CN117923411A - 一种碳化硅电容式压力传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种碳化硅电容式压力传感器及其制备方法，属于压力传感器技术领域，其包括依次叠设的盖板层、感压层膜片、绝缘层和衬底层，盖板层和衬底层上分别开设有正向通气孔和逆向通气孔，逆向通气孔靠近绝缘层的端口处开设有半球形凹槽，绝缘层覆盖半球形凹槽的壁面和衬底层的一侧表面，感压层膜片与衬底层分别作为两块电容极板共同构成一个电容器，且感压层膜片正对半球形凹槽的部分形成上电容极板，半球形凹槽的壁面形成球面电容极板，上电容极板和球面电容极板之间的电容值随气压的变化而变化；解决了碳化硅压力传感器耐高温性差、测量精度差以及加工难度高的问题。
Description
技术领域
本发明涉及压力传感器技术领域，具体涉及一种碳化硅电容式压力传感器及其制备方法。
背景技术
随着微机电技术的发展，第二代半导体材料单晶硅的压阻效应和其良好的机械结构特性，使得利用微机电工艺技术制成的MEMS硅压力传感器逐渐成为了市场的主流，其具有体积小、精度高、成本低和稳定性强的优点，并广泛应用在航空航天、石油、电力等领域；传统的硅压力传感器一般采用压阻效应原理进行压力测量，其通常由压力敏感膜片和压敏电阻组成，当外界压力作用于敏感膜片上时，敏感膜片会发生挠曲变形，引起压敏电阻阻值改变，由压敏电阻形成的惠斯通电桥输出会发生变化，通过检测惠斯通电桥的电压输出即可获得外界压力值的大小。
传统的硅压阻式压力传感器在高温工作环境下硅材料出现本征激发的特质，产品漏电流过大，直接导致压力传感器无法正常工作；同时，压敏电阻的热噪声会随外界环境温度增加而急剧上升，直接影响了外界载荷压力的测量精度，也限制了压阻效应在高温环境下的应用；除此之外，采用耐高温材料的碳化硅压力传感器的敏感膜片通常是通过碳化硅衬底材料的深刻蚀工艺形成的，但是由于碳化硅材料自身强度高，又耐酸碱腐蚀，常规的半导体工艺手段很难对碳化硅衬底进行加工；因此，如何实现一种加工难度低、又可应用在高温环境下且兼具高精度的碳化硅压力传感器就成了产业界长期以来一直难以解决的难题。
发明内容
针对现有技术的上述不足，本发明提供了一种碳化硅电容式压力传感器及其制备方法，解决了碳化硅压力传感器耐高温性差、测量精度差的问题。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：
第一方面，提供一种碳化硅电容式压力传感器，其包括依次叠设的盖板层、感压层膜片、绝缘层和衬底层，盖板层和衬底层上分别开设有正向通气孔和逆向通气孔，逆向通气孔靠近绝缘层的端口处开设有半球形凹槽，绝缘层覆盖半球形凹槽的壁面和衬底层的一侧表面，感压层膜片与衬底层分别作为两块电容极板共同构成一个电容器，且感压层膜片正对半球形凹槽的部分形成上电容极板，半球形凹槽的壁面形成球面电容极板，上电容极板和球面电容极板之间的电容值随气压的变化而变化。
进一步地，正向通气孔与半球形凹槽正对，逆向通气孔的端口位于半球形凹槽壁面的中部。
进一步地，盖板层上设置有若干引线通孔。
第二方面，提供一种碳化硅电容式压力传感器的制备方法，其包括以下步骤：
S1：选取单晶硅片作为盖板层，并在盖板层的第一侧表面沉积3C-SiC薄膜作为感压层膜片；
S2：在盖板层的第二侧表面依次涂覆两层光刻胶；
S3：溶解正向通气孔和若干引线通孔待刻蚀位置处的光刻胶；
S4：对盖板层进行刻蚀，直至形成正向通气孔和若干引线通孔；
S5：剥离去除两层光刻胶，并在光刻胶所在的表面溅射金属，形成正面电极；
S6：选取单晶硅片作为衬底层，并在衬底层的第一侧表面沉积SiN薄膜；
S7：刻蚀SiN薄膜，并在衬底层上开设逆向通气孔；
S8：在逆向通气孔未设置SiN薄膜的端口处研磨并形成半球形凹槽；
S9：在半球形凹槽的壁面和衬底层的第二侧表面沉积SiN薄膜形成绝缘层；
S10：去除衬底层第一侧表面的SiN薄膜，并溅射金属形成背面电极；
S11：将盖板层的第一侧表面与衬底层的第二侧表面通过热压键合，并形成碳化硅电容式压力传感器。
进一步地，盖板层和衬底层的标准厚度分别为680um和500um，3C-SiC薄膜和SiN薄膜的沉积厚度分别为1um和200nm。
进一步地，步骤S4中对盖板层进行刻蚀的方法包括：将盖板层通过四甲基氢氧化铵溶液进行湿法腐蚀。
进一步地，步骤S7具体包括：缓冲氧化物刻蚀液通过光刻图形化工艺刻蚀SiN薄膜，并通过飞秒激光工艺在衬底层上开设逆向通气孔。
进一步地，盖板层和衬底层均采用低压化学气相沉积法在其表面分别沉积3C-SiC薄膜和SiN薄膜。
本发明的有益效果包括以下几个方面：
1.本方案的感压层膜片采用3C-SiC薄膜并直接作为电容检测的可动电容极板，规避了采用压阻检测原理高温热噪声的缺陷，具有高精度检测的潜质；同时通过飞秒激光工艺以及研磨工艺，形成了带有通孔结构的球面电容极板，两者配合避免了电容极板在外界载荷压力作用下挠度变形过大、非线性过高的缺陷，极大地提高了输出信号的线性度；
2.本方案在单晶硅片上沉积一层3C-SiC碳化硅薄膜，并利用碳化硅材料高禁带宽度、耐酸碱腐蚀的特性，保证碳化硅型压力传感器可在高温环境下正常工作；
3.本方案利用硅材料易被碱性溶液腐蚀的特性，通过标准的湿法腐蚀工艺腐蚀盖板层即可形成以该碳化硅薄膜作为压力敏感膜片的敏感结构，直接规避了碳化硅材料深刻蚀的工艺难题。
附图说明
图1为本方案碳化硅电容式压力传感器的爆炸图。
图2为本方案碳化硅电容式压力传感器的剖视图。
图3为本方案处于未接触工作模态时的结构示意图。
图4为本方案处于接触工作模态时的结构示意图。
图5为本方案压强与电容值的关系曲线图。
图6为本方案制备方法过程中的第一结构示意图。
图7为本方案制备方法过程中的第二结构示意图。
图8为本方案制备方法过程中的第三结构示意图。
图9为本方案制备方法过程中的第四结构示意图。
图10为本方案制备方法过程中的第五结构示意图。
图11为本方案制备方法过程中的第六结构示意图。
图12为本方案制备方法过程中的第七结构示意图。
图13为本方案制备方法过程中的第八结构示意图。
图14为本方案制备方法过程中的第九结构示意图。
图15为本方案制备方法过程中的第十结构示意图。
图16为本方案制备方法过程中的第十一结构示意图。
图17为本方案制备方法过程中的第十二结构示意图。
图18为本方案制备方法过程中的第十三结构示意图。
其中，1、盖板层，2、感压层膜片，3、绝缘层，4、衬底层，5、正向通气孔，6、逆向通气孔，7、半球形凹槽，8、上电容极板，9、球面电容极板，10、引线通孔。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1和图2所示，本方案的碳化硅电容式压力传感器包括依次叠设的盖板层1、感压层膜片2、绝缘层3和衬底层4，盖板层1和衬底层4上分别开设有正向通气孔5和逆向通气孔6，逆向通气孔6靠近绝缘层3的端口处开设有半球形凹槽7，绝缘层3覆盖半球形凹槽7的壁面和衬底层4的一侧表面，正向通气孔5与半球形凹槽7正对，逆向通气孔6的端口位于半球形凹槽7壁面的中部，位于正向通气孔5四周的盖板层1上还设置有四个引线通孔10，其作为后续引线键合、封装工艺、电气连接的通孔使用。
本方案的感压层膜片2与衬底层4分别作为两块电容极板共同构成一个电容器，且感压层膜片2正对半球形凹槽7的部分形成上电容极板8，半球形凹槽7的壁面形成球面电容极板9，上电容极板8和球面电容极板9之间的电容值随气压的变化而变化，从而使电容器的电容值随气压的变化而变化，通过对电容值的测量和解算，即可实现气压的测量。
具体实施时，通过盖板层1上的正向通气孔5感受外界压力载荷，在外界压力载荷的作用下，感压层膜片2发生挠曲变形，使得上电容极板8逐步向球面电容极板9发生位移，当上电容极板8与球面电容极板9未发生接触时，处于未接触工作模态，如图3所示，此时上电容极板8与球面电容极板9的电容间距发生变化，引起电容值发生改变，但因其电容值变化是非线性输出，因而此种工作模态不作为本方案的正常工作模态使用；当外界压力载荷继续增大时，感压层膜片2的边缘逐渐与球面电容极板9边缘贴合，如图4和图5所示，此时压力传感器进入接触工作模态，在当前接触工作模态下，上电容极板8与球面电容极板9之间的电容值的变化将呈现极高的线性度，因此将接触工作模态作为本发明产品的正常工作模态使用，通过解算电容值大小即可获得外界压力载荷的大小；特别地，图2、3、4、5中的P均为气体压强。
其中，压力传感器进入接触状态的工作模态下，电容值的变化将呈现极高的线性度的原理为：由于电容，其中ε是真空介电常数，S电容极板的正对面积，d为电容极板的间距，当上电容极板8与球面电容极板9未接触时，电容的变化由电容极板的间距d主导，电容极板的间距越小，电容值越大，电容值C与d呈现非线性倒数关系。当上电容极板8与球面电容极板9发生接触时，电容极板的间距不再起主导作用，电容值由电容极板的正对面积S主导，而电容值C与S呈现线性比例关系。
本方案的绝缘层3由SiN薄膜构成，作为感压层膜片2和球面电容极板9之间的绝缘介质，防止上电容极板8与球面电容极板9的漏电导通，同时绝缘层3的面积对应了电容极板的正对面积，其可控制检测电容值范围。
本方案的衬底层4则由硅材料构成，通过飞秒激光工艺刻蚀出逆向通气孔6，逆向通气孔6可引入背部的气压载荷，反向作用在感压层膜片2上，使得该电容式压力传感器可以与正向压力配合进行差压模式测量；同时逆向通气孔6在球面电容极板9上开孔，形成了中间带有通孔结构的球面电容极板9，消除了上电容极板8中间挠度变形最大的电容部分，避免了上电容极板8在外界载荷压力作用下非线性过高的缺陷，进一步提高了本方案输出信号的线性度。
本方案还提供了碳化硅电容式压力传感器的制备方法，其包括以下步骤：
S1：如图6所示，选取标准厚度为680um的单晶硅片作为盖板层1，并通过低压化学气相沉积法在盖板层1的第一侧表面沉积厚度为1um的3C-SiC薄膜作为感压层膜片2；
S2：如图7所示，在盖板层1的第二侧表面依次涂覆两层光刻胶；实施时，先涂覆第一层光刻胶ProTEK PSB，其匀胶速率控制为1000rpm，时间为1分钟；再在其上涂覆第二层光刻胶PS Primer，其匀胶速率控制为3000rpm，时间为1分钟；
S3：如图8所示，通过光刻显影的方式溶解正向通气孔5和四个引线通孔10位置处的光刻胶；
S4：如图9所示，将盖板层1通过四甲基氢氧化铵溶液进行湿法腐蚀，直至形成正向通气孔5和四个引线通孔10；
S5：如图10和图11所示，剥离去除两层光刻胶，并在光刻胶所在的表面溅射金属，形成正面电极；
S6：如图12所示，选取标准厚度为500um的单晶硅片作为衬底层4，并通过低压化学气相沉积法在衬底层4的第一侧表面沉积厚度为200nm的SiN薄膜；
S7：如图13和图14所示，缓冲氧化物刻蚀液通过光刻图形化工艺刻蚀SiN薄膜，并通过飞秒激光工艺在衬底层4上开设逆向通气孔6；
S8：如图15所示，通过高精度凹坑仪在逆向通气孔6未设置SiN薄膜的端口处研磨并形成半球形凹槽7；
S9：如图16所示，在半球形凹槽7的壁面和衬底层4的第二侧表面沉积SiN薄膜形成绝缘层3；
S10：如图17所示，去除衬底层4第一侧表面的SiN薄膜，并溅射金属形成背面电极；
S11：如图18所示，将盖板层1的第一侧表面与衬底层4的第二侧表面通过热压键合，并形成碳化硅电容式压力传感器。
Claims (8)
1.一种碳化硅电容式压力传感器，其特征在于，包括依次叠设的盖板层（1）、感压层膜片（2）、绝缘层（3）和衬底层（4），所述盖板层（1）和衬底层（4）上分别开设有正向通气孔（5）和逆向通气孔（6），所述逆向通气孔（6）靠近绝缘层（3）的端口处开设有半球形凹槽（7），所述绝缘层（3）覆盖半球形凹槽（7）的壁面和衬底层（4）的一侧表面，所述感压层膜片（2）与衬底层（4）分别作为两块电容极板共同构成一个电容器，且感压层膜片（2）正对半球形凹槽（7）的部分形成上电容极板（8），所述半球形凹槽（7）的壁面形成球面电容极板（9），所述上电容极板（8）和球面电容极板（9）之间的电容值随气压的变化而变化。
2.根据权利要求1所述的碳化硅电容式压力传感器，其特征在于，所述正向通气孔（5）与半球形凹槽（7）正对，所述逆向通气孔（6）的端口位于半球形凹槽（7）壁面的中部。
3.根据权利要求1所述的碳化硅电容式压力传感器，其特征在于，所述盖板层（1）上设置有若干引线通孔（10）。
4.一种碳化硅电容式压力传感器的制备方法，其特征在于，包括权利要求1-3任一项所述的碳化硅电容式压力传感器，其制备方法包括以下步骤：
S1：选取单晶硅片作为盖板层（1），并在盖板层（1）的第一侧表面沉积3C-SiC薄膜作为感压层膜片（2）；
S2：在盖板层（1）的第二侧表面依次涂覆两层光刻胶；
S3：溶解正向通气孔（5）和若干引线通孔（10）待刻蚀位置处的光刻胶；
S4：对盖板层（1）进行刻蚀，直至形成正向通气孔（5）和若干引线通孔（10）；
S5：剥离去除两层光刻胶，并在光刻胶所在的表面溅射金属，形成正面电极；
S6：选取单晶硅片作为衬底层（4），并在衬底层（4）的第一侧表面沉积SiN薄膜；
S7：刻蚀SiN薄膜，并在衬底层（4）上开设逆向通气孔（6）；
S8：在逆向通气孔（6）未设置SiN薄膜的端口处研磨并形成半球形凹槽（7）；
S9：在半球形凹槽（7）的壁面和衬底层（4）的第二侧表面沉积SiN薄膜形成绝缘层（3）；
S10：去除衬底层（4）第一侧表面的SiN薄膜，并溅射金属形成背面电极；
S11：将盖板层（1）的第一侧表面与衬底层（4）的第二侧表面通过热压键合，并形成碳化硅电容式压力传感器。
5.根据权利要求4所述的碳化硅电容式压力传感器的制备方法，其特征在于，所述盖板层（1）和衬底层（4）的标准厚度分别为680um和500um，所述3C-SiC薄膜和SiN薄膜的沉积厚度分别为1um和200nm。
6.根据权利要求4所述的碳化硅电容式压力传感器的制备方法，其特征在于，步骤S4中对盖板层（1）进行刻蚀的方法包括：将盖板层（1）通过四甲基氢氧化铵溶液进行湿法腐蚀。
7.根据权利要求4所述的碳化硅电容式压力传感器的制备方法，其特征在于，步骤S7具体包括：缓冲氧化物刻蚀液通过光刻图形化工艺刻蚀SiN薄膜，并通过飞秒激光工艺在衬底层（4）上开设逆向通气孔（6）。
8.根据权利要求4所述的碳化硅电容式压力传感器的制备方法，其特征在于，所述盖板层（1）和衬底层（4）均采用低压化学气相沉积法在其表面分别沉积3C-SiC薄膜和SiN薄膜。
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