CN113739903A - 一种碳化硅振动传感器及其制造方法 - Google Patents
一种碳化硅振动传感器及其制造方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN113739903A CN113739903A CN202110826144.2A CN202110826144A CN113739903A CN 113739903 A CN113739903 A CN 113739903A CN 202110826144 A CN202110826144 A CN 202110826144A CN 113739903 A CN113739903 A CN 113739903A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- metal
- silicon carbide
- piezoresistor
- vibration sensor
- body type
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 66
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 55
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 16
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 69
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 69
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 42
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 33
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N nickel Substances [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 28
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 claims description 15
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims description 13
- 239000010931 gold Substances 0.000 claims description 11
- 239000010936 titanium Substances 0.000 claims description 11
- 229920002120 photoresistant polymer Polymers 0.000 claims description 10
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 claims description 9
- 239000013077 target material Substances 0.000 claims description 9
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 238000002955 isolation Methods 0.000 claims description 8
- 238000001259 photo etching Methods 0.000 claims description 8
- 238000010329 laser etching Methods 0.000 claims description 7
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 238000004528 spin coating Methods 0.000 claims description 5
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 claims description 4
- 230000000873 masking effect Effects 0.000 claims description 4
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910052681 coesite Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910052906 cristobalite Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims description 3
- 238000001755 magnetron sputter deposition Methods 0.000 claims description 3
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 claims description 3
