式(capacitive)、电位计式、电感电桥式、应变计式，以及半导体压力传感器等。
由于各种传感器尺寸方面的大幅缩小，以及工艺、组装和操作上的限制，一种新的微加工技术(micromachining technology)，可应用于制造各种微传感器(microsensor)及微执行器(microactuator)，并与微电子电路整合后可构成微系统(microsystem)，通称为微机电系统(micro electro-mechanical system，MEMS)。MEMS具有微小化、可批量制造(batch production)以降低成本的优点，且可与信号处理电路同时制造于硅晶片上以形成单个(monolithic)元件，这对于传感器尤为重要，因为传感器微弱的输出信号可就近放大处理，以避免外界的电磁干扰，且可利用信号处理电路先行模/数转换(analog-to-digital，A/D)后，再输送到中央处理单元，因此可提高信号可靠度，减少连线数与中央控制系统的负担。由于尺寸方面的大幅缩小，及工艺、组装和操作上的限制，利用MEMS所制造的压力传感器，其灵敏度及制造成本上都比传统工艺优秀，近几年来的发展相当快速，而在各种驱动方式中，由于压阻式具有高输出电压与高灵敏度等优点，而压电式具有高灵敏度、低电磁干扰、低功率散逸、具有机电能互换的能力、能量密度高、动作反应快，以及对环境敏感度低等优点，因此在微机电的领域中，以这两种形式所制造的微型传感器和微型执行器甚受重视。
请参考图1，图1为习知压阻式半导体压力传感器10的剖面示意图。如图1所示，习知的半导体压力传感器10主要包含有一已蚀刻的半导体基底(etched semiconductor substrate)12，例如单晶硅基底或硅覆绝缘(silicon-on-insulator，SOI)基底，且已蚀刻的半导体基底包含有一隔膜(diaphram)14与一基座(base)16用来固定隔膜14的两端，使得隔膜14的下方形成一凹穴(cavity)18，以及一压电电阻(piezoresistor)20设置于隔膜14内，用来当作半导体压力传感器10的感测元件。此外，半导体压力传感器10另包含有一控制电路22设于半导体基底12内，电连接于隔膜14与压电电阻20，且控制电路22主要包含有一互补式金属氧化物半导体(MOS)、放大电路或逻辑电路等，其功用在于接收、处理并传送压电电阻20所输出的信号。
一般而言，已蚀刻的半导体基底12利用蚀刻液(etchant)，例如氢氧化钾(potassium hydroxide，KOH)来进行非等向性蚀刻半导体基底的背面，以形成工艺所需的隔膜14与基座16的面积与厚度。而形成压电电阻20的方法主要是利用扩散法或离子植入工艺，将硼(boron，B)植入隔膜14内，由于隔膜14为单晶硅晶隔结构，因此可形成p-n结(junction)，此p-n结即为压阻元件，可以用来感测压力变化。
当一待测压力施加于隔膜14，或是当隔膜14的内外部具有一压力差时，隔膜14的中央部分会受压而产生形变，压电电阻20也因此产生形变，于是压电电阻20的电阻值因其表面伸缩而产生变化，然后利用控制电路22进行一信号处理，例如将信号放大、进行温度补偿(temperature compensation)等，并将接收到的电阻值变化量转化为差动信号(differential signal)输出，其数值会对应于待测压力的大小。
此外，当压电电阻20的材料更换为压电薄膜(piezoelectric thin film)，例如氧化锌(ZnO)时，此时半导体压力传感器即为一压电式半导体压力传感器。该压电式半导体压力传感器主要是利用压电效应来驱动，当一压力施加于该压电薄膜时，该压电薄膜的两端会同时产生与压力大小成比例的电荷量，通过测量此电荷变化量，即可得知待测压力的大小。
然而习知压阻式或压电式半导体压力传感器10主要为单晶硅一体成型的结构，虽然使用单晶硅所构成的传感器其灵敏度较高，然而由于硅晶片的成本较高，对于竞争激烈的传感器市场而言，如何制造出成本较低且品质好的产品为一项重要的课题。此外，由于习知利用掺杂法或离子植入工艺所形成的压电电阻与单晶硅的隔膜之间有接合处，因此产生漏电流的机率较高，容易影响传感器的正常操作。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种成本较低的半导体压力传感器，并可减少上述漏电流问题的产生。
