CN105716753B - 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，包括硅衬底、压敏电阻条、二氧化硅和氮化硅复合层、下电极、弹性敏感薄膜、真空密封腔、上电极、铟凸点、上玻璃基板、玻璃、金属引线、硼离子重掺杂扩散区；二氧化硅和氮化硅复合层生长在硅衬底的顶面；硅衬底中设有与压敏电阻条相连的硼离子重掺杂扩散区；下电极嵌至在二氧化硅和氮化硅复合层中；上玻璃基板固定连接在二氧化硅和氮化硅复合层的顶面；金属引线的一端伸入二氧化硅和氮化硅复合层的电极引出孔中，金属引线的另一端与压敏电阻条连接，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，具有更高的效率。

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及其制备方法，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，该压力传感器包括硅衬底、压敏电阻条、二氧化硅和氮化硅复合层、下电极、弹性敏感薄膜、真空密封腔、上电极、铟凸点、上玻璃基板、玻璃、金属引线、硼离子重掺杂扩散区；硅衬底的底部和玻璃通过阳极键合，真空密封腔位于硅衬底中，真空密封腔的底面为玻璃的顶面；位于真空密封腔正上方的硅衬底为弹性敏感薄膜；二氧化硅和氮化硅层复合层生长在硅衬底的顶面；压敏电阻条位于硅衬底中；硅衬底中还设有与压敏电阻条相连的硼离子重掺杂扩散区；下电极嵌至在二氧化硅和氮化硅复合层中，且下电极的底面与压敏电阻条的顶面相连；下电极通过压焊快引出；上玻璃基板通过铟凸点固定连接在二氧化硅和氮化硅复合层的顶面；上电极固定连接在上玻璃基板的底面；二氧化硅和氮化硅复合层中设有电极引出孔，金属引线的一端伸入二氧化硅和氮化硅复合层的电极引出孔中，与硼离子重掺杂扩散区形成欧姆接触，金属引线的另一端与该硼离子重掺杂扩散区相连的压敏电阻条连接，构成惠斯通电桥。

作为优选例，所述的压敏压阻条为四个，四个压敏压阻条位于弹性敏感薄膜层四周边缘的中心处。

作为优选例，所述的上电极位于真空密封腔正上方。

作为优选例，所述的铟凸点位于上电极和二氧化硅和氮化硅复合层边缘之间。

一种带自检测装置的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：对硅片上的单晶硅层中进行硼离子注入，形成压敏电阻条；

第二步：对单晶硅层中再次进行硼离子注入，形成与压敏电阻条连接的硼离子重掺杂扩散区；通过硼离子重掺杂扩散区实现压敏电阻条之间的欧姆连接；

第三步：在双面抛光的硅片正面和背面各生长二氧化硅和氮化硅复合层，将硅片正面的二氧化硅和氮化硅复合层作为压力传感器的绝缘介质层，硅片背面的二氧化硅和氮化硅复合层作为硅片背面腐蚀的掩膜；

第四步：对硅片正面的二氧化硅和氮化硅复合层进行光刻并刻蚀，形成接触孔，用于压敏电阻条的引出；

第五步：在硅片正面的二氧化硅和氮化硅复合层上溅射金属铝并光刻图形化，形成金属引线，金属引线通过二氧化硅和氮化硅层中的接触孔与硼离子重掺杂扩散区形成欧姆接触，金属引线的另一端与该硼离子重掺杂扩散区相连的压敏电阻条连接，压敏压阻条通过金属引线相连，构成惠斯通电桥；

第六步：对硅片背面的二氧化硅和氮化硅复合层进行光刻并刻蚀，得到硅片腐蚀的窗口；

第七步：对硅片从背面进行各向异性湿法腐蚀，通过控制腐蚀时间，得到弹性敏感薄膜；

第八步，去除硅片背面的二氧化硅和氮化硅复合层；

第九步，将硅片背面与玻璃通过阳极键合技术键合在一起，玻璃上方形成真空密封腔，从而得到压阻式压力传感器芯片；

第十步，在上玻璃基板上溅射金属铝并光刻图形化，作为静电检测结构的上电极以及传感器芯片上电极的引出压焊块；

第十一步，在含有金属铝层的上玻璃基板上溅射金属铟，将上玻璃基板浸泡在丙酮中进行剥离工艺，在金属铝压焊块区域留下铟凸点；

第十二步，利用倒装焊技术，将步骤十一得到的上玻璃基板和步骤九得到的压阻式压力传感器芯片倒装在一起。

有益效果：传统的压力传感器性能检测方法都是将压力传感器放置在气压箱，然后给压力箱设定压力值，使得整个压力箱中的压力满足测试条件，通过这一方法来模拟实际压力环境。但是传统的检测方法测试周期长、测试环境系统受限、测试效率低，不能满足随时随地检测的要求。针对传统检测方法，本发明实施例采用将静电力应用于压力传感器的检测环节，有效地解决了压力传感器传统检测及标定效率低、耗时长的缺点。本发明实施例利用在上电极和下电极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。本发明实施例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为本发明实施例的剖视图；

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10是本发明中制备方法的第九步的结构示意图；

图11是本发明中制备方法的第十步的结构示意图；

图12是本发明中制备方法的第十一步的结构示意图；

图13是本发明中制备方法的第十二步的结构示意图。

图中有：硅衬底1、压敏电阻条2、二氧化硅和氮化硅的复合层3、下电极4、弹性敏感薄膜5、真空密封腔6、上电极7、铟凸点8、上玻璃基板9、玻璃10、金属引线11、硼离子重掺杂扩散区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，本发明实施例的一种带自检测装置的压阻式压力传感器，该压力传感器包括硅衬底1、压敏电阻条2、二氧化硅和氮化硅复合层3、下电极4、弹性敏感薄膜5、真空密封腔6、上电极7、铟凸点8、上玻璃基板9、玻璃10、金属引线11和硼离子重掺杂扩散区12。

硅衬底1的底部和玻璃10通过阳极键合，真空密封腔6位于硅衬底1中，真空密封腔6的底面为玻璃10的顶面。位于真空密封腔6正上方的硅衬底1为弹性敏感薄膜5。二氧化硅和氮化硅层复合层3生长在硅衬底1的顶面。压敏电阻条2位于硅衬底1中。硅衬底1中还设有与压敏电阻条2相连的硼离子重掺杂扩散区12。下电极4嵌至在二氧化硅和氮化硅复合层3中，且下电极4的底面与压敏电阻条2的顶面相连。上玻璃基板9通过铟凸点8固定连接在二氧化硅和氮化硅复合层3的顶面；上电极7固定连接在上玻璃基板9的底面。二氧化硅和氮化硅复合层3中设有电极引出孔，金属引线的一端伸入二氧化硅和氮化硅复合层3的电极引出孔中，与硼离子重掺杂扩散区12形成欧姆接触，金属引线11的另一端与该硼离子重掺杂扩散区12相连的压敏电阻条2连接，构成惠斯通电桥。下电极4通过压焊快单独引出。

本发明实施例是一种与COMS兼容的带自检测装置的压阻式压力传感器。自检测装置包括上电极7、下电极4。位于真空封闭腔6正上方的硅片形成弹性敏感薄膜层5。在硅衬底1选择性地进行硼离子轻掺杂，以形成压敏电阻条2。压敏电阻条2通过金属引线相连，构成惠斯通电桥。

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：当在上电极7和下电极4施加电压时，两者之间产生的静电力，使得弹性敏感薄膜层5发生弯曲，位于弹性敏感薄膜层5上的压阻条2由于受到力的作用，电阻值发生改变。因为压阻条2通过金属引线构成惠斯通电桥，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。本发明实施例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上电极7和下电极4施加的电压大小，且该电压的改变，能够快速使弹性敏感薄膜层5发生形状变化，相比较于传统设定压力的检测方法，该检测方法更快、效率更高。

针对传统的压力传感器性能检测方法测试周期长、测试环境系统受限、测试效率低，不能满足随时随地检测的要求，本发明实施例将静电力应用于压力传感器的检测结构中，有效地解决了压力传感器传统检测及标定效率低、耗时长的缺点。

作为优选例，所述的压敏压阻条2为四个，四个压敏压阻条2位于弹性敏感薄膜层5四周边缘的中心处。将四个压敏压阻条2位于弹性敏感薄膜层5四周边缘的中心处，使压敏电阻条2位于硅膜应力最集中的区域。

作为优选例，所述的上电极7位于真空密封腔6正上方。因为真空密封腔6上有下电极4，所以做一个上电极形成电容器。

作为优选例，所述的铟凸点8位于上电极7和二氧化硅和氮化硅复合层3边缘之间。这样，让上玻璃基板9和硅片形成倒装焊。

上述实施例的带自检测装置的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：如图2所示，对硅片上的单晶硅层中进行硼离子注入，形成压敏电阻条2；

第二步：如图3所示，对单晶硅层中再次进行硼离子注入，形成与压敏电阻条2连接的硼离子重掺杂扩散区12；通过硼离子重掺杂扩散区12实现压敏电阻条2之间的欧姆连接；

第三步：如图4所示，在双面抛光的硅片正面和背面各生长二氧化硅和氮化硅复合层3，将硅片正面的二氧化硅和氮化硅复合层作为压力传感器的绝缘介质层，硅片背面的二氧化硅和氮化硅复合层作为硅片背面腐蚀的掩膜；

第四步：如图5所示，对硅片正面的二氧化硅和氮化硅复合层3进行光刻并刻蚀，形成接触孔，用于压敏电阻条2的互连；

第五步：如图6所示，在硅片正面的二氧化硅和氮化硅复合层3上溅射金属铝并光刻图形化，形成金属引线11，金属引线11通过二氧化硅和氮化硅复合层3中的接触孔与硼离子重掺杂扩散区12形成欧姆接触，金属引线11的另一端与该硼离子重掺杂扩散区12相连的压敏电阻条2连接，压敏压阻条2通过金属引线11相连，构成惠斯通电桥；

第六步：如图7所示，对硅片背面的二氧化硅和氮化硅复合层进行光刻并刻蚀，得到硅片腐蚀的窗口；

第七步：如图8所示，对硅片从背面进行各向异性湿法腐蚀，通过控制腐蚀时间，得到弹性敏感薄膜5；

第八步，如图9所示，去除硅片背面的二氧化硅和氮化硅复合层；

第九步，如图10所示，将硅片背面与玻璃10通过阳极键合技术键合在一起，玻璃10上方形成真空密封腔6，从而得到压阻式压力传感器芯片；

第十步，如图11所示，在上玻璃基板9上溅射金属铝并光刻图形化，作为静电检测结构的上电极7以及传感器芯片上电极的引出压焊块；

第十一步，如图12所示，在含有金属铝层的上玻璃基板9上溅射金属铟，将上玻璃基板9浸泡在丙酮中进行剥离工艺，在金属铝压焊块区域留下铟凸点8；

第十二步，如图13所示，利用倒装焊技术，将第十一步得到的上玻璃基板和第九步得到的压阻式压力传感器芯片倒装在一起。

在上述实施例的制备方法中，第一步中，对硅片上的单晶硅层中进行硼离子注入，为轻掺杂形成压敏电阻条2。第二步中，对单晶硅层中再次进行硼离子注入，为重掺杂，其作用是通过硼离子重掺杂扩散区12实现压敏电阻条2之间的欧姆连接，降低接触电阻。在第十二步中，采用倒装焊技术，将上玻璃基板和压阻式压力传感器芯片连接。

上玻璃基板和压阻式压力传感器芯片通过倒装焊技术，将两者焊接在一起。两者的间距为几个um级别，这样做的目的是减小极板的间距，增大极板间产生的静电力。该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，具有更高效率；同时还提供压力传感器制备方法，简单易行。

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 (5)

1.一种带自检测装置的压阻式压力传感器，其特征在于，该压力传感器包括硅衬底(1)、压敏电阻条(2)、二氧化硅和氮化硅复合层(3)、下电极(4)、弹性敏感薄膜(5)、真空密封腔(6)、上电极(7)、铟凸点(8)、上玻璃基板(9)、玻璃(10)、金属引线(11)、硼离子重掺杂扩散区(12)；

硅衬底(1)的底部和玻璃(10)通过阳极键合，真空密封腔(6)位于硅衬底(1)中，真空密封腔(6)的底面为玻璃(10)的顶面；位于真空密封腔(6)正上方的硅衬底(1)为弹性敏感薄膜(5)；二氧化硅和氮化硅层复合层(3)生长在硅衬底(1)的顶面；压敏电阻条(2)位于硅衬底(1)中；硅衬底(1)中还设有与压敏电阻条(2)相连的硼离子重掺杂扩散区(12)；

下电极(4)嵌至在二氧化硅和氮化硅复合层(3)中，且下电极(4)的底面与压敏电阻条(2)的顶面相连；下电极(4)通过压焊块引出；上玻璃基板(9)通过铟凸点(8)固定连接在二氧化硅和氮化硅复合层(3)的顶面；上电极(7)固定连接在上玻璃基板(9)的底面；

二氧化硅和氮化硅复合层(3)中设有电极引出孔，金属引线(11)的一端伸入二氧化硅和氮化硅复合层(3)的电极引出孔中，与硼离子重掺杂扩散区(12)形成欧姆接触，金属引线(11)的另一端与该硼离子重掺杂扩散区(12)相连的压敏电阻条(2)连接，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，所述的压敏电阻条(2)为四个，四个压敏电阻条(2)位于弹性敏感薄膜层(5)四周边缘的中心处。

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，所述的上电极(7)位于真空密封腔(6)正上方。

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，所述的铟凸点(8)位于上电极(7)和二氧化硅和氮化硅复合层(3)边缘之间。

5.一种权利要求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：对硅片上的单晶硅层中进行硼离子注入，形成压敏电阻条(2)；

第二步：对单晶硅层中再次进行硼离子注入，形成与压敏电阻条(2)连接的硼离子重掺杂扩散区(12)；通过硼离子重掺杂扩散区(12)实现压敏电阻条(2)之间的欧姆连接；

第三步：在双面抛光的硅片正面和背面各生长二氧化硅和氮化硅复合层(3)，将硅片正面的二氧化硅和氮化硅复合层作为压力传感器的绝缘介质层，硅片背面的二氧化硅和氮化硅复合层作为硅片背面腐蚀的掩膜；

第四步：对硅片正面的二氧化硅和氮化硅复合层(3)进行光刻并刻蚀，形成接触孔，用于压敏电阻条的引出；

第五步：在硅片正面的二氧化硅和氮化硅复合层上溅射金属铝并光刻图形化，形成金属引线(11)，金属引线(11)通过二氧化硅和氮化硅层(3)中的接触孔与硼离子重掺杂扩散区(12)形成欧姆接触，金属引线(11)的另一端与该硼离子重掺杂扩散区(12)相连的压敏电阻条(2)连接，压敏电阻条(2)通过金属引线(11)相连，构成惠斯通电桥；

第六步：对硅片背面的二氧化硅和氮化硅复合层进行光刻并刻蚀，得到硅片腐蚀的窗口；

第七步：对硅片从背面进行各向异性湿法腐蚀，通过控制腐蚀时间，得到弹性敏感薄膜(5)；

第八步，去除硅片背面的二氧化硅和氮化硅复合层；

第九步，将硅片背面与玻璃(10)通过阳极键合技术键合在一起，玻璃(10)上方形成真空密封腔(6)，从而得到压阻式压力传感器芯片；

第十步，在上玻璃基板(9)上溅射金属铝并光刻图形化，作为静电检测结构的上电极(7)以及传感器芯片上电极的引出压焊块；

第十一步，在含有金属铝层的上玻璃基板上溅射金属铟，将上玻璃基板浸泡在丙酮中进行剥离工艺，在金属铝压焊块区域留下铟凸点(8)；

第十二步，利用倒装焊技术，将步骤十一得到的上玻璃基板和步骤九得到的压阻式压力传感器芯片倒装在一起。