CN201803819U - 基于热损失工作方式的矩形硅薄膜微机电压力传感器 - Google Patents

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李伟华
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Abstract

基于热损失工作方式的矩形硅薄膜微机电压力传感器是一种采用矩形的P型半导体硅薄层的微机电压力传感器结构，传感器的最下层是用于密闭空腔的玻璃基片，玻璃基片之上是N型硅衬底，靠近玻璃基片的N型硅衬底背面具有矩形空腔，在矩形空腔上是硅薄膜，矩形的P型掺杂薄层覆盖整个硅薄膜，在硅片的上表面覆盖了二氧化硅层，沿着矩形的P型掺杂薄层一条直边，均匀分布连接着16个即可用于电流激励也可用于电压测量的金属电极。其特征在于采用矩形的P型掺杂薄层作为传感层，以矩形的P型掺杂薄层的电阻率分布随压力变化而发生变化的原理进行压力传感。

Description

基于热损失工作方式的矩形硅薄膜微机电压力传感器
技术领域
本实用新型提供了一种在矩形N型硅薄膜上制作矩形的P型半导体硅薄层作为传感层的微机电压力传感器结构，利用电阻抗断层成像(EIT)测量原理进行传感计算，属于微机电技术领域。
背景技术
压力传感器是重要的传感器之一，有着非常广泛的用途。目前的大多数压力传感器采用集总参数的测量方法，例如，检测压敏电阻变化或平板电容变化的方法。压敏电阻的对称性要求高，而平板电容器结构存在电容变化量小以及非线性的问题。
P型硅具有比较明显的压阻效应，常用于传感材料受到的张应力或压应力。传统的微机电压力传感器采用由P型硅制作的压阻来传感，将压阻制作在压力传感薄膜应力最大的位置，例如在压力传感薄膜的边界处。当外界的压力使传感薄膜发生形变时，也使这些压阻受到应力的作用并导致其电阻的大小发生变化。对于这些压阻式传感器的检测常常采用惠斯顿电桥，但是，因为用于传感的压阻通常位于压力传感薄膜边界，工艺的离散性使这些电阻间产生失配，并因此使惠斯顿电桥检测出现初始误差。
当采用P型半导体硅薄层作为传感材料时，形变所产生的薄层上应力分布将发生变化，这种应力分布变化将导致薄层电阻率分布发生变化。
电阻抗断层成像(EIT)技术采用电流激励/电压测量，并通过成像算法计算待检测材料的电阻率分布。
将薄层电阻率的变化通过EIT技术检测出来，将能够得到薄层各点的形变，并因此能够反映外界所施加的压力。
发明内容
技术问题：本实用新型提供了一种基于热损失工作方式的矩形硅薄膜微机电压力传感器，在矩形N型硅薄膜上制作矩形的P型半导体硅薄层作为传感层的微机电压力传感器结构。该传感器结构简单，对加工工艺的灵敏度低。
技术方案：本实用新型的基于热损失工作方式的矩形硅薄膜微机电压力传感器的最下层是玻璃基片，在玻璃基片上设有N型硅衬底，在N型硅衬底中间与玻璃基片之间设有矩形空腔，矩形P型掺杂薄层覆盖整个位于矩形空腔上方的N型硅衬底的硅薄膜，作为传感层的微机电压力传感器结构，并且P型掺杂薄层的厚度等于该硅薄膜厚度的一半，采用矩形的P型掺杂薄层作为传感层；在N型硅衬底和矩形P型掺杂薄层的上表面覆盖了二氧化硅层，二氧化硅层上是即可用于电流激励也可用于电压测量的金属电极，该可用于电压测量的金属电极位于。
所述矩形的P型掺杂薄层，在其一边的P型掺杂薄层，均匀分布连接着16个即可用于电流激励也可用于电压测量的金属电极；利用矩形的P型掺杂薄层的电阻率分布随压力变化而发生变化的原理进行压力传感。
其基本工作原理是：当外界压力导致硅薄膜变形时，因为压阻效应导致硅薄膜上的P型半导体硅薄层上各点的电阻率发生变化，利用EIT技术计算这种情况下的P型半导体硅薄层电阻率分布，既而得到硅薄膜的形变量。因为形变的大小直接和压力有关，由此得到压力值。与传统采用压阻传感的微机电压力传感器不同，本发明提出的结构利用整个传感薄层材料电阻率分布的变化对外界压力值进行传感表征。同时，因为EIT技术以本底电阻率分布为基础值，因此，基础误差和不对称性可以抵消。具有传感器结构简单、加工工艺简单的特点。
有益效果：本实用新型的最大优点在于传感器结构简单，对加工工艺的灵敏度低。因为采用电阻率分布变化来检测硅薄膜的形变，因此，是对于变化的相对值进行检测。不同于传统的基于特定点的参数采样或者对集总参数采样的传感方式，它是对整个传感面进行计算，因此，制作误差被平均化，减小了系统误差。同时，本底电阻率分布可以作为基本参考，将实测电阻率分布与本底电阻率相减，滤除初始工艺误差。基于算法的信息处理方法更易实现智能化。
附图说明
图1传感器结构示意图，
图2是图1中A-A断面图。
其中有：N型硅衬底101，采用掺杂技术制作的矩形的P型硅薄层102，二氧化硅层103，连接矩形P型硅薄层与金属电极的连接孔104，电流激励和电压检测的金属电极105，矩形空腔106，用于密封空腔的玻璃基片107。
具体实施方式
本实用新型提供了一种在矩形N型硅薄膜上制作矩形的P型半导体硅薄层作为传感层的微机电压力传感器，结构示意图如图1所示。传感器的最下层是用于密闭空腔106的玻璃基片107，玻璃基片107之上是N型硅衬底101，靠近玻璃基片107的N型硅衬底101背面制作矩形空腔106，在矩形空腔106之上是矩形硅薄膜，矩形的P型掺杂薄层102覆盖整个硅薄膜，并且P型掺杂薄层102的厚度等于硅薄膜厚度的一半，在硅片的上表面覆盖了二氧化硅层103，沿着矩形的P型掺杂薄层102一条直边，均匀分布连接着16个即可用于电流激励也可用于电压测量的金属电极105，金属电极通过二氧化硅上的小孔104和P型掺杂薄层102进行连接。
本实用新型的传感器有多种制作方法，这里以采用微机电加工工艺制作本发明的传感器进行说明。
首先选择半导体层厚度0.2微米的N型SOI硅片101。热生长100纳米厚度的氧化层后通过光刻工艺形成矩形的P型掺杂区102图形。带胶在P型掺杂区102进行硼离子注入，掺杂浓度控制在5E18/cm3左右，结深0.1微米。低温淀积300纳米二氧化硅层103。采用光刻工艺形成电极连接孔104。采用溅射工艺在表面沉积一层金属铝，光刻形成16个金属电极105。采用硅各向异性湿法腐蚀SOI片背面，形成矩形空腔106，刻蚀进行到SOI片的二氧化硅层停止。去除空腔上的二氧化硅。用PREX7740玻璃作为密封基片107，采用静电键合在真空下进行硅片101和玻璃107的键合形成对空腔106的密闭。

Claims (2)

1.一种基于热损失工作方式的矩形硅薄膜微机电压力传感器，其特征在于该传感器的最下层是玻璃基片(107)，在玻璃基片(107)上设有N型硅衬底(101)，在N型硅衬底(101)中间与玻璃基片(107)之间设有矩形空腔(106)，矩形P型掺杂薄层(102)覆盖整个位于矩形空腔(106)上方的N型硅衬底(101)的硅薄膜，作为传感层的微机电压力传感器结构，并且P型掺杂薄层(102)的厚度等于该硅薄膜厚度的一半，采用矩形的P型掺杂薄层(102)作为传感层；在N型硅衬底(101)和矩形P型掺杂薄层(102)的上表面覆盖了二氧化硅层(103)，二氧化硅层上是即可用于电流激励也可用于电压测量的金属电极(105)，该可用于电压测量的金属电极(105)位于。
2.根据权利要求1所述的基于热损失工作方式的矩形硅薄膜微机电压力传感器，其特征在于所述矩形的P型掺杂薄层(102)，在其一边的P型掺杂薄层(102)，均匀分布连接着16个即可用于电流激励也可用于电压测量的金属电极(105)；利用矩形的P型掺杂薄层(102)的电阻率分布随压力变化而发生变化的原理进行压力传感。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN102042887A (zh) * 2010-09-29 2011-05-04 东南大学 矩形硅薄膜微机电压力传感器
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