CN118032169A - 一种薄膜压力传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种薄膜压力传感器及其制备方法,涉及应力测试技术领域。该方法包括:在基底上形成绝缘层;在所述绝缘层上形成金属膜层;利用预设激光参数的激光对所述金属膜层进行选择性刻蚀,以形成构成惠斯通电桥的四个电阻;形成覆盖所述惠斯通电桥的钝化层。
Description
技术领域
本发明涉及应力测试技术领域,具体涉及一种薄膜压力传感器及其制备方法。
背景技术
薄膜式压力传感器被称为“第三代压力传感器”,是上世纪80年代国外针对新型武器装备的发展而开发的传感器新品种。薄膜式压力传感器与扩散硅式、差压电容式、陶瓷压阻式、金属应变片粘贴式等常见的压力传感器相比,具有由于的耐恶劣环境性能,常用于中高压力测量。
国外有少数国家掌握了高频溅射法来制作薄膜压力传感器,该法制作的传感器稳定性极佳。现有的国外的离子束溅射薄膜压力传感器总误差为±0.1%,温度最高可达到250℃。将传感器安装到飞机上,飞机飞行多达数百次之后,传感器零点变化为60um。我国溅射薄膜压力传感器研究相对较晚,在充分吸收国外先进技术和自我创新的基础上,国内生产的溅射薄膜压力传感器在油井、采矿、航空航天等领域也发挥了重要作用,但仅限于军工和航天中,民用国产化工艺仍然没有得到突破。
溅射薄膜压力传感器将半导体技术中的薄膜溅射、光刻等工艺引进传感器制造行业,产生了一种新型的传感器技术。现有的薄膜压力传感器上的敏感电阻一般采用半导体光刻和腐蚀的方法制备,存在刻蚀效率慢、工艺步骤多、生产效率多、投入成本高等缺点,严重限制了该类传感器产品的大规模推广和应用。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是:提供一种易于制备且成本低的薄膜压力传感器及其制备方法。
根据第一方面,一种实施例中提供一种薄膜压力传感器的制备方法,包括:
在基底上形成绝缘层;
在所述绝缘层上形成金属膜层;
利用预设激光参数的激光对所述金属膜层进行选择性刻蚀,以形成构成惠斯通电桥的四个电阻;
形成覆盖所述惠斯通电桥的钝化层。
一种实施例中,在形成覆盖所述惠斯通电桥的钝化层之前,所述制备方法,还包括:
采用溅射工艺,在第二掩膜版的掩蔽下,在所述绝缘层上形成电极层,所述电极层与所述四个电阻分别连接。
一种实施例中,形成覆盖所述惠斯通电桥的钝化层,包括:
采用溅射工艺,在第三掩膜版的掩蔽下,形成覆盖所述惠斯通电桥的钝化层,暴露所述电极层。
一种实施例中,在所述绝缘层上形成金属膜层,包括:
采用溅射工艺,在第一掩膜版的掩蔽下,在所述绝缘层上形成图案化的金属膜层。
一种实施例中,所述四个电阻在所述金属膜层上中心对称。
一种实施例中,所述基底为弹性金属基底。
一种实施例中,所述预设激光参数的激光采用800kHz的紫外光。
一种实施例中,所述金属膜层材料为镍铬合金、氮氧化钛、钯铬合金或铂钨合金,和/或,所述绝缘层的材料为二氧化硅、氮化硅或氮氧化硅。
一种实施例中,所述钝化层的材料为二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅或有机绝缘材料。
根据第二方面,一种实施例中提供一种薄膜压力传感器,所述薄膜压力传感器采用上述任意一种实施例中所述的薄膜压力传感器的制备方法制成。
根据上述实施例的一种薄膜压力传感器及其制备方法,在该方法中,先在基底上形成绝缘层,然后在绝缘层上形成金属膜层,利用预设激光参数的激光对金属膜层进行选择性刻蚀,以构成惠斯通电桥,最后形成覆盖惠斯通电桥的钝化层。本申请在薄膜压力传感器的制备中采用激光进行电阻的刻蚀,以降低了工艺的复杂度和成本,并且,利用激光进行电阻的刻蚀可以将非激光刻蚀电阻中的电阻形成和调阻两步合为一步,以进一步节省人力和时间。
附图说明
图1为传统光刻工艺刻蚀薄膜电阻的工艺流程图;
图2为一种实施例的薄膜压力传感器的制备方法的流程图一;
图3为一种实施例的利用薄膜压力传感器的制备方法所制备的薄膜压力传感器的结构示意图;
图4为一种实施例的第一掩膜版的结构示意图;
图5为一种实施例的电阻和电极层的结构示意图;
图6为一种实施例的第二掩膜版的结构示意图;
图7为一种实施例的薄膜压力传感器的制备方法的流程图二。
具体实施方式
下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。其中不同实施方式中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。在以下的实施方式中,很多细节描述是为了使得本申请能被更好的理解。然而,本领域技术人员可以毫不费力的认识到,其中部分特征在不同情况下是可以省略的,或者可以由其他元件、材料、方法所替代。在某些情况下,本申请相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述,这是为了避免本申请的核心部分被过多的描述所淹没,而对于本领域技术人员而言,详细描述这些相关操作并不是必要的,他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。
另外,说明书中所描述的特点、操作或者特征可以以任意适当的方式结合形成各种实施方式。同时,方法描述中的各步骤或者动作也可以按照本领域技术人员所能显而易见的方式进行顺序调换或调整。因此,说明书和附图中的各种顺序只是为了清楚描述某一个实施例,并不意味着是必须的顺序,除非另有说明其中某个顺序是必须遵循的。
本文中为部件所编序号本身,例如“第一”、“第二”等,仅用于区分所描述的对象,不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”,如无特别说明,均包括直接和间接连接(联接)。
溅射薄膜传感器是一种常用于制造各种传感器和器件的工艺,如图1所示为采用传统光刻工艺刻蚀薄膜电阻的工艺流程。通常采用光刻工艺进行薄膜电阻,其中包括光刻-刻蚀-去胶等步骤,其中光刻包括涂覆光刻胶-前烘-曝光-显影-去胶等步骤,刻蚀可以分为干法刻蚀和湿法刻蚀。干法刻蚀是指使用等离子体与基片表面薄膜产生反应,形成挥发性物质,从而将不需要的部分刻蚀去除。干法刻蚀的优点是可以保证细小图像的保真性,但是由于干法刻蚀设备造价较高,因此设备的投入成本比较昂贵。湿法刻蚀是将基片放入化学刻蚀液内,使没有光刻胶保护的膜层部分与化学刻蚀液产生化学反应而被剥离下来的方法。湿法刻蚀的图形保真性略差,但是对设备的要求大大降低,投入成本低。对于企业来说,一方面为了控制成本,另一方面产品对图形的要求没有那么严格,可以通过后续调阻进行调整,所以大部分选择湿法刻蚀。但湿法刻蚀不仅步骤较多,对于每个步骤的要求也较高,总体生产效率低下,且刻蚀效果易受干扰。而本申请在溅射薄膜压力传感器的传统工艺路线上对于薄膜电阻的产生这一关键步骤进行改良,采用激光刻蚀工艺代替传统的光刻工艺,大大降低工艺复杂度和投入成本,从而解决上述问题,下面进行具体阐述。
请参考图2,本申请一种实施例中提供一种薄膜压力传感器的制备方法,利用该方法所制备的薄膜压力传感器如图3所示,下面对该方法进行具体阐述。
步骤S100:在基底上形成绝缘层。
一种实施例中,在薄膜压力传感器的制备中,利用磁控溅射工艺或者离子束溅射工艺在基底上沉积绝缘层是为了提供绝缘性能,隔离敏感层并保护薄膜压力传感器的稳定性。在利用磁控溅射工艺时,选择绝缘性能良好的材料作为溅射源的靶材,通过磁场控制金属靶,使其溅射到基底上形成绝缘层。在利用离子束溅射工艺时,同样选择绝缘性能良好的靶材,通过离子束的轰击使其溅射到基底上,形成均匀的绝缘层。本申请中,由于薄膜压力传感器的特性导致薄膜压力传感器需要耐恶劣环境,需要进行中高压测量,所以基底为弹性金属基底,例如弹性金属基底采用17-4PH不锈钢,17-4PH不锈钢具有较高的强度和硬度,且具有良好的抗腐蚀性,能够适用在恶劣的环境中。本申请的绝缘层的材料可以为二氧化硅、氮化硅或氮氧化硅。
步骤S200:在绝缘层上形成金属膜层。
一种实施例中,在薄膜压力传感器的制作中,同样利用磁控溅射工艺或者离子束溅射工艺在如图4所示的第一掩膜版的掩蔽下,在绝缘层上形成图案化的金属膜层。绝缘层上形成金属膜层是为了创建压力传感器的敏感层,它会在受到压力或者形变时发生变化,从而影响电学性质,其中,图案化的金属膜层则是为了匹配惠斯通电桥的图案,以使得在后续采用激光刻蚀金属膜层时,激光刻蚀的总面积减小,提高激光刻蚀效率。一种实施例中,金属膜层材料可以为镍铬合金、氮氧化钛、钯铬合金或铂钨合金。
步骤S300:利用预设激光参数的激光对金属膜层进行选择性刻蚀,以形成构成惠斯通电桥的四个电阻。
一种实施例中,利用预设激光参数的激光在金属膜层上进行刻蚀电阻的同时进行调阻,调阻的原理是利用激光在已经形成的薄膜电阻处进行微小切割,以达到桥路电阻平衡的作用。在利用光刻工艺进行电阻刻蚀时,薄膜电阻的形成分为形成和调阻两个步骤,而采用激光刻蚀电阻后,可以将两步合二为一,边刻蚀边调阻,以提高效率。
一种实施例中,在金属膜层上刻蚀惠斯通电桥时,要求桥路高度对称,才能保证压力传感器的线性度和精度。本申请在200nm厚的金属膜层上刻蚀构成惠斯通电桥的四个电阻时,对于激光的精度和工艺要求很高,不能刻穿200nm的金属膜层来伤害基底,但又要能保证电阻的形成,因此,本申请中预设激光参数的激光采用30%功率、60m/s速率、800kHz频率的紫外光。当然以上激光参数是在一种可使用的激光器的一个示例,并不实现限制具体的激光参数,可以依据实际生产制造、金属膜层的材料等条件,选用合适的激光参数。
请参考图5,一种实施例中,四个电阻分别为第一电阻11、第二电阻12、第三电阻13和第四电阻14,四个电阻在金属膜层上中心对称。一种实施例中,第一电阻11和第四电阻14的结构或电阻相同,第二电阻12和第三电阻13的结构或电阻相同。一种实施例中,第一电阻11、第二电阻12、第三电阻13和第四电阻14的结构或电阻均相同。第二电阻12和第三电阻13位于金属膜层的中部,第一电阻11和第四电阻14位于金属膜层的两侧,第一电阻11的中心和第四电阻14的中心的连线通过金属膜层的中心,第二电阻12的中心和第三电阻13的中心的连线通过金属膜层的中心,并且,第一电阻11的中心和第四电阻14的中心的连线垂直于第二电阻12的中心和第三电阻13的中心的连线。第一电阻11、第二电阻12、第三电阻13和第四电阻14均包含若干子电阻,各子电阻呈方波形状连接。
步骤S400:形成覆盖惠斯通电桥的钝化层。
一种实施例中,在形成覆盖惠斯通电桥的钝化层之前,采用溅射工艺在如图6所示的第二掩膜版的掩蔽下,在绝缘层上形成电极层,该电极层与四个电阻分别连接。本申请中为了便于引线连接,电极层的材料采用铜。
请参考图5,一种实施例中,电极层包括第一电极21、第二电极22、第三电极23和第四电极24,第一电极21连接第一电阻11和第二电阻12,第二电极22连接第一电阻11和第三电阻13,第三电极23连接第二电阻12和第四电阻14,第四电极24连接第三电阻13和第四电阻14。第一电极21和第二电极22设置于第一电阻11的两端,第三电极23和第四电极24设置于第四电阻14的两端。
一种实施例中,在形成电极层后,采用溅射工艺在第三掩膜版的掩蔽下,形成覆盖惠斯通电桥的钝化层,该钝化层还需要暴露该电极层。利用该钝化层保护刻蚀后的电阻,以增加薄膜压力传感器的鲁棒性和耐久度。本申请中,钝化层的材料可以为二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅或有机绝缘材料。
需要说明的是,溅射工艺的精度依靠掩膜版的制造精度,在溅射工艺中掩膜版的精度一般为微米级别,在这种尺寸下光刻工艺相比于溅射工艺所需要的成本更高,本申请提供的薄膜压力传感器,通过溅射以及激光刻蚀工艺制造,不需要采用光刻工艺,极大提高器件生产效率,降低生产成本。
请参考图7,一种实施例中提供的薄膜压力传感器的制备方法还包括如下步骤:
步骤S500:整体热处理。
一种实施例中,在薄膜压力传感器形成钝化层之后,对其整体进行热处理,也就是进行高低温循环,通过热处理改变材料的结构、性质和应力状态来优化薄膜压力传感器的性能,例如,溅射以及激光刻蚀都会引入应力,热处理可以消除加工过程中形成热应力、机械应力。
步骤S600:将电极层与引线连接。
一种实施例中,采用Bonding的方式将引线直接与电极层连接,以将惠斯通电桥的各个端口引出。Bonding是一种将金属线或导线连接到薄膜压力传感器上的一种微观封装技术,可以实现信号的引出和连接,以此完成薄膜压力传感器的整个制备。本申请实施例提供的薄膜压力传感器通过提供电极层,提供焊接部位,避免引线直接焊接惠斯通电桥导致惠斯通电桥出现损坏,避免焊穿绝缘层。
另一种实施例中,本申请还提供一种薄膜压力传感器,该薄膜压力传感器采用上述任意一种实施例中的薄膜压力传感器的制备方法制成,由于薄膜压力传感器的制备方法在上述实施例中已阐述清楚,此处不再赘述。
以上应用了具体个例对本发明进行阐述,只是用于帮助理解本发明,并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员,依据本发明的思想,还可以做出若干简单推演、变形或替换。
Claims (10)
1.一种薄膜压力传感器的制备方法,其特征在于,包括:
在基底上形成绝缘层;
在所述绝缘层上形成金属膜层;
利用预设激光参数的激光对所述金属膜层进行选择性刻蚀,以形成构成惠斯通电桥的四个电阻;
形成覆盖所述惠斯通电桥的钝化层。
2.如权利要求1所述的薄膜压力传感器的制备方法,其特征在于,在形成覆盖所述惠斯通电桥的钝化层之前,所述制备方法,还包括:
采用溅射工艺,在第二掩膜版的掩蔽下,在所述绝缘层上形成电极层,所述电极层与所述四个电阻分别连接。
3.如权利要求2所述的薄膜压力传感器的制备方法,其特征在于,形成覆盖所述惠斯通电桥的钝化层,包括:
采用溅射工艺,在第三掩膜版的掩蔽下,形成覆盖所述惠斯通电桥的钝化层,暴露所述电极层。
4.如权利要求1所述的薄膜压力传感器的制备方法,其特征在于,在所述绝缘层上形成金属膜层,包括:
采用溅射工艺,在第一掩膜版的掩蔽下,在所述绝缘层上形成图案化的金属膜层。
5.如权利要求1所述的薄膜压力传感器的制备方法,其特征在于,所述四个电阻在所述金属膜层上中心对称。
6.如权利要求1所述的薄膜压力传感器的制备方法,其特征在于,所述基底为弹性金属基底。
7.如权利要求1所述的薄膜压力传感器的制备方法,其特征在于,所述预设激光参数的激光采用800kHz的紫外光。
8.如权利要求1所述的薄膜压力传感器的制备方法,其特征在于,所述金属膜层材料为镍铬合金、氮氧化钛、钯铬合金或铂钨合金,和/或,所述绝缘层的材料为二氧化硅、氮化硅或氮氧化硅。
9.如权利要求1所述的薄膜压力传感器的制备方法,其特征在于,所述钝化层的材料为二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅或有机绝缘材料。
10.一种薄膜压力传感器,其特征在于,所述薄膜压力传感器采用如权利要求1-9中任一项所述的薄膜压力传感器的制备方法制成。
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