压力传感器及其形成方法
技术领域
本发明涉及传感器领域,尤其涉及一种压力传感器及其形成方法。
背景技术
传感器是一种检测装置,能感受到被测量的信息,并能将检测感受到的信息,按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出,以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。
其中,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。
压力传感器种类繁多,有陶瓷压阻式,陶瓷电容式,硅芯体式,硅应变片玻璃微熔式(简称玻璃微熔),薄膜压阻式。其中硅芯体式压力传感器通常是在硅片的一面制作应变电阻,硅片的另一面作深刻蚀形成腔体和应变膜,最后将硅片邦定在玻璃基底上并切割分离,形成完整的芯体。
但是现有的硅芯体式压力传感器的灵敏度仍有待提升。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是怎样提高压力传感器灵敏度。
为了解决上述问题,本发明提供了一种压力传感器,包括:
半导体衬底,所述半导体衬底包括上表面和相对的下表面;
位于半导体衬底中的受压腔体,所述受压腔体的开口位于半导体衬底的下表面,所述受压腔体底部对应的半导体衬底为应变膜;
位于应变膜上的应变电阻;
位于应变膜中的若干环形沟槽,所述若干环形沟槽位于应变电阻两侧,所述若干环形沟槽用于将应变集中在应变电阻处。
可选的,所述若干环形沟槽的深度小于应变膜的厚度,环形沟槽的开口在应变膜的远离受压腔体的表面。
可选的,所述若干环形沟槽具有相同的中心。
可选的,所述应变电阻设置于最外围的一个或多个环形沟槽对应的延长线上。
可选的,所述应变电阻的数量为4个,所述若干环形沟道呈4个对称的扇形分布,扇形分布的若干环形沟槽之间的应变膜上具有“十”字型连接,4个应变电阻设置于“十”字连接的四个角上。
可选的,每个扇形中具有若干同心的环形沟槽,每个扇形中的环形沟槽结构相同。
可选的,还包括:玻璃基底,玻璃基底包括上表面和相对的下表面,所述玻璃基底中具有贯穿玻璃基底上表面和下表面的第一导压孔,所述玻璃基底的上表面与半导体衬底的下表面键合在一起,玻璃基底中的第一导压孔与半导体衬底中的受压腔体连通。
可选的,还包括:PCB板,所述PCB板中具有贯穿PCB板厚度的第二导压孔,所述PCB板上具有处理电路,所述玻璃基底的下表面粘接在PCB板上表面上,使PCB板上的第二导压孔与玻璃基底中的第一导压孔连通;通过连线将应变电阻与PCB板上的处理电路连接,所述处理电路对应变电阻检测的信号进行处理。
可选的,还包括:上盖板,所述上盖板上具有上盖导气孔,所述上盖板粘贴在PCB板的上表面上,所述上盖板将PCB板的上表面和半导体衬底密封,形成密闭的压力腔体,上盖导气孔与一端的气体连接。
可选的,还包括:下盖板,所述下盖板上具有下盖导气孔,所述下盖板粘贴在PCB板的下表面上,所述下盖板将PCB板的下表面和第二导压孔密封,形成密闭的另一侧压力腔体,下盖导气孔与另一端的气体连接。
本发明还提供了一种压力传感器的形成方法,包括:
提供半导体衬底,所述半导体衬底包括上表面和相对的下表面;
沿半导体衬底的下表面,去除部分半导体衬底,在半导体衬底中形成受压腔体,所述受压腔体底部剩余的半导体衬底做为应变膜;
在应变膜上形成应变电阻;
在应变膜中形成若干环形沟槽,所述若干环形沟槽位于应变电阻两侧,所述若干环形沟槽用于将应变集中在应变电阻处。
可选的,通过刻蚀工艺形成所述应变腔体和若干环形沟槽,所述若干环形沟槽的深度小于应变膜的厚度,环形沟槽的开口在应变膜的远离受压腔体的表面。
可选的,所述若干环形沟槽具有相同的中心。
