CN100494933C - 接触式压力传感器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种接触式压力传感器(10)和一种制造接触式压力传感器的方法，该压力传感器用来检测两表面之间的接触压力。本发明公开的接触式压力传感器包括用来支撑该传感器的基体(40)和接触式压敏层(26)，该压敏层对施加在接触式压力传感器上的压力非常敏感。本发明公开的方法还包括将在第一处理支撑基体(20)上制造的加工后结构(8)从该第一处理支撑基体转接到接触式压力传感器的第二支撑基体(40)上。

Description

接触式压力传感器及其制造方法
技术领城
总的来说，本发明涉及压力传感器，更具体地说，本发明涉及基于压敏电阻的接触式压力传感器，该传感器用来监控两个表面之间的接触压力。
背景技术
接触式压力传感器是用来检测两个表面之间的接触压力的。在许多应用场合知晓两个表面之间存在的压力可能是非常有益的。在管道的法兰和垫圈的表面之间就存在对这种传感器的应用。螺栓紧固不均匀可能会使接头变形，并导致泄漏。而且，由于多个作用在接头上的力的存在，接头松弛等现象的发生，所以获取接头配合表面处压力分配的实时信息非常重要。
说到诸如AlGaAs这样的外延层材料，使用的基体薄片材料为砷化镓(GaAs)。接触式压力传感器是基于门捷列夫表第IIIA列和第VA列中的半导体元素的固态物理性质，即压敏性而工作的。将不同列的元素组合在一起，使它们在单个基体上外延生长(晶格匹配)。一旦接触压力施加在该材料上，则可以测量电阻差。另外，通过直接接触的方式，而非流体静力的方式，可以检测材料对压力变化的线性响应度。
迄今为止，通常采用具有压敏电阻特性的铝砷化镓(AlGaAs)材料(外延层)来制造接触式压力传感器。当然，生长外延层的薄片基体和外延层具有相同的晶格结构。
使用具有压敏电阻特性的材料的接触式压力传感器的例子是弯曲电阻器，这种电阻器是通过像影印石版技术、蚀刻技术和镀金属法这样的常规制作工艺制造的。
美国第4965697号文献公开了一种由AlGaAs构成的固态压力传感器，但是，该传感器是基于流体静压原理工作的，并且其限于应用流体静力用途的结构。
为克服接触状态下可达到的压力值有限的问题，人们做了许多尝试。这些尝试包括：(a)使GaAs基体变薄，(b)将薄片封闭在硅胶材料内，以保护上述装置，和(c)减小薄片的尺寸。但是仍然出现有薄片在高压下破裂的问题。从而，为监控两表面之间的压力分布情况，存在对能够承受直接接触压力的接触式压力传感器的需要。
发明概述
本发明的一方面涉及一种接触式压力传感器，该传感器包括：基体；接触式压敏层，其包括具有压敏电阻特性的材料，该接触式压敏层具有与基体不同的晶格结构；设置在接触式压敏层和基体之间的支撑层，该支撑层具有与接触式压敏层的晶格结构匹配的结构；设置在接触式压敏层和基体之间的导电层；以及其中所述接触式压力传感器是按照下述方式设置的，所述方式为施加在传感器上的压力施加在接触式压敏层的两侧。
所述支撑层可以为半导体。接触式压敏层的材料为门捷列夫表第IIIA列和第VA列的半导体元素。
所述接触式压敏层的材料可以为门捷列夫表第IIIA列和第VA列的三元半导体元素。所述接触式压敏层的材料可以包括多个层，这些层由门捷列夫表第IIIA列和第VA列的不同元素构成。
所述接触式压敏层的材料可以为铝砷化镓(AlGaAs)。绝缘层的材料可以为砷化镓(GaAs)，所述导电层的材料为掺杂砷化镓(GaAs)。所述基体的材料可以比与接触式压敏层晶格匹配的材料更硬。
