CN111879447A - 一种同心圆环结构的差动式SiC电容压力传感器及其制备方法 - Google Patents

一种同心圆环结构的差动式SiC电容压力传感器及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种同心圆环结构的差动式SiC电容压力传感器及制备方法，传感器的下极板包括内下极板和外下极板；内下极板为圆形，外下极板为与内下极板同心的圆环形；上极板包括内上极板、外上极板和连接板；内上极板为位于内下极板正上方、开口朝下的圆形框体；外上极板为位于外下极板正上方、开口朝下的圆环形框体；内上极板与外上极板之间通过连接板连接；下极板与上极板形成同心圆环电容结构。本发明选用同心圆环结构，不仅能够在恶劣环境下稳定工作，而且能够有效提高传感器的灵敏度及线性度。

Description

一种同心圆环结构的差动式SiC电容压力传感器及其制备 方法
技术领域
本发明属于宽禁带半导体器件制备技术领域，具体涉及一种同心圆环结构的差动式SiC电容压力传感器及其制备方法。
背景技术
随着对如发动机、地热井、航空航天等领域的探索，人们对应用于恶劣环境下的传感器的需求越来越迫切，特别是高温、高腐蚀性的环境。而现有的Si基半导体传感器在恶劣环境中容易失效，而SiC作为第三代半导体材料，对恶劣环境具有很高的抗性，是制作用于恶劣环境中的传感器的理想材料。
此外，现有的压阻式压力传感器容易受到温度的影响，需要额外的器件或电路来消除温度对于压阻式压力传感器准确度及精度的影响。而电容式压力传感器适应能力强，尤其可以承受很大的温度变化，且其可动结构很薄，质量轻，动态响应好，可用于高速变化的参数，如振动、瞬时压力等。由于现有的差动式电容压力传感器的受压膜片多采用金属薄膜或Si基底材料，且不能实现对被测环境的隔离，不能直接与被测环境接触，因此不能工作于具有强腐蚀或高温的环境中。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种同心圆环结构的差动式SiC电容压力传感器及其制备方法，不仅能够在恶劣环境下稳定工作，而且能够有效提高传感器的灵敏度及线性度。
本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种同心圆环结构的差动式SiC电容压力传感器，包括自下而上的SiC衬底、p型SiC层、复合层以及上极板，其中复合层由下极板、电极、连接电路、绝缘层与焊盘组成；
所述的电极包括第一电极、第二电极和第三电极，其中第三电极接地；所述的连接电路包括第一连接电路、第二连接电路和第三连接电路；
所述的下极板包括内下极板和外下极板；内下极板为圆形，外下极板为与内下极板同心的圆环形；外下极板设有供第一连接电路穿过的缺口，内下极板通过第一连接电路与第一电极连接，外下极板通过第二连接电路与第二电极连接；
所述的上极板包括内上极板、外上极板和连接板；内上极板为位于内下极板正上方、开口朝下的圆形框体；外上极板为位于外下极板正上方、开口朝下的圆环形框体；内上极板与外上极板之间通过连接板连接；上极板通过第三连接电路与第三电极连接；
所述的焊盘为三个，分别与所述的第一电极、第二电极和第三电极连接，用于通过焊接与外部电路形成电接触；
所述的绝缘层覆盖在下极板、连接电路的四周及表面，同时包围住电极与焊盘的四周，将上极板与内下极板、外下极板、以及第一连接电路隔开，使得下极板与上极板形成同心圆环电容结构。
按上述方案，所述的p型SiC层厚度为2μm±0.1μm。
按上述方案，所述的内下极板和外下极板的厚度均为2±0.1μm。
按上述方案，所述的内上极板、外上极板和连接板的厚度均为2～3μm；圆形框体和圆环形框体的高度均为6μm±0.2μm。
按上述方案，所述的第一电极、第二电极和第三电极均为正方形，边长至少为250μm。
按上述方案，所述的连接电路为重掺杂的n型SiC层。
按上述方案，所述的第一连接电路与第二连接电路呈180°分布，第三连接电路分别与第一连接电路、第二连接电路之间夹角均为90°。
