CN2738224Y - 用于真空测量的电容压力传感器 - Google Patents

Abstract

用于真空测量的电容压力传感器，涉及一种压力传感器。提供一种电容密封腔密封特性好、结构与工作特性稳定、承受过压能力强、线性度和灵敏度高、耗能低、尺寸小的电容压力传感器。设有主硅片，硅膜片上设压力感受膜，下表面设电容腔体；玻璃衬底与主硅片的下表面键合；密封玻璃下表面与主硅片上的隔离保护墙的表面键合形成密封腔体；保护硅片上表面与密封玻璃下表面键合；另设有硅膜片电极和电容腔电极。采用两片硅和两片玻璃键合结构，采用多层结构静电键合工艺密封电容腔体来制作电容式微型压力传感器的方法，有效地避开电容腔密封粘接这个难题。

Description

用于真空测量的电容压力传感器

技术领域

本实用新型涉及一种压力传感器，尤其是一种采用多层结构键合密封保护式的主要用于真空测量的电容压力传感器。

背景技术

由于硅材料具有很好的力学性能，随着半导体工艺的成熟，就有了用硅材料制作传感器的手段。首先，进行研究、制作的是硅压阻式压力传感器。硅压阻式压力传感器具有尺寸小、结构与制作工艺简单、传感灵敏度高等特点，不足之处是传感器的抗干扰能力差，温度影响大。由硅和玻璃键合制作的电容式压力传感器除了与硅压阻式压力传感器具有尺寸小、结构、制作工艺简单、传感灵敏度高等特点外，还具有结构稳定性好、强度高、抗干扰能力强、测量稳定性好、温度影响小，有理想的零压特性和过载保护，过载达20000％不会损坏等特点。硅玻璃电容式压力传感器的电容腔密封是一个问题，原因是要使密封粘接材料同时对玻璃、硅和金属都有很好的粘接性能非常困难、甚至是不可能的。为了解决这个问题，人们选用各种不同的材料来密封引出电极的槽，但效果都不理想。

公告号为CN1156681C的专利提供一种静电键合电容腔体的压力传感器及其制作工艺，设有上硅片、玻璃衬底、密封硅片和输出极；上硅片的下表面设电容腔体；玻璃衬底的上抛光面上设有电容腔电极和膜片电极，下抛光面上设有接触电极，上下抛光面之间设贯通小孔，贯通小孔分别与电容腔电极和接触电极连通，密封硅片的上表面与接触电极通过静电键合连接在一起；在密封硅片和膜片电极上分别设输出极，膜片电极上的传感器输出极穿过上硅片的敞开口。

发明内容

本实用新型旨在提供一种电容密封腔密封特性好、结构与工作特性稳定、承受过压能力强、线性度和灵敏度高、耗能低、尺寸小的电容压力传感器。

为此，本实用新型采用2片硅和2片玻璃键合的结构设计方案，将有电极的腔体开放，而电容密封腔体中没有电极，因而有效地解决了电容密封腔密封粘接的难题。

本实用新型设有

主硅片，主硅片的下表面为硅膜片，硅膜片上设压力感受膜片，在主硅片的下表面设有电容腔体，在压力感受膜片周边设隔离保护墙，在压力感受膜片一侧的主硅片上设敞开口；

玻璃衬底，玻璃衬底的上表面为抛光面，并与主硅片的下表面键合；

密封玻璃，用于密封电容腔体，密封玻璃的下表面与主硅片上的隔离保护墙的表面键合形成密封腔体；

保护硅片，保护硅片的上表面与密封玻璃的下表面键合；

硅膜片电极，设于主硅片敞开口的硅膜片上，并由引出线连接形成电容的一个引出电极；

电容腔电极，设于玻璃衬底的上表面上，上表面为抛光面，并由引出线连接形成电容的另一引出电极。

硅膜片可为方形或圆形，是由P⁺刻蚀或PN结化学刻蚀或SOI(silicon on insulator)硅片制作形成的硅膜片。

电容腔电极上最好设绝缘层，用于防止硅膜片变形时与电容腔电极接触。

电容腔体与主硅片上的敞开口之间最好设沟槽，用于电容腔电极从电容腔体延伸穿过此沟槽，由敞开口引出电极，并用于通过工作介质。

硅膜片电极可由溅射金属做在敞开口下方的硅膜片上。

本实用新型可采用以下方法制造。

1、将主硅片进行清洗、甩干后，在氧化炉中氧化，刻蚀电容腔，去氧化层；

2、刻蚀好电容腔后主硅片放在扩散炉扩散，形成膜片的P⁺层或PN结；

3、在要做电极的玻璃上制作出金属电极；

4、在金属电极上制作一层绝缘玻璃；

5、将做好电容腔体的主硅片进行清洗、甩干后，待用；

6、将做好电极的玻璃(用作玻璃衬底)片冲洗、烘干，将玻璃衬底片上电极对准主硅片上的电容腔，将主硅片与玻璃片键合连接；

7、对已键合的主硅片上表面制作硅膜片的隔离保护墙；

8、打开电极敞开口，露出玻璃上的电极；

9、将金属制作在与压力感受膜相连的P⁺膜上；

10、将用作保护硅片的硅片进行清洗、甩干后，在氧化炉中氧化；

11、将用作密封玻璃的双面抛光的玻璃片冲洗、甩干后与保护硅片键合；

12、将键合后的密封玻璃下表面与隔离保护墙的表面在真空中进行静电键合，完成了真空电容腔体的密封。

在制作过程中，可将用于制作传感器的主硅片双面涂光刻胶、前烘、单面曝光、显影、后烘，在氟化氢溶液中去氧化层后刻出所需图形，去胶。再用干法或湿法腐蚀的方法，通过氧化层的保护，在已有氧化层图形的硅片上刻蚀硅至电容腔所需深度后，去氧化层。在要做电极的玻璃上涂胶、光刻、显影、烘烤后溅射金属，用剥离法作出金属电极。在完成了金属电极的制作后，需要在电极上作一层绝缘玻璃，绝缘层的目的在于当硅膜片碰到真空室底部时，电容腔电极和硅膜片不会接触。将做好电极的玻璃衬底片可分别用甲苯、丙酮、无水酒精超声后，用去离子水冲洗、烘干。随后，在超静环境中将玻璃衬底片上电极对准主硅片上的电容腔，并使接触在一起，然后利用加热、加静电键合工艺将主硅片与玻璃片键合在一起。对已键合的主硅片的上表面进行光刻以形成深度刻蚀的图形，然后进行深刻蚀，最后形成硅膜片的隔离保护墙。可用干法刻蚀打开电极的敞开口，将玻璃上的电极露出以便焊接电极引出线。可用磁控溅射工艺将金属做在与压力感受膜相连的P⁺膜上。用于保护硅片的密封硅片进行标准清洗、甩干、在氧化炉中氧化后，单面涂光刻胶、前烘、单面曝光、显影、后烘，刻出图形。用于密封玻璃的双面抛光的玻璃片可分别用甲苯、丙酮、无水酒精超声、用去离子水冲洗，甩干后与保护硅片键合。将键合后的器件，进行深腐蚀。再将经键合的器件洗干净后，与深刻蚀腔周围的隔离保护墙的表面在真空中进行静电键合，这道工序完成了真空电容腔体的密封。

本实用新型采用两片硅和两片玻璃键合的结构，由于采用多层结构静电键合工艺密封电容腔体来制作电容式微型压力传感器的方法，有效地避开了电容腔密封粘接这个难题。利用将电容密封腔体与电极腔体分开的做法即可满足电容密封腔体的密封，又可避免电容腔电极引出时的密封问题(电容腔及主硅片的下腔体不密封，用于通过工作介质)。多层结构静电键合工艺，将电容式压力传感器的电容腔与电容密封腔分开，电容腔电极由做在主硅片下表面(键合面)上的沟槽引出。

与已有的电容压力传感器相比，本实用新型的突出效果体现在采用多层结构键合的技术方案密封电容腔体，有效地解决了长期以来困扰本领域的电容腔的密封难题，另外由于这种电容式微型压力传感器具有很好的电容腔密封特性，因而具有很稳定的工作特性、耗能低、结构稳定，承受过压能力强、线性度和灵敏度高、测量稳定性好、有理想的零压特性、过载保护等良好的性能指标。

同时，本实用新型易于规模生产，制作成本低、结构简单、尺寸小。若采用大尺寸结构则可用于高真空测量。

附图说明

图1为本实用新型的结构分解示意图。

图2为本实用新型的安装图。

图3为图2的A-A面视图。

图4为图2的C-C面视图。

图5为图2的B-B面视图。

图6(a)～(t)为多层结构键合密封保护式电容压力传感器的制造工艺过程示意图。

具体实施方式

以下实施例将结合附图对本实用新型作进一步的说明。

如图1～5所示，多层结构键合密封保护式电容压力传感器包括具有压力感受膜10的主硅片18、设有电容腔电极16的玻璃衬底19、用来密封电容腔体的密封玻璃1和保护硅片4。方形硅膜片或圆形硅膜片11由P型掺杂硅半导体材料利用P⁺刻蚀技术或PN结化学刻蚀技术形成膜片或SOI(silicon on insulator)硅片制作。具体可描述如下，在主硅片18下表面有一层由P⁺刻蚀技术或PN结化学刻蚀技术或SOI(silicon on insulator)硅片制作形成的膜片11，压力感受膜片10就在这一层上，它是硅膜片11的一部分。主硅片18上的压力感受膜片10被一个隔离保护墙9包围。在主硅片18上还设有硅膜片电极7的敞开口20和电容腔电极16的敞开口21。压力感受膜片10与敞开口20、21之间被隔离保护墙9分开。电容腔14在主硅片18的下表面由光刻、腐蚀做出。玻璃衬底19的上表面为抛光面15，抛光面15上有电容腔电极16，电容腔电极16在主硅片18与玻璃衬底19键合时，从做在主硅片18下表面(键合面)13上的沟槽27引出，不与主硅片18接触。电容腔电极16从焊线点17经敞开口21由电容腔电极引出线8引出。当主硅片18的下表面13与玻璃衬底上表面15键合后，通过溅射在敞开口20中的金属溅射在硅膜片11上，与硅膜片11连接在一起形成硅膜片电极7。硅膜片电极7的引出线与电容腔电极引出线8形成电容的两个引出电极。密封玻璃1的下表面区域2与保护硅片4的上表面6静电键合后，再将密封玻璃1的下表面的其余部分3与主硅片18的隔离保护墙9的表面静电键合，以形成电容密封腔体23。工作介质由沟槽12、26、27进入电容腔(及主硅片下腔体)14，作用在压力感受膜10上。

参见图2～5，可看出传感器的电容腔电极16和硅膜片电极7分别做在玻璃衬底19上和主硅片18上，溅镀在电容腔电极16上的绝缘层25用于防止硅膜片11变形时碰到电容腔电极16。电容腔电极16从电容腔14延伸穿过沟槽27由敞开口21引出电容腔电极的引出线8，沟槽26、27用于通过工作介质。硅膜片电极7由溅射金属做在敞开口20下方的P⁺膜片上。密封玻璃1的下表面区域2与保护硅片4的上表面6静电键合后再将密封玻璃1的下表面(密封键合表面)3与做好深腐蚀后形成的隔离保护墙9的上表面键合，形成电容密封腔体23。传感器的结构设计要考虑在一定工作温度条件下，传感器的工作压力范围和所能承受的最大压力，根据这个条件压力传感器的结构尺寸要做相应的改变。压力感受膜10的尺寸根据传感器受力情况而定。很显然，隔离保护墙和框架要足够厚，足够牢固。这种结构设计的优点是传感器能承受在制造、安装、测量过程中的温度变化，特别是在比较恶劣的环境下可利用这种传感器进行测量，通过电子仪表对电容变化或电压变化进行监测，配置传输装置和电子仪表可进行远距离测量。参见图1的电容器由硅膜片11(其面积为a×b)，电容腔电极16和硅膜片上的真空室(电容密封腔体)23与密封玻璃1构成，其电容为

$C=\∫\∫\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0\mathrm{dxdy}}{d-d_{\min }\frac{{\mathrm{\ϵ}}_g-{\mathrm{\ϵ}}_0}{{\mathrm{\ϵ}}_g}}$

其中，dxdy为硅膜片的微面积元；d为硅膜片和玻璃衬底间的距离；ε₀为介电常数；ε_g为电极绝缘层的介电常数；d_min为电容腔电极16上面的绝缘层25的厚度。

因为d是通过硅蚀刻技术形成的深度，即d-d_min是玻璃衬底绝缘层顶端到硅膜片的距离。由于硅膜片11是利用P⁺刻蚀技术或PN结点化学刻蚀技术或SOI(silicon on insulator)硅片制作形成的，因此硅膜片的厚度h取决于P⁺层或PN结的厚度或SOI(silicon on insulator)硅片的厚度，这个厚度可以进行精确控制。真空密封腔(即电容密封腔体)23位于硅膜片11的正上方，被绝缘层25覆盖的电容腔电极16，即公式中的dxdy，在工作腔(即电容腔)14中并被做在玻璃电极(即电容腔电极)16上面。因此，硅膜片11受工作腔(电容腔)14中介质作用时，电容值就发生变化。

图6(a)～(t)给出静电键合密封电容腔体的压力传感器的加工工艺和安装过程示意图，图6(l)、(n)给出了电容腔电极焊线点17和硅膜片电极7的相对位置。图6(i)中电容腔电极16上面是绝缘层31，图6(l)中电容腔电极16的部分焊线点17穿过隔离保护墙9底下，但不与硅膜片11接触。因为硅膜片电极7是溅射在压力感受膜10的延伸部分上，所以硅膜片电极7则与压力感受膜10连接，这个电极利用溅射将金属做在P⁺膜上。密封玻璃下表面2先与保护硅片4键合，然后再将密封玻璃下表面2的其它键合表面部分3与具有压力感受膜的主硅片18的上表面键合，形成真空密封腔(电容密封腔体)23。

在图6(a)中的主硅片18和图6(p)中的保护硅片4选用的为双面抛光的P型或N型半导体掺杂硅片，图6(h)中的玻璃衬底19和图6(o)中的密封玻璃1是双面抛光的玻璃。

多层结构键合密封保护式电容压力传感器的工艺流程如下：

1、首先将主硅片18在1号(NH₄OH∶H₂O₂∶H₂O＝1∶2∶5)、2号(HCI∶H₂O₂∶H₂O＝1∶2∶5)洗液中煮进行常规标准清洗、甩干后，将主硅片18放在1000℃或高于1000℃的氧化炉中氧化至氧化层28的厚度为0.5～0.6μm。然后双面涂光刻胶、前烘、双面曝光、显影、后烘，在氟化氢溶液中去氧化层后刻出如图6(b)中所示的图形后，去胶。

2、当浓度为25％或10％的TMAH溶液或KOH溶液加热到温度小于90℃时，将在氧化层上刻出图形的主硅片18放入溶液中刻蚀3～5min，然后，在氟化氢溶液中去氧化层，刻蚀后电容腔14和窗口深刻蚀电容密封腔体23的图形如图6(c)所示。

3、刻蚀好电容腔14后，将主硅片18标准清洗后放入扩散炉用固态源扩散，在温度1125℃条件下，扩散时间3～6h，以便形成硅膜片的P⁺层，如图6(d)中的P⁺膜片11所示，其厚度h与扩散时间有关。

4、在密封玻璃19上涂胶30，如图6(e)所示，光刻显影、烘烤后图形如图6(f)所示。然后在玻璃图形上溅射金属如图6(g)所示。用剥离法作出金属电极(即电容腔电极)16，如图6(g)所示。

5、在完成了金属电极(即电容腔电极)16的制作后，需要在电容腔电极16上一层绝缘玻璃31，见图6(h)，绝缘层的目的在于当硅膜片碰到真空室底部时，电容腔电极16和硅膜片11不会接触。绝缘玻璃膜31可以通过PECVD(等离子体化学沉积)或溅射镀膜完成，绝缘玻璃膜31的形状由反刻技术或剥离技术来完成。图6(h)所示的这一道工序还要对玻璃衬底19、电容腔电极16、绝缘玻璃层的连接体进行热循环处理，先把连接体加热到合适温度，持续大约40min，使电容腔电极16周围及上面的绝缘玻璃层发生变形。接着，把温度降低100～150℃，持续一段时间，以使玻璃和绝缘层松弛，产生合适的温度系数。

6、将做好电容腔体的主硅片18放在1号(NH₄OH∶H₂O₂∶H₂O＝1∶2∶5)、2号(HCI∶H₂O₂∶H₂O＝1∶2∶5)洗液中进行标准清洗、甩干后，待用。将做好电极的玻璃衬底片19分别用甲苯、丙酮、无水酒精超声3～5min，然后用去离子水冲洗、烘干。随后，在超静环境中将玻璃衬底片19上的电容腔电极16对准主硅片18上的电容腔14，并使主硅片18的下表面(键合面)13与玻璃衬底片19的上表面(抛光面)15接触在一起，然后利用加热(加热温度为350～600℃)、加静电(电压为600～1200V)的键合工艺将主硅片18的下表面13与玻璃衬底片19的上表面15键合在一起，如图6(i)所示，最后降温冷却大约一个h后，撤去电压。

7、再对主硅片18的上表面进行光刻、显影，在氢氟酸溶液中去氧化层，去胶后形成要深度刻蚀的图形，然后将如图6(j)所示的器件放入浓度为25％或10％的加热到温度为90℃的TMAH溶液中进行深度刻蚀(5～7h)，最后形成压力感受膜10和隔离保护墙9。图6(k)是深刻蚀后的器件。

8、图6(k)表示深度刻蚀后电容腔电极焊线点17在被膜24覆盖时的情况，图6(l)所示的是通过ICP深刻蚀工序打开敞开口21之后的情况，这时电容腔电极焊线点17就会置于敞开口21下面。

9、图6(m)中敞开口20是制作硅膜片电极的地方，静电键合密封电容腔体的压力传感器的硅膜片电极7由掩模后，用磁控溅射工艺做在敞开口20的下表面，如图6(n)所示。

10、如图6(p)所示，将保护硅片4在1号(NH₄OH∶H₂O₂∶H₂O＝1∶2∶5)、2号(HCI∶H₂O₂∶H₂O＝1∶2∶5)洗液中煮进行标准清洗、甩干后，将硅片4放在1000℃或高于1000℃的氧化炉中氧化至保护硅片氧化层29的厚度为0.5～0.6μm，如图6(p)所示。然后单面涂光刻胶、前烘、单面曝光、显影、后烘，在氟化氢溶液中去氧化层后刻出图形，如图6(q)所示，去胶。

11、将图6(o)中双面抛光的密封玻璃片1分别用甲苯、丙酮、无水酒精超声3～5min，然后用去离子水冲洗后，甩干后与保护硅片4键合，如图6(r)所示。

12、将键合的如图6(r)所示器件放入浓度为25％或10％的TMAH溶液加热到温度为90℃时，进行腐蚀，腐蚀后的器件如图6(s)所示。

13、将如图6(s)所示的器件放在甲苯、丙酮、无水酒精超声3～5min，然后用去离子水冲洗后，甩干后，将密封玻璃1的下表面3与深刻蚀腔周围的隔离保护墙9的表面13在真空中进行静电键合，键合过程同工艺步骤6，这道工序完成了真空电容腔体的密封。

以上所介绍的静电键合密封电容腔体的压力传感器的工艺有许多优点，最为突出的优点是制作成本低，性能好，工艺过程容易成批量生产。由于这种电容式微型压力传感器具有很好的电容腔密封特性，因而具有很稳定的工作特性、耗能低、结构稳定，承受过压能力强，线性度和灵敏度高，总的来说，它有良好的性能指标，经实验证明，其性能指标可达到：

(1)测量环境的温度范围为-150～200℃；

(2)压力范围：10^-4～10³psi；

(3)过压保护：满量程的200～200,000％或500psi；

(4)可在几h内承受高达500psi的压力作用，在温度为300℃环境下进行测量；

(5)准确度：在5～10年内保持±1.5％的准确度；

(6)迟滞：在5～10年内保持满量程1％的迟滞；

(7)电源：3～30V，5～15mw。

同时，本实用新型还具有结构简单、尺寸小、稳定性好、强度高、测量稳定性好，有理想的零压特性、过载保护和高灵敏度等特点。本实用新型易于规模生产。若采用大尺寸结构则可用于高真空测量。

Claims (5)

1、用于真空测量的电容压力传感器，其特征在于设有

主硅片，主硅片的下表面为硅膜片，硅膜片上设压力感受膜片，在主硅片的下表面设有电容腔体，在压力感受膜片周边设隔离保护墙，在压力感受膜片一侧的主硅片上设敞开口；

玻璃衬底，玻璃衬底的上表面为抛光面，并与主硅片的下表面键合；

密封玻璃，用于密封电容腔体，密封玻璃的下表面与主硅片上的隔离保护墙的表面键合形成密封腔体；

保护硅片，保护硅片的上表面与密封玻璃的下表面键合；

硅膜片电极，设于主硅片敞开口的硅膜片上，并由引出线连接形成电容的一个引出电极；

电容腔电极，设于玻璃衬底的上表面上，上表面为抛光面，并由引出线连接形成电容的另一引出电极。

2、如权利要求1所述的用于真空测量的电容压力传感器，其特征在于所说的硅膜片为方形或圆形，为P⁺刻蚀或PN结化学刻蚀或SOI硅片制作形成的硅膜片。

3、如权利要求1所述的用于真空测量的电容压力传感器，其特征在于电容腔电极上设绝缘层。

4、如权利要求1所述的用于真空测量的电容压力传感器，其特征在于电容腔体与主硅片上的敞开口之间设沟槽。

5、如权利要求1所述的用于真空测量的电容压力传感器，其特征在于硅膜片电极由溅射金属做在敞开口下方的硅膜片上。

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