本发明的另外一个方面涉及一种制造接触式压力传感器的方法，该方法包括：提供加工支撑基体和传感器支撑基体，每个支撑基体都具有不同的晶格结构；制造加工后结构，该工序包括：在加工支撑基体上沉积绝缘层；在绝缘层上沉积压敏层，该压敏层包括具有压敏电阻特性的材料，该材料对施加在接触式压力传感器上的压力敏感，该接触式压敏层具有与传感器支撑基体不同的晶格结构；和在接触式压敏层上沉积导电层，该导电层用于导通该传感器；和将所述加工后结构从加工支撑基体上转接到传感器支撑基体上。
在一个实施例中，制造加工后结构的步骤还包括：在加工支撑基体的表面上沉积牺牲层，其中将所述牺牲层设置在加工支撑基体和绝缘层之间。转接加工后结构的工序还包括将牺牲层从加工后结构上除去的作业。
在另外一个实施例中，制造加工后结构的步骤还包括：也在基体上沉积温度敏感层，该温度敏感层包括具有压敏电阻特性的材料，该材料对温度敏感；和在温度敏感层和压敏层之间沉积附加绝缘层，其中该附加绝缘层的的电阻大于温度敏感层和压敏层任一者的电阻。
附图说明
本领域的技术人员根据下面的说明并接合附图会更好地理解并容易明白本发明实施例的上述这些和其它特点、目的和优点。在附图中：
附图1示出根据本发明一个实施例所述的制造方法的一个步骤中的横截面图；
附图2示出根据本发明另外一个实施例所述的制造方法的一个步骤中的横截面图；
附图3A-C示出根据本发明另外一个实施例所述的制造方法的多个步骤中的多个横截面图；
附图4示出根据本发明实施例所述的制造方法(完成)之后，本发明的实施例的透视图；和
附图5示出根据本发明实施例所述的方法的流程图。
实施方式
附图3C和4示出传感器10，附图5示出制造传感器的方法50，该传感器用来监控两个接触的表面之间的接触压力分布情况，例如，在管道中法兰和垫圈的表面之间就存在对应用这种传感器的场合。另外，可以用多个传感器监控两个表面之间的多个接触点。在将传感器应用到管道中法兰和垫圈的表面之间的场合，可以将一个或者多个传感器安置在临近任何一个表面的临界区域，所述表面例如可以为沿管道的各个接头螺栓。当然，该传感器还有许多应用场合，在这些场合知晓两接触表面之间的直接接触压力是有益的。
接触式压力传感器是基于固态物理性质的知识而工作的，具体地说这种性质是半导体元素，尤其是门捷列夫表第IIIA列和第VA列中的元素，构成的结构的压敏性质。将不同列的元素组合在一起，使它们在单个基体上外延生长(晶格匹配)。一旦接触压力施加在该材料上，则可以测量电阻差。另外，通过直接接触的方式，而非流体静力学的方式，可以检测材料对压力变化的线性响应度。附图4示出了根据本发明实施例所述的此中接触式压力传感器。更具体地，该传感器涉及对多种材料构成的多个层的应用，有代表性的但不是唯一的方式是采用n型(形成过剩电子)AlxGal-xAs作为在非掺杂物质或者半导体物质上外延生长的压力检测材料，如附图1和2所示。如附图3A-C所示，外延分离一种材料，并使其沉积在一种更硬的材料上。例如，用来制造加工后结构6、8的各个层可以是借助分子束外延(MBE)技术在加工支撑基体20上生成的外延层。
参照附图1，其示出加工结构6的一个实施例的横截面图，该处理结构是在步骤52中制造的。在加工过程中，加工支撑基体20支撑形成的加工后结构8的多个层。采用诸如砷化镓(GaAs)薄片这样的加工支撑基体20作为基体。在加工支撑基体20的一个表面上形成或者沉积的第一层22为牺牲层，在将加工后结构8转接到传感器支撑基体40上的操作过程中会使该牺牲层牺牲。用于牺牲层的上述材料为砷化铝(AlAs)，其厚度可以为800
Figure C200480023823D0008100857QIETU
，但这不是唯一可选的厚度。
