CN102967409A - 一种无线无源电容式气压传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无线无源电容式气压传感器，包括硅衬底、外延单晶硅层、氧化层、金属层和钝化层；硅衬底中设有真空封闭腔，外延单晶硅层连接在硅衬底的顶面；位于真空封闭腔正上方的硅衬底和外延单晶硅层形成可动敏感薄膜层；氧化层连接在外延单晶硅层的顶面，氧化层中设有电容间隙腔；金属层连接在氧化层上方，金属层中设有片上电感；钝化层覆盖在金属层的外表面，钝化层和金属层中设有腐蚀透气孔；在金属层和氧化层中设有下电容极板电引出；对与下电容极板电引出和片上电感底面相连的外延单晶硅层区域进行掺杂，形成磷离子重掺杂扩散区；金属层中还设有上电容极板电引出。该气压传感器采用无线无源元件构成，具有体积小、功耗低的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种气压传感器，具体来说，涉及一种无线无源电容式气压传感器。
背景技术
气压传感器在气象预报、气候分析、环境检测、航空航天等方面发挥着越来越重要的作用。尤其是近年来频繁发生的天气自然灾害使得气压传感器在气象预报和气候分析方面凸显重要性。
随着传感器市场的增长，无线传感器将成为物联网发展的焦点。一方面，由于整个传感器网络中传感器数目异常巨大，随着传感器微型化程度不断加深，传感器引线规模将成为限制传感器网络发展的重要瓶颈；另一方面，在某些密封环境或恶劣环境中，电源线及信号引线不可能使用，因此，这类传感器只能由无线传感器来实现。
发明内容
技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提供一种无线无源电容式气压传感器，该气压传感器采用无线无源元件构成，具有体积小、功耗低的性能优点。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种无线无源电容式气压传感器，该气压传感器包括硅衬底、外延单晶硅层、氧化层、金属层和钝化层；
硅衬底中设有真空封闭腔，位于真空封闭腔正上方的硅衬底上设有硅腐蚀孔，外延单晶硅层连接在硅衬底的顶面；外延单晶硅层延伸至硅衬底的硅腐蚀孔中，位于真空封闭腔正上方的硅衬底和外延单晶硅层形成可动敏感薄膜层，该可动敏感薄膜层作为下电容级板；氧化层连接在外延单晶硅层的顶面，且氧化层中设有电容间隙腔，电容间隙腔与真空封闭腔相对；金属层连接在氧化层的上方，该金属层中设有片上电感；钝化层覆盖在金属层的外表面，钝化层和金属层中设有腐蚀透气孔，腐蚀透气孔与电容间隙腔连通；在金属层和氧化层中设有下电容极板电引出，下电容极板电引出的顶面与金属层的顶面位于同一平面，下电容极板电引出的底面连接在外延单晶硅层的顶面上；对与下电容极板电引出底面和片上电感底面相连的外延单晶硅层区域进行掺杂，形成磷离子重掺杂扩散区；在金属层中还设有上电容极板电引出，上电容极板电引出的底面与氧化层的顶面连接。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.由无线无源元件构成。本发明的气压传感器由电感、电容等全无源元件构成，利用不同的敏感电容检测气压的变化，利用电感耦合输出信号。随着传感器市场的增长，无线传感器将成为物联网发展的焦点。一方面，由于整个传感器网络中传感器数目异常巨大，随着传感器微型化程度不断加深，传感器引线规模将成为限制传感器网络发展的重要瓶颈；另一方面，在某些密封环境或恶劣环境中，电源线及信号引线不可能使用。因此，这类传感器只能由无线传感器来实现。本发明采用由无线无源元件构成的传感器，可以扩展传感器的应用环境。同时，本发明的传感器省去传感器引线，有利于传感器网络的发展。
2.体积小、功耗低、可适用于恶劣环境。现有技术中带电路的无源无线集成传感器具有体积大、功耗大、不能在恶劣环境下工作的缺点。本发明的无线无源电容式气压传感器利用电感、电容等全无源元件电容式气压传感器，通过测量表征气压谐振频率峰值的变化来测量气压，传感器体积小、功耗低、适用于恶劣环境应用。
3.具有一致性好，成本低的优点。本发明是一种与CMOS工艺兼容的无源无线电容式气压传感器，可利用CMOS标准工艺和MEMS关键工艺，制造出该气压传感器，因此该气压传感器具有一致性好，成本低的优点。
附图说明
图1为本发明的纵向剖视图。
图2是图1的A-A剖视图。
图中有：硅衬底1、外延单晶硅层2、氧化层3、金属层4、钝化层5、真空封闭腔6、可动敏感薄膜层7、电容间隙腔8、片上电感9、腐蚀透气孔10、下电容极板电引出11、磷离子重掺杂扩散区12、上电容极板电引出13、上电容极板14。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行详细的说明。
如图1和图2所示，本发明的一种无线无源电容式气压传感器，包括硅衬底1、外延单晶硅层2、氧化层3、金属层4和钝化层5。硅衬底1中设有真空封闭腔6。位于真空封闭腔6正上方的硅衬底1上设有硅腐蚀孔，外延单晶硅层2连接在硅衬底1的顶面。外延单晶硅层2延伸至硅衬底1的硅腐蚀孔中。位于真空封闭腔6正上方的硅衬底1和外延单晶硅层2形成可动敏感薄膜层7。可动敏感薄膜层7作为下电容级板。氧化层3连接在外延单晶硅层2的顶面，且氧化层3中设有电容间隙腔8。电容间隙腔8与真空封闭腔6相对。金属层4连接在氧化层3的上方。金属层4中设有片上电感9。片上电感9的底面通过嵌至在氧化层3中的金属柱，与外延单晶硅层2连接。钝化层5覆盖在金属层4的外表面。钝化层5和金属层4中设有腐蚀透气孔10。腐蚀透气孔10与电容间隙腔8连通。设置腐蚀透气孔10，是为了释放上电容极板14下面的氧化层3，形成电容间隙腔8。在金属层4和氧化层3中设有下电容极板电引出11，下电容极板电引出线11的顶面与金属层4的顶面位于同一平面。下电容极板电引出线11的底面连接在外延单晶硅层2的顶面上。对与下电容极板电引出11底面和片上电感9底面相连的外延单晶硅层2区域进行掺杂，形成磷离子重掺杂扩散区12。磷离子重掺杂扩散区12起到连接外延单晶硅层2和下电容极板电引出11的作用。在金属层4中还设有上电容极板电引出13，上电容极板电引出13的底面与氧化层3的顶面连接。
进一步，如图2所示，片上电感9呈环形，且电容间隙腔8位于片上电感9中部下方。
本发明是一种与CMOS兼容的全无源器件构成的无线无源电容式气压传感器。其中，压敏电容的结构为：位于真空封闭腔6正上方的硅衬底1和外延单晶硅层2形成可动敏感薄膜层7，可动敏感薄膜层7同时作为下电容级板，在下电容极板的下方为真空封闭腔6；由金属层4作为上电容极板14，在下电容极板与上电容极板14之间设有电容间隙腔8，在上电容极板14上设有与电容间隙腔8相通的腐蚀透气孔10。片上电感9由金属层4制作而成。压敏电容与片上电感9串联，构成压敏谐振回路。
上述结构的无线无源电容式气压传感器的工作过程是：当压力变化时，压敏电容产生形变，使得电容间距发生变化，压敏电容大小发生变化；由于压敏电容与片上电感组成LC串联回路，则利用电感耦合输出信号，进而表征气压谐振频率峰值发生变化，检测其变化可实现气压测量。
上述结构的无线无源电容式气压传感器的制作过程为：在N型硅衬底1上各向异性深反应离子刻蚀形成硅腐蚀孔，通过硅腐蚀孔，在衬底硅上各向同性深反应离子刻蚀形成空腔，外延生长单晶硅层2，形成下电容极板和真空密封腔6；磷离子注入，形成磷离子重掺杂扩散区12，用于下电容极板的电引出；化学气相淀积氧化层3并图形化，溅射金属层并图形化，得到上电容极板14、上电容极板电引出13、腐蚀透气孔10（用于释放氧化层），下电容极板电引出11和片上电感9；化学气相淀积氮化硅并图形化作为钝化层5；用缓释氢氟酸腐蚀液通过腐蚀透气孔去除氧化层3，得到下电容极板与上电容极板14之间的电容间隙腔8，完成无源无线电容式气压传感器制作。
上述制作过程完全采用与CMOS工艺的标准兼容，利用电感、电容等全无源元件制备的本发明的MEMS电容式气压传感器，通过测量表征气压谐振频率峰值的变化来测量气压，传感器体积小、功耗低、适用于恶劣环境应用，并且适用于大批量制造。
Claims (2)
1.一种无线无源电容式气压传感器，其特征在于，该气压传感器包括硅衬底（1）、外延单晶硅层（2）、氧化层（3）、金属层（4）和钝化层（5）；
硅衬底（1）中设有真空封闭腔（6），位于真空封闭腔（6）正上方的硅衬底（1）上设有硅腐蚀孔，外延单晶硅层（2）连接在硅衬底（1）的顶面；外延单晶硅层（2）延伸至硅衬底（1）的硅腐蚀孔中，位于真空封闭腔（6）正上方的硅衬底（1）和外延单晶硅层（2）形成可动敏感薄膜层（7），该可动敏感薄膜层（7）作为下电容级板；氧化层（3）连接在外延单晶硅层（2）的顶面，且氧化层（3）中设有电容间隙腔（8），电容间隙腔（8）与真空封闭腔（6）相对；金属层（4）连接在氧化层（3）的上方，该金属层（4）中设有片上电感（9）；钝化层（5）覆盖在金属层（4）的外表面，钝化层（5）和金属层（4）中设有腐蚀透气孔（10），腐蚀透气孔（10）与电容间隙腔（8）连通；在金属层（4）和氧化层（3）中设有下电容极板电引出（11），下电容极板电引出（11）的顶面与金属层（4）的顶面位于同一平面，下电容极板电引出（11）的底面连接在外延单晶硅层（2）的顶面上；对与下电容极板电引出（11）底面和片上电感（9）底面相连的外延单晶硅层（2）区域进行掺杂，形成磷离子重掺杂扩散区（12）；在金属层（4）中还设有上电容极板电引出（13），上电容极板电引出（13）的底面与氧化层（3）的顶面连接。
2.按照权利要求1所述的无线无源电容式气压传感器，其特征在于，1.所述的片上电感（9）呈环形，且电容间隙腔（8）位于片上电感（9）中部下方。
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