CN1130550C - 具有膜片的传感器 - Google Patents

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Abstract

一种具有膜片的传感器，在膜片上至少设置一个电阻元件(4)膜片是用膜片层(10)制成的。后者由多层分层(11、12、13)构成。另外还有一个由多层分层(21、22)构成的覆盖层。膜片和覆盖层的各分层是这样选定的，即不论是膜片还是覆盖层都要将其调节到具有轻度的拉应力，最好是调节成具有大小大致相等的轻度拉应力。

Description

具有膜片的传感器
技术领域
本发明涉及一个具有膜片的传感器。
背景技术
在专利WO 89/05963中发表过一种具有膜片的传感器，其中的膜片是由多层介电层构成的。在膜片上设有用来对膜片进行加热和测量膜片温度用的薄膜电阻元件。膜片是由多层构成的，后者是根据其热膨胀系数这样选定的：要将其调节到对硅支架具有轻度的拉应力。在膜片和电阻元件的上表面上包覆同样是用一种介电材料制成的覆盖层。
发明内容
本发明的目的可以通过如下的技术方案实现：用硅制成的传感器，有一个膜片，装在支架上，其中的膜片含有膜片层和覆盖层，所述的膜片层和覆盖层都是由介电材料制成的，在膜片上至少设有一个用金属薄膜制成的电阻元件，其中覆盖层覆盖在一个电阻元件以及膜片层的上表面上，膜片层如此构成：调节产生轻度的拉应力，要使覆盖层也有轻度的拉应力。
按照本发明的传感器较比上述传感器优越之处在于：通过一层具有同样轻度拉应力的覆盖层，可以改善膜片的稳定性。
通过本发明的措施，可能有利于对传感器进行改造和改进。通过覆盖层的多层结构可以改善对拉应力状态进行调节的可能性。另外，由于是多层结构，所以能够改善对于覆盖层的各种不同的要求，特别是改善对于覆盖层的粘结性和密封性方面的要求。通过使用略有硅余量的第一分层就能够使其对于用薄膜制成的电阻元件的粘结性达到特别好的程度。通过在其表面上沉积一层化学计量的氧化硅层就使其具有特别好的防潮性。另外，还可以用氧化硅制成的覆盖层作为第一分层，再采用氧化硅或氮化硅、或者再配合拉应力作为上面的第二分层。最为有利的是一种对称型的结构；采用这种结构，使膜片的拉应力和覆盖层的拉应力大致相等，从而降低各层之间的拉应力梯度，防止层间剥落。各层彼此之间还能够不断互相迁移。
附图描述
图1所示是具有膜片的传感器的俯视图；
图2是的横剖面图；
图3及4是膜片和覆盖层的逐层顺序详图。
具体实施方式
本发明的实施例如图1中所示，借此对以下的描述作详细解释。
图1和图2是以物料流量计为例的俯视图和横剖面图。物料流量计1备有一个用单晶硅制成的支架2；在支架上张设一片膜片3。在膜片3上配置一片加热片4，在加热片的两旁分别配置一个测温元件5。通过一条导电带6将加热片4和两个测温元件5连接在接电区7。由图2的横剖面图可见，膜片3含有膜片层10和覆盖层20。在膜片层10上配置加热片4和测温元件5。在膜片层10、加热片4和测温元件5的上表面上包覆一层覆盖层20。
硅支架2一般采用单晶硅制造。支架2是采用单晶硅片利用各向异性刻蚀法刻蚀制成的。采用这种办法制成如示意图2所示特征的侧面斜壁。这道刻蚀步骤虽然可在包覆膜片层10之后的任何一道工序中进行，但最好还是在最后一道工序进行。当膜片层10在硅基片上沉积成型之后，即可其上面配置做加热片4和测温元件5用的薄层。这是一层用金属，例如铂或与其类似的金属制成的典型的薄层。在加工成型的过程中，就从这层金属层中经过成型加工形成用来做加热片4和测温元件5用的电阻元件。在此以后，从薄膜层中加工形成导电带6和接电区7。在此以后的一道工序中，再包覆一层覆盖层20。
通过向加热片4的电阻元件馈电，膜片3即被加热。当有空气气流流过时，膜片根据气流的强度被冷却。测温元件5的电阻元件的电阻值随温度而改变。通过检测测温元件5的电阻值即可测出膜片3的冷却程度，转而换算出流过气流的强度。
为了保证传感器长期耐用，必须对膜片3的拉应力状态加以控制。由于膜片所承受的强温度负荷，还必须为此重视所用材料的热膨胀系数。膜片层10和覆盖层20一般是用介电材料制成的；电阻元件4和5是用金属制成的。这些材料的热膨胀系数与支架2的硅的有明显差异。由WO89/05963中可见，膜片层10是由两层分层构成的。其中一层的热膨胀系数大于硅(氧化硅)的膨胀系数；而另一种材料的膨胀系数小于硅(氧化硅)的膨胀系数。通过这样的两层结构，使膜片10的热膨胀系数与硅支架的热膨胀系数相适配。但是在采用这种做法时，并未考虑到覆盖层20。
