CN1205463C - 相变式自检测压力传感器及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的是一种相变式自检测压力传感器及其制作方法。它包括硅杯，在硅杯的杯底上设置有压敏电阻，它还包括硅片底板和隔热玻璃板，隔热玻璃板上开有透气孔，硅片底板上开有相变物质充填孔并且在其上表面上设置有加热电阻，硅杯倒置安装在隔热玻璃板上，隔热玻璃板安装在硅片底板上且隔热玻璃板与硅片底板之间有相变物质装填腔，相变物质装填腔中装填有相变物质，相变物质充填孔处设置有封闭堵。本发明的产品具有结构简单、自检测效果显著等优点。本发明的方法能够保证其产品的加工简单，性能优异。

Description

相变式自检测压力传感器及其制作方法
(一)、所属领域
本发明涉及的是一种传感器，具体地说是一种具有自检测功能的压力传感器。本发明还涉及这种传感器的制作方法。
(二)、背景技术
可靠性是微机械传感器、微系统应用的关键问题，特别是在军事、医疗等应用领域中压力传感器的可靠性至关重要。然而在实际的应用中，由于许多压力传感器工作在特殊的位置，很难进行有效检测。例如生物研究或医学临床上可能把传感器植入生物体内，进行长期连续的监测。这种情况下，一般的压力传感器因无法实现在线自检测，又不允许经常把传感器拿到专门的检测设备中测试，在长期的监测中，传感器输出数据的可信度就无法得到保证。又如，在生命保证系统中长期应用的压力传感器如果失效将导致系统失效，从而导致生命死亡。再如在军事应用中，武器系统经常工作在各种恶劣的环境中，象导弹等武器一般要经过长期的储备，在使用前及使用中，需要检查传感器工作是否正常以及输出结果是否精确。而对于复杂庞大的武器系统，传感器的可靠性决定了整个武器系统的可靠性。压力传感器的自检测功能，可以实时检查传感器的工作状态，确保系统运行的可靠性。同时可以降低系统操作维护的复杂程度，节约人力物力。
目前国际上压力传感器的自检测技术研究还处于起步阶段。最早关于自检测压力传感器的报道始于1997年，比利时Robert Puers等人提出的热气驱动冗余自检测压力传感器。随后Adriana Cozma等人发表了静电驱动压力传感器。上述两种传感器的压力测量部分均为单晶硅材料和电容式结构，而自检测驱动部分分别采用静电方式和热气动方式。
(三)、发明内容
本发明的目的在于提供一种结构简单、自检测效果显著的相变式自检测压力传感器。本发明的目的还在于提供这种相变式自检测压力传感器的制作方法。
本发明的目的是这样实现的：相变式自检测压力传感器的组成包括硅杯，在硅杯的杯底上设置有压敏电阻，它还包括硅片底板和隔热玻璃板，隔热玻璃板上开有透气孔，硅片底板上开有相变物质充填孔并且在其上表面上设置有加热电阻，硅杯倒置安装在隔热玻璃板上，隔热玻璃板安装在硅片底板上且隔热玻璃板与硅片底板之间有相变物质装填腔，相变物质装填腔中装填有相变物质，相变物质充填孔处设置有封闭堵。隔热玻璃板上的透气孔为1个。
本发明的相变式自检测压力传感器是采用这样的方法来制作的：
(1)用表面覆有0.6-1.0μm厚的SiO2双面抛光<100>晶向N型单晶硅片作衬底，首先用LPCVD法在硅片背面淀积0.1-0.3μm的Si3N4，在Si3N4表面蒸镀一层Al掩膜，在Al上光刻窗口，在Al掩膜保护下等离子刻蚀Si3N4，然后在Si3N4掩膜保护下用KOH溶液对单晶硅进行各向异性腐蚀，制成硅杯；
在腐蚀完的硅杯表面制作压敏电阻，具体工艺过程是：在SiO2上光刻窗口，在SiO2掩膜保护下用氢氟酸刻蚀SiO2，而后利用离子注入法进行硼杂质扩散形成P型压敏电阻；
(2)隔热玻璃板的加工
