CN101149298A - 硅微谐振式压力传感器及其制作方法 - Google Patents

硅微谐振式压力传感器及其制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种新的硅微谐振式压力传感器及其制作方法。为克服现有技术中存在的易在硅岛根部引起应力集中，谐振结构形状尺寸受限的不足，本发明采用四个对称布置在正方形压力敏感膜片对角线上的正方形硅岛，谐振结构通过该正方形硅岛悬置于正方形压力敏感膜片表面。该谐振结构由四根支撑梁、四个振动叶片及一个中心连接端构成。四根支撑梁和四个振动叶片间隔对称分布于中心连接端的四周，而四根支撑梁的另一端分别置于四个正方形硅岛的上表面，四个振动叶片处于悬置状态。本发明避免了压力敏感膜片变形过程中硅岛根部的应力集中，减小了对谐振结构的形状尺寸限制，增大了谐振结构面积，提高了检测信号幅值，降低了后期检测的难度。

Description

硅微谐振式压力传感器及其制作方法
技术领域
本发明属于传感器技术领域，特别涉及一种硅微谐振式压力传感器及其制作方法。
背景技术
谐振式压力传感器是目前精度最高的压力传感器，为准数字信号输出，其精度主要受结构机械特性的影响，抗干扰能力强，性能稳定，一直是各国研究和开发的重点。
例如英国Greenwood开发并已经由Druck公司商品化的硅微谐振式压力传感器，其敏感部分由谐振结构、矩形硅岛、矩形压力敏感膜片及其四周固定边框四部分构成。其中谐振结构为蝶形或者两个相连的矩形，采用浓硼自停止刻蚀技术得到，它通过两个对称分布的矩形硅岛悬置在矩形压力敏感膜片表面，该矩形硅岛的长边与矩形压力敏感膜片的长边平行。
上述硅微谐振式压力传感器由于其硅岛形状及布置位置的问题，在压力敏感膜片变形过程中易在硅岛根部引起应力集中，而且谐振结构被严格限制在两个矩形硅岛之间，制约了谐振结构面积，造成后期检测困难。
发明内容
为克服现有技术中存在的易在硅岛根部引起应力集中，谐振结构形状尺寸受限的不足，本发明提出了一种新的硅微谐振式压力传感器及其制作方法。
本发明提出的硅微谐振式压力传感器由谐振结构1、正方形硅岛2、正方形压力敏感膜片3及边框4四部分构成。边框4内部固定有正方形压力敏感膜片3，在正方形压力敏感膜片3的对角线上对称布置有四个正方形硅岛2，四个正方形硅岛2的四边与所述的正方形压力敏感膜片3的四边平行或者成45°夹角，四个正方形硅岛2通过分别与之相连的四根支撑梁5将谐振结构1悬置于压力敏感膜片3表面。
该谐振结构1采用一体工艺制作，由四根支撑梁5、四个振动叶片6及一个中心连接端7构成，四根支撑梁5和四个振动叶片6间隔对称分布于中心连接端7的四周，四个振动叶片6处于悬置状态。支撑梁5可以为直梁或者弯梁，其截面可以为矩形、三角形、圆形或者其任意组合形状；振动叶片6可以为矩形、三角形、圆形或者其任意组合形状，而且振动叶片6上可以开有孔或者孔的阵列，该孔可以为矩形、三角形、圆形或者其任意组合形状；中心连接端7可以为矩形、三角形、圆形或者其任意组合形状，而且中心连接端7上可以开有孔或者孔的阵列，该孔可以为矩形、三角形、圆形或者其任意组合形状。
本发明提出的硅微谐振式压力传感器的第一种制作方法包括以下步骤：
a.双面抛光<100>型硅片；
b.上表面进行浓硼扩散，形成自停止层10与结构层11；或者进行浓硼扩散形成自停止层10，外延形成结构层11；
c.下表面进行光刻并刻蚀，形成台阶13；
d.上表面进行光刻并刻蚀，至刻透自停止层10，形成未悬置的谐振结构1；
e.沉积氮化硅，上表面进行光刻并各向异性刻蚀，利用浓硼自停止刻蚀以及凸角刻蚀与补偿技术，得到最终谐振结构1、正方形硅岛2、正方形压力敏感膜片3及其边框4。
f.去掉氮化硅，完成制作。
本发明提出的硅微谐振式压力传感器的第二种制作方法包括以下步骤：
a.双面抛光<100>型第一硅片8；
b.下表面进行光刻并刻蚀，形成台阶13；
c.沉积氮化硅，上表面进行光刻并各向异性刻蚀，形成带有正方形硅岛2的正方形压力敏感膜片3；
d.去掉氮化硅；
e.双面抛光第二硅片9；
f.与第一硅片8上表面进行硅硅键合，减薄第二硅片9；
g.对第二硅片9进行光刻并深反应离子刻蚀，形成谐振结构1，完成制作。
本发明采用四个对称布置在正方形压力敏感膜片对角线上的正方形硅岛，避免了压力敏感膜片变形过程中硅岛根部的应力集中，减小了硅岛对谐振结构的形状尺寸限制，增大了谐振结构面积，提高了检测信号幅值，降低了后期检测的难度。
附图说明
图1是本发明的硅微谐振式压力传感器结构示意图；
图2是实施例一中谐振结构与正方形硅岛的位置关系示意图；
图3是实施例二中谐振结构与正方形硅岛的位置关系示意图；
图4(a)是本发明提出的硅微谐振式压力传感器的第一种制作方法中，步骤a，b完成后的示意图；
图4(b)是本发明提出的硅微谐振式压力传感器的第一种制作方法中，步骤c，d完成后的示意图；
图4(c)是本发明提出的硅微谐振式压力传感器的第一种制作方法中，步骤e，f完成后的示意图；
图5(a)是本发明提出的硅微谐振式压力传感器的第二种制作方法中，步骤a，b，c，d完成后的示意图；
图5(b)是本发明提出的硅微谐振式压力传感器的第二种制作方法中，步骤e，f完成后的示意图；
图5(c)是本发明提出的硅微谐振式压力传感器的第二种制作方法中，步骤g完成后的示意图。
图中：
1.谐振结构    2.正方形硅岛    3.正方形压力敏感膜片    4.边框    5.支撑梁
6.振动叶片    7.中心连接端    8.第一硅片              9.第二硅片
10.自停止层   11.结构层       12.孔                   13.台阶
具体实施方式
实施例一：
参阅图1、图2、图4，硅微谐振式压力传感器由谐振结构1、正方形硅岛2、正方形压力敏感膜片3及边框4四部分构成。边框4内部固定有正方形压力敏感膜片3，在正方形压力敏感膜片3的对角线上对称布置有四个正方形硅岛2，四个正方形硅岛2的四边与所述的正方形压力敏感膜片3的四边平行，四个正方形硅岛2通过分别与之相连的四根支撑梁5将谐振结构1悬置于压力敏感膜片3表面。
该谐振结构1采用一体工艺制作，由四根支撑梁5、四个振动叶片6及一个中心连接端7构成，四根支撑梁5和四个振动叶片6间隔对称分布于中心连接端7的四周，四个振动叶片6处于悬置状态。该支撑梁5为直梁，截面为矩形，振动叶片6主体由矩形和三角形组合构成，中心连接端7主体为矩形。
制作本实施例中所述硅微谐振式压力传感器的具体工艺步骤如下：
(1)双面抛光低电阻率、P型的<100>型硅片；
(2)氧化，去掉上表面的氧化硅；
(3)上表面进行浓硼扩散，形成自停止层10；
(4)去掉上表面的氧化硅；
(5)上表面进行低电阻率、P型外延，形成结构层11，去掉氧化硅；
(6)沉积氮化硅；
(7)下表面进行光刻并反应离子刻蚀，然后进行KOH各向异性刻蚀，形成台阶13；
(8)去掉氮化硅；
(9)上表面进行光刻并反应离子刻蚀，至刻透自停止层10，形成未悬置的谐振结构1；
(10)沉积氮化硅；
(11)上表面进行光刻并反应离子刻蚀，然后进行KOH各向异性刻蚀，利用浓硼自停止刻蚀以及凸角刻蚀与补偿技术，得到最终谐振结构1、正方形硅岛2、正方形压力敏感膜片3及其边框4；
(12)去掉氮化硅，完成制作。
实施例二：
参阅图1、图3、图5，硅微谐振式压力传感器由谐振结构1、正方形硅岛2、正方形压力敏感膜片3及边框4四部分构成。边框4内部固定有正方形压力敏感膜片3，在正方形压力敏感膜片3的对角线上对称布置有四个正方形硅岛2，四个正方形硅岛2的四边与所述的正方形压力敏感膜片3的四边成45°夹角，四个正方形硅岛2通过分别与之相连的四根支撑梁5将谐振结构1悬置于压力敏感膜片3表面。
该谐振结构1采用一体工艺制作，由四根支撑梁5、四个振动叶片6及一个中心连接端7构成，四根支撑梁5和四个振动叶片6间隔对称分布于中心连接端7的四周，四个振动叶片6处于悬置状态。该支撑梁5为直梁，截面为矩形，振动叶片6主体由矩形和三角形组合构成，中心连接端7主体为矩形。
制作本实施例的硅微谐振式压力传感器的具体工艺步骤如下：
(1)双面抛光低电阻率的<100>型第一硅片8；
(2)沉积氮化硅；
(3)下表面进行光刻并反应离子刻蚀，然后进行KOH各向异性刻蚀，形成台阶13；
(4)去掉氮化硅；
(5)沉积氮化硅；
(6)上表面进行光刻并反应离子刻蚀，然后进行KOH各向异性刻蚀，形成带有正方形硅岛2的正方形压力敏感膜片3；
(7)去掉氮化硅；
(8)双面抛光、低电阻率的第二硅片9；
(9)与第一硅片8的上表面进行硅硅键合；
(10)KOH刻蚀，减薄第二硅片9；
(11)第二硅片9进行光刻并深反应离子刻蚀，形成谐振结构1及孔12，完成制作。

Claims (6)

1.一种硅微谐振式压力传感器，其特征在于：边框(4)内部设计有正方形压力敏感膜片(3)，在正方形压力敏感膜片(3)的对角线上对称布置有四个正方形硅岛(2)，四个正方形硅岛(2)通过分别与之相连的四根支撑梁(5)将谐振结构(1)悬置于压力敏感膜片(3)表面；谐振结构(1)是由四根支撑梁(5)、四个振动叶片(6)及一个中心连接端(7)构成，四根支撑梁(5)和四个振动叶片(6)间隔对称分布于中心连接端(7)的四周，四个振动叶片(6)处于悬置状态。
2.如权利要求书1所述的硅微谐振式压力传感器，其特征在于，所述的四个正方形硅岛(2)在原位置与所述的正方形压力敏感膜片(3)的四边平行，或与所述的正方形压力敏感膜片(3)的四边成45°夹角。
3.如权利要求书1所述的硅微谐振式压力传感器，其特征在于，所述的振动叶片(6)的形状是矩形、三角形、圆形或者其任意组合形状。
4.如权利要求书1所述的硅微谐振式压力传感器，其特征在于，所述的中心连接端(7)的形状是矩形、三角形、圆形或者其任意组合形状。
5.一种制作权利要求1～4所述的硅微谐振式压力传感器的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
a.双面抛光<100>型硅片；
b.上表面进行浓硼扩散，形成自停止层(10)与结构层(11)；或者进行浓硼扩散形成自停止层(10)，外延形成结构层(11)；
c.下表面进行光刻并刻蚀，形成台阶(13)；
d.上表面进行光刻并刻蚀，至刻透自停止层(10)，形成未悬置的谐振结构(1)；
e.沉积氮化硅，上表面进行光刻并各向异性刻蚀，利用浓硼自停止刻蚀以及凸角刻蚀与补偿技术，得到最终谐振结构(1)、正方形硅岛(2)、正方形压力敏感膜片(3)及其边框(4)；
f.去掉氮化硅，完成制作。
6.一种制作权利要求1～4所述的硅微谐振式压力传感器的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
a.双面抛光<100>型第一硅片(8)；
b.下表面进行光刻并刻蚀，形成台阶(13)；
c.沉积氮化硅，上表面进行光刻并各向异性刻蚀，形成带有正方形硅岛(2)的正方形压力敏感膜片(3)；
d.去掉氮化硅；
e.双面抛光第二硅片(9)；
f.与第一硅片(8)上表面进行硅硅键合，减薄第二硅片(9)；
g.对第二硅片(9)进行光刻并深反应离子刻蚀，形成谐振结构(1)，完成制作。
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