在牺牲层22上面沉积支撑层24(第二层)，该层用来支撑加工后结构8中其它所有在后形成的多个层。上述支撑层24为诸如砷化镓(GaAs)这样的材料，其厚度可以为30,000
Figure C200480023823D0008100857QIETU
，但这不是唯一可选的厚度。
在支撑层24上面沉积压敏层26(第三层)，该层用作接触式压力传感器10的压敏层。压敏层26为诸如门捷列夫表第IIIA列和第VA列中的元素的半导体成分，该半导体成分例如可以为n型的铝砷化镓(AlxGal-xAs或者n型的AlxGa1-xAs)，其厚度可以为10,000
Figure C200480023823D0008100857QIETU
，但这不是唯一可选的厚度，并包括大约30％的Al，但该含量也不是唯一可选的Al含量。
在压敏层26上面沉积导电层32(第四层)，该层用作接触式压力传感器10的导电或者欧姆接触层。导电层32为诸如掺杂GaAs这样的具有导电性质的材料，其厚度可以为500
Figure C200480023823D0008100857QIETU
，但这不是唯一可选的厚度。
参照附图2，对于需要诸如在传感器内补偿温度这样的其它监控功能的传感器，可以在加工过程中在加工结构6内沉积附加绝缘层28、温度敏感层30。只要用支撑层24、附加绝缘层28使灵敏传感材料绝缘，则可以依照任意次序布置压敏层26、温度敏感层30。但是，灵敏传感层之间的绝缘层的绝缘电阻必须大于多个灵敏传感层的组合电阻。例如，附加绝缘层28直接形成或者沉积在压敏层26上。该附加绝缘层28为非掺杂GaAs，其厚度可以为30,000
Figure C200480023823D0008100857QIETU
，但这不是唯一可选的厚度。温度敏感层30形成或者沉积在附加绝缘层28上，其为AlxGa1-xAs，其厚度可以为10,000
Figure C200480023823D0008100857QIETU
，但这不是唯一可选的厚度。通过选择n型AlxGa1-xAs中合适的“x”值，就可以方便地使AlGaAs材料的敏感性要么是对压力敏感要么是对温度敏感。然后，采用上述相同的方式在温度敏感层30上形成或者沉积导电层32。
可以理解上述实施例中选用的数值和材料是作为例子提供的。当然，根据具体的应用，材料的选择、材料的具体含量、诸如层的厚度这样的尺寸相应地可以不同。
如上所述，一旦完成如附图1或2所示主要的加工后结构，则进行附图3A-C所示的转换工艺步骤54(第二加工处理步骤)。需要在该第二处理步骤使加工结构6(层24、26、32或者层24、26、28、32)作为一个单元与加工支撑基体20分离。附图3A-C示出了使附图1中形成的加工结构6形成附图3A中的加工后结构8和附图3C中的传感器10的上述工艺。但是，显然可以将同样的转换工艺步骤54应用到加工结构6的其它实施例和变体中，其中包括附图2示出的实施例。这种处理工艺可以为被称为外延分离(ELO)，也被称为剥离层技术。
在上述那些工序中的任一工序中使牺牲层22(例如由砷化铝AlAs构成的牺牲层)牺牲。该牺牲层是借助下述工艺溶解的，所述工艺例如可以为在氢氟酸溶液中的化学蚀刻加工工艺，从而剩下作为一个整体的多个层24、26、32。附图3A示出了加工后结构8。
