CN101052864A

CN101052864A - 带有顶部参考腔的压力传感器

Info

Publication number: CN101052864A
Application number: CNA2005800354132A
Authority: CN
Inventors: C·E·斯图尔特
Original assignee: Honeywell International Inc
Current assignee: Honeywell International Inc
Priority date: 2004-10-18
Filing date: 2005-10-18
Publication date: 2007-10-10
Also published as: WO2006044977A1; US6923069B1; EP1805493A1

Abstract

一种压力传感器，包括具有底面和顶面的硅膜片。底面用本领域技术人员所熟知的方法形成。第一层被形成并图案化在膜片的顶部表面，第一层的面积比膜片的面积大。第二层被形成并图案化在第一层上方。第二层的面积比第一层的面积大。孔形成在第二层中，用于通过本领域技术人员所熟知的方法除去第一层。第三层被形成并图案化在第二层上方。第三层密封第二层中的孔，从而在膜片的顶部表面形成具有参考压力的密封腔。在操作期间，介质被施加到膜片的底面，其中介质压力相对于密封在膜片顶部的参考压力被压力传感器感测。

Description

带有顶部参考腔的压力传感器

技术领域

[0001]本发明一般涉及压力传感器。更加特别地，本发明涉及在腐蚀性介质例如汽车尾气中使用的硅基绝对压力传感器，通过将传感器膜片的硅背部而不是顶部暴露于介质中，使得这些传感器更加耐用。

背景技术

[0002]压力传感器在工业中被广泛应用：US6,452,427，US6,445,053，US6,229,190，US6,167,763，US6,112,598，US5,808,210，US5,747,705，US5,585,311，US5,535,135，US5,528,452，US5,459,351，US5,453,628，US5,155,061，US4,098,133，US4,008,619。

[0003]通常的压力传感器的顶部包括：将压力转换为电信号的嵌入式压敏电阻器、用于金属互连的接触和用于引线接合的接合垫。这就暴露了应该受到保护以免受被感测介质影响的除硅以外的材料。如果顶部保护被破坏，那么通常的压力传感器会失效。这种失效对于压力传感器来说是常见的。所需要的是降低其失效率的压力传感器设计。

发明内容

[0004]本发明人设计了一种压力传感器，其克服了与发生在传感器顶部的介质引起的失效相关联的失效。

[0005]本发明的特点在于提供了一种基于半导体的压力传感器，该传感器带有覆盖传感器膜片顶部的密封参考腔。可以通过采用半导体工业中通常采用的材料和方法将材料施加到膜片顶部，形成密封参考腔。施加到膜片顶部的材料层用来形成压力传感器的密封参考腔。用激光和其它本领域技术人员所熟知的方法来在这些层中打孔，除去下层材料后形成一个空腔。然后在一参考压力下将这些孔密封，由此形成密封参考腔。该参考腔允许介质压力作用于膜片背部，并且相对于密封在膜片顶部的参考压力测量这个压力。

[0006]根据本发明的另一个特点：压力传感器具有包括底面和顶面的硅膜片，所述硅膜片用本领域技术人员所熟知的方法形成。第一层形成在顶部表面上，其中第一层的面积大于膜片的面积，并且第二层形成在第一层上，所述第二层面积大于第一层面积，并且其中形成有孔，该孔允许第一层从第二层下面被除去，从而在第二层和膜片顶部之间形成空腔。在一参考压力下第三层形成在第二层上面。第三层密封第二层中的孔从而形成密封腔，在膜片顶部具有参考压力。

[0007]根据本发明的又一个特点，将由压力传感器感测的介质施加到膜片的底面，其中该介质压力通过压力传感器被感测。膜片顶部上的密封参考腔为测量膜片背部上的介质压力提供了参考压力。

附图说明

[0008]图1示出了具有膜片并被第一层覆盖的压力传感器侧视图。

[0009]图2示出了图1所示的压力传感器的侧视图，其中在第二层中形成有孔。

[0010]图3示出了图2所示的压力传感器的侧视图，其中第一层已经被除掉，并且通过施加在第二层表面上的第三层形成了密封腔。

具体实施方式

[0011]参见图1，硅基底100具有膜片110，该膜片使用本领域技术人员所熟知的方法形成。该膜片110包括底面，对该底面施加将被测量的介质压力。第一层120形成/沉积在顶部表面的上方。第一层120的面积被图案化为大于膜片110的面积。

[0012]参见图2，示出了本发明的另一个特点。第二层130形成/沉积在第一层120的上方。第二层130的面积被图案化为大于第一层120的面积，并且与第一层120的材料不同。如图2所示，孔140形成/蚀刻在第二层130中。这些孔允许使用本领域技术人员所熟知的方法将第一层120从第二层下面除去。

[0013]参见图3，示出了本发明的另一个特点。如图3所示，第三层150形成/沉积在第二层130的上方。第三层150被图案化，并且可以是相同的材料。当在本发明的这个实施例中使用时第三层150密封第二层130中的孔，在膜片110的顶部上形成参考腔。

[0014]优选使用半导体加工领域技术人员熟知的光刻技术、沉积和/或蚀刻技术，实现本发明。使用例如氧化物的材料的第一层120沉积在足够厚的硅片表面上，这样当第一层被随后除去时将在膜片110上方形成一个空腔，并且被图案化为与膜片交叠。