- 229910052682 stishovite Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910052905 tridymite Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 238000007740 vapor deposition Methods 0.000 claims description 3
- 238000000137 annealing Methods 0.000 claims description 2
- 238000009987 spinning Methods 0.000 claims description 2
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 abstract description 17
- 238000012545 processing Methods 0.000 abstract description 14
- 230000008859 change Effects 0.000 abstract description 7
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 4
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 abstract description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 11
- 239000000463 material Substances 0.000 description 10
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 8
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 7
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 5
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 4
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 description 3
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 3
- 230000004044 response Effects 0.000 description 3
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 2
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 2
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 2
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 238000001312 dry etching Methods 0.000 description 2
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 2
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 2
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000002159 abnormal effect Effects 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- LDDQLRUQCUTJBB-UHFFFAOYSA-N ammonium fluoride Chemical compound [NH4+].[F-] LDDQLRUQCUTJBB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 1
- 238000010923 batch production Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 239000000356 contaminant Substances 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- WABPQHHGFIMREM-UHFFFAOYSA-N lead(0) Chemical compound [Pb] WABPQHHGFIMREM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 229910017604 nitric acid Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 239000002957 persistent organic pollutant Substances 0.000 description 1
- 238000000206 photolithography Methods 0.000 description 1
- 238000004151 rapid thermal annealing Methods 0.000 description 1
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 229920001169 thermoplastic Polymers 0.000 description 1