在本发明的优选实施例中揭露了一种压阻式半导体压力传感器，其包含有一非单晶硅基底；一可动的隔膜；至少一压电电阻，设于该隔膜上；一支承构件(supporter)，设于该非单晶硅基底上，用来固定该隔膜的两端，使得该隔膜与该非单晶硅基底之间形成一凹穴；以及一薄膜晶体管(thin filmtransistor，TFT)控制电路，设于该非单晶硅基底上，并电连接于该隔膜与该压电电阻。
由于本发明的压阻式与压电式半导体压力传感器是制在非单晶硅基底，例如玻璃基底或其他绝缘基底上，因此可大幅降低原材料的成本。此外，本发明利用多晶硅材料或其他压电材料作为压电电阻，可有效避免习知漏电流问题的产生，由此提高传感器的灵敏度与准确度。
附图说明
图1为习知半导体压力传感器的剖面示意图；
图2为本发明半导体压力传感器的剖面示意图。
具体实施方式
请参考图2，图2为本发明压阻式半导体加速传感器30的剖面示意图。如图2所示，本发明的压力传感器30主要包含有一非单晶硅基底32；一电绝缘且可动的隔膜34；一电绝缘的支承构件(supporter)36，设于非单晶硅基底32上，用来固定隔膜34的两端，使得隔膜34与非单晶硅基底32之间形成一凹穴38；至少一压电电阻40，设于隔膜34上；以及一控制电路，例如一薄膜晶体管(thin film transistor，TFT)控制电路42，设于非单晶硅基底32上，并电连接于隔膜34与压电电阻40，用来接收、处理并传送压电电阻40所输出的信号。其中，当使用压电电阻40作为感测元件时，本发明提供的是一种压阻式半导体压力传感器，而将压电电阻40置换为压电薄膜(未显示于图2中)以作为感测元件时，本发明提供的是一种压电式半导体压力传感器。
在本发明的优选实施例中，非单晶硅基底32是由玻璃(glass)制成，且由于玻璃的熔点较低，为了避免后续形成的TFT控制电路42因温度过高而对非单晶硅基底32造成影响，因此本发明的TFT控制电路42需为一低温多晶硅(low temperature polysilicon，LTPS)TFT控制电路。然而本发明并不局限于此，本发明的非单晶硅基底32也可以由石英制成，由于石英的熔点较高，因此本发明的TFT控制电路42也可以是一高温多晶硅TFT控制电路。此外，本发明的隔膜34与固定构件36可以一体成型，也可以分开制造，视工艺需求而设计，且形成隔膜34与固定构件36的材料可以是电绝缘材料，例如二氧化硅。再者，形成压电电阻40的材料包括掺杂(doped)多晶硅，而形成压电电阻40的方法包括电子束蒸镀(e-beam evaporation)或射频溅镀(RF sputtering)等，形成该压电薄膜的材料包括氧化锌(ZnO)、钛酸钡陶瓷(BaTiO3)或钛酸铅铬陶瓷(PbZrTiO3，PZT)，而形成该压电薄膜的方法包括电子束蒸镀、射频溅镀、溶凝胶法(sol-gel)或有机金属分解法(metallo-organicdecomposition，MOD)等，其中用MOD法可制造出厚度较厚、表面性质及压电特性佳的压电薄膜。
同样地，本发明的压阻式半导体压力传感器30为一种利用压电电阻40的电阻值变化量来测得待测压力的传感器，而压电式半导体压力传感器为一种利用压电效应驱动的共振力量传感器(resonant force sensor)结构，其主要利用压电薄膜作为换能器(transducer)以作为隔膜34的振动驱动与感测的部分，并可利用改变压电薄膜40面积的配置来做传感器电器特性的优化，以减少电气干涉(electrical crosstalk)的影响。而本发明的半导体压力传感器30的操作方式与习知传感器相同，在此不另赘述。
值得注意的是，在本发明的优选实施例中，控制电路42设于玻璃基底32上，而本发明应用并不局限于此，本发明的控制电路42也可以设于一印刷电路板(printed circuit board，PCB，未显示于图2中)上，再利用一挠性印刷电路板(FPC board，未显示于图2中)电连接控制电路42、隔膜34，以及压电电阻40。此外，控制电路42，例如包含有多个集成电路芯片(integratedcircuit chip，IC chip)也可以直接设于一挠性印刷电路板上，再利用该挠性印刷电路板电连接控制电路44、隔膜34，以及压电电阻40。再者，本发明的非单晶硅基底32表面可另包含有一TFT显示区域(display area，未显示于图2中)，用来显示本发明的半导体压力传感器30所侦测到的压力变化值，以方便使用者观察与测量。