[0015]与第一层120化学性质不同的材料，例如氮化硅，被沉积为晶片上的第二层130，该层形成一个帽，并且被图案化为与第一层120交叠。用激光或其它本领域技术人员所熟知的方法形成具有精确的位置和尺寸的多个开口，在第二层中形成孔140，所述开口将能够使第一层120从第二层130下被除去。这可以通过穿过已经形成的开口140蚀刻掉第一层来实现，同时留下第二层130作为帽。然后开口140用通常与第二层相同材料的第三层150密封。第三层150应该优选地在参考腔所需要的压力下形成。这将参考压力密封在膜片110顶部上。

[0016]半导体制造工艺是众所周知的。依据根据本发明提供的特点和优点制造压力传感器的新颖方法，遵循如下的步骤：

使用本领域技术人员所熟知的方法在硅基底100顶部上为该基底100提供将压力转换成电信号的结构以及到封装的连接；

用本领域技术人员所熟知的方法在基底的底面中刻蚀膜片110；

将第一层120布置在硅基底100的顶部表面上，覆盖膜片110，所述第一层120被图案化为面积大于膜片110的面积；

将不同于第一层120的材料的第二层130布置在第一层120和膜片110之上，所述第二层130被图案化为面积大于第一层120的面积；

用激光或者其它本领域技术人员所熟知的方法在第二层130中形成孔140；

穿过孔140从第二层130下面除去第一层120；

在参考压力下将第三层150布置在第二层130之上，密封第二层130中的孔140且在膜片110上形成一个密封腔，从而在膜片110顶部上提供参考压力。

[0017]再次参见图3，根据使用本发明的方法，压力传感器的膜片110必须暴露在被测量、记录和分析的介质中是众所周知的。用于从传感器中获得测量结果以用于进一步的分析和/或记录的电子系统也是众所周知的。相应的，一种使用根据本发明特点描述的压力传感器100的新颖方法，可以包括将膜片110的背部暴露于介质的步骤，其中密封在膜片110顶部上腔中的压力能够用来作为测量介质压力的参考压力。

[0018]在操作期间，介质将被施加到膜片110的底面。这种方法仅仅将硅暴露到腐蚀性的介质，如汽车尾气中。这种新颖的方法通过阻止将具有沉积在表面上的非硅材料的硅100的顶部暴露于介质中，提供了一种更加耐用可靠的传感器。

Claims

本发明实施例中独享的权利被要求为如下：
1、一种压力传感器，包括：

具有背部蚀刻膜片的硅基底，该膜片具有顶面、底面和外周；

形成在膜片顶部表面上的第一层，所述第一层面积大于膜片的面积；

形成在第一层上方并在所述顶部表面上的第二层，所述第二层的面积大于第一层的面积，其中在第二层中形成有孔；

然后穿过所述孔将第一层从第二层下面除去，在第二层和膜片顶部之间留下空腔；

在希望的参考压力下形成在第二层上面并在所述顶部表面上的第三层；

其中所述第三层密封第二层中的孔，形成在膜片顶部上提供参考压力的密封腔。
2、如权利要求1所述的压力传感器，其中使用激光或其它本领域技术人员所熟知的方法形成具有精确的位置和尺寸的开口，在第二层中形成孔。
3、如权利要求1所述的压力传感器，其中穿过这些孔除去第一层，留下完整的第二层和在第二层与膜片顶部之间的空腔。
4、如权利要求1所述的压力传感器，其中第三层在参考压力下密封第二层中的孔，从而形成密封腔，并在膜片顶部上提供参考压力。
5、如权利要求1所述的压力传感器，其中介质可以被施加到膜片的底面，由此消除传感器顶部在介质中的暴露。
6、如权利要求1所述的压力传感器，进一步包括与膜片信号通信地连接的电子电路。
7、一种制造压力传感器的方法，包括步骤：

提供具有背部蚀刻膜片的硅基底，该膜片具有底面、顶面和外周；

在硅膜片顶部表面上布置第一层，所述第一层具有大于硅膜片的图案化面积；

在第一层和所述顶部表面上方布置材料不同于第一层的第二层，所述第二层具有大于第一层的图案化面积；

在第二层中形成孔；

除去第一层，由此在第二层下面膜片顶部上形成空腔；

在参考压力下，在第二层和顶部表面上布置第三层，密封第二层中的孔，由此在参考压力下在膜片顶部上形成密封腔。
8、如权利要求7所述的方法，其中用激光或其它本领域技术人员所熟知的方法产生具有精确的位置和尺寸的开口，形成所述穿过第二层的孔。
9、如权利要求7所述的方法，其中穿过这些孔除去第一层，留下完整的第二层和在第二层与膜片顶部之间的空腔。
10、如权利要求7所述的方法，其中第三层在参考压力下密封第二层中的孔，从而产生密封腔，并在膜片顶部上提供参考压力。
11、如权利要求7所述的方法，其中介质可以被施加到膜片的底面，由此消除传感器顶部在介质中的暴露。
12、如权利要求7所述的方法，其中进一步包括与膜片信号通信地连接的电子电路。
13、一种改进压力的传感器的使用方法，该传感器包括：具有底面、顶面和外周的硅膜片，其中底面从背部被蚀刻；在膜片上方的顶部表面上形成并图案化的第一层，所述第一层的面积大于膜片的面积；在第一层上方并在所述顶部表面上形成并图案化的第二层，所述第二层的面积大于第一层的面积；在第二层中形成的孔，穿过这些孔从第二层下面除去第一层，从而在第二层和膜片顶部之间形成空腔；在参考压力下在第二层和顶部表面上形成并图案化的第三层，该第三层密封第二层中的孔，从而在膜片的顶部上形成具有参考压力的密封腔，所述的方法包括步骤：

暴露膜片背部在介质中，其中介质压力可以相对于密封在膜片顶部上的参考压力被测量；

电子地得到从压力传感器读出的压力。