CN101226850B - 硅微机械压力开关、制作方法及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及硅微机械压力开关、制作方法及其应用。其特征在于所述的压力开关包括上下两个电极，两电极间有二氧化硅作为绝缘层进行隔离，上电极包括空气腔，硅弹性薄膜，节流孔，框架；下电极包括导流孔。其特征在于湿法腐蚀硅可同时形成空气腔和硅弹性薄膜；所有结构都由硅材料构成，便于实现和制动电路的集成。使用了选择性很好的干法刻蚀形成节流孔和框架，能精确控制节流孔的尺寸。将所述的压力开关安装在每一个轮胎中，当轮胎爆胎后，该开关能迅速闭合，从而接通轮胎制动装置电路，使轮胎快速制动。

Description

硅微机械压力开关、制作方法及其应用
技术领域
本发明涉及一种硅微机械压力开关及其制作方法，更确切地说是一种基于MEMS(Micro Electro-Mechanical System)技术的微机械压力开关装置，当轮胎爆胎后，所述的压力开关能迅速闭合，从而接通轮胎制动装置电路，使轮胎快速制动。属微电子机械系统(MEMS)领域。
背景技术
据公安部统计，在中国高速公路上发生的交通事故有70％是由于爆胎引起的，而在美国这一比例则高达80％。目前的胎压监视系统(TPMS)主要用于实时监测轮胎压力，主要有两种解决方案(直接系统和间接系统)。直接式轮胎压力监测系统利用安装在每一个轮胎里的压力传感器直接测量轮胎的压力，并对各轮胎压力进行显示及监控，当轮胎气压太低或有渗漏时，系统会自动报警。间接式轮胎压力监测系统是通过汽车ABS系统的轮速传感器来比较轮胎之间的转速差别，以达到监控胎压的目的。直接式轮胎压力监控系统又分为主动式和被动式两种。主动式系统是采用在硅基上利用MEMS工艺制作电容式或者压阻式压力传感器，将压力传感器安装在每个轮圈上，通过无线射频的方式将信号传输出去，安装在驾驶室里的无线接收装置接收到该压力敏感信号，经过一定的信号处理，显示出当前的轮胎压力。被动式轮胎压力监控系统的传感器是采用声表面波来设计的，这种传感器通过射频电场产生一个声表面波，当这个声表面波通过压电衬底材料表面时，就会产生变化，通过检测声表面波的这个变化，就可以知道轮胎压力的情况。
TPMS产品已经相当成熟，能够经受5-7万公里的使用测试，TPMS传感器是一个集成了半导体压力传感器、半导体温度传感器、数字信号处理单元和电源管理器的片上系统模块。为了强化胎压检测功能，有不少在TPMS传感器模块内还增加了功能芯片使得TPMS传感器不仅能实时检测汽车开动中的轮胎压力和胎内温度的变化，而且还能实现汽车移动即时开机、自动唤醒、节省电能等功能。TPMS的压力传感器都是用基于MEMS技术来设计、生产的，主要有硅集成电容式压力传感器，如飞思卡尔的MPXY8020、MPXY8040；硅压阻式压力传感器，如GE NovaSensor的NPX1、NPXC01746，Infineon SensoNor的SP12、SP12T、SP30。硅压阻式压力传感器是采用高精密半导体电阻应变片组成惠斯顿电桥作为力电变换测量电路。
当前，虽然胎压监视系统得到了广泛地研究，但是用于爆胎后使轮胎制动装置快速、自动接通的装置到目前为止则鲜有实际使用的报道。
发明内容