- 239000004416 thermosoftening plastic Substances 0.000 description 1
- 239000012780 transparent material Substances 0.000 description 1
- 238000001039 wet etching Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
- G01H11/00—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by detecting changes in electric or magnetic properties
- G01H11/06—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by detecting changes in electric or magnetic properties by electric means
- G01H11/08—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by detecting changes in electric or magnetic properties by electric means using piezoelectric devices
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
- B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
- B81B3/00—Devices comprising flexible or deformable elements, e.g. comprising elastic tongues or membranes
- B81B3/0018—Structures acting upon the moving or flexible element for transforming energy into mechanical movement or vice versa, i.e. actuators, sensors, generators
- B81B3/0021—Transducers for transforming electrical into mechanical energy or vice versa
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
- B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
- B81B7/00—Microstructural systems; Auxiliary parts of microstructural devices or systems
- B81B7/02—Microstructural systems; Auxiliary parts of microstructural devices or systems containing distinct electrical or optical devices of particular relevance for their function, e.g. microelectro-mechanical systems [MEMS]
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
- B81C—PROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
- B81C1/00—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate
- B81C1/00015—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate for manufacturing microsystems
- B81C1/00134—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate for manufacturing microsystems comprising flexible or deformable structures
- B81C1/0015—Cantilevers
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Pressure Sensors (AREA)
Abstract
本发明公开了一种碳化硅振动传感器及其制造方法，该传感器采用单桥结构，设计敏感梁的宽度小于敏感梁的厚度，敏感方向平行于质量块平面，与传统敏感方向垂直于质量块平面的振动传感器相比，在不提高加工难度的基础上，提高了输出灵敏度。该传感器敏感梁截面为梯形梁结构，与同截面积矩形梁相比，振动引起的应力更加集中，传感器的输出更大。该传感器两对压敏电阻均布置于敏感梁应力最大值处，利用碳化硅的压阻效应，将振动引起的应力转换为电阻值的变化，采用惠斯通电桥全桥转化成可输出的电压信号，可以及时、准确地完成信号转换，同时保证了传感器的输出灵敏度。
Description
技术领域
本发明属于微机电技术领域，具体涉及一种碳化硅振动传感器及其制造方法。
背景技术