图3所示是按照本发明的膜片3包覆加热片4的结构的横剖面图。此处的膜片10是由三层分层组成的；特别是一层氧化硅层11，一层覆盖在其上面的氮化硅层12，以及覆盖在氮化硅层12上面的氧化硅层13。第一层氧化硅层11是采用惯用的方法，特别是硅的热氧化法或氧化硅层沉积法制成的。在其上面再采用沉积这类覆层的普通方法(化学沉积法或等离子支持化学沉积法)制成氮化硅层12。在氮化硅层12上面配置的另一层氧化硅层13是采用再氧化法，即通过使氮化硅层12上面的一薄层发生转化形成的。这是在高温下用水蒸气或氧气作用在氮化硅表面上形成的。这种再氧化生成的氧化硅层13的优点在于：它对敷设在其下面的氮化硅层12有很强的粘接能力，并能对配置在其上面的、用来形成加热片4的电阻元件的金属膜的粘接能力有明显的改善。关于11、12、13各层的厚度和在其内部的拉应力状态的设计方式是这样选定的：即要使总共10层的膜片对支架2的硅产生一个相对的轻度拉应力。当电阻元件的配置和成型完毕之后，就再包覆由第一层覆盖层21和另一层覆盖层22构成的两层的覆盖层。第一层覆盖层21主要是由氧化硅构成的；因为这种材料不论对于经过再氧化的氮化硅层13、还是对于电阻元件4、5和导电带6的金属都具有优越的粘接能力。然后在这种用氧化硅制成的覆盖层21上面再形成一层第二层覆盖层22。这两层21和22的热膨胀系数也是这样设计的：要使其对于支架2产生一个相对的轻度拉应力。当覆盖层20的轻度拉应力完全和膜片层10的轻度拉应力相对应的时候特别有利。但是，出于制造公差方面的原因，这种对应决不会达到100％。然而，当在覆盖层20中的拉应力和在膜片层10中的拉应力大约有同样大小的时候，还是能够有希望达到一个理想的最高值的。通过覆盖层20的成型，使其产生同样的轻度拉应力，就能保证在膜片3中产生的机械拉应力达到最小程度。这样就能使覆盖层20对于膜片层10或电阻元件4、5具有良好的粘接能力。另外，如果能够使电阻元件4、5不受机械拉应力的作用，同样也能够改善其对于膜片10的粘接能力。除此之外，电阻元件中的电阻值还取决于电阻层中的机械拉应力状态；所以，通过将覆盖层调整到具有轻度的拉应力，就能改善其对电阻元件4、5的电阻值的控制。另外，根据已知，由于受拉应力的影响，会促使污染物质向金属中的渗透。然而本发明却能防止或者减轻这种效应的影响。
作为第一及第二层覆盖层21和22的材料使用的主要仍旧是氮化硅和氧化硅。有可能采用的层顺序，例如，可以按以下所述：利用稍有硅余量的氧化硅层构成第一层覆盖层21。这样的氧化硅层具有拉应力，并且由于有余量的硅的存在而会对金属层有卓越的粘接能力。另外还发现，由于在这样的第一层覆盖层21中存在微少的硅余量，使其对于金属电阻元件的、特别是对于用铂做的金属电阻元件的电阻系数的稳定性有正面的影响。为了对这样用稍有硅余量的氧化硅层做成的第一层覆盖层的拉应力加以补偿，还要再沉积一层化学计量的氧化硅层作为第二层覆盖层22。这样的一层化学计量的氧化硅层具有压应力。层的厚度是这样选定的：要使由第一层覆盖层21和第二层覆盖层22构成的覆盖层20总体上产生轻度的拉应力。经验证明，这样的化学计量的氧化硅层另外还具有防潮性；因此，通过这两层的覆盖层不但能够将应力状态调整到所希望的轻度拉应力，还能够起到卓越的隔湿作用。按照本发明的覆盖层20的另一个实施例在于：第一层覆盖层21是经过沉积成型制成的具有压应力的一层氧化硅层，特别是化学计量的氧化硅层。第二层覆盖层22是再此之后在采用氧化硅制成的这种有压应力的第一层覆盖层21的上表面上沉积一层有拉应力的覆盖层22。在这种情况下，适合于采用具有拉应力的氮化硅、氧化硅或者是这两种的混合物制造第二层覆盖层22。结果发现，氮化硅同样也有卓越的防潮性，并且能够保证电阻元件的长期稳定。
图4所示是本发明中具有单层覆盖层20的另一个实施例。在图4中，绘出标有11、12、13标号以及其他与图3中相同的元件。单层覆盖层20的做法是：不但要使其具有轻度的拉应力，而且要对再氧化层13和金属4仍然有良好的粘接能力。相对覆盖在其下方的层13和4而言，采用氧化硅做的层20所含的硅的成分较高，所以形成了拉应力。随着厚度的增加，过量的硅不断向化学计量的氧化硅层的方向转变，从而形成压应力。在界面处的氧化硅中的余量硅至少在一个电阻元件4，5和膜片3上表面处为最大。应力状态的梯度可以在沉积过程中通过改变适当的等离子参数实现。

Claims (6)

1.用硅制成的传感器(1)，有一个膜片(3)，装在支架(2)上，其中的膜片(3)含有膜片层(10)和覆盖层(20)，所述的膜片层(10)和覆盖层(20)都是由介电材料制成的，在膜片(3)上至少设有一个用金属薄膜制成的电阻元件(4，5)，其中覆盖层(20)覆盖在一个电阻元件(4，5)以及膜片层(10)的上表面上，膜片层(10)如此构成：调节产生轻度的拉应力，其特征在于：要使覆盖层(20)也有轻度的拉应力。
2.如权利要求1的传感器，其特征在于：覆盖层(20)是由多层分层(21，22)构成的，第一分层(21)是至少在一个电阻元件(4，5)和膜片层(10)的上表面上主要用氧化硅并具有拉应力制成的，在第一分层(21)的上面制成第二分层(22)，是由氧化硅、氮化硅或者用氧化硅和氮化硅的复合材料沉积成并具有拉应力，并使第一和第二分层(21，22)总体上产生轻度的拉应力。
3.如权利要求2的传感器，其特征在于：用于制成第一分层(21)的氧化硅是稍有硅余量的氧化硅，在其上面的第二分层(22)是在含量上主要为氧化硅的氧化硅层并有压应力制成的。
4.如上述权利要求中的一项的传感器，其特征在于：膜片层(10)中的拉应力和覆盖层(20)中的拉应力有同样的大小。
5.如权利要求1中的传感器，其特征在于：覆盖层(20)主要是用氧化硅制成的，在氧化硅中的过量硅不断随覆盖层(20)的厚度改变。
6.如权利要求5中的传感器，其特征在于：在界面处的氧化硅中的余量硅至少在一个电阻元件(4，5)和膜片层(10)上表面处为最大。
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