为了克服现有的胎压监视系统的不足，本发明的目的之一在于提供一种硅微机械压力开关装置，结构如图1所示。该压力开关包括上下两个硅片电极，两电极间有二氧化硅作为绝缘层进行隔离，上硅片电极有封闭空气腔、硅弹性薄膜、节流孔、框架，封闭空气腔上部与硅上顶盖8键合，空气腔的下部与硅弹性薄膜相连，硅弹性薄膜上至少有一个节流孔，下硅片电极上的导流孔正对硅弹性薄膜的中心。其工作原理是，未爆胎时，空气腔中的气压与轮胎中的气压相等，此时硅弹性薄膜的上表面和下表面的气压相等，硅弹性薄膜未变形，因为带有封闭空气腔的上电极与带有导流孔的下电极被二氧化硅所绝缘，所以未爆胎时该开关断开，当爆胎时，因为导流孔的尺寸远大于节流孔的尺寸，所以硅弹性薄膜下表面的压强迅速与大气压相同，硅弹性薄膜上下表面产生压力差，硅弹性薄膜产生变形，从而与下电极硅片接触，开关闭合，闭合一段时间后，硅弹性薄膜的上下表面气压相等，硅弹性薄膜返回原位，开关断开。对于慢漏气，由于节流孔的存在，硅弹性薄膜上下表面建立不起足够的压力差，开关不动作。同时，上电极的框架没有被二氧化硅覆盖，这样开关就不会因边缘的接触而接通。
该压力开关封闭空气腔上面有硅上顶盖，封闭空气腔的下底为正方形的硅弹性薄膜，硅弹性薄膜上至少有一个节流孔位，节流孔位于硅弹性薄膜的边缘，用于控制封闭空气腔中的气体进出；上下电极间由绝缘材料隔离，使上、上电极间有一定间隙，硅弹性薄膜的下表面以及上电极的边缘框架没有被二氧化硅绝缘层覆盖，当封闭空气腔内压力大于腔外压力时，硅弹性薄膜产生变形，与下电极有良好的电接触。同时，下电极硅片上的导流孔正对硅弹性薄膜的中心，导流孔的作用使硅弹性薄膜下方的压强尽快与器件周围的压强相同。
本发明的另一个目的之一是提供所述的压力开关的制作方法，具体工艺步骤包括封闭空气腔和硅弹性薄膜的形成、电接触弹性膜图形的形成、节流孔和导流孔的形成以及上下电极粘合等。具体特征在于：
(1)在抛光的单晶硅片上，高温氧化形成热氧化硅，作为湿法腐蚀的掩模。光刻腔的图形，以光刻胶为掩模，先用加缓冲剂的稀氢氟酸腐蚀氧化硅，然后去胶，以氧化硅为掩模，用KOH在一定温度下湿法腐蚀单晶硅，同时形成空气腔和硅弹性薄膜。
(2)在步骤(1)所用硅片的另一面上，高温氧化形成热氧化硅，光刻电接触弹性膜图形，以光刻胶为掩模，用加缓冲剂的稀氢氟酸腐蚀氧化硅，形成电接触弹性膜图形。
(3)然后使用硅-硅键合技术将上步带有图形的硅片和另一片没有图形的硅片进行键合，这样就形成封闭的空气腔结构。
(4)干法刻蚀键合后的硅片，形成节流孔和框架。
(5)在抛光的另一片硅片上，高温氧化形成热氧化硅，作为湿法腐蚀的掩模。光刻导流孔的图形，以光刻胶为掩模，先用加缓冲剂的稀氢氟酸腐蚀氧化硅，然后去胶，以氧化硅为掩模，用KOH在一定温度下湿法腐蚀单晶硅，形成导流孔。
(6)最后使用硅-硅粘合技术将刻蚀有空气腔的硅片和刻蚀有导流孔的硅片进行粘合，形成最终的器件结构。
本发明所涉及的压力开关的主要用途就是，安装在每一个轮胎中，当轮胎爆胎后，该开关能迅速闭合，从而接通轮胎制动装置电路，使轮胎快速制动。在开关闭合一段时间后，当硅弹性薄膜的上、下表面气压相等时，硅弹性薄膜复位，即开关自动断开。当前的压力开关多为机械式压力开关，其体积较大，而微机械压力开关采用MEMS技术使开关的尺寸减小，所有结构都由硅材料构成，便于将制动装置电路整合到传感器中，真正实现集传感和电路于一体的MEMS系统。
附图说明
图1是本发明提出的微机械压力开关结构剖面图。
图2是具体实施方式所述器件的具体工艺流程。
图2-1空气腔和硅弹性薄膜的形成
图2-2电接触弹性膜图形的形成
图2-3封闭空气腔的形成
图2-4节流孔和框架的形成
图2-5导流孔的形成
图中各数字代表的含义为：
1.硅片1，2.封闭空气腔，3.绝缘层，4.框架，5.节流孔，6.导流孔，7.硅弹性薄膜，
8.硅上顶盖，9.硅片2。
具体实施方式
下面结合本发明所提供的工艺流程，来具体阐明该压力开关的具体结构。
(1)在抛光的单晶硅片1上，高温氧化形成热氧化硅，氧化层厚度为2微米，作为湿法腐蚀的掩模。光刻腔的图形，以光刻胶为掩模，先用加缓冲剂的稀氢氟酸(NH4F∶HF＝7∶1)腐蚀氧化硅，然后去胶，以氧化硅为掩模，用KOH在一定温度下湿法腐蚀单晶硅，形成棱台形的空气腔和正方形的硅弹性薄膜，硅弹性薄膜的线性尺寸为1mm×1mm正方形，见图2-1。
(2)在单晶硅片1的另一面上，高温氧化形成热氧化硅，氧化层厚度为1～2微米，光刻图形、腐蚀形成电接触硅弹性薄膜图形，以光刻胶为掩模，用加缓冲剂的稀氢氟酸腐蚀氧化硅，形成电接触弹性膜图形。见图2-2。
(3)然后使用硅-硅键合技术将硅片1和硅上顶盖进行键合，这样就形成封闭的空气腔结构。见图2-3。
(4)干法刻蚀硅片1，形成节流孔和框架，节流孔的直径2～100um。见图2-4。
(5)在抛光的单晶硅片2上，高温氧化形成热氧化硅，氧化层厚度为1～2微米，作为湿法腐蚀的掩模。光刻导流孔的图形，以光刻胶为掩模，先用加缓冲剂的稀氢氟酸腐蚀氧化硅，然后去胶，以氧化硅为掩模，用KOH在一定温度下湿法腐蚀单晶硅，形成导流孔。见图2-5。
(6)最后使用硅-硅粘合技术将硅片1和硅片2进行粘合，形成最终的硅微机械压力开关，其结构如图1所示。

Claims (9)

1.硅微机械压力开关，由上、下两电极组成，其特征在于封闭空气腔置于上电极中，上、下电极之间由绝缘层隔离，封闭空气腔的上部与硅上顶盖键合；封闭空气腔的下部与硅弹性薄膜相连，硅弹性薄膜上至少有一个节流孔；下电极上有一个导流孔，导流孔的位置与硅弹性薄膜的中心正对。
2.按权利要求1所述的硅微机械压力开关，其特征在于所述的绝缘层为二氧化硅。
3.按权利要求1所述的硅微机械压力开关，其特征在于封闭空气腔内的压力大于腔外压力时，硅弹性薄膜产生变形，与下电极电接触。
4.按权利要求1所述的硅微机械压力开关，其特征在于所述的节流孔位于硅弹性薄膜的边缘，控制封闭空气腔中的气体进出。
5.按权利要求1所述的硅微机械压力开关，其特征在于硅弹性薄膜的下表面及上电极的边缘框架无二氧化硅绝缘层覆盖。
6.按权利要求1或3所述的硅微机械压力开关，其特征在于所述的硅弹性薄膜呈正方形。
7.制备如权利要求1-5中任一项所述的硅微机械压力开关的方法，其特征在于制作的工艺是：
(a)在抛光的单晶硅片(1)上，生长氧化硅，光刻空气腔图形，腐蚀硅形成封闭空气腔和硅弹性薄膜(7)；
(b)步骤(a)所述的单晶硅片(1)的另一面上，热生长氧化硅，光刻图形，腐蚀形成电接触弹性膜图形；
(c)将形成的封闭空气腔的硅片和硅上顶盖进行硅-硅键合，形成封闭空气腔结构；
(d)在硅弹性薄膜上光刻节流孔图形，用干法刻蚀硅，形成节流孔；
(e)在另抛光的单晶硅片上(9)，热生长氧化硅，光刻图形，腐蚀形成导流孔；
(f)将具有封闭空气腔的硅片和刻蚀有导流孔的硅片粘合在一起。
8.根据权利要求7所述的硅微机械压力开关的制作方法，其特征在于采用湿法腐蚀硅，同时形成封闭空气腔和硅弹性薄膜。
9.按权利要求1-5所述的硅微机械压力开关的应用，其特征在于安装在每一轮胎中，当轮胎爆胎后，压力开关迅速闭合，从而接通轮胎制动装置电路，使轮胎快速制动；闭合一段时间后，当硅弹性薄膜的上、下表面气压相等时，硅弹性薄膜复位，开关自动断开。
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