将隔热玻璃板材料置于装有浓度为20％的碳酸氢钠溶液或40％的氢氧化钾溶液的电解槽中，将探针对准隔热玻璃板上的需加工透气孔处，在探针与镍电极之间加峰值为40-100V的直流电压加工出透气孔；
3)硅片底板的加工
在高阻单晶硅片上生长一层薄氧化层，在氧化层上按顺序真空淀积铬(Cr)和金(Au)金属薄膜，铬膜与金膜的厚度分别为1μm和0.5μm，通过光刻工艺制作加热电阻；将硅片底板置于装有浓度为20％的碳酸氢钠溶液的电解槽中，将探针对准隔热玻璃板上的需加工相变物质填充孔处，在探针与镍电极之间加峰值为40-100V的直流电压加工出相变物质填充孔；
(4)组合
将硅杯与隔热玻璃板之间静电键合，隔热玻璃板与带有加热电阻的硅片底板之间键合；
(5)填充相变物质
通过相变物质填充孔注入相变物质，密封相变物质填充孔。
本发明的方法还可以包括这样一些特征：1、硅杯加工中的腐蚀温度为70-85℃，腐蚀过程采用超声波振荡器搅拌。2、所用相变物质是去离子水。3、用于加工硅杯的硅片的电阻率为8-15Ω·cm。
本发明的优点在于：1、相变物质气化后产生较强的自检测信号，适用于大量程压力传感器的自检测；2、通过控制压力腔中相变物质的填充量与加热功率，可以实现不同量程压力传感器的自检测功能；3、由于采用了三层叠型结构，有效减小了传感器的管芯面积，提高了工作效率；4、加热电阻制备在长有二氧化硅的高阻硅衬底上，硅片本身具有较高的导热系数，散热快，可有效降低自检测带来的传感器温升；5、玻璃本身的导热性能较差，结构中的玻璃层也起到了较好的隔热作用。
(四)、附图说明
图1为本发明产品的结构示意图；
图2为隔热玻璃板与硅片底板加工中所用装置的示意图；
图3为硅片底板的结果示意图。
(五)、具体实施方案
下面举例对本发明做更详细地描述：
(1)用表面覆有0.8μm厚的SiO2双面抛光<100>晶向N型单晶硅片作衬底，硅片的电阻率为8-15(Ω·cm)。首先用LPCVD法在硅片背面淀积0.2μm的Si3N4作KOH各向异性腐蚀掩膜。用等离子刻蚀方法在Si3N4掩膜上刻蚀窗口，为此在Si3N4表面蒸镀一层Al作等离子刻蚀Si3N4的掩膜。具体工艺过程是：在Al上光刻窗口，在Al掩膜保护下等离子刻蚀Si3N4，然后在Si3N4掩膜保护下用KOH溶液对单晶硅进行各向异性腐蚀，制成硅杯。KOH溶液的浓度应控制在35％-45％之间，腐蚀温度为70-85℃，腐蚀过程采用超声波振荡器搅拌。另外，在等离子刻蚀Si3N4掩膜窗口时，适当延长刻蚀时间，防止残留的Si3N4影响各向异性腐蚀质量。
在腐蚀完的硅杯表面制作压敏电阻。具体工艺过程是：在SiO2上光刻窗口，在SiO2掩膜保护下用氢氟酸刻蚀SiO2，而后利用离子注入法进行硼杂质扩散形成P型压敏电阻。
(2)利用电化学方法在95#玻璃上加工透气孔制成隔热玻璃板。
将隔热玻璃板材料4置于装有浓度为20％的碳酸氢钠溶液或40％的氢氧化钾溶液的电解槽10中，将探针11对准隔热玻璃板上的需加工透气孔处，探针上串联有限流电阻13，探针连接电源负极，镍电极连接正极，在探针与镍电极12之间加峰值为40-100V的直流电压加工出透气孔。探针头的尺寸与直流电压值直接影响孔的大小。
(3)在高阻单晶硅片底板3上生长一层薄氧化层，在氧化层上按顺序真空淀积铬(Cr)和金(Au)金属薄膜。铬膜与金膜的厚度分别为1μm和0.5μm。通过光刻工艺制作加热电阻7、压焊点9，加热电阻示意图见图3。
(4)利用电化学方法在加热电阻硅片底板上制作相变物质填充孔
硅片底板上相变物质填充孔6的制作工艺与隔热玻璃板上透气孔的制作工艺基本相似。但不能用氢氧化钾溶液作电解液，防止对硅片的腐蚀。
(5)压力传感器敏感结构与隔热玻璃片之间的静电键合，硅-玻璃键合体与带有加热电阻的硅片之间的键合。
(6)通过相变物质填充孔注入相变物质。所用相变物质应无毒无腐蚀性，可以选用去离子水。相变物质的注入量与压力传感器的量程有关，应视具体情况而定。
(7)密封相变物质填充孔，将传感器固定在压力传感器专用管座上。
相变式自检测压力传感器的组成包括硅杯1，在硅杯的杯底上设置有压敏电阻2，它还包括硅片底板3和隔热玻璃板4，隔热玻璃板上开有透气孔5，硅片底板上开有相变物质充填孔6并且在其上表面上设置有加热电阻7，硅杯倒置安装在隔热玻璃板上，隔热玻璃板安装在硅片底板上且隔热玻璃板与硅片底板之间有相变物质装填腔8，相变物质装填腔中装填有相变物质，相变物质充填孔处设置有封闭堵。其中的隔热玻璃板是玻璃；隔热玻璃板上的透气孔为1个。

Claims (8)

1、一种相变式自检测压力传感器，它包括硅杯，在硅杯的杯底上设置有压敏电阻，其特征是：它还包括硅片底板和隔热玻璃板，隔热玻璃板上开有透气孔，硅片底板上开有相变物质充填孔并且在其上表面上设置有加热电阻，硅杯倒置安装在隔热玻璃板上，隔热玻璃板安装在硅片底板上且隔热玻璃板与硅片底板之间有相变物质装填腔，相变物质装填腔中装填有相变物质，相变物质充填孔处设置有封闭堵。
2、根据权利要求1所述的相变式自检测压力传感器，其特征是：所述的隔热玻璃板是95#玻璃。
3、根据权利要求2所述的相变式自检测压力传感器，其特征是：隔热玻璃板上的透气孔为1个。
4、一种相变式自检测压力传感器的制作方法，其特征是：
(1)硅杯的加工
用表面覆有0.6-1.0μm厚的SiO2双面抛光<100>晶向N型单晶硅片作衬底，首先用LPCVD法在硅片背面淀积0.1-0.3μm的Si3N4，在Si3N4表面蒸镀一层Al掩膜，在Al上光刻窗口，在Al掩膜保护下等离子刻蚀Si3N4，然后在Si3N4掩膜保护下用KOH溶液对单晶硅进行各向异性腐蚀，制成硅杯；
在腐蚀完的硅杯表面制作压敏电阻，具体工艺过程是：在SiO2上光刻窗口，在SiO2掩膜保护下用氢氟酸刻蚀SiO2，而后利用离子注入法进行硼杂质扩散形成P型压敏电阻；
(2)隔热玻璃板的加工
将隔热玻璃板材料置于装有浓度为20％的碳酸氢钠溶液或40％氢氧化钾溶液的电解槽中，将探针对准隔热玻璃板上的需加工透气孔处，在探针与镍电极之间加峰值为40-100V的直流电压加工出透气孔；
(3)硅片底板的加工
在高阻单晶硅片上生长一层薄氧化层，在氧化层上按顺序真空淀积铬(Cr)和金(Au)金属薄膜，铬膜与金膜的厚度分别为1μm和0.5μm，通过光刻工艺制作加热电阻；将硅片底板置于装有浓度为30-50％的碳酸钠溶液的电解槽中，将探针对准隔热玻璃板上的需加工相变物质填充孔处，在探针与镍电极之间加峰值为40-100V的直流电压加工出相变物质填充孔；
(4)组合
将硅杯与隔热玻璃板之间静电键合，隔热玻璃板与带有加热电阻的硅片底板之间键合；
(5)填充相变物质
通过相变物质填充孔注入相变物质，密封相变物质填充孔。
5、根据权利要求4所述的相变式自检测压力传感器的制作方法，其特征是：硅杯加工中的腐蚀温度为70-85℃，腐蚀过程采用超声波振荡器搅拌。
6、根据权利要求4或5所述的相变式自检测压力传感器的制作方法，其特征是：所用相变物质是去离子水。
7、根据权利要求4或5所述的相变式自检测压力传感器的制作方法，其特征是：用于加工硅杯的硅片的电阻率为8-15Ω·cm。
8、根据权利要求6所述的相变式自检测压力传感器的制作方法，其特征是：用于加工硅杯的硅片的电阻率为8-15Ω·cm。
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