CN102390803A

CN102390803A - 一种高过载、可恢复压力传感器及制造方法

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Publication number: CN102390803A
Application number: CN2011102495753A
Authority: CN
Inventors: 李金华
Original assignee: Changzhou University
Current assignee: CHANGZHOU XIAOGUO INFORMATION SERVICES Co.,Ltd.
Priority date: 2011-08-29
Filing date: 2011-08-29
Publication date: 2012-03-28
Anticipated expiration: 2031-08-29
Also published as: CN102390803B

Abstract

本发明涉及硅基压力传感器，特指一种高过载、高线性度、绝压式、可恢复硅基压力传感器及制造方法。本发明通过压敏电阻排列和凸型梁的放大作用，使本发明制备的硅基压力传感器不经放大的信号输出灵敏度是常规硅基压力传感器的两倍以上，而且可以根据量程选用合适的凸型梁的厚度和宽度比，得到最大信号输出。该发明基于传统硅基压力传感器制备原理，利用微电子器件制造技术和MEMS技术，芯片体积小，成本较低，收益高。

Description

一种高过载、可恢复压力传感器及制造方法

技术领域

本发明涉及硅基压力传感器，特指一种高过载、高线性度、绝压式、可恢复硅基压力传感器及制造方法。

背景技术

压力传感器是常用的压力测量器件，硅基压力传感器利用单晶硅的压阻效应，外加压强使硅片形变，使得硅电阻改变，采录信号，测量外加压强的大小，硅基压力传感器具有小型、廉价、可集成、灵敏度高等优点，但其缺点有：1、过载性能较差，一般只有5－7倍，而且过载后断裂，是不可恢复的；2、在测量范围内的芯片的线性度一般在1～3％左右，更高的线性度需要靠外部补偿实现；3、其电阻用一般的扩散或离子注入方法制备，电阻的温飘较大，不适合高精度压力检测。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有硅基压力传感器的不足，提供一种高过载、高线性度、高精度、可恢复的硅基压力传感器结构设计及其制造方法。

为实现本发明的上述目的采用的技术方案是：

1）选择厚度不均匀小于0.01微米的（100）晶向单晶硅基片；

2）使步骤1所述的单晶硅基片表面生长0.5微米的SiO₂腐蚀保护层，对硅片表面进行光刻，形成方形阱腐蚀窗口，去除窗口SiO₂氧化层，然后用KOH腐蚀液做定向腐蚀，对于1′10⁵~1′10⁶Pa量程的传感器，腐蚀深度在20微米到80微米，方形阱腐蚀完成后去除表面全部氧化层，得到表面有方形腐蚀阱的单晶硅基片；

3）选择表面不平整度小于0.5纳米（100）晶向的P型单晶硅片，去除有机污染和金属离子污染后，氧化0.5微米厚度的SiO₂氧化层，将该氧化后的P型单晶硅片与前述已经形成方形阱且去除表面全部氧化层的单晶硅基片作亲水处理，在氧气氛下将两个作过亲水处理的硅片抛光面相对，即将一片生长SiO₂的抛光面与另一片带方形腐蚀阱的表面相对，使其在氧气氛下吸合后推入石英管，再在1180^oC的H₂/O₂合成水气氛下高温键合2小时，形成结合牢固的键合对；

4）对上述结合牢固的键合对的无腐蚀坑侧硅片进行减薄与抛光后，成为压力传感器的形变片；

5）然后，对方形阱上的形变片光刻，腐蚀，制备凸型梁，根据形变片的面积、厚度，用材料力学板壳理论应力计算，确定凸型梁的宽度和腐蚀深度，凸型梁的宽度为方形腐蚀阱边长的35%~40%，腐蚀深度即凸出高度为未腐蚀时形变片厚度的50%~60%，将减薄后的键合对热氧化，在抛光表面生长0.5微米厚SiO₂层，光刻保护传感器形变片上凸型梁的凸出区域，开出腐蚀窗口，腐蚀凸型梁两边的硅达到需要厚度，形成凸型结构；在SiO₂腐蚀液中剥离表面SiO₂层，光刻出沿凸型梁宽度方向排列的压敏电阻桥窗口，以光刻胶作屏蔽，用离子注入掺杂制备阻值为5~10KΩ的压敏电阻，压敏电阻必须满足R₁=R₂=R₃=R₄ 且同方向排列，R₂，R₃尽量对称靠近凸型梁的X方向上的中线，R₁与R₄相对于凸型梁的X方向上的中线对称，离方形阱边缘的距离为0.05的方形阱边长，将R₁，R₂；R₃和R₄互联，即将R₁，R₂；R₃, R₄分别串联，再并联成电阻桥，在R₁和R₂的相接端与电源的正极连接，R₃和R₄的相接端与电源的负极连接，从R₁与R₂的相接端和R₃与R₄的相接端测到传感器的压敏信号输出，互联线光刻腐蚀后需要作合金化处理，使互联线与压敏电阻形成良好的接触。