高温振动监测在石油化工、核能电力、航空航天等领域有着重要应用。以航空发动机振动监测为例，异常振动是航空发动机故障发生的重要原因，振动故障在航线维护中的故障比例甚至超过90％。对航空发动机转子的振动监测可以得到发动机的工作振动状态，预测发动机寿命，极大地降低飞行成本。需监测的关键结构一般工作于超300℃的高温环境，有些结构的工作温度甚至超过1000℃，这对传感器的高温性能提出了较高要求，传统的振动传感器很难满足发动机监测的需求。
压阻式高温振动传感器借助于微机电系统(MEMS)技术，具有体积小、功耗低、批量化的优势，并且传感器精度高、响应频带宽，能够满足航空发动机高温振动测试对高精度、高频响、批量化的应用需求。碳化硅(SiC)是一种典型的宽带隙半导体材料，具有优越的电学、热学和机械性能，吸引了国内外研究者的广泛关注。与传统Si材料相比，SiC具备更好的抗热塑性变形(1000℃左右)和抗高温漏电的能力(＞350℃)；同时SiC和Si材料一样具备优良的压阻效应，其具有比Si更高的机械强度、耐磨性和耐化学腐蚀性能，适合高温振动传感器的应用。
但SiC材料特性也限制了SiC压阻器件的发展：一，SiC耐磨耐腐蚀，对加工工艺提出了较高的要求，传统的干法刻蚀、湿法腐蚀和机械加工等手段都无法有效对SiC材料进行大深度体加工，严重影响了加工效率；二，SiC的杨氏模量约为Si的三倍，在允许的加工条件下相同结构的传感器灵敏度仅为Si的三分之一，很难满足高灵敏度的需求；三，高温下金属-半导体电气连接不稳定，SiC器件的稳定的高温欧姆接触制备比较困难。
为了提高SiC材料在高温振动领域发挥更广泛的作用，需要一种高效的耐高温、高灵敏度的SiC振动传感器制作方法。中国发明专利CN201910009344.1公开了一种高灵敏度、高频响、抗过载的碳化硅高温振动传感器，设计了一种音叉复合悬臂梁结构振动传感器，受加速度作用时单个梁受到应力更大，复合梁结构又提高了悬臂梁刚度，但此设计加工难度大、成本高、成品率低，很难大批量生产；中国发明专利CN201911212178.1公开一种基于碳化硅材料的压阻式加速度传感器及其制造方法，采用双悬臂梁结构，信号采集输出电路为半桥设计的惠斯通电桥，信号输出变化小，灵敏度低，且双梁结构的振动传感器固有频率较低，难以满足高频振动测量的需求。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种碳化硅振动传感器及其制造方法，以解决现有技术中碳化硅加工效率低、碳化硅振动传感器灵敏度低的问题。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种碳化硅振动传感器，包括固定外框和质量块，所述固定外框围绕质量块，所述固定外框和质量块之间通过沟槽间隔；
所述固定外框和质量块之间通过两个敏感梁连接，两个敏感梁设置在x方向中心线上，两个敏感梁相对于y方向中心线对称；每一个敏感梁的外端部和固定外框连接，内端部和质量块连接；每一个敏感梁的两侧均设置有沟槽；
每一个敏感梁的外端部上设置有一对压敏电阻，所述固定外框上设置有两组相对于y方向中心线对称的金属焊盘，每一对压敏电阻通过体型引线和其同一侧的金属焊盘连通；
所述压敏电阻和体型引线重叠的区域为欧姆接触区；所述压敏电阻、体型引线和金属焊盘共同组成一个惠斯通电桥；
所述敏感梁的截面为梯形，压敏电阻设置在梯形宽面的上部；所述敏感梁的宽面宽度小于整个传感器的厚度。
本发明的进一步改进在于：
优选的，每一对压敏电阻包括第一压敏电阻和第二压敏电阻，第一压敏电阻和第二压敏电阻均沿敏感梁的长度方向设置。
优选的，一对压敏电阻中的第一压敏电阻和第二压敏电阻相对于x方向中心线对称。
优选的，所述金属焊盘包括第一金属焊盘和两个第二金属焊盘，两个第二金属焊盘分别设置在第一金属焊盘的两侧，所述第一金属焊盘设置在x方向中心线上。
优选的，所述第一压敏电阻的外端部和第二压敏电阻的外端部分别通过一个第一体型引线和一个第二金属焊盘连接；
所述第一压敏电阻的内端部和第二压敏电阻的内端部通过第二体型引线连接，所述第二体型引线通过第三体型引线和第一金属焊盘连通。
优选的，两个第一体型引线不接触。
优选的，所述金属焊盘和体型引线均为多层金属组合。
优选的，所述多层金属自上至下依次为Ni、Ti和Au。
优选的，所述敏感梁两侧沟槽截面为梯形。
一种上述的碳化硅振动器的制造方法，包括以下步骤：
步骤1，选用N型掺杂外延的4H-SiC晶片，清洗干净；
步骤2，在4H-SiC晶片的外延面旋涂光刻胶，选用压敏电阻和体型引线的掩模版进行光刻，使用镍靶材进行磁控溅射，溅射出覆盖整个晶片的镍金属薄膜，剥离后获得带有金属掩蔽的压敏电阻、焊盘和体型引线的第一过程晶片；
步骤3，通过等离子体干法刻蚀第一过程晶片，刻蚀掉未被金属掩蔽层保护的N型外延层，形成带有压敏电阻、焊盘和体型引线的第二过程晶片；
步骤4，通过等离子增强气相沉积的方法在第二过程晶片上沉积SiO2隔离层，旋涂光刻胶，通过欧姆接触窗口掩模版进行光刻，对SiO2隔离层进行腐蚀开窗，获得带有欧姆接触区的第三过程晶片；
步骤5，在第三过程晶片上旋涂光刻胶，通过金属引线和激光刻蚀标记掩模版进行光刻，依次使用镍靶材、钛靶材、金靶材进行溅射，依次溅射Ni薄膜、Ti薄膜和Au薄膜，剥离后，获得带有溅射金属的焊盘和体型引线的第四过程晶片；
步骤6，对第四过程晶片进行退火处理，获得带有激活欧姆接触区的第五过程晶片；
步骤7，利用飞秒激光对第五过程晶片进行刻蚀获得敏感梁和质量块，制得最终的碳化硅振动传感器。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明公开了一种碳化硅振动传感器，该传感器采用单桥结构，设计敏感梁的宽度小于敏感梁的厚度，敏感方向平行于质量块平面，与传统敏感方向垂直于质量块平面的振动传感器相比，在不提高加工难度的基础上，提高了输出灵敏度。该传感器敏感梁截面为梯形梁结构，与同截面积矩形梁相比，振动引起的应力更加集中，传感器的输出更大。该传感器两对压敏电阻均布置于敏感梁应力最大值处，利用碳化硅的压阻效应，将振动引起的应力转换为电阻值的变化，采用惠斯通电桥全桥转化成可输出的电压信号，可以及时、准确地完成信号转换，同时保证了传感器的输出灵敏度。该传感器利用体型引线代替金属电路的新结构，体型引线、焊盘通过欧姆接触与压敏电阻实现电气连接，使引线和电阻在同一平面上，有效提高了传感器电路电气连接的高温稳定性，并为进一步引线提供了均质的接触面。
进一步的，金属焊盘、体型引线均为多层金属，使得其能够与4H-SiC形成耐高温的欧姆接触区的同时，也实现了对欧姆接触区的隔离保护，并能与金线进行互连。
本发明还公开了一种振动传感器制备方法，将传统MEMS工艺与飞秒激光加工技术结合，采用传统MEMS工艺制作敏感电阻和体型引线，通过飞秒激光刻蚀的方法释放悬臂梁和质量块，兼具加工精度和效率，工艺合理，易于批量生产。该制备方法中金属引线和激光对准标记制作在同一块掩模版上，减少了加工步骤，提高了对准精度，降低了加工成本。
附图说明
图1是高灵敏度、耐高温碳化硅振动传感器的正面结构图及其局部放大；
图2是高灵敏度、耐高温碳化硅振动传感器的整体结构三维示意图；
图3是高灵敏度、耐高温碳化硅振动传感器敏感梁截面及面上压敏电阻示意图；
图4是高灵敏度、耐高温碳化硅振动传感器制造流程图；
其中(a)图为步骤1的结构图；(b)图为步骤2的结构图；(c)图为步骤3的结构图；(d)～(f)图为步骤4的结构图；(g)图为步骤5～6的结构图；(h)图为步骤7的结构图；
图5是高灵敏度、耐高温碳化硅振动传感器敏感梁上压敏电阻布置位置示意图；
图6是高灵敏度、耐高温碳化硅振动传感器惠斯通电桥连接示意图；
图7是制作高灵敏度、耐高温碳化硅振动传感器压敏电阻条和体型引线的掩模版示意图；
图8是制作高灵敏度、耐高温碳化硅振动传感器欧姆接触窗口的掩模版示意图；
图9是制作高灵敏度、耐高温碳化硅振动传感器金属引线和激光刻蚀标记的掩膜版示意图；
其中，1-固定外框；2-敏感梁；3-质量块；4-压敏电阻；401-第一压敏电阻；402-第二压敏电阻；5-金属焊盘；501-第一金属焊盘；502-第二金属焊盘；6-体型引线；601-第一体型引线；602-第二体型引线；603-第三体型引线；7-欧姆接触区；8-沟槽；801-第一沟槽；802-第二沟槽；803-第三沟槽。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
参照图1和图2，本发明公开了一种高灵敏度、耐高温碳化硅振动传感器，其芯片材料为4H-SiC，芯片厚度约为350μm，结构上，包括方形固定外框1，双敏感梁2和质量块3；设定整个芯片两个边位于x方向，两个边位于y方向，具体的，双敏感梁2相对于y方向中心线对称，以此为标准，后面不再赘述。
质量块3被方形固定外框1围绕，二者之间通过沟槽8隔离，所述沟槽8包括两个x方向的第一沟槽801和四个y方向的第二沟槽802，两个第一沟槽801相对于芯片x方向的中心线对称设置，四个y方向的第二沟槽802相对于芯片y方向的中心线对称，y方向中心线的每一侧设置有两个第二沟槽802，每一个第二沟槽802在靠近x方向中心线的端部连接有一个第三沟槽803，所述第三沟槽803垂直于第二沟槽802，因此x方向中心线每一端的两侧各设置有一个第三沟槽803，四个第三沟槽803相对于x方向中心线两两对称，x方向中心线一侧两个第三沟槽803不接触。通过沟槽8使得质量块3形成了“工”字型结构。
两个敏感梁2相对于y方向中心线对称，每一个敏感梁2一端和质量块3一体连接，另一端和外框1一体连接，每一个敏感梁2的两侧分别为一个第三沟槽803，每个敏感梁2在靠近所述固定外框1端设置有一对压敏电阻4，对应的固定外框1上设置有金属焊盘5，压敏电阻4和金属焊盘5通过体型引线6连接。
具体的，每对压敏电阻4包括两个形状完全相同的第一压敏电阻401和第二压敏电阻402，第一压敏电阻401和第二压敏电阻402平行且沿敏感梁2长度(即x方向)方向布置，关于芯片的x方向中心线对称。芯片在y方向中心线的两侧各设置有一个金属焊盘5，金属焊盘5均设置在固定外框1上，每一个金属焊盘5包括第一金属焊盘501和两个第二金属焊盘502，两个第二金属焊盘502分别设置在第一金属焊盘501的两侧，每两个第二金属焊盘502相对于y方向中心线对称，每一个第一金属焊盘501均设置在y方向中心线上。
更为具体的，第一压敏电阻401和第二压敏电阻402靠近固定外框1的外端部各自通过一个第一体型引线601与所述固支外框1上焊盘502相连，靠近质量块3的内端部通过一个第二体型引线602连接，所述第二体型引线602通过第三体型引线603连接至固支外框1第一金属焊盘501。所述第一体型引线601设置在固定外框1上，第二体型引线603设置在质量块3上，第三体型引线601一部分设置在固定外框1上，一部分设置在质量块3上。所述第一体型引线601的长度长于第三体型引线603，第三体型引线603的长度长于第二体型引线602。
所述压敏电阻4和体型引线6连接且重叠的区域为欧姆接触区7，所述压敏电阻4、体型引线6和焊盘5共同组成惠斯通电桥。
参照图3，敏感梁2截面为梯形，从宽面到窄面，宽度逐渐缩小，敏感梁2宽面宽度约为200μm，窄面宽度约为100μm，均小于芯片厚度350μm，压敏电阻4布置在敏感梁2的宽面上。相对应的，所述第三沟槽803为梯形结构，与敏感梁2的变化趋势相反，第三沟槽3的窄面在上，宽面在下。