然后在工序56中将在工序中一体分离的上述多层结构转接或者接合到另外一个更硬的传感器支撑基体40上，以形成最终的底层结构。新的传感器支撑基体40可以为比加工支撑基体20硬的任意类型的材料，这样的材料例如可以为金属、绝缘体、半导体或者类似成分。如果该新基体层40的表面质地或者平面度在需要的一定范围内，则可以采用被称为“范德瓦尔斯”(vdw)的接合工艺。由Demeester等撰写的发表在1993年的《半导体科学技术》第8期第1124-1135页的文章“外延分离技术及其应用”(Epitaxial lift-off and its Applications)中论述了上述范围和转接工艺，这里以引用的方式包括该文章的内容。如果传感器支撑基体40的表面质地不适宜，或者其具有导电性，则如附图3B所示，需要在沉积加工后结构8的分离材料层之前，在新的传感器支撑基体40上沉积中间绝缘层42以形成绝缘层，该绝缘层例如可以为聚酰亚胺，但这不是该绝缘层的唯一可选材料。通常，大多数绝缘材料都比导电金属脆，如果选择金属作为新基体，则必须在所述金属表面上沉积诸如聚酰亚胺这样的绝缘材料涂层，从而在金属和传感器之间形成绝缘层。在分离工序中，还采用光刻胶层作为支撑层，该光刻胶层有助于从主基体用反光标记(delineation)均匀显示。当选择具有更硬性质的新的传感器支撑基体40以承受更大的接触压力时，新基体40的晶格结构，即原子、离子或者分子的周期排列或者规则排列，就与去除的或者替换掉的较脆第一加工基体20的晶格结构不同。
在形成上述多个层并完成转接作业之后，接下来的处理步骤58可以包括：可以利用影印石版技术在导电层32的表面上形成遮蔽材料。该遮蔽材料为由诸如光刻胶聚酰亚胺34这样的材料形成的图形，执行这道工序以形成台面(mesa)。该弯曲图案34是为了提高传感器的灵敏度。将台面蚀刻至低于压敏层26AlxGa1-xAs的水平面、达到支撑层24内的深度，该深度大约达到1,000
Figure C200480023823D0008100857QIETU
，但这不是唯一可选的深度。一完成蚀刻工序就将遮蔽材料34去除。当然，台面的深度由导电层32、压敏层26和支撑层24的厚度确定。附图4中示出的弯曲图案34是作为示例提供的，人们知晓：可以根据具体的应用，选择弯曲设计的不同光掩层，以满足所需的不同阻值、不同敏感度，并将其定位在导电层32的表面上。所述弯曲图案可以以欧姆接触垫36的形式终止，该接触垫还可以用作进一步连接电线的连接垫。连接所述弯曲图案的各端，以测量由接触压力的变化引起的压敏层26的电阻变化，并且如果有温度敏感层30，则可以监控温度的变化。
传感器的多种应用场合对接触部件36的类型和尺寸有要求。接触部件36是在步骤60中设置在弯曲图案的各端的部件。当然，附图4中示出的接触部件36是作为示例提供的。人们知晓可以制造其它形式的电联接件。例如，如果将加工后结构8转接到另外一种上面具有电路的基体上，或者在加工后结构转接之后，在基体上面形成电路时，则无需任何类型的电线连接工序。
附图中没有示出用来连接并驱动接触式压力传感器的电路，但是这样的电路众所周知。例如，该电路可以包括电源，这样的电源例如可以为恒压电源，其正极端子与传感器的一个接触部件相连，其负极端子与另外一个接触部件，或者负极端子和接地的其它接触部件相连。另外，人们知晓可以在电路中使用其它部件，例如可以使用电流检测器和类似部件。
为达到保护传感器的目的，例如为了防潮，可以把其它的保护层施加在整个传感器上。这样的保护层例如可以为聚酰亚胺层或者钝化层或者类似的层。根据各个传感器的应用场合将其切割成所需的尺寸。在形成整个传感器装置之后，在步骤62中将样品切割成较小的部件，并借助石蜡保护该传部件使其免受传感器装置侧面的影响。然后在传感器薄片上执行连接和测量工序。
人们知晓：虽然这里为达到说明的目的描述了本发明的具体实施例，但是在不脱离本发明范围的情况下，可以对实施例做出多种修改。因此，除了在后的权利要求之外，本发明不受实施例的限制。

