CN104697681A - 一种带自检测装置的压阻式压力传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带自检测装置的压阻式压力传感器，包括玻璃基板、自检测电极、硅衬底、腐蚀停止层、外延单晶硅层、压阻条、钝化层和金属引线；硅衬底中设有真空密封腔；自检测电极连接在玻璃基板上，外延单晶硅层生长在腐蚀停止层的上方；在外延单晶硅层进行磷离子轻掺杂，形成压阻条；与压阻条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；钝化层覆盖在外延单晶硅层表面；金属引线的下部伸入钝化层的电极引出孔中，与磷离子重掺杂扩散区形成欧姆接触；压阻条构成惠斯通电桥。该压力传感器利用静电力模拟实际检测中的压力值，能够快速实现压力值的改变，在分析传感器性能时，具有更高效率。同时还提供传感器制备方法，简单易行。

Description

一种带自检测装置的压阻式压力传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种压力传感器，具体来说，涉及一种带自检测装置的压阻式压力传感器及其制备方法。

背景技术

压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，其广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业。目前市面上主流的压力传感器为压阻式压力传感器。在一个传感器正式地投入工业实践应用之前，必须先进行测试、标定等一系列环节来研究传感的性能。传统的检测方法是将压力传感器放置在气压箱，通过设定压力值来模拟实际测量环境。但这传统的方法存在一个弊端，设定的压力值不能剧变，当需要从一个压力值变化到另一个压力值时，往往需要经过很长的变化时间。

发明内容

技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提供一种带自检测装置的压阻式压力传感器，利用静电力模拟实际检测中的压力值，能够快速实现压力值的改变，在分析传感器性能时，具有更高的效率。同时还提供该传感器的制备方法，简单易行。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种带自检测装置的压阻式压力传感器，该压力传感器包括玻璃基板、自检测电极、硅衬底、腐蚀停止层、外延单晶硅层、压阻条、钝化层和金属引线；硅衬底中设有真空密封腔，硅衬底的下部和玻璃基板通过阳极键合，腐蚀停止层生长在硅衬底的上方；真空密封腔的底面为玻璃基板的顶面，真空密封腔的顶面为腐蚀停止层的底面；自检测电极连接在玻璃基板上，且自检测电极位于真空密封腔中，外延单晶硅层生长在腐蚀停止层的上方，位于真空密封腔正上方的腐蚀停止层和外延单晶硅层形成可动敏感薄膜层，非位于真空密封腔正上方的腐蚀停止层和外延单晶硅层形成不可动敏感薄膜层；在外延单晶硅层进行磷离子轻掺杂，形成压阻条；与压阻条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；钝化层覆盖在外延单晶硅层表面，钝化层中设有电极引出孔；金属引线的下部伸入钝化层的电极引出孔中，与磷离子重掺杂扩散区形成欧姆接触；压阻条通过金属引线相连，构成惠斯通电桥。

进一步，所述的腐蚀停止层由氧化硅构成。

进一步，所述的钝化层由二氧化硅层和氮化硅层组成，二氧化硅层生长在外延单晶硅层和氮化硅层之间。

进一步，所述的四个压阻条位于可动敏感薄膜层中，且位于外延单晶硅层的四周边缘的中心处。

一种带自检测装置的压阻式压力传感器的制备方法，包括以下步骤：

第一步，在双面抛光的硅衬底一面热氧化生成一层二氧化硅作为腐蚀停止层；

第二步：在腐蚀停止层上外延一层单晶硅层，作为外延单晶硅层；

第三步：在外延单晶硅层选择性地进行磷离子轻掺杂，形成压阻条，在与压阻条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；

第四步：在外延单晶硅层表面生长二氧化硅层和氮化硅层，作为钝化层，光刻钝化层中，形成电极引出孔；

第五步：在钝化层表面溅射金属，光刻图形化，形成金属引线，金属引线通过钝化层中的电极引出孔与磷离子重掺杂扩散区形成欧姆接触，压阻条通过金属引线相连，构成惠斯通电桥；

第六步：在硅衬底的另一面进行各项异性刻蚀，形成空腔；

第七步：在玻璃基板上溅射一层金属，作为自检测电极；

第八步，将硅衬底和玻璃基板进行阳极键合，形成真空密封腔。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：测试方便、效率高。利用在自检测电极和单晶硅层施加电压产生的静电力来方便地模拟实际检测中的压力值，具有更高的效率。该压阻式压力传感器采用自检测装置，当在自检测电极和外延单晶硅层施加电压时，两者之间产生的静电力使得可动敏感膜发生弯曲，位于可动敏感膜上的压阻条由于受到力的作用，电阻值发生改变，变化的电阻导致通过惠斯通电桥输出的电压发生变化，检测其变化可以实现压力测量。本发明方便地利用静电力模拟实际检测中的压力值，在分析传感器的性能时，具有更高的效率。

附图说明

图1为本发明的剖视图。

图2为本发明中制备方法的第一步的结构示意图。

图3是本发明中制备方法的第二步的结构示意图。

图4是本发明中制备方法的第三步的结构示意图。

图5是本发明中制备方法的第四步的结构示意图。

图6是本发明中制备方法的第五步的结构示意图。

图7是本发明中制备方法的第六步的结构示意图。

图8是本发明中制备方法的第七步的结构示意图。

图9是本发明中制备方法的第八步的结构示意图。

图中有：玻璃基板1、自检测电极2、硅衬底3、腐蚀停止层4、外延单晶硅层5、压阻条6、钝化层7、金属引线8、真空密封腔9、可动敏感薄膜层10和磷离子重掺杂扩散区11、不可动敏感薄膜层12。

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所示，本发明的一种带自检测装置的压阻式压力传感器，包括玻璃基板1、自检测电极2、硅衬底3、腐蚀停止层4、外延单晶硅层5、钝化层7和金属引线8。硅衬底3中设有真空密封腔9，硅衬底3的下部和玻璃基板1通过阳极键合，腐蚀停止层4生长在硅衬底3的上方。真空密封腔9的底面为玻璃基板1的顶面，真空密封腔9的顶面为腐蚀停止层4的底面。自检测电极2连接在玻璃基板1上，且自检测电极2位于真空密封腔9中。外延单晶硅层5生长在腐蚀停止层4的上方。位于真空密封腔9正上方的腐蚀停止层4和外延单晶硅层5形成可动敏感薄膜层10。非位于真空密封腔9正上方的腐蚀停止层4和外延单晶硅层5构成不可动敏感薄膜层12。也就是说，将腐蚀停止层4和外延单晶硅层5视为一个整体时，它包括可动敏感薄膜层10和不可动敏感薄膜层12两部分，其中，可动敏感薄膜层10位于真空密封腔9正上方。不可动敏感薄膜层12位于可动敏感薄膜层10的周边，且不位于真空密封腔9正上方。在外延单晶硅层5进行磷离子轻掺杂，形成压阻条6。与压阻条6相连的外延单晶硅层5区域进行掺杂，形成磷离子重掺杂扩散区11。钝化层7覆盖在外延单晶硅层5表面，钝化层7中设有电极引出孔。金属引线8的下部伸入钝化层7的电极引出孔中，与磷离子重掺杂扩散区11形成欧姆接触；压阻条6通过金属引线8相连，构成惠斯通电桥。惠斯通电桥为本领域的常用结构。

进一步，所述的腐蚀停止层4由氧化硅构成。在腐蚀硅衬底3形成真空密封腔9时，由于腐蚀液腐蚀氧化硅的速率低，因此可以作为腐蚀停止层4。同时，氧化硅的制备较为简单。

进一步，所述的钝化层7由二氧化硅层和氮化硅层组成，二氧化硅层生长在外延单晶硅层5和氮化硅层之间。用二氧化硅层和氮化硅层作为钝化层的主要作用是保护芯片，提高器件的可靠谱性和稳定性。

进一步，所述的四个压阻条6位于真空密封腔9上方的外延单晶硅层5的四周边缘的中心处。四个压阻条6位于可动敏感薄膜层10中的外延单晶硅层5，金属引线8位于不可动敏感薄膜层12中。若金属引线8位于可动敏感薄膜层10，当可动敏感薄膜层10受压力作用时，位于其上面的金属引线8也会产生形变，长期的形变会导致器件的可靠性变差，同时，压力也会使得金属引线8的电阻发生变化，导致测量结果的不准确。压阻条6和金属引线8通过磷离子重掺杂区相连。

本发明中，重掺杂的扩散区11的作用是为了和金属引线形成欧姆接触，降低接触电阻。压阻条6为轻掺杂的作用是形成压阻条，重掺杂的作用是形成欧姆接触。

本发明是一种与COMS兼容的带自检测装置的压阻式压力传感器。外延单晶硅层5和自检测电极2构成自检测装置。外延单晶硅层5作为自检测装置的上电极，自检测电极2作为自检测装置的下电极。位于真空封闭腔9正上方的腐蚀停止层4和外延单晶硅层5形成可动敏感薄膜层10。在外延单晶硅层5选择性地进行磷离子轻掺杂，以形成压阻条6。压阻条6通过金属引线8相连，构成惠斯通电桥。腐蚀停止层4用于作为腐蚀空腔时的边界。

上述结构的带自检测装置的压阻式压力传感器的工作过程是：当在自检测电极2和外延单晶硅层5施加电压时，两者之间产生的静电力，使得可动敏感薄膜层10发生弯曲，位于可动敏感薄膜层10上的压阻条6由于受到力的作用，电阻值发生改变。因为压阻条6通过金属引线8构成惠斯通电桥，所以变化的电阻导致通过惠斯通电桥输出的电压发生变化，检测惠斯通电桥输出的电压，可以实现压力测量。本发明非常方便地利用静电力模拟实际检测中的压力值，在分析传感器的性能时，具有更高的效率。尤其是可以随时改变在自检测电极2和外延单晶硅层5施加的电压大小，且该电压的改变，能够快速使可动敏感薄膜层10发生形状变化，相比较于传统设定压力的检测方法，该方法更快更具有效率。

上述结构的带自检测装置的压阻式压力传感器的制作过程为：

第一步，如图2所示，在双面抛光的硅衬底3一面热氧化生成一层二氧化硅作为腐蚀停止层4，用于作为腐蚀空腔时的边界。

第二步：如图3所示，在腐蚀停止层4上外延一层单晶硅层，作为外延单晶硅层5。该外延单晶硅层5作为自检测装置的上电极。腐蚀停止层4和外延单晶硅层5作为压力传感器的可动敏感薄膜层10。

第三步：如图4所示，在外延单晶硅层5选择性地进行磷离子轻掺杂，形成压阻条6，在与压阻条6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11。

第四步：如图5所示，在外延单晶硅层5表面生长二氧化硅层和氮化硅层，作为钝化层7，光刻钝化层7中，形成电极引出孔。电极引出孔位于第三步掺杂的磷离子重掺杂扩散区11的正上方。

第五步：如图6所示，在钝化层7表面溅射金属，例如溅射铝，光刻图形化，形成金属引线8，金属引线8通过钝化层7中的电极引出孔与磷离子重掺杂扩散区11形成欧姆接触，压阻条6通过金属引线8相连，构成惠斯通电桥。

第六步：如图7所示，在硅衬底3的另一面进行各项异性刻蚀，形成空腔。第七步：如图8所示，在玻璃基板1上溅射一层金属，作为自检测电极2。

第八步，如图9所示，将硅衬底3和玻璃基板1进行阳极键合，形成真空密封腔9。自检测装置的上电极和下电极均从传感器的上方引出，至此完成传感器的制作。

本发明的压阻式压力传感器，采用自检测装置，当在自检测电极和外延单晶硅层施加电压时，两者之间产生的静电力使得可动敏感薄膜层发生弯曲，位于可动敏感薄膜层上的压阻条由于受到力的作用，电阻值发生改变，变化的电阻导致通过惠斯通电桥输出的电压发生变化，检测其变化可以实现压力测量。本发明方便地利用静电力模拟实际检测中的压力值，在分析传感器的性能时，具有更高的效率。

Claims (6)

1.一种带自检测装置的压阻式压力传感器，其特征在于，该压力传感器包括玻璃基板（1）、自检测电极（2）、硅衬底（3）、腐蚀停止层（4）、外延单晶硅层（5）、压阻条（6）、钝化层（7）和金属引线（8）；

硅衬底（3）中设有真空密封腔（9），硅衬底（3）的下部和玻璃基板（1）通过阳极键合，腐蚀停止层（4）生长在硅衬底（3）的上方；真空密封腔（9）的底面为玻璃基板（1）的顶面，真空密封腔（9）的顶面为腐蚀停止层（4）的底面；自检测电极（2）连接在玻璃基板（1）上，且自检测电极（2）位于真空密封腔（9）中；外延单晶硅层（5）生长在腐蚀停止层（4）的上方，位于真空密封腔（9）正上方的腐蚀停止层（4）和外延单晶硅层（5）形成可动敏感薄膜层（10）；非位于真空密封腔9正上方的腐蚀停止层4和外延单晶硅层5构成不可动敏感薄膜层（12）；在外延单晶硅层（5）进行磷离子轻掺杂，形成压阻条（6）；与压阻条（6）相连的外延单晶硅层（5）区域进行掺杂，形成磷离子重掺杂扩散区（11）；钝化层（7）覆盖在外延单晶硅层（5）表面，钝化层（7）中设有电极引出孔；金属引线（8）的下部伸入钝化层（7）的电极引出孔中，与磷离子重掺杂扩散区（11）形成欧姆接触；压阻条（6）通过金属引线（8）相连，构成惠斯通电桥。

2.按照权利要求1所述的带自检测装置的压阻式压力传感器，其特征在于，所述的腐蚀停止层（4）由氧化硅构成。

3.按照权利要求1所述的带自检测装置的压阻式压力传感器，其特征在于，所述的钝化层（7）由二氧化硅层和氮化硅层组成，二氧化硅层生长在外延单晶硅层（5）和氮化硅层之间。

4.按照权利要求1所述的带自检测装置的压阻式压力传感器，其特征在于，所述的四个压阻条（6）位于可动敏感薄膜层（10）中，且位于外延单晶硅层（5）的四周边缘的中心处。

5.按照权利要求1至5中任何一项所述的带自检测装置的压阻式压力传感器，其特征在于，所述的金属引线（8）位于不可动敏感薄膜层（12）中。

6.一种权利要求1所述的带自检测装置的压阻式压力传感器的制备方法，其特征在于，该制备方法包括以下步骤：

第一步，在双面抛光的硅衬底（3）一面热氧化生成一层二氧化硅作为腐蚀停止层（4）；

第二步：在腐蚀停止层（4）上外延一层单晶硅层，作为外延单晶硅层（5）；

第三步：在外延单晶硅层（5）选择性地进行磷离子轻掺杂，形成压阻条（6），在与压阻条（6）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（11）；

第四步：在外延单晶硅层（5）表面生长二氧化硅层和氮化硅层，作为钝化层（7），光刻钝化层（7）中，形成电极引出孔；

第五步：在钝化层（7）表面溅射金属，光刻图形化，形成金属引线（8），金属引线（8）通过钝化层（7）中的电极引出孔与磷离子重掺杂扩散区（11）形成欧姆接触，压阻条（6）通过金属引线（8）相连，构成惠斯通电桥；

第六步：在硅衬底（3）的另一面进行各项异性刻蚀，形成空腔；

第七步：在玻璃基板（1）上溅射一层金属，作为自检测电极（2）；

第八步，将硅衬底（3）和玻璃基板（1）进行阳极键合，形成真空密封腔（9）。