可选的,所述应变电阻形成在最外围的一个或多个环形沟槽对应的延长线上。
可选的,所述应变电阻通过离子注入形成,所述应变电阻的数量为4个,所述若干环形沟道呈4个对称的扇形分布,扇形分布的若干环形沟槽之间的应变膜上具有“十”字型连接,4个应变电阻设置于“十”字连接的四个角上。
可选的,每个扇形中具有若干同心的环形沟槽,每个扇形中的环形沟槽结构相同。
可选的,还包括:提供玻璃基底,玻璃基底包括上表面和相对的下表面,所述玻璃基底中具有贯穿玻璃基底上表面和下表面的第一导压孔;将所述玻璃基底的上表面与半导体衬底的下表面键合在一起,玻璃基底中的第一导压孔与半导体衬底中的受压腔体连通。
可选的,还包括:提供PCB板,所述PCB板中具有贯穿PCB板厚度的第二导压孔,所述PCB板上具有处理电路;将所述玻璃基底的下表面粘接在PCB板上表面上,使PCB板上的第二导压孔与玻璃基底中的第一导压孔连通;形成连线将应变电阻与PCB板上的处理电路连接,所述处理电路对应变电阻检测的信号进行处理。
可选的,还包括:提供上盖板,所述上盖板上具有上盖导气孔;将所述上盖板粘贴在PCB板的上表面上,所述上盖板将PCB板的上表面和半导体衬底密封,形成密闭的压力腔体,上盖导气孔与一端的气体连接。
可选的,还包括:提供上盖板,所述上盖板上具有上盖导气孔;将所述下盖板粘贴在PCB板的下表面上,所述下盖板将PCB板的下表面和第二导压孔密封,形成密闭的另一侧压力腔体,下盖导气孔与另一端的气体连接。
与现有技术相比,本发明技术方案具有以下优点:
本发明的压力传感器在应变膜中形成若干环形沟槽,所述若干环形沟槽位于应变电阻两侧,通过设置若干环形沟槽,当应变膜发生应变时,应变会沿着环形沟槽向应变电阻的方向集中,使得应变电阻处的应变量增大,从而应变电阻的电阻值的变化量会增大,使得测量的灵敏度增加,特别是用本发明的压力传感器测量微压力时,若干环形沟槽使微压力在应变膜上产生的应变向应变电阻的方向集中,使得应变电阻处的应变量增大,从而应变电阻的电阻值的变化量会增大,使得压力传感器在测量微压力时的灵敏度增加。并且本发明中,所述应变膜可以保持与现有的压力传感器的应变膜的厚度相同,无需对应变膜进行减薄,应变膜过载时应变膜仍不易碎裂,使得本发明的压力传感器过载能力强,不易损坏。
进一步,所述若干环形沟槽的深度小于应变膜的厚度,环形沟槽的开口在应变膜的远离受压腔体的表面,所述若干环形沟槽具有相同的中心,所述应变电阻设置于最外围的一个或多个环形沟槽对应的延长线上,通过前述设置,若干环形沟槽对应变向应变电阻处的集中作用进一步增强,应变电阻处应变量进一步增大,从而应变电阻的电阻值的变化量会进一步增大,使得压力传感器在测量微压力时的灵敏度进一步增加。
进一步,所述应变电阻的数量为4个,所述若干环形沟道呈4个对称的扇形分布,扇形分布的若干环形沟槽之间的应变膜上具有“十”字型连接,4个应变电阻设置于“十”字连接的四个角上,这种设置方式,“十”字连接的四个角上能获得最大的形变量,在“十”字连接的四个角上设置的应变电阻31能获得最大的灵敏度。
进一步,所述玻璃基底的上表面与半导体衬底的下表面键合在一起,玻璃基底中的第一导压孔与半导体衬底中的受压腔体连通,通过设置玻璃基底,后续在将压力传感器与PCB板粘接后,一方面能防止安装应力和/或PCB板的形变对应变膜的影响,另一方面,后续将压力传感器与PCB粘接时,能防止粘胶堵塞压力腔。
本发明方法通过半导体集成制作工艺制作的压力传感器,工艺简单。并且形成的应变电阻和若干环形沟槽的位置精度较高,若干环形沟槽侧壁形貌较好,从而使得环形沟槽将应变集中在应变电阻处作用较强。本发明方法形成的压力传感器的灵敏度提升,并且过载能力强,不易损坏。
附图说明
图1-5为本发明实施例中压力传感器的结构示意图。
具体实施方式
如背景技术所言,现有的压力传感器的灵敏度仍有待提升。
研究发现,现有的压力传感器的应变膜一般做的较好,对于微压力的测量其灵敏度非常低,虽然可以通过减小应变膜的厚度以提高压力传感器的灵敏度,但是应变膜过薄时,使得应变膜容易碎裂。
为此,本发明提供了一种压力传感器及其形成方法,压力传感器在应变膜中形成若干环形沟槽,所述若干环形沟槽位于应变电阻两侧,通过设置若干环形沟槽,当应变膜发生应变时,应变会沿着环形沟槽向应变电阻的方向集中,使得应变电阻处的应变量增大,从而应变电阻的电阻值的变化量会增大,使得测量的灵敏度增加,特别是用本发明的压力传感器测量微压力时,若干环形沟槽使微压力在应变膜上产生的应变向应变电阻的方向集中,使得应变电阻处的应变量增大,从而应变电阻的电阻值的变化量会增大,使得压力传感器在测量微压力时的灵敏度增加。并且本发明中,所述应变膜可以保持与现有的压力传感器的应变膜的厚度相同,无需对应变膜进行减薄,应变膜过载时应变膜仍不易碎裂,使得本发明的压力传感器过载能力强,不易损坏。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂,下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在详述本发明实施例时,为便于说明,示意图会不依一般比例作局部放大,而且所述示意图只是示例,其在此不应限制本发明的保护范围。此外,在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
图1-5为本发明实施例中压力传感器的结构示意图。
参考图1-2,图2为图1沿切割线AB方向的剖面结构示意图,本实施例的压力传感器3,包括:
半导体衬底33,所述半导体衬底33包括上表面和相对的下表面;
位于半导体衬底33中的受压腔体35(参考图2),所述受压腔体35的开口位于半导体衬底33的下表面,所述受压腔体35底部对应的半导体衬底为应变膜37(参考图2);
位于应变膜37上的应变电阻31;
位于应变膜37中的若干环形沟槽32,所述若干环形沟槽32位于应变电阻31两侧,所述若干环形沟槽32用于将应变集中在应变电阻31处。
具体的,所述半导体衬底33的材料均为半导体材料,本实施例中,所述半导体衬底33的材料为硅。在其他实施例中,所述半导体衬底33的材料可以为锗、锗化硅、绝缘体上硅或绝缘体上锗。
所述应变膜37与半导体衬底33的材料相同。在一实施例,通过从半导体衬底33的下表面刻蚀去除部分半导体衬底,形成受压腔体35,受压腔体35底部剩余的那部分半导体衬底作为应变膜37。
应变膜37两侧的存在压力差时,所述应变膜37会发生应变,从而带动应变膜37应变电阻31应变,通过测量应变电阻31的电阻值的变化获得压力的变化。
应变电阻31位于应变膜37上。应变电阻31一般通过对半导体衬底33掺杂杂质离子形成,所述杂质离子包括硼离子(B)。
所述应变膜37中具有若干环形沟槽32,所述若干环形沟槽32位于应变电阻31两侧,所述若干环形沟槽32用于将应变集中在应变电阻31处,所述环形沟槽的数量至少为一个。本实施例中,通过设置若干环形沟槽32,当应变膜37发生应变时,应变会沿着环形沟槽32向应变电阻31的方向集中,使得应变电阻32处的应变量增大,从而应变电阻32的电阻值的变化量会增大,使得测量的灵敏度增加,特别是用本发明的压力传感器测量微压力时,若干环形沟槽32使微压力在应变膜上产生的应变向应变电阻31的方向集中,使得应变电阻32处的应变量增大,从而应变电阻32的电阻值的变化量会增大,使得压力传感器在测量微压力时的灵敏度增加。并且本发明中,所述应变膜37可以保持与现有的压力传感器的应变膜的厚度相同,无需对应变膜进行减薄,应变膜过载时应变膜仍不易碎裂,使得本发明的压力传感器过载能力强,不易损坏。
本实施例中,所述若干环形沟槽32的深度小于应变膜37的厚度,环形沟槽32的开口在应变膜37的远离受压腔体35的表面,所述若干环形沟槽32具有相同的中心,所述应变电阻32设置于最外围的一个或多个环形沟槽32对应的延长线上,通过前述设置,若干环形沟槽32对应变向应变电阻31处的集中作用进一步增强,应变电阻31处应变量进一步增大,从而应变电阻32的电阻值的变化量会进一步增大,使得压力传感器在测量微压力时的灵敏度进一步增加。
本实施例中,所述应变电阻31的数量为4个,所述若干环形沟道32呈4个对称的扇形分布,扇形分布的若干环形沟槽32之间的应变膜37上具有“十”字型连接38,4个应变电阻31设置于“十”字连接38的四个角上,这种设置方式,“十”字连接38的四个角上能获得最大的形变量,在“十”字连接38的四个角上设置的应变电阻31能获得最大的灵敏度。
每个扇形中具有若干同心的环形沟槽32,每个扇形中的环形沟槽32结构相同。在一实施例中,所述环形沟槽32的侧壁呈圆弧型。在其他实施例中,所述环形沟槽32的侧壁呈折线型。
所述压力传感器,还包括:玻璃基底34,玻璃基底34包括上表面和相对的下表面,所述玻璃基底34中具有贯穿玻璃基底34上表面和下表面的第一导压孔36,所述玻璃基底34的上表面与半导体衬底33的下表面键合在一起,玻璃基底34中的第一导压孔36与半导体衬底33中的受压腔体34连通。
通过设置玻璃基底34,后续在将压力传感器与PCB板粘接后,一方面能防止安装应力和/或PCB板的形变对应变膜37的影响,另一方面,后续将压力传感器与PCB粘接时,能防止粘胶堵塞压力腔。
结合参考图3-图5,还包括:PCB板4,所述PCB板4中具有贯穿PCB板4厚度的第二导压孔41(参考图4),所述PCB板4上具有处理电路7(参考图3),所述玻璃基底34的下表面粘接在PCB板4上表面上,使PCB板4上的第二导压孔41与玻璃基底34中的第一导压孔36(参考图1)连通;通过连线将应变电阻与PCB板4上的处理电路7连接,所述处理电路7对应变电阻检测的信号进行处理。
所述处理电路7包括若干电子元器件和将电阻元器件连接的金属线路,所述处理电路7对应变电阻检测的信号进行的处理至少包括对对应变电阻检测的信号景象放大。
所述PCB板4上还具有焊盘8,所述焊盘8与处理电路7电连接,用于将处理后的检测信号输出。
所述玻璃基底34的下表面粘接在PCB板4上表面上可以采用粘胶或者胶带。
本实施例中,还包括:上盖板1,所述上盖板1上具有上盖导气孔2,所述上盖板1粘贴在PCB板4的上表面上,所述上盖板1将PCB板的上表面和半导体衬底密封,形成密闭的压力腔体,上盖导气孔2与一端的气体连接;下盖板5,所述下盖板5上具有下盖导气孔6,所述下盖板5粘贴在PCB板4的下表面上,所述下盖板5将PCB板4的下表面和第二导压孔41密封,形成密闭的另一侧压力腔体,下盖导气孔6与另一端的气体连接,使得压力传感器能测量两种气体的压力差。
在另一实施例中,可以只有上盖板1,所述上盖板1上具有上盖导气孔2,所述上盖板1粘贴在PCB板4的上表面上,所述上盖板1将PCB板的上表面和半导体衬底密封,形成密闭的压力腔体,上盖导气孔2与待测压力的气体连接,PCB板4上的第二导压孔41与大气连接,使得压力传感器可以测量与上盖导气孔2连接的气体的压力。
在另一实施例中,可以只有下盖板5,所述下盖板5上具有下盖导气孔6,所述下盖板5粘贴在PCB板4的下表面上,所述下盖板5将PCB板4的下表面和第二导压孔41密封,形成密闭的压力腔体,下盖导气孔6与待测压力的的气体连接,应变膜上表面与大气接触,使得压力传感器可以测量与下盖导气孔6连接的气体的压力。
本发明一实施例还提供了一种压力传感器的形成方法,具体如下(需要说明的是,本实施例中与前述实施例中相同和相似结构的其他限定或描述,在本实施例中不在赘述,具体请参考前述实施例中相应部分的限定或描述)。
参考图2,提供半导体衬底33,所述半导体衬底33包括上表面和相对的下表面;沿半导体衬底33的下表面,去除部分半导体衬底,在半导体衬底33中形成受压腔体35,所述受压腔体35底部剩余的半导体衬底做为应变膜37在应变膜37上形成应变电阻31;在应变膜37中形成若干环形沟槽32,所述若干环形沟槽32位于应变电阻31两侧,所述若干环形沟槽32用于将应变集中在应变电阻31处。
刻蚀所述半导体衬底35形成受压腔体35采用湿法刻蚀工艺。湿法刻蚀工艺采用的刻蚀溶液为TMAH或KOH。
若干环形沟槽32通过等离子刻蚀工艺形成,在进行刻蚀之前,可以在半导体衬底33上表面不需要刻蚀的位置形成掩膜层,刻蚀形成若干环形沟槽32后,去除所述掩膜层。
所述应变电阻31通过离子注入形成,具体的在半导体衬底33中待形成应变电阻31的位置注入杂质离子。在具体的实施例中,所述杂质离子包括硼离子。
在一实施例中,所述若干环形沟槽32的深度小于应变膜37的厚度,环形沟槽32的开口在应变膜37的远离受压腔体35的表面,所述若干环形沟槽具有相同的中心,所述应变电阻形成在最外围的一个或多个环形沟槽对应的延长线上。
在一实施例中,所述应变电阻通过离子注入形成,所述应变电阻的数量为4个,所述若干环形沟道呈4个对称的扇形分布,扇形分布的若干环形沟槽之间的应变膜上具有“十”字型连接,4个应变电阻设置于“十”字连接的四个角上,每个扇形中具有若干同心的环形沟槽,每个扇形中的环形沟槽结构相同。
继续参考图2,还包括:提供玻璃基底34,玻璃基底34包括上表面和相对的下表面,所述玻璃基底34中具有贯穿玻璃基底上表面和下表面的第一导压孔36;将所述玻璃基底34的上表面与半导体衬底33的下表面键合在一起,玻璃基底34中的第一导压孔36与半导体衬底33中的受压腔体35连通。
所述键合工艺可以采用硅-硅键合工艺或其他合适的键合工艺。
结合参考图3-5,还包括:提供PCB板4,所述PCB板4中具有贯穿PCB板厚度的第二导压孔41,所述PCB板4上具有处理电路7;将所述玻璃基底34的下表面粘接在PCB板4上表面上,使PCB板4上的第二导压孔41与玻璃基底34中的第一导压孔36(参考图2)连通;形成连线将应变电阻与PCB板4上的处理电路7连接,所述处理电路7对应变电阻检测的信号进行处理。
还包括:提供上盖板1,所述上盖板1上具有上盖导气孔2;将所述上盖板1粘贴在PCB板4的上表面上,所述上盖板1将PCB板4的上表面和半导体衬底密封,形成密闭的压力腔体,上盖导气孔2与一端的气体连接。
还包括:提供上盖板5,所述上盖板5上具有上盖导气孔6;将所述下盖板5粘贴在PCB板4的下表面上,所述下盖板5将PCB板4的下表面和第二导压孔41密封,形成密闭的另一侧压力腔体,下盖导气孔6与另一端的气体连接,使得压力传感器能测量两种气体的压力差。
在另一实施例中,可以只有上盖板1,所述上盖板1上具有上盖导气孔2,所述上盖板1粘贴在PCB板4的上表面上,所述上盖板1将PCB板的上表面和半导体衬底密封,形成密闭的压力腔体,上盖导气孔2与待测压力的气体连接,PCB板4上的第二导压孔41与大气连接,使得压力传感器可以测量与上盖导气孔2连接的气体的压力。
在另一实施例中,可以只有下盖板5,所述下盖板5上具有下盖导气孔6,所述下盖板5粘贴在PCB板4的下表面上,所述下盖板5将PCB板4的下表面和第二导压孔41密封,形成密闭的压力腔体,下盖导气孔6与待测压力的的气体连接,应变膜上表面与大气接触,使得压力传感器可以测量与下盖导气孔6连接的气体的压力。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。