CN1156680C - 以SiNx为梁的微结构谐振梁压力传感器制造方法 - Google Patents
以SiNx为梁的微结构谐振梁压力传感器制造方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN1156680C CN1156680C CNB01124285XA CN01124285A CN1156680C CN 1156680 C CN1156680 C CN 1156680C CN B01124285X A CNB01124285X A CN B01124285XA CN 01124285 A CN01124285 A CN 01124285A CN 1156680 C CN1156680 C CN 1156680C
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- resonance beam
- resonance
- sin
- sinx
- film
- 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.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Landscapes
- Measuring Fluid Pressure (AREA)
- Pressure Sensors (AREA)
Abstract
一种以SiNx为梁的新型微结构谐振梁压力传感器制造方法包括步骤:a)在(100)晶向的双面抛光硅片上,沉积氮化硅薄膜;b)沉积牺牲层;c)光刻牺牲层图形;d)沉积SiNx膜,用于制作谐振梁;e)制作激振电阻和拾振电阻;f)制作金属引线;g)刻蚀梁槽,制作谐振梁;h)刻蚀硅片背面低应力氮硅化合物薄膜,形成各向异性腐蚀窗口;i)背面硅腐蚀,制作压力敏感膜;j)腐蚀掉牺牲层,释放SiNx谐振梁,使SiNx谐振梁能够自由振动;k)粘片、焊引线。将芯片键合在金属管座上,并焊上引线;l)真空封装。将焊好的管座和管帽真空封焊在一起。由于SiNx具有更好的机械加工性能,可以制作更为复杂的谐振粱器件。
Description
技术领域
本发明涉及微型压力传感器的制造方法,特别涉及以SiNx为梁的新型微结构谐振梁压力传感器制造方法。
背景技术
利用MENS技术制作微结构谐振梁压力传感器到目前为止主要采用单晶硅和多晶硅材料制造。硅谐振梁压力传感器主要用于高精度压力测量,由于其具有频率输出,而易于进行数字化处理;因采用微电子技术制造,易于实现微型化,易于实现集成化,易于实现低成本批量生产。
普通的硅微结构谐振梁压力传感器包括三个部分:谐振梁压力传感器芯片(1)、管帽(3)、管座(4)。硅微结构谐振梁压力传感器芯片通过电极引线(2)与管座相连,再通过管座上的电极(6)与外部测试电路相连;传感器通过排气管(5)将管帽内腔抽成真空后,将排气管封死;传感器通过测量接口(7)与待测系统相连,用于测量外界压力。硅谐振梁压力传感器芯片(1)是由上硅片—谐振子(8)和下硅片(9)键合而成的。
以硅为材料制作微结构谐振梁压力传感器具有以下两种缺点:
1)梁的制作工艺复杂,工艺要求十分苛刻,难以控制要求的尺寸精度,因而影响器件的成品率,使器件的成本很高。虽然可以采用自停止腐蚀等办法加以改善,但这些方法不是降低器件性能,就是要增加昂贵的设备,从而增加成本。增加工艺步骤本身也增加了工艺复杂性,工艺成本明显增加。
2)硅谐振梁压力传感器的封装要将谐振子、压力敏感膜和管座键合在一起,需要两次键合。每次键合都产生应力,这些应力都对传感器产生影响。键合是一种比较复杂的工艺,减少键合过程也就是简化工艺过程。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用超厚低应力SiNx薄膜制造微结构谐振梁压力传感器的方法。
为实现本发明的目的,以SiNx为梁的微结构谐振梁压力传感器制造方法包括步骤:
a)在(100)晶向的双面抛光硅片上,沉积氮化硅薄膜;
b)沉积牺牲层;
c)光刻牺牲层图形;
d)沉积SiNx膜,用于制作谐振梁,其中,x的值为0.3-0.8;
e)制作激振电阻和拾振电阻;
f)制作金属引线;
g)刻蚀梁槽,制作谐振梁;
h)刻蚀硅片背面低应力SiNx薄膜,形成各向异性腐蚀窗口;
i)背面硅腐蚀,制作压力敏感膜;
j)腐蚀掉牺牲层,释放SiNx谐振梁,使SiNx谐振梁能够自由振动;
k)粘片、焊引线,将芯片键合在金属管座上,并焊上引线;
l)真空封装,将焊好的管座和管帽真空封焊在一起。
实现梁膜一体化,简化工艺,实现更高精度和微小物理量的测量。梁的尺寸可以精确控制,而且均匀性好,使得压力传感器的物理参数有可能得到精确控制。易于实现微梁谐振器,从而制作微梁压力传感器,达到进一步降低器件成本的目的。实现微传感器的集成化和阵列化。例如微梁压力传感器与测试系统的集成,压力传感器和其它传感器的混合集成。由于SiNx具有更好的机械加工性能,可以制作更为复杂的谐振粱器件。
附图说明
图1是硅微结构谐振梁压力传感器结构图;
图2是硅微结构谐振梁压力传感器芯片垂直于谐振梁的横截面图。
图3是以SiNx为梁的新型微结构谐振梁压力传感器(热激振和压阻拾振)的工艺流程图。
图4是以超厚低应力SiNx为梁的新型复合梁膜微结构谐振梁压力传感器的平面图。
图5是以超厚低应力SiNx为梁的新型复合梁膜微结构谐振梁压力传感器B-B’横截面图;
图6是以超厚低应力SiNx为梁的新型复合梁膜微结构谐振梁压力传感器A-A’横截面图。
具体实施方式
从图5、图6和图1、图2的谐振梁压力传感器芯片的比较,我们可以清楚地看到复合梁膜SiNx微结构谐振梁压力传感器与硅微结构谐振梁压力传感器的不同,其中,x的值为0.3-0.8。硅微结构谐振梁压力传感器的芯片是由两块都经过三维加工的硅芯片键合在一起构成的,而复合梁膜SiNx微结构谐振梁压力传感器芯片只是一块经过三维立体加工的硅芯片。
以超厚低应力SiNx为梁的复合梁膜微结构谐振梁压力传感器的核心是谐振子它上面含有使梁产生受迫振动的激振单元和检测谐振信号的拾振单元。激振单元可以采用热激振、电磁激振也可以是静电激振或光激振等几种激励方式。拾振单元可以采用压阻拾振,电容拾振、光拾振等等几种拾振方式。我们以热激振和压阻拾振的SiNx复合梁膜谐振梁压力传感器为利介绍谐振梁压力传感器的工作原理。
热激振和压阻拾振的SiNx复合梁膜谐振梁压力传感器芯片包括谐振子、压力敏感膜12和衬底15。谐振子包括SiNx谐振梁10以及制作在其上的激振电阻13和拾振电阻14;在微结构谐振梁压力传感器芯片上还制作温度补偿电阻16,以对拾振电阻随温度的漂移进行补偿。
下面以热激振压阻拾振方式工作的谐振梁压力传感器为例说明谐振梁压力传感器的工作原理。
电阻激振即热激振是利用加热电阻13将谐振梁10的局部加热产生膨胀,产生热应力,使梁10发生弯曲;当一个电脉冲到来时,加热电阻13谐振梁发生弯曲,电脉冲过去后,加热电阻13的热量经过谐振梁10散失掉,谐振梁10恢复到自然伸直状态。加在激振电阻13上的交变电信号使谐振梁10产生交变热应力,使梁10的弯曲和伸直周期性变化,产生周期性受迫振动。
所谓拾振就是通过某种敏感元件检测振动状态,将梁10的机械振动动能转化为能够直接测量的电信号,例如,由于振动时梁发生形变,在形变区制作压阻材料,材料的电阻随所受的应力的变化而发生变化,电阻值的变化周期与梁的振动周期是一致的。给压阻材料接上一个恒流源时,压阻材料两端的电压将随梁的振动发生周期性变化,检测压阻材料两端的电压变化就可以知道振动情况的变化。拾振电阻14的阻值随电阻所受到的压力的周期性变化而变化,拾振电阻所受到的压力与谐振梁10的振幅呈正比。梁10发生谐振时压阻14两端电压发生突变,在谐振梁压力传感器的幅频特性曲线上出现谐振峰,谐振梁10的幅频特性曲线中的谐振峰的变化直接反映了谐振梁的振动状态,这就是压阻拾振方法。
谐振梁压力传感器就是利用压力敏感膜12将作用在压力敏感膜上的外力转化为作用在谐振梁10两端的轴向力,轴向力和谐振梁10的的谐振频率在一定范围内具有非常好的线性函数关系,因此,测知谐振梁的谐振频率,就可以测知环境压力。如图1所示,当待测容器的压力发生改变时,比如压力增大,压力敏感膜向上弯曲,给谐振梁的两端施加轴向的张应力,在轴向张应力的作用下,谐振梁的谐振频率发生改变,通过测试系统检测漂移后的频率,做一条频率对压力的关系曲线,我们就可以根据检测仪器检测到的频率得出待测压力。
以低应力超厚SiNx为梁,再借助于牺牲层技术,制作梁膜一体化的谐振梁压力传感器,即复合梁膜SiNx谐振梁压力传感器。将谐振子和压力敏感膜同时制作再同一个硅衬底上,减少一次键合,消除了由于键合引入的应力的影响,简化工艺过程,提高成品率。如图3所示,在沉积SiNx薄膜前先沉积一层厚度的牺牲层材料:多晶硅或PSG(掺磷的二氧化硅)。当梁槽开出来后,用腐蚀剂将牺牲层腐蚀掉,就得到需要的悬浮梁。再经背腐蚀,形成如图4所示的复合梁膜结构的谐振梁压力传感器。
以电阻激振和压阻拾振谐振粱压力传感器为例说明复合梁膜微结构谐振梁压力传感器的工艺流程:
1)LPCVD沉积氮化硅薄膜:在(100)晶向的双面抛光硅片上,采用LPCVD方法沉积氮化硅薄膜。用于制作硅衬底和牺牲层的隔离掩蔽膜。
2)沉积牺牲层。LPCVD沉积多晶硅或PSG。
3)光刻牺牲层图形。通过光刻和腐蚀制作出牺牲层图形。
4)LPCVD沉积SiNx膜。用于制作谐振梁。
5)激振电阻和拾振电阻的制作。。
6)制作金属引线。蒸发或溅射金属后,光刻引线图形。
7)制作梁槽。通过刻蚀梁槽,制作谐振梁。
8)开背面窗口,刻蚀硅片背面低应力SiNx薄膜,形成各向异性腐蚀窗口。
9)背面硅腐蚀,制作压力敏感膜。
10)牺牲层腐蚀。腐蚀掉牺牲层,释放SiNx谐振梁,使SiNx谐振梁能够自由振动。
11)粘片、焊引线。将芯片键合在金属管座上,并焊上引线。
12)真空封装。将焊好的管座和管帽真空封焊在一起。
Claims (4)
1.一种以SiNx为梁的微结构谐振梁压力传感器制造方法,包括步骤:
a)在(100)晶向的双面抛光硅片上,沉积氮化硅薄膜;
b)沉积牺牲层;
c)光刻牺牲层图形;
d)沉积SiNx膜,用于制作谐振梁,其中,x的值为0.3-0.8;
e)制作激振电阻和拾振电阻;
f)制作金属引线;
g)刻蚀梁槽,制作谐振梁;
h)刻蚀硅片背面低应力SiNx薄膜,形成各向异性腐蚀窗口;
i)背面硅腐蚀,制作压力敏感膜;
j)腐蚀掉牺牲层,释放SiNx谐振梁,使SiNx谐振梁能够自由振动;
k)粘片、焊引线,将芯片键合在金属管座上,并焊上引线;
l)真空封装,将焊好的管座和管帽真空封焊在一起。
2.按权利要求1所述的方法,其特征在于所述的牺牲层是多晶硅或PSG。
3.按权利要求1所述的方法,其特征在于所用的沉积方法为LPCVD。
4.按权利要求1所述的方法,其特征在于所用的氮硅化合物薄膜和谐振梁为超厚低应力SiNx,其中x的值为0.3-0.8。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CNB01124285XA CN1156680C (zh) | 2001-08-24 | 2001-08-24 | 以SiNx为梁的微结构谐振梁压力传感器制造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CNB01124285XA CN1156680C (zh) | 2001-08-24 | 2001-08-24 | 以SiNx为梁的微结构谐振梁压力传感器制造方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN1401980A CN1401980A (zh) | 2003-03-12 |
CN1156680C true CN1156680C (zh) | 2004-07-07 |
Family
ID=4665629
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CNB01124285XA Expired - Fee Related CN1156680C (zh) | 2001-08-24 | 2001-08-24 | 以SiNx为梁的微结构谐振梁压力传感器制造方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN1156680C (zh) |
Families Citing this family (14)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN1315719C (zh) * | 2004-06-17 | 2007-05-16 | 复旦大学 | 用于体硅微机械加工的局部光刻中的隔离装置 |
CN100417587C (zh) * | 2005-03-14 | 2008-09-10 | 清华大学 | 一种微纳组合结构器件的制作方法 |
CN100396593C (zh) * | 2005-06-23 | 2008-06-25 | 中国科学院微电子研究所 | 单层双材料微悬臂梁热隔离焦平面阵列的制作方法 |
CN100368786C (zh) * | 2005-07-21 | 2008-02-13 | 中国科学院微电子研究所 | 基于新牺牲层工艺的热剪切应力传感器器件的制作方法 |
CN100387509C (zh) * | 2005-08-11 | 2008-05-14 | 中国科学院微电子研究所 | 用于提高非制冷红外焦平面阵列器件性能的制作方法 |
EP1945561B1 (en) * | 2005-10-14 | 2018-10-24 | STMicroelectronics Srl | Substrate-level assembly for an integrated device, manufacturing process thereof and related integrated device |
CN100509610C (zh) * | 2005-11-24 | 2009-07-08 | 中国科学院微电子研究所 | 一种微机电系统振动射流执行器的制备方法 |
CN102297741B (zh) * | 2010-06-25 | 2013-06-05 | 中国科学院电子学研究所 | 一种基于微电子机械技术的硅谐振式气压传感器 |
CN102374915B (zh) * | 2010-08-06 | 2013-05-22 | 中国科学院电子学研究所 | 一种电磁驱动谐振式微结构压力传感器封装方法 |
CN106449960B (zh) * | 2016-07-01 | 2018-12-25 | 中国计量大学 | 一种基于静电激励/电容检测微桥谐振器的薄膜热电变换器的结构与制作方法 |
CN106679854B (zh) * | 2016-11-29 | 2020-02-07 | 中国电子科技集团公司第四十八研究所 | 一种绝压压力传感器及其制备方法 |
