CN103983395B - 一种微压力传感器及其制备与检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种流体微压力传感器及其制备与检测方法，传感器从上到下主要包括上薄板、中薄板和基底；其中，中薄板、上薄板以及上支柱形成上空腔，中薄板的上表面或上薄板的下表面设置有上绝缘层；中薄板、基底以及下支柱形成下空腔，中薄板的下表面或基底的上表面设置有下绝缘层。上薄板用作传感器压力敏感元件，中薄板用作传感器的谐振元件，上薄板、中薄板和基底同时用作传感器的上、中和下电极。压力测量时，压力引起的上薄板变形导致中薄板所受静电力发生改变，进而引起中薄板谐振频率发生变化，通过该谐振频率和压力变化之间的关系即可实现压力测量。本发明可提高传感器的灵敏度，便于实现微小压力的高灵敏度检测。

Description

一种微压力传感器及其制备与检测方法

技术领域：

本发明涉及MEMS及压力检测技术，特别涉及一种微压力传感器及其制备与检测方法。

背景技术：

微压力传感器在工业控制、医疗设备、航空航天以及军事武器等领域均有迫切的需求和广泛的应用，因而对该类传感器的研究则具有重要的实用意义。随着MEMS(MicroElectro-MechanicalSystems,微型机械电子系统)技术的发展，MEMS微压力传感器已广泛应用微压力测量领域。MEMS微压力传感器主要有压阻式、电容式以及谐振式三种。压阻式微压传感器主要利用硅的压阻效应，通过硅膜受压后膜内集成惠斯登电桥输出电压的变化来测量被测压力的大小。虽然其输出与输入具有良好的线性关系，但硅薄膜中力敏电阻的温度敏感性要求传感器必须实行温度补偿，增加了测量的复杂性，同时硅膜中惠斯登电桥的集成致使其薄膜厚度难以在保证测量精度条件下进一步减小来实现更小量程和更高灵敏度的压力测量。电容式硅微压力传感器利用电容极距变化将压力变化转化为电容的变化，有着温度稳定性好、灵敏度高、功耗低、进一步微型化变得相对简单等一系列优点，但其输出与输入的线性度较差。谐振式硅微压力传感器是利用谐振梁的固有频率随施加轴向力的改变而改变来实现压力测量的，虽然其测量精度、稳定性和分辨力都优于以上两种，但为了保证较高品质因子，传感器芯片需要真空密封，因而结构复杂，加工难度较大，成本高。

发明内容

基于上述技术现状，本发明提出一种微压力传感器结构及其制备与检测方法，为流体的微小压力测量提供一种全新的检测方法，以实现更小压力的高灵敏度测量。

本发明一种微压力传感器对液体压力进行检测的方法，其特征在于：所述传感器包括上电极、中电极、下电极，上电极和中电极之间形成闭合的上空腔，中电极和下电极之间形成闭合的下空腔，所述上空腔和下空腔的内壁分别设置有上绝缘层和下绝缘层，检测时，在上电极和中电极之间施加偏置电压，在中电极和下电极之间施加交流激励信号，使中电极发生谐振，以该谐振频率作为参考频率，当有压力作用在上电极时或者作用在上电极上的压力发生变化时，引起上电极与中电极之间的电容和静电力发生改变，从而导致中电极的谐振频率发生改变，调节激励信号的频率使中电极再次谐振，通过谐振频率的变化与被测压力之间的关系即可实现被测压力的检测。

所述上电极与中电极之间的静电场力与上电极的变形的平方成反比。

作用在上电极上的压力与中电极的谐振频率为线性关系。

一种微压力传感器，上述方法应用该传感器进行压力检测，所述传感器包括上电极、中电极，以及下电极，所述上电极和中电极之间设置有上支柱，该上支柱以及上电极和中电极环绕形成闭合的上空腔，所述中电极和下电极之间设置有下支柱，该下支柱以及中电极和下电极环绕形成闭合的下空腔，所述上空腔和下空腔的内壁分别设置有上绝缘层和下绝缘层，所述上电极用于承受压力用作压力敏感元件，所述中电极用作谐振元件。

所述上绝缘层的形状与上空腔形状相同，其横向尺寸小于或等于上空腔横向尺寸。

所述下绝缘层形状与上空腔形状相同，其横向尺寸小于或等于下空腔横向尺寸。

所述上绝缘层位于中电极的上表面或上电极的下表面，所述下绝缘层位于中电极的下表面或下电极的上表面。

一种微压力传感器的制备方法，包括以下步骤：

(1)取<111>晶向单晶硅作为第一单晶硅，重掺杂后在第一单晶硅上表面形成二氧氧化硅层，第一单晶硅部分作为基底。

(2)光刻第一单晶硅上表面的二氧化硅层，形成下空腔图形窗口，刻蚀图形窗口内的二氧化硅至下绝缘层厚度，形成下二氧化硅绝缘层，未被刻蚀的二氧化硅层则形成下支柱；

(3)采用化学机械抛光技术抛光下支柱的上表面；同时取SOI片作为第一SOI片，重掺杂顶部单晶硅后抛光其上表面；

(4)采用阳极键合技术，将下支柱的上表面与第一SOI片的顶部单晶硅的上表面进行真空键合，此时形成下空腔，其中，下支柱在下侧，SOI片在上侧；

(5)用四甲基氢氧化铵溶液完全刻蚀掉第一SOI片衬底硅，露出埋层二氧化硅，光刻该埋层二氧化硅形成上空腔图形窗口，刻蚀图形窗口中的二氧化硅至上绝缘层厚度，形成上绝缘层，周围未刻蚀的二氧化硅层形成上支柱；

(6)光刻第一SOI片的埋层二氧化硅形成上空腔图形窗口，刻蚀图形窗口中的二氧化硅至上绝缘层厚度，形成上绝缘层，周围未刻蚀的二氧化硅层形成上支柱；

(7)采用化学机械抛光技术抛光上支柱的上表面；同时取另一SOI最为第二SOI片，并重掺杂顶部单晶硅层，抛光其上表面；

(8)采用阳极键合技术，将上支柱的上表面与第二SOI片的顶部单晶硅层的上表面进行真空键合，形成上空腔。其中上支柱在下侧，第二SOI在上侧；

(9)采用四甲基氢氧化铵溶液完全刻蚀掉第二SOI片衬底硅，再用缓冲刻蚀液快速刻蚀掉第二SOI片的埋层二氧化硅，释放第二SOI片的顶部单晶硅层，形成上薄板。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：本发明一种新型微压力传感器结构及其制备与应用方法，其技术优势在于：

(1)本发明中压力敏感元件(上薄板)和谐振元件(中薄板)为两个独立元件，上薄板和中薄板之间的静电场将压力引起的压力敏感元件变形转化为谐振元件应力状态的变化，从而引起中薄板谐振频率的变化，由于静电场力的变化与敏感元件的变形的平方成反比，因而小的变形会导致较大静电场力变化以及谐振频率变化，因而相对于基于悬臂梁谐振式压力传感器，这种测量机制对压力引起的谐振元件谐振频率变化具有放大效应，有利于提高压力测量的灵敏度。

(2)本发明中压力敏感元件和谐振元件为两个独立元件，其谐振元件上、下两侧均为真空腔，因而可避免阻尼对谐振元件振动性能的影响，可使谐振元件具有极高的品质因子，便于实现高灵敏度压力检测。

(3)由于本发明中谐振元件的振动性能不受阻尼的影响，因而无论是在具有小阻尼的气体环境中还是在具有较大阻尼的流体环境中均可实现压力的高灵敏度、高分辨测量。

(4)相对于压阻式压力传感器，本发明压力敏感元件中无集成的电路系统，因而其厚度可以进一步减小，具有可实现更小压力检测的优势。

附图说明

图1为本发明一种新型微压力传感器结构示意图；

图2为本发明一种新型微压力传感器的一变化结构示意图；

图3为本发明一种新型微压力传感器的另一变化结构示意图；

图4为本发明一种新型微压力传感器的另一变化结构示意图；

图5为本发明一种新型微压力传感器的工作原理图；

图6为本发明一种新型微压力传感器结构在某一结构参数条件下的压力-频率关系图；

图7为本发明一种新型微压力传感器结构的典型制备工艺流程图；

图8为本发明图7所示制备工艺流程的另一部分制备工艺图。

图中的标号如下表示：

具体实施方式

下面结合附图，对本发明一种微压力传感器及其制备与检测方法的典型实施方式进行详细说明：

参见附图1，对本发明的详细结构特征进行说明：

本发明一种微压力传感器，传感器主体结构由上而下依次包括上薄板1、中薄板5和基底9；其中，中薄板5和上薄板1之间设置有上支柱2、上绝缘层3和上空腔4，上支柱2环绕上空腔4的周围，上支柱2上侧和下侧分别为上薄板1和中薄板5，上绝缘3层位于中薄板5的上表面，上薄板1、上支柱2和中薄板5共同围成上空腔4；其中，中薄板5和基底9之间设置有下支柱6、下绝缘层7和下空腔8，下支柱6围绕下空腔8周围，下支柱6上侧和下侧分别为中薄板5和基底9，下绝缘层7位于基底9上表面，中薄板5、下支柱6和基底9共同围绕成下空腔8。

上薄板1为具有良好机械性能的导体或经掺杂后可导电的半导体材料，如单晶硅、多晶硅等材料，同时用作上电极和压力敏感元件，其厚度尺寸决定了压力测量的灵敏度以及最小压力测量极限，厚度尺寸越小灵敏度越高，最小压力测量极限值越小，薄板1有效振动区域(位于上空腔4上侧的可动薄板区域)形状可为方形、矩形、圆形或多边形等。

上支柱2为绝缘性材料，如二氧化硅、氮化硅等，其上侧为上薄板1、下侧为中薄板5，其厚度尺寸决定上薄板1和中薄板5之间的塌陷电压、电容以及传感器的灵敏度等参数，厚度越小，传感器塌陷电压以及工作偏置电压越小、功耗越小、灵敏度越高；其横向尺寸应保证较好的结构强度，至少为40um。

上绝缘层3位于中薄板5上表面，为二氧化硅、氮化硅等绝缘性材料，用来实现上薄板1和中薄板5之间的电绝缘，其厚度尺寸应在保证具有良好绝缘性的前提下尽量小，以减小对上薄板1和中薄板5相关性能的影响，其横向尺寸等于或小于上空腔4的横向尺寸。

上空腔4为真空腔，由上薄板1、上支柱2和中薄板5共同围绕而成，其形状可为方形、矩形、圆形或多边形等。

中薄板5为具有良好机械性能的导体或掺杂后可导电的半导体材料，如单晶硅、多晶硅等材料，同时用作中电极和谐振元件，其厚度尺寸和横向尺寸共同决定了其固有谐振频率，可根据设计需要确定；厚度尺寸越小，灵敏度越高。

下支柱6为绝缘性材料，如二氧化硅、氮化硅等，其上侧为中薄板5、下侧为基底9，其横向尺寸应保证较好的结构强度，至少为40um。

下绝缘层7位于基底9上表面，为二氧化硅、氮化硅等绝缘性材料，用来实现中薄板5和基底9之间的电绝缘，其厚度尺寸应在保证具有良好绝缘性的前提下尽量小，其横向尺寸等于或小于下空腔8的横向尺寸。

下空腔8为真空腔，由中薄板5、下支柱6和基座9共同围绕而成，其形状可为方形、矩形、圆形或多边形等。

基底9为单晶硅或多晶硅材料，重掺杂后用作下电极，用于支撑和承载整个传感器结构。

图2为本发明基本结构的另一变化结构：上绝缘层3仅覆盖中薄板5的中间区域，形状与上空腔4形状相同，其横向尺寸应大于或等于上空腔4横向尺寸的10％，下绝缘层7只覆盖基底9的中间区域，其横向尺寸应大于或等于下空腔8横向尺寸的10％，其他结构特征与图1相同。

图3为本发明基本结构的另一变化结构：上绝缘层3覆盖上薄板1的下表面，下绝缘层7覆盖基底9的上表面，其他结构特征与图1相同。

图4为本发明基本结构的另一变化结构：上绝缘层3仅覆盖上薄板1下表面的中间区域，形状与上空腔4形状相同，其横向尺寸应大于或等于上空腔4横向尺寸的10％，下绝缘层7只覆盖基底9的上表面中间区域，其横向尺寸应大于或等于下空腔8横向尺寸的10％，其他结构特征与图1相同。

在以上各种变形结构中，上下绝缘层均是相同的设计，也就是说，①上绝缘层的长度与下绝缘层的长度必须相同；②上绝缘层位于上空腔的顶部内壁时，下绝缘层必然位于下空腔的顶部内壁，然而在其他实施例中，也可以采用其他的变形结构，只要保证在上电极和中电极之间设置有第一绝缘层，在中电极和下电极之间设置有第二绝缘层即可。

参见图5，对本发明传感器结构的具体应用方法进行详细说明：

本发明用于压力测量时，在上薄板1和中薄板5之间施加偏置电压U_bias，在中薄板5和基底9之间施加交流激励信号U_ac使中薄板发生谐振，并将该谐振频率作为参考频率，当有压力作用在上薄板1时或作用在上薄板1的压力发生变化时，上薄板的变形发生改变从而引起上薄板1与中薄板5之间的电容和静电力发生改变，最终导致中薄板5的谐振频率发生改变，调节激励信号的频率使中薄板再次谐振，记录该谐振频率，再通过谐振频率的变化与被测压力之间的函数关系即可求得被测压力。

图6为图1所示结构在一组具体结构参数条件下，通过ANSYS模拟手段得到的压力与谐振频率之间的变化关系图。从图可见，压力和谐振频率之间具有极好的线性关系，证明了该结构用于压力测量的可行性。图6所示压力灵敏度和压力范围仅为本发明的一个案例，用于说明本发明结构和测量原理的可行性。传感器的压力灵敏度和测量范围决定于其结构参数，可根据实际测量需求进行设计。

本发明一种微压力传感器，其主要性能参考参数为：

测量对象：流体压力

上、中薄板有效直径：5μm～200μm

上、中薄板厚度：0.06μm～6μm

上支柱厚度：0.15μm～6μm

下支柱厚度：0.15μm～4μm

上、下绝缘层厚度：0.04μm～0.12μm

上、下空腔高度：0.08μm～5μm

压力测量范围：kPa级或更小，由具体参数确定

压力测量灵敏度：≥100kHz/kPa，具体压力灵敏度由结构参数确定。

参见图7，对本发明一种微压力传感器的典型制备工艺流程进行详细说明：

(1)取<111>晶向单晶硅作为第一单晶硅，重掺杂后采用干法或湿法热氧化技术在第一单晶硅上表面形成二氧氧化硅层10，未被氧化的第一单晶硅部分作为基底9。

(2)光刻第一单晶硅上表面的二氧化硅层，形成下空腔图形窗口，刻蚀图形窗口内的二氧化硅至下绝缘层厚度，形成二氧化硅绝缘层，即下绝缘层7，未被刻蚀的二氧化硅层则形成下支柱6。

(3)采用化学机械抛光技术抛光下支柱6的上表面；同时取第一SOI片，重掺杂顶部单晶硅后抛光其上表面。

(4)采用阳极键合技术，将下支柱的上表面与第一SOI片的顶部单晶硅的上表面进行真空键合，此时形成下空腔8。其中，下支柱在下侧，第一SOI片在上侧。

(5)用四甲基氢氧化铵(TMAH)溶液完全刻蚀掉第一SOI片衬底硅，露出埋层二氧化硅11。

(6)光刻埋层二氧化硅11形成上空腔图形窗口，刻蚀图形窗口中的二氧化硅至上绝缘层厚度，形成上绝缘层3，周围未刻蚀的二氧化硅层形成上支柱2。

(7)采用化学机械抛光技术抛光上支柱2的上表面；同时取第二SOI片，并重掺杂顶部单晶硅层，抛光其上表面。

(8)采用阳极键合技术，将上支柱2的上表面与第二SOI片的顶部单晶硅层的上表面进行真空键合，形成上空腔4。其中上支柱2在下侧，第二SOI片在上侧。

(9)采用四甲基氢氧化铵(TMAH)溶液完全刻蚀掉第二SOI片衬底硅，再用20:1的缓冲刻蚀液在最短的时间内刻蚀掉第二SOI片的埋层二氧化硅，释放第二SOI片的顶部单晶硅层，形成上薄板1。

参见图8，图7所述制备工艺步骤的第(1)、(2)和(6)步的工艺还可为：

(1)取<111>晶向单晶硅作为第一单晶硅，重掺杂后采用化学气相沉积(LPCVD)技术在第一单晶硅上表面沉积二氧化硅层10，掺杂后的第一单晶硅作为基底9。

(2)光刻第一单晶硅上表面的二氧化硅层10，形成下空腔图形窗口，刻蚀图形窗口内的二氧化硅至下绝缘层厚度，再次光刻二氧化硅层，刻蚀二氧化硅形成位于第一单晶硅中部区域的块状二氧化硅下绝缘层，即下绝缘层7，未被刻蚀的二氧化硅层则形成下支柱6。

(6)光刻第一SOI片的埋层二氧化硅11形成上空腔图形窗口，刻蚀图形窗口中的二氧化硅至上绝缘层厚度，再次光刻二氧化硅层，刻蚀二氧化硅形成位于第一SOI片顶层单晶硅片5中部区域的块状二氧化硅上绝缘层3，周围未刻蚀的二氧化硅层形成上支柱2。

通过工艺步骤(1)，(2)和(6)变化后所形成的传感器结构如图2所示。

本发明不限于上述所述实施方式，所述上、下绝缘层可同时位于中薄板上，所述上、下电极可为金属导体材料(如金、铝等材料)，分别设置于上薄板的上表面和者基底的下表面，上、下电极可只覆盖上薄板、基底的中部区域。所述制备工艺不限于上述工艺流程，还可根据实际结构需要及工艺条件进行设计。另外，本发明所述传感器结构为一传感器单元，在实际应用中可多个传感单元组成阵列形式使用，传感器单元数量和所形成的阵列形状可根据测量要求、加工工艺条件、成本自行设计，一般该设计较为简单、成熟，此处不再论述。此外，应用时还应考虑设计最后的封装结构，以防止测量环境腐蚀性流体对传感器结构腐蚀和破坏等。

以上所述仅为本发明的一种实施方式，不是全部或唯一的实施方式，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。

Claims (8)

1.一种微压力传感器对流体压力进行检测的方法，其特征在于：所述传感器包括上电极、中电极、下电极，上电极和中电极之间形成闭合的上空腔，所述上电极的下表面或中电极的上表面设置有上绝缘层，中电极和下电极之间形成闭合的下空腔，所述中电极的下表面或下电极的上表面设置有下绝缘层，检测时，在上电极和中电极之间施加偏置电压，在中电极和下电极之间施加交流激励信号，使中电极发生谐振，以该谐振频率作为参考频率，当有压力作用在上电极时或者作用在上电极上的压力发生变化时，引起上电极与中电极之间的电容和静电力发生改变，从而导致中电极的谐振频率发生改变，调节激励信号的频率使中电极再次谐振，通过谐振频率的变化与被测压力之间的关系即可实现被测压力的检测。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：作用在上电极上的压力与中电极的谐振频率为线性关系。

3.一种微压力传感器，根据权利要求1所述的方法应用该传感器进行压力检测，其特征在于：所述传感器包括上电极、中电极，以及下电极，所述上电极和中电极的之间设置有上支柱，该上支柱以及上电极和中电极环绕形成闭合的上空腔，所述中电极和下电极的之间设置有下支柱，该下支柱以及中电极和下电极环绕形成闭合的下空腔，所述上空腔和下空腔的内壁分别设置有上绝缘层和下绝缘层，所述上电极用于承受压力用作压力敏感元件，所述中电极用作谐振元件。

4.如权利要求3所述的微压力传感器，其特征在于：所述上绝缘层的形状与空腔形状相同，其横向尺寸小于或等于上空腔横向尺寸。

5.如权利要求3所述的微压力传感器，其特征在于：所述下绝缘层形状与空腔形状相同，其横向尺寸小于或等于下空腔横向尺寸。

6.如权利要求3所述的微压力传感器，其特征在于：所述上绝缘层位于中电极的上表面或上电极的下表面，所述下绝缘层位于中电极的下表面或下电极的上表面。

7.一种权利要求3所述的微压力传感器的制备方法，包括以下步骤：

(1)取<111>晶向单晶硅作为第一单晶硅，重掺杂后采用热氧化技术在第一单晶硅上表面形成二氧化硅层，未被氧化的第一单晶硅部分作为基底；

(2)光刻第一单晶硅上表面的二氧化硅层，形成下空腔图形窗口，刻蚀图形窗口内的二氧化硅至下绝缘层厚度，形成下二氧化硅绝缘层，未被刻蚀的二氧化硅层则形成下支柱；

(3)采用化学机械抛光技术抛光下支柱的上表面；同时取SOI片作为第一SOI片，重掺杂顶部单晶硅后抛光其上表面；

(4)采用阳极键合技术，将下支柱的上表面与第一SOI片的顶部单晶硅的上表面进行真空键合，此时形成下空腔；其中，下支柱在下侧，SOI片在上侧；

(5)用四甲基氢氧化铵溶液完全刻蚀掉第一SOI片衬底硅，露出埋层二氧化硅；

(6)光刻第一SOI片的埋层二氧化硅，形成上空腔图形窗口，刻蚀图形窗口中的二氧化硅至上绝缘层厚度，形成上绝缘层，周围未刻蚀的二氧化硅层形成上支柱；

(7)采用化学机械抛光技术抛光上支柱的上表面；同时取另一SOI片作为第二SOI片，并重掺杂顶部单晶硅层，抛光其上表面；

(8)采用阳极键合技术，将上支柱的上表面与第二SOI片的顶部单晶硅层的上表面进行真空键合，形成上空腔；其中上支柱在下侧，第二SOI片在上侧；

(9)采用四甲基氢氧化铵溶液完全刻蚀掉第二SOI片衬底硅，再用缓冲刻蚀液在最短的时间内刻蚀掉第二SOI片的埋层二氧化硅，释放第二SOI片的顶部单晶硅层，形成上薄板。

8.一种权利要求3所述的微压力传感器的制备方法，包括以下步骤：

(1)取<111>晶向单晶硅作为第一单晶硅，重掺杂后采用化学气相沉积技术在第一单晶硅上表面沉积二氧化硅层，掺杂后的第一单晶硅作为基底；

(2)光刻第一单晶硅上表面的二氧化硅层，形成下空腔图形窗口，刻蚀图形窗口内的二氧化硅至下绝缘层厚度，接着，再次光刻二氧化硅层，刻蚀二氧化硅形成位于第一单晶硅中部区域的块状二氧化硅下绝缘层，未被刻蚀的二氧化硅层则形成下支柱；

(3)采用化学机械抛光技术抛光下支柱的上表面；同时取SOI片作为第一SOI片，重掺杂顶部单晶硅后抛光其上表面；

(4)采用阳极键合技术，将下支柱的上表面与第一SOI片的顶部单晶硅的上表面进行真空键合，此时形成下空腔；其中，下支柱在下侧，SOI片在上侧；

(5)用四甲基氢氧化铵溶液完全刻蚀掉第一SOI片衬底硅，露出埋层二氧化硅；

(6)光刻第一SOI片的埋层二氧化硅，形成上空腔图形窗口，刻蚀图形窗口中的二氧化硅至上绝缘层厚度，再次光刻二氧化硅层，刻蚀二氧化硅形成位于第一SOI片顶层单晶硅片中部区域的块状二氧化硅上绝缘层，周围未刻蚀的二氧化硅层形成上支柱；

(7)采用化学机械抛光技术抛光上支柱的上表面；同时取另一SOI片作为第二SOI片，并重掺杂顶部单晶硅层，抛光其上表面；

(8)采用阳极键合技术，将上支柱的上表面与第二SOI片的顶部单晶硅层的上表面进行真空键合，形成上空腔；其中上支柱在下侧，第二SOI片在上侧；

(9)采用四甲基氢氧化铵溶液完全刻蚀掉第二SOI片衬底硅，再用缓冲刻蚀液在最短的时间内刻蚀掉第二SOI片的埋层二氧化硅，释放第二SOI片的顶部单晶硅层，形成上薄板。