按上述方案，所述的绝缘层最大厚度处厚度为2.4±0.13μm，最薄处厚度为0.3±0.03μm。
按上述方案，所述的焊盘包括焊盘底层金属和焊盘顶层金属，焊盘底层金属的厚度为300nm±20nm，通过高温退火与电极形成欧姆接触，焊盘顶层金属厚度为100nm±10nm，通过焊接与外部电路形成电接触。
所述的同心圆环结构的差动式SiC电容压力传感器的制备方法，本方法包括以下步骤：
S1、在SiC衬底上依次外延p型SiC层和n型SiC层；
S2、依据下极板、连接电路以及电极的结构，图形化n型SiC层，形成所述的下极板、连接电路以及电极；
S3、沉积绝缘层；
S4、在绝缘层上沉积硅作为牺牲层；
S5、依据上极板的形状，图形化牺牲层；
S6、在图形化后的牺牲层上沉积SiC，形成所述的上极板；
S7、图形化上极板，形成刻蚀孔；
S8、释放牺牲层；
S9、对所述的刻蚀孔进行填埋。
本发明的有益效果为：选用同心圆环结构，不仅具有更好的更好的机械强度与更好的耐高温性能，而且能够大幅度提高传感器的线性度及工作量程；同时，同心圆环结构的差动式工作方案，能够测量具有腐蚀性的流体，并能够消除共模噪声的干扰，具有更高的精确度。
附图说明
图1为本发明一实施例的三维结构示意图。
图2为本发明一实施例的剖视图。
图3为本发明一实施例去除上极板与绝缘层后的内部三维结构示意图。
图4为本发明一实施例的圆形区域和圆环区域的挠度图。
图5为普通平行板电容器三维结构的剖视图。
图6为本发明实施例提供的同心圆环结构的差动式SiC电容压力传感器与普通平行板电容压力传感器的工作数据仿真对比图。
图7为本发明一实施例的工作电路示意图。
图8为本发明一实施例的制造过程示意图。
图中：1-SiC衬底；2-p型SiC层；3-下极板；31-内下极板；32-外下极板；4-电极；41-第一电极；42-第二电极；43-第三电极；5-连接电路；51-第一连接电路；52-第二连接电路；53-第三连接电路；3；6-绝缘层；7-焊盘；71-焊盘底层金属；72-焊盘顶层金属；8-上极板；81-内上极板；82-外上极板；83-连接板。
具体实施方式
下面结合具体实例和附图对本发明做进一步说明。
本发明提供一种同心圆环结构的差动式SiC电容压力传感器，如图1至图3以及图5所示，包括自下而上的SiC衬底1、p型SiC层2、复合层以及上极板8，其中复合层由下极板3、电极4、连接电路5、绝缘层6与焊盘7组成。本实施例中，p型SiC层2厚度为2μm±0.1μm。
所述的电极4包括第一电极41、第二电极42和第三电极43，其中第三电极接地。本实施例中，第一电极41、第二电极42和第三电极43均为正方形，边长至少为250μm。
所述的连接电路5包括第一连接电路51、第二连接电路52和第三连接电路53。本实施例中，连接电路5为重掺杂的n型SiC层。第一连接电路51与第二连接电路52呈180°分布，第三连接电路53分别与第一连接电路51、第二连接电路52之间夹角均为90°。
所述的下极板3包括内下极板31和外下极板32；内下极板31为圆形，外下极板32为与内下极板31同心的圆环形；外下极板32设有供第一连接电路51穿过的缺口，内下极板31通过第一连接电路51与第一电极41连接，外下极板32通过第二连接电路52与第二电极42连接。本实施例中，内下极板31和外下极板32的厚度均为2±0.1μm。
所述的上极板8包括内上极板81、外上极板82和连接板83；内上极板81为位于内下极板31正上方、开口朝下的圆形框体；外上极板82为位于外下极板32正上方、开口朝下的圆环形框体；内上极板81与外上极板82之间通过连接板83连接；上极板8通过第三连接电路53与第三电极43连接。本实施例中，内上极板81、外上极板82和连接板83实际为一整体结构，只是为了描述方便将上极板8分为上述三个部分。本实施例中，内上极板81、外上极板82和连接板83的厚度均为2～3μm；圆形框体和圆环形框体的高度依据传感器量程通过力学计算得出，本实施例中均为6μm±0.2μm。
所述的焊盘7为三个，分别与所述的第一电极41、第二电极42和第三电极43连接，用于通过焊接与外部电路形成电接触。本实施例中，焊盘7包括焊盘底层金属71和焊盘顶层金属72，焊盘底层金属71采用具有良好欧姆接触性能的金属，厚度为300nm±20nm，通过高温退火与电极4形成欧姆接触，焊盘顶层金属72采用具有良好电性能和抗腐蚀的金属，厚度为100nm±10nm，通过焊接与外部电路形成电接触。优选的焊盘底层金属可采用金属镍Ni，焊盘顶层金属可采用金属铂Pt。
所述的绝缘层6覆盖在下极板3、连接电路5的四周及表面，同时包围住电极4与焊盘7的四周，实现对电极的保护，将上极板8与内下极板31、外下极板32、以及第一连接电路51隔开，使得下极板3与上极板8形成同心圆环电容结构。本实施例中，绝缘层6最大厚度处厚度为2.4±0.13μm，最薄处厚度为0.3±0.03μm。优选的，绝缘层材料可以是SiO2。
如图8所示，所述的同心圆环结构的差动式SiC电容压力传感器的制备方法，本方法包括以下步骤：
S1、在SiC衬底1上依次外延p型SiC层2和n型SiC层。
S2、依据下极板3、连接电路5以及电极4的结构，采用干法刻蚀，图形化n型SiC层，形成所述的下极板3、连接电路5以及电极4。
S3、采用化学气相沉积工艺，沉积绝缘层6。
S4、采用化学气相沉积工艺，在绝缘层6上沉积硅作为牺牲层。
S5、依据上极板8的形状，采用硅的体加工工艺，图形化牺牲层。
S6、在图形化后的牺牲层上，采用化学气相沉积工艺，沉积SiC，形成所述的上极板8。
S7、采用干法刻蚀，图形化上极板，形成刻蚀孔。
S8、采用硅的体加工工艺，释放牺牲层。
S9、采用化学气相沉积，对所述的刻蚀孔进行填埋。
本发明同心圆环结构的差动式SiC电容压力传感器，其工作原理如下：在受到外部压力时，上极板与下极板之间的极板间距减小，根据电容计算公式可知，在忽略边缘效应的情况下，传感器的电容值会增大。随着外部压力的逐渐增大，传感器的上下极板之间的间距逐渐减小，传感器电容值逐渐增大，即传感器的电容值与外部压力成正相关关系，通过外部检测电路，即可将传感器的电容值转化为电压的变化，达到压力检测的目的。由于上极板圆环区域比圆形区域结构更稳定，所以在受到外部压力时，上极板圆环区域的挠度与圆形区域的挠度相比可以忽略不计。即与圆型区域相比，圆环区域的电容变化可以忽略不计，可以作为一个供参考的固定电容，从而具有实现差动输出的功能。
如图7所示，传感器工作电路采用四个二极管组成的电桥结构，传感器布置在电桥中间，传感器上极板接地，其中Cc＞＞C1,C2。在忽略二极管压降、线路阻抗及外部负载等情况下，电路输出端电压为
Figure BDA0002574680180000051
在考虑二极管压降Vd、线路阻抗ZS及外部负载ZL时，电路输出端电压VAB为
Figure BDA0002574680180000061
式中，Cc为耦合电容器、C1,C2分别为圆形区域电容和圆环区域电容；
从(2)式可看出，传感器输出电压与差动电容呈线性关系。
图4为本发明一实施例的圆形区域和圆环区域的挠度图，可看出在受到外部压力时，圆形区域挠度较大，为变化电容；圆环区域挠度基本不变，为恒定电容，因而可实现差动式输出。
图5为普通平行板电容器三维结构的剖视图。图6为本发明实施例提供的同心圆环结构的差动式SiC电容压力传感器与图5所示普通平行板电容压力传感器的工作数据仿真对比图，可看出相较于普通平行板电容器，本发明所提供的传感器在保证传感器输出线性度的同时能够承受更大压力，具有更好的结构稳定性及更高的测量量程。
本发明的技术方案选用SiC材料作为传感器的基本材料，具有很强的抗高温、抗腐蚀能力，具有更长的寿命、更高的工作可靠性；选用同心圆环结构，不仅具有更好的更好的机械强度与更好的耐高温性能，而且能够大幅度提高传感器的线性度及工作量程；选用同心圆环结构的差动式工作方案，不仅克服了传统差动式电容压力传感器不能测量具有腐蚀性流体的缺点，而且能够消除共模噪声的干扰，具有更高的精确度。
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种同心圆环结构的差动式SiC电容压力传感器，包括自下而上的SiC衬底（1）、p型SiC层（2）、复合层以及上极板（8），其中复合层由下极板（3）、电极（4）、连接电路（5）、绝缘层（6）与焊盘（7）组成；其特征在于：
所述的电极（4）包括第一电极（41）、第二电极（42）和第三电极（43），其中第三电极接地；所述的连接电路（5）包括第一连接电路（51）、第二连接电路（52）和第三连接电路（53）；
所述的下极板（3）包括内下极板（31）和外下极板（32）；内下极板（31）为圆形，外下极板（32）为与内下极板（31）同心的圆环形；外下极板（32）设有供第一连接电路（51）穿过的缺口，内下极板（31）通过第一连接电路（51）与第一电极（41）连接，外下极板（32）通过第二连接电路（52）与第二电极（42）连接；
所述的上极板（8）包括内上极板（81）、外上极板（82）和连接板（83）；内上极板（81）为位于内下极板（31）正上方、开口朝下的圆形框体；外上极板（82）为位于外下极板（32）正上方、开口朝下的圆环形框体；内上极板（81）与外上极板（82）之间通过连接板（83）连接；上极板（8）通过第三连接电路（53）与第三电极（43）连接；
所述的焊盘（7）为三个，分别与所述的第一电极（41）、第二电极（42）和第三电极（43）连接，用于通过焊接与外部电路形成电接触；
所述的绝缘层（6）覆盖在下极板（3）、连接电路（5）的四周及表面，同时包围住电极（4）与焊盘（7）的四周，将上极板（8）与内下极板（31）、外下极板（32）、以及第一连接电路（51）隔开，使得下极板（3）与上极板（8）形成同心圆环电容结构。
2.根据权利要求1所述的同心圆环结构的差动式SiC电容压力传感器，其特征在于：所述的p型SiC层（2）厚度为2μm±0.1μm。
3.根据权利要求1所述的同心圆环结构的差动式SiC电容压力传感器，其特征在于：所述的内下极板（31）和外下极板（32）的厚度均为2±0.1μm。
4.根据权利要求1所述的同心圆环结构的差动式SiC电容压力传感器，其特征在于：所述的内上极板（81）、外上极板（82）和连接板（83）的厚度均为2~3μm；圆形框体和圆环形框体的高度均为6μm±0.2μm。
5.根据权利要求1所述的同心圆环结构的差动式SiC电容压力传感器，其特征在于：所述的第一电极（41）、第二电极（42）和第三电极（43）均为正方形，边长至少为250μm。
6.根据权利要求1所述的同心圆环结构的差动式SiC电容压力传感器，其特征在于：所述的连接电路（5）为重掺杂的n型SiC层。
7.根据权利要求1所述的同心圆环结构的差动式SiC电容压力传感器，其特征在于：所述的第一连接电路（51）与第二连接电路（52）呈180°分布，第三连接电路（53）分别与第一连接电路（51）、第二连接电路（52）之间夹角均为90°。
8.根据权利要求1所述的同心圆环结构的差动式SiC电容压力传感器，其特征在于：所述的绝缘层（6）最大厚度处厚度为2.4±0.13μm，最薄处厚度为0.3±0.03μm。
9.根据权利要求1所述的同心圆环结构的差动式SiC电容压力传感器，其特征在于：所述的焊盘（7）包括焊盘底层金属（71）和焊盘顶层金属（72），焊盘底层金属（71）的厚度为300nm±20nm，通过高温退火与电极（4）形成欧姆接触，焊盘顶层金属（72）厚度为100nm±10nm，通过焊接与外部电路形成电接触。
10.权利要求1所述的同心圆环结构的差动式SiC电容压力传感器的制备方法，其特征在于：本方法包括以下步骤：
S1、在SiC衬底（1）上依次外延p型SiC层（2）和n型SiC层；
S2、依据下极板（3）、连接电路（5）以及电极（4）的结构，图形化n型SiC层，形成所述的下极板（3）、连接电路（5）以及电极（4）；
S3、沉积绝缘层（6）；
S4、在绝缘层（6）上沉积硅作为牺牲层；
S5、依据上极板（8）的形状，图形化牺牲层；
S6、在图形化后的牺牲层上沉积SiC，形成所述的上极板（8）；
S7、图形化上极板（8），形成刻蚀孔；
S8、释放牺牲层；
S9、对所述的刻蚀孔进行填埋。
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