CN106918420B (zh) * | 2017-04-21 | 2019-07-19 | 北京航空航天大学 | 一种双石墨烯谐振梁式压力传感器 |
IT201700103489A1 (it) | 2017-09-15 | 2019-03-15 | St Microelectronics Srl | Metodo di fabbricazione di una membrana filtrante sottile, dispositivo trasduttore acustico includente la membrana filtrante, metodo di assemblaggio del dispositivo trasduttore acustico e sistema elettronico |
CN108931321B (zh) * | 2018-06-21 | 2020-08-11 | 中国计量大学 | 梁-岛-膜一体化谐振式压力传感器结构及制造方法 |
-
2001
- 2001-08-24 CN CNB01124285XA patent/CN1156680C/zh not_active Expired - Fee Related
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN1401980A (zh) | 2003-03-12 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN1156680C (zh) | 以SiNx为梁的微结构谐振梁压力传感器制造方法 | |
JP3223358B2 (ja) | 定電界で駆動されるマイクロビームによる共振ゲージ | |
US6269686B1 (en) | Sensor, in particular for measuring the viscosity and density of a medium | |
CN1279340C (zh) | 压力传感器 | |
CN101320081B (zh) | 一种微机电系统磁场传感器及测量方法 | |
CN109485011B (zh) | 基于Si-Si-Si-玻璃晶圆键合技术的MEMS谐振压力传感器及制造工艺 | |
CN108931321B (zh) | 梁-岛-膜一体化谐振式压力传感器结构及制造方法 | |
US20040255648A1 (en) | Resonant tube viscosity sensing device | |
CN101738355B (zh) | 基于微机电系统技术的粘度传感器芯片及其制备方法 | |
CN1176693A (zh) | 压力传感器和压力变送器 | |
CN103900753B (zh) | 一种基于soi工艺的高精度硅微谐振式气压传感器 | |
CN101551404B (zh) | 一种基于纳米谐振器的加速度传感器及其制造方法 | |
CN101153825A (zh) | 硅微机械谐振式微压传感器芯片的结构及制造方法 | |
CN100570755C (zh) | 一种低温度交叉灵敏度的微悬臂梁谐振器 | |
CN1209609C (zh) | 固态压阻式耐高温压力传感器及其制备方法 | |
CN207468189U (zh) | 一种压阻式mems温度传感器 | |
CN106323155A (zh) | 耦合谐振的谐振式应变传感器 | |
JP2008232886A (ja) | 圧力センサ | |
CN111337166A (zh) | 一种新型绝对压声表面波压力传感器的制备方法 | |
CN1179203C (zh) | 全SiNx微结构谐振梁压力传感器 | |
CN109883581B (zh) | 一种悬臂梁式差动谐振压力传感器芯片 | |
WO2003083492A1 (en) | Microelectromechanical sensors having reduced signal bias errors and methods of manufacturing the same | |
CN1523360A (zh) | 微型热流加速度计及其制造方法 | |
CN111579426B (zh) | 一种高品质因子压电悬臂梁密度传感器芯片及其工作方法和制备方法 | |
CN211955543U (zh) | 适用于流速测量的装置 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C14 | Grant of patent or utility model | ||
GR01 | Patent grant | ||
C19 | Lapse of patent right due to non-payment of the annual fee | ||
CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |