CN105043606A - 一种电容式压力传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电容式压力传感器，包括SOI硅片、单晶硅层、二氧化硅层和多晶硅层；所述的SOI硅片中设有真空密封腔；所述的二氧化硅层包括高度相等且平行布设的第一支撑层、第二支撑层和第三支撑层，第一支撑层位于真空密封腔正上方区域中，第二支撑层和第三支撑层位于真空密封腔正上方区域外侧，第二支撑层位于第一支撑层和第三支撑层之间；多晶硅层包括第一多晶硅层和第二多晶硅层，第一多晶硅层固定连接在第一支撑层和第二支撑层上，第二多晶硅层固定连接在第三支撑层上，且第一多晶硅层的一端面和第二多晶硅层的一端面相对。该传感器在性能分析时，具有更高的效率和灵敏度。同时还提供该传感器的制备方法，简单易行。

Description

一种电容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，涉及一种电容式压力传感器及其制备方法。

背景技术

在利用硅微加工技术实现的产品中，压力传感器是发展较为成熟的一类。目前，压力传感器已广泛应用于各种工业和生物医学领域。电容式压力传感器由于高灵敏度，更好的温度性能，低功耗，无开启温度漂移，结构坚固，受外应力影响小等特点，逐渐成为压力传感器的一大热点。传统电容式压力传感器由于其输出电容变化量小，不利于压力的检测，需要通过后续处理电路放大输出电容的变化量，使得处理电路往往比较复杂，因此电容式压力传感器的应用受到限制。

发明内容

技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提供一种电容式压力传感器，在分析传感器性能时，具有更高的效率和灵敏度。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，本发明实施例采用的技术方案是：

一种电容式压力传感器，该压力传感器包括从下向上依次布设的SOI硅片、单晶硅层、二氧化硅层和多晶硅层；所述的SOI硅片中设有真空密封腔；所述的二氧化硅层包括高度相等且平行布设的第一支撑层、第二支撑层和第三支撑层，第一支撑层位于真空密封腔正上方区域中，第二支撑层和第三支撑层位于真空密封腔正上方区域外侧，第二支撑层位于第一支撑层和第三支撑层之间；多晶硅层包括第一多晶硅层和第二多晶硅层，第一多晶硅层固定连接在第一支撑层和第二支撑层上，第二多晶硅层固定连接在第三支撑层上，且第一多晶硅层的一端面和第二多晶硅层的一端面相对。

作为优选方案，所述的SOI硅片包括从下向上依次布设的硅支撑层、二氧化硅绝缘层和硅器件层，真空密封腔位于二氧化硅绝缘层中，且真空密封腔分别与硅支撑层和硅器件层接触。

作为优选方案，所述的第一多晶硅层与第二支撑层相对的一端伸出第二支撑层，第一多晶硅层为悬臂梁结构。

作为优选方案，所述的第二多晶硅层整体固定连接在第三支撑层上。

作为优选方案，所述的第一多晶硅层和第二多晶硅层构成压力传感器的两个电极。

一种电容式压力传感器的制备方法，该制备方法包括以下步骤：

第一步，在SOI硅片的硅器件层进行各向异性干法刻蚀至二氧化硅绝缘层，刻蚀出相互平行的浅槽，形成第一牺牲层释放孔；第一牺牲层位于二氧化硅绝缘层中，用于形成真空密封腔；

第二步，通过第一牺牲层释放孔，利用氢氟酸对SOI硅片的二氧化硅绝缘层释放第一牺牲层，形成真空密封腔的腔体；

第三步，在SOI硅片的硅器件层上方外延生长一层单晶硅层，密封真空密封腔；

第四步，在单晶硅层上方外延生长一层二氧化硅层；

第五步，光刻二氧化硅层，形成第一支撑层、第二支撑层、第三支撑层和第二牺牲层；第二牺牲层位于第一支撑层和第二支撑层之间，以及位于第二支撑层和第三支撑层之间；

第六步，在二氧化硅层上方外延生长一层多晶硅层，光刻形成第一多晶硅层和第二多晶硅层；

第七步，利用氢氟酸释放第二牺牲层，制成压力传感器。

作为优选方案，所述的步骤10）中，SOI硅片为双面抛光，SOI硅片包括从下向上依次布设的硅支撑层、二氧化硅绝缘层和硅器件层。

有益效果：与现有技术相比，本发明实施例具有以下有益效果：压力传感器的灵敏度高、制备工艺采用表面微机械加工技术，工艺简单，可行性高。本发明实施例利用杠杆原理，当在真空密封腔正上方的单晶硅层施加压力时，单晶硅层向下弯曲，带动与之通过二氧化硅层相连的多晶硅层，使得此部分的多晶硅向下转动，通过控制二氧化硅支撑层的位置，可以有效地放大控制杠杆另一端的位移量，从而控制电容式压力传感器两电极之间的正对面积，改变压力传感器的输出电容，检测其变化可以实现压力测量。本发明实施例方便地利用杠杆原理来放大压力传感器输出电容的变化量，在分析传感器的性能时，具有更高的灵敏度，简化后续处理电路。同时，该电容式压力传感器采用表面微机械加工技术，有效的解决了电容式压力传感器的电极引出问题，同时避免了形成压力腔常规用的MEMS键合工艺，简化了电容式压力传感器的制造工艺，使MEMS结构可以与CMOS工艺兼容。

附图说明

图1为本发明实施例中压力传感器的结构剖视图；

图2为本发明实施例中制备方法第一步的结构剖视图；

图3是本发明实施例中制备方法第二步的结构剖视图；

图4是本发明实施例中制备方法第三步的结构剖视图；

图5是本发明实施例中制备方法第四步的结构剖视图；

图6是本发明实施例中制备方法第五步的结构剖视图；

图7是本发明实施例中制备方法第六步的结构剖视图；

图8是本发明实施例中制备方法第七步的结构剖视图。

图9是本发明实施例中第一多晶硅层和第二支撑层的等效原理图；

图10是图9中第一多晶硅层受力变形图。

图中有：SOI硅片1、硅支撑层101、二氧化硅绝缘层102、硅器件层103、真空密封腔2、单晶硅层3、二氧化硅层4、第一支撑层401、第二支撑层402、第三支撑层403、第二牺牲层404、多晶硅层5、第一多晶硅层501、第二多晶硅层502、第一牺牲层6。

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，本发明实施例提供一种电容式压力传感器，该压力传感器包括从下向上依次布设的SOI（对应中文:绝缘衬底上的硅；英文全称为：Silicon-On-Insulator）硅片1、单晶硅层3、二氧化硅层4和多晶硅层5。所述的SOI硅片1中设有真空密封腔2。二氧化硅层4包括高度相等且平行布设的第一支撑层401、第二支撑层402和第三支撑层403，第一支撑层401位于真空密封腔2正上方区域中，第二支撑层402和第三支撑层403位于真空密封腔2正上方区域外侧，第二支撑层402位于第一支撑层401和第三支撑层403之间；多晶硅层5包括第一多晶硅层501和第二多晶硅层502，第一多晶硅层501固定连接在第一支撑层401和第二支撑层402上，第二多晶硅层502固定连接在第三支撑层403上，且第一多晶硅层501的一端面和第二多晶硅层502的一端面相对。

上述实施例的电容式压力传感器中，所述的SOI硅片1包括从下向上依次布设的硅支撑层101、二氧化硅绝缘层102和硅器件层103，真空密封腔2位于二氧化硅绝缘层102中，且分别与硅支撑层101和硅器件层103接触。将真空密封腔2设置在二氧化硅绝缘层102中,使真空密封腔2各处高度一致,且充分利用了SOI片的结构特点。

上述实施例的电容式压力传感器中，所述的第一多晶硅层501与第二支撑层402相对的一端伸出第二支撑层402，第一多晶硅层501为悬臂梁结构。本实施例利用杠杆原理来实现电容的测量。第一多晶硅层501为悬臂梁。利用第二支撑层402作为支点，第一多晶硅层501固定连接在第二支撑层402上，第一多晶硅层501相当于杠杆。

另外，所述的第二多晶硅层502整体固定连接在第三支撑层403上。在测量过程中，第二多晶硅层502整体是固定不动的。利用第一多晶硅层501的位置变化，来改变第一多晶硅层501和第二多晶硅层502之间的相对面积。

上述实施例的电容式压力传感器中，用以密封真空密封腔2的单晶硅层3也可以是其它材料制成，例如二氧化硅和氮化硅。二氧化硅层4用作第二牺牲层和多晶硅层5的支撑层，其中第二牺牲层用以悬空多晶硅层5，支撑层用以支撑多晶硅层5。

上述实施例的电容式压力传感器，利用杠杆原理，当在真空密封腔2正上方的单晶硅层3施加压力时，单晶硅层3向下弯曲，带动与之通过第一支撑层401相连的第一多晶硅层501，使得此部分的多晶硅层向下转动，通过控制第二支撑层402的位置，可以有效地放大控制杠杆另一端的位移量，从而控制电容式压力传感器两电极之间的正对面积，改变压力传感器的输出电容，检测其变化可以实现压力测量。

具体来说，上述结构的电容式压力传感器中，第一多晶硅层501和第二多晶硅层502构成压力传感器的两个电极。第二支撑层402和第一多晶硅层501构成杠杆，第二支撑层402相当于杠杆的支点。上述结构的电容式压力传感器的工作过程是：当向位于真空密封腔2正上方的单晶硅层3施加压力时，单晶硅层3向下弯曲。第一多晶硅层501通过第一支撑层401连接在单晶硅层3上，且第一支撑层401位于真空密封腔2正上方。这样，单晶硅层3向下弯曲，会带动第一多晶硅层501一端向下转动。由于第二支撑层402位于真空密封腔2正上方区域以外，第二支撑层402固定不动。当第一多晶硅层501一端向下转动时，第一多晶硅层501另一端向上转动。这样，第一多晶硅层501的另一端端面和第二多晶硅层502的一端端面之间的正对面积发生变化。通过控制第二支撑层402的位置，可以有效地放大控制第一多晶硅层501另一端的位移量，从而控制电容式压力传感器两电极之间的正对面积，改变压力传感器的输出电容，检测其变化可以实现压力测量。

以下所指的可动敏感薄膜层均指位于真空密封腔2正上方的硅器件层103和单晶硅层3构成的薄膜层。

对于方形薄膜压力传感器，挠度曲面方程为：

式中，坐标系是以可动敏感薄膜层的中心为原点，水平坐标面；表示坐标系中坐标点(x,y)的薄膜挠度；；表示可动敏感薄膜层边长的一半，表示可动敏感薄膜层受到的压力，表示可动敏感薄膜层材料的抗弯刚度，，表示可动敏感薄膜层材料的杨氏模量，表示可动敏感薄膜层材料的泊松比，表示可动敏感薄膜层的厚度。

将第一多晶硅层501和第二支撑层402等效为图9所示的简单原理图。其中L1为第一支撑层401到第二支撑层402之间的距离，L2位第二支撑层402到第一多晶硅层501末端的距离。

当可动敏感薄膜层受到压力P时向下弯曲时，带动与第一支撑层401相连的第一多晶硅层501的一端向下弯曲。如图10所示，设弯曲量为X1，则第一多晶硅层501的另一端会随之向上弯曲X2。根据三角形相似，△ACO∽△BDO，则

，由此可得：。第一支撑层401位于真空密封腔2正上方的单晶硅层3的中间，则。

通过控制和的比值，即控制第二支撑层402的位置，可以有效的控制X2的值。

电容式压力传感器的电容可以近似简化为平板电容，根据平板电容的定义：

式中：表示平板电容的电容，表示真空介电常数，表示介质层的相对介电常数，表示极板的面积，表示两极板的间距，表示多晶硅层5的厚度，表示多晶硅层5的宽度。

当第一多晶硅层501靠近第二多晶硅层502的一端向上弯曲时，与第二多晶硅层502的正对面积减小*。因此，输出电容为：

本发明方便地利用杠杆原理来放大压力传感器输出电容的变化量，在分析传感器的性能时，具有更高的灵敏度，简化后续处理电路。

上述实施例的电容式压力传感器的制备方法，该制备方法包括以下步骤：

第一步，如图2所示，在SOI硅片1的硅器件层103进行各向异性干法刻蚀至二氧化硅绝缘层102，刻蚀出相互平行的浅槽，形成第一牺牲层6释放孔；第一牺牲层6位于二氧化硅绝缘层102中，用于形成真空密封腔2。SOI硅片1优选为双面抛光。SOI硅片1包括从下向上依次布设的硅支撑层101、二氧化硅绝缘层102和硅器件层103。

第二步，如图3所示，通过第一牺牲层6释放孔，利用氢氟酸对SOI硅片1的二氧化硅绝缘层102释放第一牺牲层6，形成真空密封腔2的腔体。

第三步，如图4所示，在SOI硅片1的硅器件层103上方外延生长一层单晶硅层3，密封真空密封腔2。

第四步，如图5所示，在单晶硅层3上方外延生长一层二氧化硅层4。

第五步，如图6所示，光刻二氧化硅层4，形成第一支撑层401、第二支撑层402、第三支撑层403和第二牺牲层404；第二牺牲层404位于第一支撑层401和第二支撑层402之间，以及位于第二支撑层402和第三支撑层403之间。

第六步，如图7所示，在二氧化硅层4上方外延生长一层多晶硅层5，光刻形成第一多晶硅层501和第二多晶硅层502。

第七步，如图8所示，利用氢氟酸释放第二牺牲层404，制成压力传感器。

上述电容式压力传感器的制备方法，采用表面微机械加工技术，有效的解决了电容式压力传感器的电极引出问题。传统压力传感器的真空密封是通过硅硅键合或者硅玻璃键合形成，下电极做在衬底上，下电极的引出通过在玻璃或者硅衬底上穿孔，从背面引出电极，工艺麻烦。本发明采用表面微机械加工技术，传感器的两个电极分布在最上层两侧，工艺简单。另外，真空密封腔2是通过腐蚀牺牲层，再由外延工艺密封真空腔。本发明没有采用常规的利用MEMS键合工艺制作真空密封腔，简化了电容式压力传感器的制造工艺，使MEMS结构可以与CMOS工艺兼容。MEMS键合工艺需要在高温（400℃左右）情况下进行，由于CMOS工艺中涉及金属操作，不能在高温情况下进行。

上述结构的压力传感器中，真空密封腔2通过腐蚀牺牲层，再由外延工艺密封真空腔，避免了形成压力腔常规用的MEMS键合工艺，简化了电容式压力传感器的制造工艺。本发明的电容式压力传感器是与COMS（中文:互补金属氧化物半导体）工艺兼容的基于杠杆原理的电容式压力传感器。

Claims (7)

1.一种电容式压力传感器，其特征在于，该压力传感器包括从下向上依次布设的SOI硅片(1)、单晶硅层(3)、二氧化硅层(4)和多晶硅层(5)；所述的SOI硅片(1)中设有真空密封腔(2)，

所述的二氧化硅层(4)包括高度相等且平行布设的第一支撑层(401)、第二支撑层(402)和第三支撑层(403)，第一支撑层(401)位于真空密封腔(2)正上方区域中，第二支撑层(402)和第三支撑层(403)位于真空密封腔(2)正上方区域外侧，第二支撑层(402)位于第一支撑层(401)和第三支撑层(403)之间；多晶硅层(5)包括第一多晶硅层(501)和第二多晶硅层(502)，第一多晶硅层(501)固定连接在第一支撑层(401)和第二支撑层(402)上，第二多晶硅层(502)固定连接在第三支撑层(403)上，且第一多晶硅层(501)的一端面和第二多晶硅层(502)的一端面相对。

2.按照权利要求1所述的电容式压力传感器，其特征在于，所述的SOI硅片(1)包括从下向上依次布设的硅支撑层(101)、二氧化硅绝缘层(102)和硅器件层(103)，真空密封腔(2)位于二氧化硅绝缘层(102)中，且真空密封腔(2)分别与硅支撑层(101)和硅器件层(103)接触。

3.按照权利要求1所述的电容式压力传感器，其特征在于，所述的第一多晶硅层(501)与第二支撑层(402)相对的一端伸出第二支撑层(402)，第一多晶硅层(501)为悬臂梁结构。

4.按照权利要求1所述的电容式压力传感器，其特征在于，所述的第二多晶硅层(502)整体固定连接在第三支撑层(403)上。

5.按照权利要求1所述的电容式压力传感器，其特征在于，所述的第一多晶硅层(501)和第二多晶硅层(502)构成压力传感器的两个电极。

6.一种权利要求1所述的电容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SOI硅片(1)的硅器件层(103)进行各向异性干法刻蚀至二氧化硅绝缘层(102)，刻蚀出相互平行的浅槽，形成第一牺牲层(6)释放孔；第一牺牲层(6)位于二氧化硅绝缘层(102)中，用于形成真空密封腔(2)；

第二步，通过第一牺牲层(6)释放孔，利用氢氟酸对SOI硅片(1)的二氧化硅绝缘层(102)释放第一牺牲层(6)，形成真空密封腔(2)的腔体；

第三步，在SOI硅片(1)的硅器件层(103)上方外延生长一层单晶硅层(3)，密封真空密封腔(2)；

第四步，在单晶硅层(3)上方外延生长一层二氧化硅层(4)；

第五步，光刻二氧化硅层(4)，形成第一支撑层(401)、第二支撑层(402)、第三支撑层(403)和第二牺牲层(404)；第二牺牲层(404)位于第一支撑层(401)和第二支撑层(402)之间，以及位于第二支撑层(402)和第三支撑层(403)之间；

第六步，在二氧化硅层(4)上方外延生长一层多晶硅层(5)，光刻形成第一多晶硅层(501)和第二多晶硅层(502)；

第七步，利用氢氟酸释放第二牺牲层(404)，制成压力传感器。

7.按照权利要求6所述的电容式压力传感器的制备方法，其特征在于，所述的步骤10)中，SOI硅片(1)为双面抛光，SOI硅片(1)包括从下向上依次布设的硅支撑层(101)、二氧化硅绝缘层(102)和硅器件层(103)。