所述步骤2）中使步骤1所述的单晶硅基片表面生长0.5微米的SiO₂腐蚀保护层的方法为：将其表面在1000^oC条件下用干氧氧化20分钟，接着用氢氧合成水汽氧化2小时，再干氧氧化30分钟。

所述步骤2）中去除窗口SiO₂氧化层的方法为：在氢氟酸：乙二胺：水＝ 1：1：3 （体积比）的腐蚀液去除窗口SiO₂氧化层。

所述步骤2）中用KOH腐蚀液做定向腐蚀，KOH腐蚀液的质量百分浓度为0.2～0.5%，腐蚀时的温度在50^oC~65^oC。

所述步骤2）中方形阱腐蚀完成后去除表面全部氧化层是指用SiO₂腐蚀液去除表面全部氧化层。

所述步骤3）中在P型单晶硅片表面氧化0.5微米厚度的SiO₂氧化层的方法为：将其表面在1000^oC条件下用干氧氧化20分钟，接着用氢氧合成水汽氧化2小时，再干氧氧化30分钟。

所述步骤3）中将该氧化后的P型单晶硅片与前述已经形成方形阱且去除表面全部氧化层的单晶硅基片作亲水处理的方法为：在硫酸：双氧水＝8：1 （体积比）溶液中煮沸20分做表面亲水处理。

所述步骤4）中对步骤3）中形成的结合牢固的键合对的无腐蚀坑侧硅片进行减薄与抛光的方法为：选用机械减薄机粗减，用抛光法精减，粗减后的键合的单晶硅表面层的最终厚度比量程要求厚度厚100微米，然后用无蜡抛光技术抛光，达到要求厚度和镜面光洁度。

所述步骤5）中对压敏电阻的互接的方法为：需要先蒸发或溅射沉积1.1~1.3微米厚铝膜，设计光刻互联线版图，注意让电源和信号输出压点离开方形阱边缘100微米。

所述步骤5）中合金化处理的条件为：将键合对置于N₂75%（体积分数）+H₂25%（体积分数）的混合气氛中对压敏电阻的互联线做420^oC, 30分合金热处理。

本发明基于传统硅基压力传感器制备原理，结合MEMS技术、薄膜技术、应力放大设计和特殊真空腔制备技术制备硅基压力传感器，其优点是：

1、具有高过载性能，过载度超过量程的50倍以上，比一般硅基压力传感器的过载度5－7倍高得多；

2、具有高线性度性能，通常的高精度压力传感器的线性度需要通过传感器芯片外部的补偿来提高，即使如此，也只能达到1％，本发明制备的硅基压力传感器芯片的线性度不用补偿可以达到0.1％；

3、具有可恢复特性，通常的硅基压力传感器在过载5～7倍时，形变片断裂，传感器损坏无法恢复，本发明制备的高过载硅基压力传感器在压力撤除后，芯片能恢复测试功能；

4、正负压强都可使用，一般的硅基压力传感器都是正压传感器，即只能满足加正向压强使用，本发明制备的硅基压力传感器是绝压式的，正压传感器的量程不受限制，只要调节形变凸型梁的厚度与宽度即可。负压传感器的量程适合在0－-10⁵Pa范围，高过载特性对正压适用，高精度、高线性、高灵敏度特性对正负压都有效；

5、具有较高的灵敏度，由于采用了凸型梁的放大作用，使本发明制备的硅基压力传感器不经放大的信号输出灵敏度是常规硅基压力传感器的两倍以上，而且可以根据量程选用合适的凸型梁的厚度和宽度比，得到最大信号输出。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步简要说明：

图1是硅基压力传感器的截面图；

图2是压敏电阻在凸型梁上的分布图；

图3是压敏电阻桥的连接图；

图4是本发明硅基压力传感器的制备过程的工艺流程示意图；

图5是量程为0～10⁵Pa绝压式传感器的实测正压特性线图，输出信号的非线性度约0.086%；

图6是量程为0～-10⁵Pa绝压式传感器的实测负压特性线图，输出信号的非线性度约0.098%；

1、凸型梁；2、真空腔；3、硅衬底。

具体实施方式

首先选取（100）单晶硅基片，要求做严格的厚度筛选，要求厚度的不均匀（即两面平行度）小于0.01微米，但对厚度的整体偏差没有要求，如果两面平行度达不到要求，必需先做预抛光处理，不能采用有蜡抛光。

对经预抛光处理的符合要求的单晶硅基片，将其表面在1000^oC条件下用干氧氧化20分钟，接着用氢氧合成水汽氧化2小时，再干氧氧化30分钟，使硅基片表面生长0.5微米的SiO₂腐蚀保护层，对硅片表面进行光刻，形成方形阱腐蚀窗口，在氢氟酸：乙二胺：水＝ 1：1：3 （体积比）的腐蚀液去除窗口SiO₂氧化层，然后用KOH腐蚀液做定向腐蚀，KOH腐蚀液的质量百分浓度为0.2～0.5%，腐蚀时的温度在50^oC~65^oC，方形阱的腐蚀深度由传感器的量程、需要的过载倍数和阱的面积等根据板壳理论对硅形变的力学计算得到（Higdon Ohlsen著，易钟煌、周崇芝译，材料力学，高等教育出版社，1985），最后由实验验证确定，实验结果指出，阱的腐蚀深度为硅形变膜的初始厚度（图1中凸型梁的厚度）相当，对应于正压1′10⁵~1′10⁶Pa量程的传感器，深度在20微米到80微米，方形阱腐蚀完成后用SiO₂腐蚀液去除表面全部氧化层，得到表面有方形腐蚀阱的硅片。

然后进行硅片对的高温键合与高过载真空保护腔的制备，高过载真空保护腔有两个作用，首先是实现传感器的高过载保护，当外加压力超过量程较多时，形变梁与真空腔底接触，从而改变了形变梁的应力分布，特别是减小了容易断裂的边缘切变应力，达到过载能力到量程50倍以上且外力撤除，应变片恢复的功能；其次是能实现正负压都能工作的功能，该腔的形成与硅片键合同时进行，不需要抽真空；具体制备工艺如下：选择表面不平整度小于0.5纳米、（100）晶向的平整P型单晶硅片，用微电子器件工艺常用的清洗液去除有机污染和金属离子污染后，用上述同样的氧化条件，氧化0.5微米厚度的SiO₂氧化层。将该氧化片与前述已经形成方形阱且去除表面全部氧化层的硅片作亲水处理，即在硫酸：双氧水＝8：1 （体积比）溶液中煮沸20分做表面亲水处理，在氧气氛下将两个作过亲水处理的硅片抛光面相对，即将一片生长SiO₂的抛光面与另一片带方形腐蚀阱的表面相对，使其在氧气氛下吸合后推入石英管，再在1180^oC的H₂/O₂（氢氧）合成水气氛下高温键合2小时，形成结合牢固的键合对；由于待键合的两片硅片表面有很强的亲水性，所以在互相贴近时能自动吸合，保证在腐蚀阱中充满的是氧气，这样，在高温键合时腔体内的氧气与硅氧化殆尽，形成真空腔，满足绝压式传感器要求（见图1所示）。

考虑到硅氧化时初始速率高需要氧气多，从而保证在高温键合时能把腔中氧气全部消耗，形成绝压结构需要的真空腔体，所以本发明的两片硅片采用一片氧化，另一片裸硅，而不采用两边都是裸硅的方法键合，带氧化层键合的效果比硅-硅键合结合强度高，在两片硅片间即使有微小颗粒，也能因水气的高速氧化速率而结合牢固。

再对上述结合牢固的键合对的上部平整硅片进行减薄与抛光后，成为压力传感器的形变片，键合对的减薄和抛光决定了传感器的量程，选用机械减薄机粗减，用抛光法精减，粗减后的键合的单晶硅表面层的最终厚度比量程要求厚度厚100微米，然后用无蜡抛光技术抛光，达到要求厚度和镜面光洁度；为了减少机械应力的引入，机械减薄时的转速或切削速率必需严格控制，合适的控制以减薄、抛光后不明显提高原硅片的位错密度为条件，为了避免表面单晶层的厚度不均匀性因硅片平行度的差异导入，抛光必需采用真空吸附的无蜡抛光。

然后，对方形阱上的形变片光刻，腐蚀，制备凸型梁（见图1的传感器结构和图4的工艺流程示意），凸型梁可以使形变膜的形变中性轴向下移动^[2]，在应力放大的同时也加大了拉应力保护，提高了过载能力；凸型梁的宽度一般为方形腐蚀阱边长的35%~40%，将减薄后的键合对热氧化，在抛光表面生长0.5微米以上SiO₂层，光刻保护传感器形变膜上凸型梁的凸出区域，开出腐蚀窗口，在前述KOH腐蚀液中用相同条件腐蚀形变膜上凸型梁的凸出区域两边的硅，形成凸型结构，腐蚀深度即凸出高度为未腐蚀时形变片厚度的50%~60%；为了使电阻与引线的等平面，减小热应力，在前述SiO₂腐蚀液中剥离表面SiO₂层，光刻出沿梁宽度方向排列的压敏电阻桥窗口，以光刻胶作屏蔽，用离子注入掺杂制备需要阻值的压敏电阻（在5K~10K欧姆）。压敏电阻必须满足R₁=R₂=R₃=R₄ 且同方向排列， R₂，R₃尽量对称靠近形变膜的中线，R₁与R₄对称地距离方形阱边缘0.05a (a为方形腐蚀阱的边长)，这样能使R₂与R₃的纵横向应力近似相等，传感器的线性度主要由R₁和R₄决定，降低了压敏电阻的设计难度。将R₁，R₂；R₃, R₄分别串联，再并联成电阻桥（如图3所示），在R₁和R₂的相接端与电源的正极（V+）连接，R₃和R₄的相接端与电源的负极（V-）连接，则可以从R₁与R₂的相接端和R₃与R₄的相接端测到传感器的压敏信号输出（Vout），因为形变片的厚度大大小于方形形变片的长度，可作二维简化处理，用板壳理论的伽辽金法（S. 铁摩辛柯，S. 沃诺斯基著，板桥理论翻译组译，板桥理论，科学出版社，1977）计算后，结合硅压敏电阻的计算（鲍敏杭，吴宪平，集成传感器，第三章集成压力传感器，国防工业出版社，1987）, 可以得到该传感器的输出信号大小为：

式中，I₀，R₀为未加压时电阻桥的电流和初始电阻；P为外加压强；p₄₄=100′10^-11m²/N为硅的剪切压阻系数, 表示剪切应力对电阻率张量得影响；K 为压敏电阻的压力灵敏度系数；s_x, s_y分别为R₁或R₄的沿x向和y 方向的剪切应力（两电阻位置对称，剪切应力相等）；h为凸型梁腐蚀深度为初始形变片厚度一半时的形变膜厚度；压敏电阻的互联线用蒸发或溅射沉积的1.1~1.3微米厚的铝膜光刻得到，根据图3，设计光刻互联线版图，注意让电源和信号输出压点离开方形阱边缘100微米左右，避免封装时超声焊接造成芯片损坏，互联线光刻腐蚀后，需要作合金化处理，使互联线与压敏电阻形成良好的接触。条件为在N₂75%+H₂25%的混合气氛中做420^oC, 30分合金热处理。这样，压力传感器的芯片已经制备完成。

本发明的压力传感器的压敏电阻桥设置不是常规的沿方形腔四边，而是先形成凸型梁，把压敏电阻桥的四个电阻设置在凸型梁上，配合凸型梁对应力的放大，使本发明得到的压力传感器的灵敏度比普通硅基压力传感器高一倍以上，也大大提高了传感器的线性度。图5，图6给出了一个绝压式硅基高过载压力传感器的信号输出特性，它的量程为0-10⁵Pa

在量程范围内的正负压非线性度分别为0.086%和0.098%，正压加到6Mpa，样品压力撤除后恢复性能。样品在0^oC 到80^oC时不加外压（由于是真空腔，实际相当于加1个大气压强）输出电压的温飘在400ppm/^oC, 控制压敏电阻的温度系数和改进封装结构，可进一步降低温飘。

从上可见，该传感器样品的各种性能均符合本发明前述的优点。

Claims

1.一种高过载、可恢复压力传感器，其特征在于：采用如下方法制备：

1）选择厚度不均匀小于0.01微米的（100）晶向单晶硅基片；

5）将减薄抛光后的键合对热氧化，在抛光表面生长0.5微米厚SiO₂层，光刻保护传感器形变片上凸型梁的凸出区域，开出腐蚀窗口，腐蚀凸型梁两边的硅达到需要厚度，形成凸型梁结构，凸型梁的宽度和腐蚀深度根据形变片的面积、厚度，用材料力学板壳理论应力计算，凸型梁的宽度为方形腐蚀阱边长的35%~40%，腐蚀深度即凸出高度为未腐蚀时形变片厚度的50%~60%；在SiO₂腐蚀液中剥离表面SiO₂层，光刻出沿凸型梁宽度方向排列的压敏电阻桥窗口，以光刻胶作屏蔽，用离子注入掺杂制备阻值为5~10KΩ的压敏电阻，压敏电阻必须满足R₁=R₂=R₃=R₄ 且同方向排列， R₂，R₃尽量对称靠近凸型梁的X方向上的中线，R₁与R₄相对于凸型梁的X方向上的中线对称，离方形阱边缘的距离为0.05的方形阱边长，将R₁，R₂；R₃和R₄互联，即将R₁，R₂；R₃, R₄分别串联，再并联成电阻桥，在R₁和R₂的相接端与电源的正极连接，R₃和R₄的相接端与电源的负极连接，从R₁与R₂的相接端和R₃与R₄的相接端测到传感器的压敏信号输出，互联线光刻腐蚀后需要作合金化处理，使互联线与压敏电阻形成良好的接触。

2.如权利要求1所述的一种高过载、可恢复压力传感器的制备方法，包括如下步骤：

1）选择厚度不均匀小于0.01微米的（100）晶向单晶硅基片；

3.如权利要求2所述的一种高过载、可恢复的硅基压力传感器的制造方法，其特征在于：所述步骤2）中使步骤1所述的单晶硅基片表面生长0.5微米的SiO₂腐蚀保护层的方法为：将其表面在1000^oC条件下用干氧氧化20分钟，接着用氢氧合成水汽氧化2小时，再干氧氧化30分钟。

4.如权利要求2所述的一种高过载、可恢复压力传感器的制造方法，其特征在于：所述步骤2）中去除窗口SiO₂氧化层的方法为：在氢氟酸：乙二胺：水＝ 1：1：3 （体积比）的腐蚀液去除窗口SiO₂氧化层。

5.如权利要求2所述的一种高过载、可恢复压力传感器的结构设计及制造方法，其特征在于：所述步骤2）中用KOH腐蚀液做定向腐蚀，KOH腐蚀液的质量百分浓度为0.2～0.5%，腐蚀时的温度在50^oC~65^oC。

6.如权利要求2所述的一种高过载、可恢复压力传感器的制造方法，其特征在于：所述步骤2）中方形阱腐蚀完成后去除表面全部氧化层是指用SiO₂腐蚀液去除表面全部氧化层。

7.如权利要求2所述的一种高过载、可恢复的压力传感器的结制造方法，其特征在于：所述步骤3）中在P型单晶硅片表面氧化0.5微米厚度的SiO₂氧化层的方法为：将其表面在1000^oC条件下用干氧氧化20分钟，接着用氢氧合成水汽氧化2小时，再干氧氧化30分钟。

8.如权利要求2所述的一种高过载、可恢复的压力传感器的制造方法，其特征在于：所述步骤3）中将该氧化后的P型单晶硅片与前述已经形成方形阱且去除表面全部氧化层的单晶硅基片作亲水处理的方法为：在硫酸：双氧水＝8：1 （体积比）溶液中煮沸20分做表面亲水处理。

9.如权利要求2所述的一种高过载、可恢复压力传感器的制造方法，其特征在于：所述步骤4）中对步骤3）中形成的结合牢固的键合对的无腐蚀坑侧硅片进行减薄与抛光的方法为：选用机械减薄机粗减，用抛光法精减，粗减后的键合的单晶硅表面层的最终厚度比量程要求厚度厚100微米，然后用无蜡抛光技术抛光，达到要求厚度和镜面光洁度。

10.如权利要求2所述的一种高过载、可恢复压力传感器的制造方法，其特征在于：所述步骤5）中对压敏电阻的互联线的制备方法为：需要先蒸发或溅射沉积1.1~1.3微米厚铝膜，设计光刻互联线版图，注意让电源和信号输出压点离开方形阱边缘100微米；所述步骤5）中合金化处理的条件为：将键合对置于N₂75%（体积分数）+H₂25%（体积分数）的混合气氛中对压敏电阻的互联线做420^oC, 30分合金热处理。