Claims (21)

1.一种接触式压力传感器，其包括：
基体；
接触式压敏层，其包括具有压敏电阻特性的材料，该接触式压敏层具有与基体不同的晶格结构；
设置在接触式压敏层和基体之间的支撑层，该支撑层具有与接触式压敏层的晶格结构匹配的结构；
设置在接触式压敏层和基体之间的导电层；
其中所述接触式压力传感器是按照下述方式设置的，所述方式为施加在传感器上的压力施加在接触式压敏层的两侧。
2.根据权利要求1所述的传感器，其中所述支撑层为半导体。
3.根据权利要求1所述的传感器，其中接触式压敏层的材料为来自门捷列夫表第IIIA列和第VA列的半导体元素。
4.根据权利要求3所述的传感器，其中接触式压敏层的材料为门捷列夫表第IIIA列和第VA列的三元半导体元素。
5.根据权利要求1所述的传感器，其中接触式压敏层的材料包括多个层，这些层由门捷列夫表第IIIA列和第VA列的不同元素构成。
6.根据权利要求1所述的传感器，其中接触式压敏层的材料为铝砷化镓。
7.根据权利要求1所述的传感器，其中绝缘层的材料为砷化镓，导电层的材料为掺杂砷化镓。
8.根据权利要求1所述的传感器，其中基体的材料比与接触式压敏层晶格匹配的材料更硬。
9.根据在前的任一项权利要求所述的传感器，该传感器还包括：
温度敏感层，其包括具有压敏电阻特性的材料，该材料对温度敏感，其具有与基体不同的晶格结构；和
附加绝缘层，该层设置在温度敏感层和压敏层之间，其中该附加绝缘层的的电阻大于温度敏感层和压敏层任一者的电阻。
10.根据权利要求1所述的传感器，其中在导电材料上蚀刻有弯曲图案，以提高接触式压力传感器的灵敏度。
11.根据权利要求1所述的传感器，其中将传感器设置成可以承受大于40Mpa的接触压力。
12.一种制造接触式压力传感器的方法，该方法包括：
提供加工支撑基体和传感器支撑基体，每个支撑基体都具有不同的晶格结构；
制造加工后结构，该步骤包括：
在加工支撑基体上沉积绝缘层；
在绝缘层上沉积压敏层，该压敏层包括具有压敏电阻特性的材料，该材料对施加在接触式压力传感器上的压力敏感，该接触式压敏层具有与传感器支撑基体不同的晶格结构；和
在接触式压敏层上沉积导电层，该导电层用于导通该传感器；和
将所述加工后结构从加工支撑基体上转接到传感器支撑基体上。
13.根据权利要求12所述的方法，其中制造加工后结构的步骤还包括：在加工支撑基体的表面上沉积牺牲层，其中所述牺牲层设置在加工支撑基体和绝缘层之间。
14.根据权利要求13所述的方法，其中转接加工后结构的工序还包括：将牺牲层从加工后结构上除去。
15.根据权利要求12所述的方法，其中制造加工后结构的步骤还包括：
在加工支撑基体上沉积温度敏感层，该温度敏感层包括具有压敏电阻特性的材料，该材料对温度敏感；和
在温度敏感层和压敏层之间沉积附加绝缘层，其中该附加绝缘层的电阻大于温度敏感层和压敏层任一者的电阻。
16.根据权利要求12所述的方法，其中该方法还包括在导电材料上蚀刻出弯曲图案，以提高接触式压力传感器的灵敏度。
17.根据权利要求12所述的方法，其中接触式压敏层的材料为门捷列夫表第IIIA列和第VA列的半导体元素。
18.根据权利要求12所述的方法，其中接触式压敏层的材料为铝砷化镓。
19.根据权利要求12所述的方法，其中传感器支撑基体的材料与加工支撑基体的材料不同。
20.根据权利要求12至19任一项所述的方法，其中加工支撑基体、绝缘层和导电层的材料为砷化镓。
21.根据权利要求12所述的方法，其中将传感器设置成可以承受大于40Mpa的接触压力。
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