与习知半导体压力传感器相比，本发明的压阻式与压电式半导体压力传感器制造于玻璃基底或其他绝缘基底上，因此可大幅降低原材料的成本。此外，本发明以多晶硅材料或其他压电材料作为压电电阻，并利用镀着方式形成于隔膜上，因此可得到较佳的压电系数，且其弯曲的幅度也较大，不但可避免习知接合面漏电流问题的产生，更可提高传感器的灵敏度与准确度。
以上所述仅为本发明的优选实施例，凡依本发明权利要求所作的均等变化与变型，皆应属本发明专利的涵盖范围。
Claims (24)
1.一种半导体压力传感器，其包含有：
一非单晶硅基底；
一可动的绝缘隔膜；
至少一压电电阻，设于该绝缘隔膜上；
一绝缘支承构件，设于该非单晶硅基底上，用来固定该绝缘隔膜的两端，使得该绝缘隔膜与该非单晶硅基底之间形成一凹穴，以及
一薄膜晶体管控制电路，设于该非单晶硅基底上，并电连接于该绝缘隔膜与该压电电阻。
2.如权利要求1所述的半导体压力传感器，其中该非单晶硅基底是一玻璃基底。
3.如权利要求2所述的半导体压力传感器，其中该薄膜晶体管控制电路是一低温多晶硅薄膜晶体管控制电路。
4.如权利要求1所述的半导体压力传感器，其中该非单晶硅基底是一石英基底。
5.如权利要求4所述的半导体压力传感器，其中该薄膜晶体管控制电路是一高温多晶硅薄膜晶体管控制电路。
6.如权利要求1所述的半导体压力传感器，其中该绝缘隔膜与该绝缘支承构件是一体成型的。
7.如权利要求6所述的半导体压力传感器，其中该绝缘隔膜与该绝缘支承构件皆包含有二氧化硅。
8.如权利要求1所述的半导体压力传感器，其中该压电电阻包含有掺杂多晶硅。
9.如权利要求1所述的半导体压力传感器，其中该压电电阻是一压电薄膜。
10.如权利要求9所述的半导体压力传感器，其中该压电薄膜硅包含有氧化锌、钛酸钡陶瓷或钛酸铅铬陶瓷。
11.如权利要求1所述的半导体压力传感器，其中该非单晶硅基底表面另包含有一薄膜晶体管显示区域，用来显示该半导体压力传感器所侦测到的压力变化值。
12.一种半导体压力传感器，其包含有：
一绝缘基底；
一可动的绝缘隔膜；
一压电电阻，设于该绝缘隔膜上；
一绝缘支承构件，设于该绝缘基底上，用来固定该绝缘隔膜的两端，使得该绝缘隔膜与该绝缘基底之间形成一凹穴；以及
一控制电路，电连接于该绝缘隔膜与该压电电阻。
13.如权利要求12所述的半导体压力传感器，其中该绝缘隔膜与该绝缘支承构件是一体成型的。
14.如权利要求12所述的半导体压力传感器，其中该绝缘隔膜与该绝缘支承构件皆包含有二氧化硅。
15.如权利要求12所述的半导体压力传感器，其中该压电电阻包含有掺杂多晶硅。
16.如权利要求12所述的半导体压力传感器，其中该压电电阻是一压电薄膜。
17.如权利要求16所述的半导体压力传感器，其中该压电薄膜包含有氧化锌、钛酸钡陶瓷或钛酸铅铬陶瓷。
18.如权利要求12所述的半导体压力传感器，其中该绝缘基底是一玻璃基底。
19.如权利要求18所述的半导体压力传感器，其中该控制电路设于该玻璃基底上，且该控制电路包含有一低温多晶硅薄膜晶体管控制电路。
20.如权利要求12所述的半导体压力传感器，其中该绝缘基底是一石英基底。
21.如权利要求20所述的半导体压力传感器，其中该控制电路设于该石英基底上，且该控制电路包含有一高温多晶硅薄膜晶体管控制电路。
22.如权利要求12所述的半导体压力传感器，其中该控制电路设于一印刷电路板上，且该控制电路利用一挠性印刷电路板与该隔膜和该压电电阻电连接。
23.如权利要求12所述的半导体压力传感器，其中该控制电路设于一挠性印刷电路板上，且该控制电路利用该挠性印刷电路板与该隔膜和该压电电阻电连接。
24.如权利要求12所述的半导体压力传感器，其中该绝缘基底表面另包含有一薄膜晶体管显示区域，用来显示该半导体压力传感器所侦测到的压力变化值。
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| 压力传感器技术现状及发展. 许雁南，FrankDutton，董春虎，刘伟锋.2001全国压力计量测试技术年会论文集. 2001 |
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| CN1571183A (zh) | 2005-01-26 |
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