图1和图2中所述金属焊盘5和体型引线6均为多层金属组合，自上而下分别为：Ni、Ti和Au，Ni、Ti和Au的厚度分别为100nm、50nm和100nm。
本发明公开的一种碳化硅振动传感器的制造方法，参见图4，具体包括以下步骤：
步骤1，清洗备片，选用N型掺杂外延的4H-SiC晶片，掺杂浓度约为1.5×1019cm-3，掺杂厚度约为2μm；首先将晶片浸没在温度为78℃，比例为1:1:5的NH4OH、H2O2,、H2O溶液中15min，用去离子水漂洗、烘干去除表面有机污染物；然后将浸没在室温，比例为1:50的HF、H2O溶液1min，用去离子水漂洗、烘干去除表面氧化物；最后将晶片浸没在温度为75～80℃、比例为1:1:6的HCl、H2O2、H2O溶液中15min，用去离子水漂洗、烘干去除表面离子污染物，得到的晶片如图4(a)所示；
步骤2，参见图7，在4H-SiC外延面旋涂光刻胶，选用压敏电阻条和体型引线的掩模版进行光刻，使用镍靶材进行磁控溅射，真空度为3.3×10-6Pa，溅射一层厚度约为130nm、覆盖整个晶片的镍金属薄膜；用丙酮进行镍金属的剥离，得到带有金属掩蔽的压敏电阻4、焊盘5和体型引线6的第一过程晶片，图形如图4(b)所示；
步骤3，在30sccm CF4和10sccm O2的气氛环境下，通过等离子体干法刻蚀步骤2得到的第一过程晶片，ICP功率800W，RF功率100W，腔室压力10mTorr，刻蚀20min后，刻蚀掉未被金属掩蔽层保护的N型外延层，形成压敏电阻4、焊盘5和体型引线6，使用36％HCl：68％HNO3＝3：1溶液腐蚀剩余金属掩蔽层，得到腐蚀后的4H-SiC基片，获得第二过程晶片，如图4(c)所示；
步骤4，通过等离子增强气相沉积的方法在步骤3得到的第二过程晶片表面沉积一层300nm厚SiO2作为隔离层，旋涂光刻胶，通过欧姆接触窗口掩模版进行光刻，如图8所示；用49％HF：40％NH4F＝1：6的溶液(BOE溶液)进行SiO2隔离层腐蚀开窗；用丙酮、无水乙醇去除光刻胶，得到带有欧姆接触区7开窗氧化隔离层的4H-SiC基片，为第三过程晶片。如图4(d)(e)(f)所示；
步骤5，在步骤4得到的第三过程晶片表面旋涂光刻胶，通过金属引线和激光刻蚀标记掩模版进行光刻，如图9所示，依次使用镍靶材、钛靶材、金靶材进行溅射，真空度为3.3×10-6Pa，功率为100W，分别溅射厚度为100nm，50nm和100nm的Ni，Ti，Au薄膜，用丙酮进行镍、钛、金金属薄膜的剥离，得到溅射金属的焊盘5和体型引线6的4H-SiC基片，为第四过程晶片，如图4(g)所示；
步骤6，在2L/min的N2气流下对第四过程晶片进行快速热退火处理，升温速率为100K/min,500℃时保温2min，升温至1000℃后保温3min，之后降至接近室温时取出，获得带有激活的欧姆接触区7的基片，为第五过程晶片；
步骤7，利用飞秒激光以步骤6得到的第五过程晶片上的激光刻蚀标记为标准对4H-SiC基片进行刻蚀，SiC为透明材料，在无外延面可以观察到步骤5、6加工得到激光刻蚀标记，以激光对准标记为基准，设置激光参数为：激光波长535nm，功率4W，重复频率100kHz，扫描速度300mm/min，激光扫描方式回字行扫描，扫描线间距10um，重复次数300次；利用激光刻蚀释放敏感梁2和质量块3，如图4(h)所示，对刻蚀后的基片进行清洗，得到完全加工的SiC基片，利用激光划片，得到单个的传感器芯片。
本发明提出一种碳化硅振动传感器，如图1、图2和图3所示，所述振动传感器四组压敏电阻均布置于敏感梁2应力最大值处，利用碳化硅的压阻效应，将振动引起的应力转换为电阻值的变化，采用惠斯通电桥全桥转化成可输出的电压信号，可以及时、准确地完成信号转换，同时保证了传感器的输出灵敏度。
传感器敏感电阻以及连接方式如图5、图6所示，压敏电阻阻值相等R1＝R2＝R3＝R4＝R，当传感器收到平行于质量块3方向向上的加速度时，敏感梁2在惯性力的作用下发生变形，敏感梁2上电阻R1、R3受拉应力，电阻阻值变大ΔR；R2、R4受R1、R3与等大的压应力，电阻阻值减小ΔR，以向上箭头表示电阻变大，向下箭头表示电阻减小，组成惠斯通电桥后电路，如图6所示，Us代表供电电压，Uo代表输出电压。那么在对应图5的加速度作用下，传感器的输出电压为：
所述组桥方式最大化利用了惠斯通电桥差分输出的能力，保证了传感器的灵敏度。
当传感器受到垂直于质量块3的加速度作用时，R1、R2、R3、R4均受拉应力或压应力，电阻变化相同，对应的惠斯通电桥的输出电压为零，即所述电阻布置方式可以避免垂直于质量块3的加速度的影响；当传感器受到平行于敏感梁2的加速度作用时，R1、R2所受应力相同，对应电阻变化相同，R3、R4所受应力相同，对应电阻变化也相同，对应的惠斯通电桥的输出电压为零，即所述电阻布置方式可以避免平行于敏感梁2的加速度的影响。本发明提出一种高灵敏度、耐高温的碳化硅振动传感器，通过合理的电阻布置和组桥方式，降低了交叉灵敏度。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种碳化硅振动传感器，其特征在于，包括固定外框(1)和质量块(3)，所述固定外框(1)围绕质量块(3)，所述固定外框(1)和质量块(3)之间通过沟槽(8)间隔；
所述固定外框(1)和质量块(3)之间通过两个敏感梁(2)连接，两个敏感梁(2)设置在x方向中心线上，两个敏感梁(2)相对于y方向中心线对称；每一个敏感梁(2)的外端部和固定外框(1)连接，内端部和质量块(3)连接；每一个敏感梁(2)的两侧均设置有沟槽(8)；
每一个敏感梁(2)的外端部上设置有一对压敏电阻(4)，所述固定外框(1)上设置有两组相对于y方向中心线对称的金属焊盘(5)，每一对压敏电阻(4)通过体型引线(6)和其同一侧的金属焊盘(5)连通；
所述压敏电阻(4)和体型引线(6)重叠的区域为欧姆接触区(7)；所述压敏电阻(4)、体型引线(6)和金属焊盘(5)共同组成一个惠斯通电桥；
所述敏感梁(2)的截面为梯形，压敏电阻(4)设置在梯形宽面的上部；所述敏感梁(2)的宽面宽度小于整个传感器的厚度。
2.根据权利要求1所述的一种碳化硅振动传感器，其特征在于，每一对压敏电阻(4)包括第一压敏电阻(401)和第二压敏电阻(402)，第一压敏电阻(401)和第二压敏电阻(402)均沿敏感梁(2)的长度方向设置。
3.根据权利要求2所述的一种碳化硅振动传感器，其特征在于，一对压敏电阻(4)中的第一压敏电阻(401)和第二压敏电阻(402)相对于x方向中心线对称。
4.根据权利要求2所述的一种碳化硅振动传感器，其特征在于，所述金属焊盘(5)包括第一金属焊盘(501)和两个第二金属焊盘(502)，两个第二金属焊盘(502)分别设置在第一金属焊盘(501)的两侧，所述第一金属焊盘(501)设置在x方向中心线上。
5.根据权利要求4所述的一种碳化硅振动传感器，其特征在于，所述第一压敏电阻(401)的外端部和第二压敏电阻(402)的外端部分别通过一个第一体型引线(601)和一个第二金属焊盘(502)连接；
所述第一压敏电阻(401)的内端部和第二压敏电阻(402)的内端部通过第二体型引线(602)连接，所述第二体型引线(602)通过第三体型引线(603)和第一金属焊盘(501)连通。
6.根据权利要求5所述的一种碳化硅振动传感器，其特征在于，两个第一体型引线(601)不接触。
7.根据权利要求1所述的一种碳化硅振动传感器，其特征在于，所述金属焊盘(5)和体型引线(6)均为多层金属组合。
8.根据权利要求7所述的一种碳化硅振动传感器，其特征在于，所述多层金属自上至下依次为Ni、Ti和Au。
9.根据权利要求1所述的一种碳化硅振动传感器，其特征在于，所述敏感梁(2)两侧沟槽(8)截面为梯形。
10.一种权利要求1所述的碳化硅振动器的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，选用N型掺杂外延的4H-SiC晶片，清洗干净；
步骤2，在4H-SiC晶片的外延面旋涂光刻胶，选用压敏电阻(4)和体型引线(6)的掩模版进行光刻，使用镍靶材进行磁控溅射，溅射出覆盖整个晶片的镍金属薄膜，剥离后获得带有金属掩蔽的压敏电阻(4)、焊盘(5)和体型引线(6)的第一过程晶片；
步骤3，通过等离子体干法刻蚀第一过程晶片，刻蚀掉未被金属掩蔽层保护的N型外延层，形成带有压敏电阻(4)、焊盘(5)和体型引线(6)的第二过程晶片；
步骤4，通过等离子增强气相沉积的方法在第二过程晶片上沉积SiO2隔离层，旋涂光刻胶，通过欧姆接触窗口掩模版进行光刻，对SiO2隔离层进行腐蚀开窗，获得带有欧姆接触区(7)的第三过程晶片；
步骤5，在第三过程晶片上旋涂光刻胶，通过金属引线和激光刻蚀标记掩模版进行光刻，依次使用镍靶材、钛靶材、金靶材进行溅射，依次溅射Ni薄膜、Ti薄膜和Au薄膜，剥离后，获得带有溅射金属的焊盘(5)和体型引线(6)的第四过程晶片；
步骤6，对第四过程晶片进行退火处理，获得带有激活欧姆接触区(7)的第五过程晶片；
步骤7，利用飞秒激光对第五过程晶片进行刻蚀获得敏感梁(2)和质量块(3)，制得最终的碳化硅振动传感器。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110826144.2A CN113739903B (zh) | 2021-07-21 | 2021-07-21 | 一种碳化硅振动传感器及其制造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110826144.2A CN113739903B (zh) | 2021-07-21 | 2021-07-21 | 一种碳化硅振动传感器及其制造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN113739903A true CN113739903A (zh) | 2021-12-03 |
| CN113739903B CN113739903B (zh) | 2023-03-31 |
Family
ID=78728925
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202110826144.2A Active CN113739903B (zh) | 2021-07-21 | 2021-07-21 | 一种碳化硅振动传感器及其制造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN113739903B (zh) |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2009038579A2 (en) * | 2007-09-19 | 2009-03-26 | California Institute Of Technology | Thermoelastic self-actuation in piezoresistive resonators |
| CN102298075A (zh) * | 2011-05-23 | 2011-12-28 | 西安交通大学 | 一种具有复合多梁结构的加速度传感器芯片及其制作方法 |
| CN103245409A (zh) * | 2013-04-17 | 2013-08-14 | 中北大学 | 基于压电效应的mems仿生结构矢量水声传感器 |
| CN104237560A (zh) * | 2014-09-17 | 2014-12-24 | 西安交通大学 | 一种具有低横向效应的加速度传感器芯片及其制作方法 |
| CN107907710A (zh) * | 2017-09-30 | 2018-04-13 | 西安交通大学 | 一种mems压阻式两轴加速度传感器芯片及其制备方法 |
| CN110615402A (zh) * | 2018-06-19 | 2019-12-27 | 中国科学院声学研究所 | 一种简支悬臂梁结构mems压电矢量水听器及制备方法 |
-
2021
- 2021-07-21 CN CN202110826144.2A patent/CN113739903B/zh active Active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2009038579A2 (en) * | 2007-09-19 | 2009-03-26 | California Institute Of Technology | Thermoelastic self-actuation in piezoresistive resonators |
| CN102298075A (zh) * | 2011-05-23 | 2011-12-28 | 西安交通大学 | 一种具有复合多梁结构的加速度传感器芯片及其制作方法 |
| CN103245409A (zh) * | 2013-04-17 | 2013-08-14 | 中北大学 | 基于压电效应的mems仿生结构矢量水声传感器 |
| CN104237560A (zh) * | 2014-09-17 | 2014-12-24 | 西安交通大学 | 一种具有低横向效应的加速度传感器芯片及其制作方法 |
| CN107907710A (zh) * | 2017-09-30 | 2018-04-13 | 西安交通大学 | 一种mems压阻式两轴加速度传感器芯片及其制备方法 |
| CN110615402A (zh) * | 2018-06-19 | 2019-12-27 | 中国科学院声学研究所 | 一种简支悬臂梁结构mems压电矢量水听器及制备方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113739903B (zh) | 2023-03-31 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR100812996B1 (ko) | 마이크로 가스 센서 및 그 제조방법 | |
| CN1866007B (zh) | 一种集成压阻二氧化硅悬臂梁超微量检测传感器、制作方法及应用 | |
| WO2017028466A1 (zh) | 一种mems应变计芯片及其制造工艺 | |
| CN102798498A (zh) | 一种多量程集成压力传感器芯片 | |
| CN110745774B (zh) | 一种悬臂梁结构的SiC温度传感器及其制造方法 | |
| CN105987935A (zh) | Mems气体传感器及其制作方法 | |
| CN114577370B (zh) | 一种高精度法兰盘型硅谐振压力传感器及其制造工艺 | |
| CN113526452B (zh) | 一种碳化硅mems温压复合式传感器芯片及其制备方法 | |
| US6860154B2 (en) | Pressure sensor and manufacturing method thereof | |
| US11401156B2 (en) | Micro-electro-mechanical system silicon on insulator pressure sensor and method for preparing same | |
| CN112284607A (zh) | 一种十字岛耐高温耐腐蚀压力传感器芯片及制备方法 | |
| CN113465791B (zh) | 一种谐振式压力传感器及其制备方法 | |
| CN113514498A (zh) | 共片加热阵列式气体检测微芯片及制备方法 | |
| CN113739903B (zh) | 一种碳化硅振动传感器及其制造方法 | |
| CN114275731A (zh) | 一种基于mems的双梁式微压感测芯体及其制备工艺 | |
| CN112284605B (zh) | 一种十字岛梁膜高温微压传感器芯片及制备方法 | |
| KR100537093B1 (ko) | Ｍｅｍｓ 구조물을 이용한 탄소나노튜브 가스센서 및 그제작방법 | |
| CN110531114B (zh) | 一种纯轴向变形的mems三轴压阻式加速度计芯片及其制备方法 | |
| CN112479151A (zh) | 多传感器层的制作方法、多传感器芯片及其制作方法 | |
| CN112429699B (zh) | 一种硅微悬臂梁谐振器的制备方法 | |
| CN110526200B (zh) | 一种具有纯轴向变形敏感梁的面外压阻式加速度计芯片及其制备方法 | |
| CN111947815A (zh) | Mems压力芯片及其制备方法 | |
| CN114812843B (zh) | 基于多层膜热防护的高温传感器及其制备方法 | |
| JP3540277B2 (ja) | タッチモード式容量型圧力センサ及びその製造方法 | |
| CN219823665U (zh) | 一种压力传感器芯片 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |