CN105222932A - 一种高灵敏度压阻式压力传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高灵敏度压阻式压力传感器，包括硅衬底层、二氧化硅层和单晶硅层；硅衬底层设有第一空腔；二氧化硅层设有单晶硅支撑层和第二空腔；单晶硅层包括可动敏感薄膜、两根连接杆、四个单边紧固薄膜、锚区、压阻条、重掺杂区和金属引线,可动敏感薄膜位于单晶硅层中部，锚区固定连接在单晶硅支撑层上；每个单边紧固薄膜一边与锚区固定连接；两个相对的单边紧固薄膜朝向可动敏感薄膜的一边分别通过连接杆与可动敏感薄膜固定连接；压阻条和重掺杂区位于每个单边紧固薄膜靠近可动敏感薄膜的边缘中心处；金属引线与重掺杂区相连，四个压阻条相连，构成惠斯通电桥。该压力传感器具有良好的灵敏度，同时还提供该传感器的制备方法，简单易行。

Description

一种高灵敏度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，涉及一种高灵敏度压阻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。目前市面上主流的压力传感器为压阻式压力传感器。传统的压阻式压力传感器，空腔正上方区域均为可动敏感薄膜，可动敏感薄膜直接与锚区相连。压阻条位于可动敏感薄膜四周边缘中心处，当可动敏感薄膜受到压力作用时，向下弯曲。由于可动敏感薄膜与锚区完全相连，可动敏感薄膜四周均受到锚区的拉力，应力分散，灵敏度较低。

发明内容

技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提供一种高灵敏度压阻式压力传感器，具有良好的灵敏度。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，一方面，本发明实施例采用一种高灵敏度压阻式压力传感器，该压力传感器包括从下向上依次布设的硅衬底层、二氧化硅层和单晶硅层；硅衬底层中设有第一空腔，第一空腔贯穿硅衬底层；二氧化硅层中设有单晶硅支撑层和第二空腔，第二空腔贯穿二氧化硅层，第二空腔位于第一空腔上方；单晶硅层包括可动敏感薄膜、两根连接杆、四个单边紧固薄膜、锚区、压阻条、重掺杂区和金属引线,可动敏感薄膜位于单晶硅层的中部，锚区位于单晶硅层的周边，且锚区固定连接在单晶硅支撑层上；四个单边紧固薄膜分布在可动敏感薄膜四周，每个单边紧固薄膜的一边与锚区固定连接；四个单边紧固薄膜中两个相对的单边紧固薄膜朝向可动敏感薄膜的一边分别通过一根连接杆与可动敏感薄膜固定连接；压阻条和重掺杂区位于每个单边紧固薄膜靠近可动敏感薄膜的边缘中心处，且重掺杂区与压阻条相连；金属引线与重掺杂区相连，使四个压阻条相连，构成惠斯通电桥。

作为优选方案，所述的单晶硅支撑层位于第二空腔的四周。

作为优选方案，所述的压阻条中，两个压阻条与连接杆相连。

另一方面，本发明实施例提供一种高灵敏度压阻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：在硅衬底层上生长一层二氧化硅层，采用光刻工艺，形成多晶硅支撑层和湿法腐蚀停止层；

第二步：在二氧化硅层上外延生长一层单晶硅层，采用光刻工艺，形成可动敏感薄膜层、连接杆、单边紧固薄膜和锚区；

第三步：在单晶硅层上选择性地进行磷离子轻掺杂，形成压阻条；

第四步：在与压阻条相连的单晶硅层区域进行掺杂，形成重掺杂区；

第五步：在单晶硅层表面溅射金属，光刻图形化，形成金属引线，金属引线与重掺杂区域形成欧姆接触；

第六步：在硅衬底层背面进行各向异性湿法刻蚀，形成第一空腔；

第七步：利用各向异性湿法腐蚀，腐蚀湿法腐蚀停止层，得到第二空腔，制成压阻式压力传感器。

作为优选方案，所述的第二步中，制成的单晶硅层包括可动敏感薄膜、两根连接杆、四个单边紧固薄膜、锚区,可动敏感薄膜位于单晶硅层的中部，锚区位于单晶硅层的周边，且锚区固定连接在单晶硅支撑层上；四个单边紧固薄膜分布在可动敏感薄膜四周，每个单边紧固薄膜的一边与锚区固定连接；四个单边紧固薄膜中两个相对的单边紧固薄膜朝向可动敏感薄膜的一边分别通过一根连接杆与可动敏感薄膜固定连接。

作为优选方案，所述的第四步中，压阻条和重掺杂区位于每个单边紧固薄膜靠近可动敏感薄膜的边缘中心处，且重掺杂区与压阻条相连。

作为优选方案，所述的第五步中，四个压阻条通过金属引线相连，构成惠斯通电桥。

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、制备工艺主要采用表面微机械加工技术，工艺简单，可行性高。传统的压阻式压力传感器，压阻条位于可动敏感膜边缘四周中心处，应力集中不明显。本实施例的压阻式压力传感器。同时压阻条位于每个单边紧固薄膜靠近可动敏感薄膜的边缘中心处，且其中两根压阻条与连接杆的端部相连，应力集中明显。当压力施加于可动敏感薄膜时，可动敏感薄膜向下弯曲，带动与之相连的连接杆受到力的作用横向拉伸。由于压阻效应，压阻条的电阻发生变化，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。

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是本发明实施例中单晶硅层以及压阻条和重掺杂区域相对位置的俯视图。

图中有：硅衬底层1、二氧化硅层2、单晶硅层3、压阻条4、重掺杂区域5、金属引线6、第一空腔101、多晶硅支撑层201、第二空腔202、湿法腐蚀停止层203、可动敏感薄膜层301、连接杆302、单边紧固薄膜303、锚区304。

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高灵敏度压阻式压力传感器，包括从下向上依次布设的硅衬底层1、二氧化硅层2和单晶硅层3。硅衬底层1中设有第一空腔101，第一空腔101贯穿硅衬底层1。二氧化硅层2中设有单晶硅支撑层201和第二空腔202，第二空腔202贯穿二氧化硅层2，第二空腔202位于第一空腔101上方。单晶硅层3包括可动敏感薄膜301、两根连接杆302、四个单边紧固薄膜303、锚区304、压阻条4、重掺杂区5和金属引线6。可动敏感薄膜301位于单晶硅层3的中部，锚区304位于单晶硅层3的周边，且锚区304固定连接在单晶硅支撑层201上。四个单边紧固薄膜303分布在可动敏感薄膜301四周，每个单边紧固薄膜303的一边与锚区304固定连接。四个单边紧固薄膜303中两个相对的单边紧固薄膜303朝向可动敏感薄膜301的一边分别通过一根连接杆302与可动敏感薄膜301固定连接。压阻条4和重掺杂区5位于每个单边紧固薄膜303靠近可动敏感薄膜301的边缘中心处，且重掺杂区5与压阻条4相连；金属引线6与重掺杂区5相连，使四个压阻条4相连，构成惠斯通电桥。

四个压阻条4中的两个压阻条4与连接杆302相连；另外两个压阻条4由于所附着的单边紧固薄膜303和可动敏感薄膜301之间没有连接杆302连接，因此不与连接杆302相连。

上述实施例的压阻式压力传感器工作时，当压力施加于可动敏感薄膜301时，可动敏感薄膜301向下弯曲。向下弯曲的可动敏感薄膜301对与之相连的连接杆302施加力的作用。连接杆302受到力的作用横向拉伸。连接杆302的一端部和压阻条4相连。由于压阻效应，与连接杆302相连的压阻条4的电阻发生变化。压阻条4电阻发生变化会导致通过惠斯通电桥输出的电压发生变化。通过检测电压变化，可以实现压力测量。本实施例的压阻式压力传感器，将纵向的位移变化转为化横向拉伸的压阻式压力传感器。

本实施例的压阻式压力传感器，可动敏感薄膜301通过连接杆302与单边紧固薄膜303相连，单边紧固薄膜303与连接杆302相连的一边仅受到相连部分的拉力，应力集中。将压阻条4设置在单边紧固薄膜303和连接杆302相连的部位，应力集中，有利于提高传感器的灵敏度。压阻条4和重掺杂区域5均连接在单边紧固薄膜303上。，若是省去单边紧固薄膜303，直接连接连接杆302和锚区304，将压阻条4和重掺杂区域5做在锚区304上，那么由于锚区304区域相对较小，所以会带来传感器可靠性问题，同时给压阻条4和重掺杂区域的5制作带来困难。

作为优选方案，所述的单晶硅支撑层201位于第二空腔202的四周。单晶硅支撑层201用于支撑锚区304。作为优选，锚区304为框形。因此，将单晶硅支撑层201布设在第二空腔202的四周，可以使得锚区304的结构更稳定可靠。

上述的高灵敏度压阻式压力传感器的制备方法，包括以下步骤：

第一步：如图2所示，在硅衬底层1上生长一层二氧化硅层2，采用光刻工艺，形成多晶硅支撑层201和湿法腐蚀停止层203。

第二步：如图3所示，在二氧化硅层2上外延生长一层单晶硅层3，采用光刻工艺，形成可动敏感薄膜层301、连接杆302、单边紧固薄膜303和锚区304；

在第二步中，制成的单晶硅层3包括可动敏感薄膜301、两根连接杆302、四个单边紧固薄膜303、锚区304,可动敏感薄膜301位于单晶硅层3的中部，锚区304位于单晶硅层3的周边，且锚区304固定连接在单晶硅支撑层201上；四个单边紧固薄膜303分布在可动敏感薄膜301四周，每个单边紧固薄膜303的一边与锚区304固定连接；四个单边紧固薄膜303中两个相对的单边紧固薄膜303朝向可动敏感薄膜301的一边分别通过一根连接杆302与可动敏感薄膜301固定连接。

第三步：如图4所示，在单晶硅层3上选择性地进行磷离子轻掺杂，形成压阻条4。

第四步：如图5所示，在与压阻条4相连的单晶硅层3区域进行掺杂，形成重掺杂区5。

在第四步中，压阻条4和重掺杂区5位于每个单边紧固薄膜303靠近可动敏感薄膜301的边缘中心处，且重掺杂区5与压阻条4相连。

第五步：如图6所示，在单晶硅层3表面溅射金属，光刻图形化，形成金属引线6，金属引线6与重掺杂区域5形成欧姆接触。四个压阻条4通过金属引线6相连，构成惠斯通电桥。

第六步：如图7所示，在硅衬底层1背面进行各向异性湿法刻蚀，形成第一空腔101。

第七步：如图8所示，利用各向异性湿法腐蚀，腐蚀湿法腐蚀停止层203，得到第二空腔202，制成压阻式压力传感器。

上述实施例的制备方法中，硅衬底层1中的第一空腔101可以通过湿法腐蚀形成。压阻条4可以通过磷离子轻掺杂形成。重掺杂区域5可以由磷离子重掺杂形成。

上述实施例的制备方法中，所述的第二步中，制成的单晶硅层包括可动敏感薄膜、两根连接杆、四个单边紧固薄膜、锚区,可动敏感薄膜位于单晶硅层的中部，锚区位于单晶硅层的周边，且锚区固定连接在单晶硅支撑层上；四个单边紧固薄膜分布在可动敏感薄膜四周，每个单边紧固薄膜的一边与锚区固定连接；四个单边紧固薄膜中两个相对的单边紧固薄膜朝向可动敏感薄膜的一边分别通过一根连接杆与可动敏感薄膜固定连接。所述的第四步中，压阻条和重掺杂区位于每个单边紧固薄膜靠近可动敏感薄膜的边缘中心处，且重掺杂区与压阻条相连。

所述的第五步中，四个压阻条通过金属引线相连，构成惠斯通电桥。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的技术人员应该了解，本发明不受上述具体实施例的限制，上述具体实施例和说明书中的描述只是为了进一步说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护的范围由权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种高灵敏度压阻式压力传感器，其特征在于，该压力传感器包括从下向上依次布设的硅衬底层（1）、二氧化硅层（2）和单晶硅层（3）；

硅衬底层（1）中设有第一空腔（101），第一空腔（101）贯穿硅衬底层（1）；二氧化硅层（2）中设有单晶硅支撑层（201）和第二空腔（202），第二空腔（202）贯穿二氧化硅层（2），第二空腔（202）位于第一空腔（101）上方；

单晶硅层（3）包括可动敏感薄膜（301）、两根连接杆（302）、四个单边紧固薄膜（303）、锚区（304）、压阻条（4）、重掺杂区（5）和金属引线（6）,可动敏感薄膜（301）位于单晶硅层（3）的中部，锚区（304）位于单晶硅层（3）的周边，且锚区（304）固定连接在单晶硅支撑层（201）上；四个单边紧固薄膜（303）分布在可动敏感薄膜（301）四周，每个单边紧固薄膜（303）的一边与锚区（304）固定连接；四个单边紧固薄膜（303）中两个相对的单边紧固薄膜（303）朝向可动敏感薄膜（301）的一边分别通过一根连接杆（302）与可动敏感薄膜（301）固定连接；

压阻条（4）和重掺杂区（5）位于每个单边紧固薄膜（303）靠近可动敏感薄膜（301）的边缘中心处，且重掺杂区（5）与压阻条（4）相连；金属引线（6）与重掺杂区（5）相连，使四个压阻条（4）相连，构成惠斯通电桥。

2.按照权利要求1所述的高灵敏度压阻式压力传感器，其特征在于，所述的单晶硅支撑层（201）位于第二空腔（202）的四周。

3.按照权利要求1所述的高灵敏度压阻式压力传感器，其特征在于，所述的压阻条（4）中，两个压阻条（4）与连接杆（302）相连。

4.一种权利要求1所述的高灵敏度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：在硅衬底层（1）上生长一层二氧化硅层（2），采用光刻工艺，形成多晶硅支撑层（201）和湿法腐蚀停止层（203）；

第二步：在二氧化硅层（2）上外延生长一层单晶硅层（3），采用光刻工艺，形成可动敏感薄膜层（301）、连接杆（302）、单边紧固薄膜（303）和锚区（304）；

第三步：在单晶硅层（3）上选择性地进行磷离子轻掺杂，形成压阻条（4）；

第四步：在与压阻条（4）相连的单晶硅层（3）区域进行掺杂，形成重掺杂区（5）；

第五步：在单晶硅层（3）表面溅射金属，光刻图形化，形成金属引线（6），金属引线（6）与重掺杂区域（5）形成欧姆接触；

第六步：在硅衬底层（1）背面进行各向异性湿法刻蚀，形成第一空腔（101）；

第七步：利用各向异性湿法腐蚀，腐蚀湿法腐蚀停止层（203），得到第二空腔（202），制成压阻式压力传感器。

5.按照权利要求4所述的高灵敏度压阻式压力传感器的制备方法，其特征在于，所述的第二步中，制成的单晶硅层（3）包括可动敏感薄膜（301）、两根连接杆（302）、四个单边紧固薄膜（303）、锚区（304）,可动敏感薄膜（301）位于单晶硅层（3）的中部，锚区（304）位于单晶硅层（3）的周边，且锚区（304）固定连接在单晶硅支撑层（201）上；四个单边紧固薄膜（303）分布在可动敏感薄膜（301）四周，每个单边紧固薄膜（303）的一边与锚区（304）固定连接；四个单边紧固薄膜（303）中两个相对的单边紧固薄膜（303）朝向可动敏感薄膜（301）的一边分别通过一根连接杆（302）与可动敏感薄膜（301）固定连接。

6.按照权利要求4所述的高灵敏度压阻式压力传感器的制备方法，其特征在于，所述的第四步中，压阻条（4）和重掺杂区（5）位于每个单边紧固薄膜（303）靠近可动敏感薄膜（301）的边缘中心处，且重掺杂区（5）与压阻条（4）相连。

7.按照权利要求4所述的高灵敏度压阻式压力传感器的制备方法，其特征在于，所述的第五步中，四个压阻条（4）通过金属引线（6）相连，构成惠斯通电桥。