CN201653604U - 一种压力传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种压力传感器，包括衬底；所述衬底上部凹设有浅杯槽；衬底对应于设置浅杯槽的表面淀积有压力敏感膜，所述压力敏感膜上淀积有氧化层；所述氧化层与压力敏感膜覆盖浅杯槽的槽口；所述压力敏感膜、氧化层与衬底对应于设置浅杯槽上部形成密闭空腔；所述氧化层上设有敏感电阻；所述敏感电阻分别形成惠斯通电桥的桥臂，氧化层的表面对应于设置敏感电阻外的其余部分覆盖有绝缘介质层，所述绝缘介质层上设有电极；所述电极穿过绝缘介质层并与敏感电阻电性连接。本实用新型压力敏感膜的均匀性好、工艺操作简单及加工成本低。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种压力传感器，具体地说是一种基于表面微机械加工工艺的压力传感器，属于微传感器的技术领域。
背景技术
传感器技术是一项发展迅速的高新技术，也是世界科技发展的重要标志之一，与通讯技术、计算机技术并称为信息产业的三大支柱。传感器是一种将外界物理量或化学量信号转换为可测量的电信号的器件，是人类获取信息的重要手段之一。基于MEMS(微电子机械系统)加工工艺的微传感器凭借体积小、功耗低、响应快等传统传感器所无法比拟的优点在汽车电子、医疗器械、家用电器、环境监测及航空航天等领域得到了广泛的应用。
压阻式微压力传感器是微传感器的一种，其原理是基于C.S Smith与1954年发现的压阻效应，即当半导体受到应力作用时，由于载流子迁移率的变化导致半导体的电阻率发生变化的现象。目前大多数压阻式压力传感器都采用MEMS体微机械加工工艺制备，即在硅片表面通过氧化、光刻、离子注入等平面IC工艺制备出应力敏感电阻与金属互连引线后，从硅片背面进行各向异性湿法腐蚀，通过调整腐蚀速率及时间来控制压力敏感膜的厚度，腐蚀完成后需用玻璃或硅材料衬底进行键合，作为芯片的支撑结构。采用上述工艺制备的压力传感器不仅压力敏感膜的厚度均匀性差，芯片体积大，而且需要键合工艺，使得制备的压力传感器成品率低、性能不稳定、成本高。
发明内容
本实用新型的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种压力传感器，其压力敏感膜的均匀性好、工艺操作简单及加工成本低。
按照本实用新型提供的技术方案，所述压力传感器，包括衬底；所述衬底上部凹设有浅杯槽；衬底对应于设置浅杯槽的表面淀积有压力敏感膜，所述压力敏感膜上淀积有氧化层；所述氧化层与压力敏感膜覆盖浅杯槽的槽口；所述压力敏感膜、氧化层与衬底对应于设置浅杯槽上部形成密闭空腔；所述氧化层上设有敏感电阻；所述敏感电阻分别形成惠斯通电桥的桥臂，氧化层的表面对应于设置敏感电阻外的其余部分覆盖有绝缘介质层，所述绝缘介质层上设有电极；所述电极穿过绝缘介质层并与敏感电阻电性连接。
所述绝缘介质层的材料包括氮化硅。所述压力敏感膜通过LPCVD淀积在衬底上。所述压力敏感膜的材料包括导电多晶硅。所述敏感电阻的材料包括导电多晶硅；所述导电多晶硅通过LPCVD淀积在氧化层上，在所述导电多晶硅上掺杂刻蚀后，形成敏感电阻。所述压力敏感膜上设有释放孔，所述释放孔内填充有氧化层；所述释放孔位于敏感电阻的外侧。所述压力敏感膜通过干法刻蚀形成释放孔。所述衬底通过刻蚀形成浅杯槽。所述衬底的材料为单晶硅。
本实用新型的优点：采用表面微机械加工工艺制备，避免了采用长时间的各向异性湿法腐蚀的工艺。采用LPCVD淀积的多晶硅作为压力敏感膜，使得压力敏感膜具有良好的均匀性。通过在衬底上设置浅杯槽，在浅杯槽内设置牺牲层；通过对牺牲层的处理避免了对时间控制的依赖及粘连现象的发生。工艺实现上更加简单，利于传感器与后续信号检测电路的集成，实现机电一体化，且有助于传感器成本的降低。
附图说明
图1为本实用新型的腐蚀图。
图2为图1的A-A剖视图。
具体实施方式
下面结合具体附图和实施例对本实用新型作进一步说明。
如图1和图2所示：本实用新型衬底1、浅杯槽2、压力敏感膜3、氧化层4、敏感电阻5、电极6、释放孔7及绝缘介质层8。
如图1和图2所示，所述衬底1上凹设有浅杯槽2，衬底1的材料为单晶硅。所述衬底1对应于设置浅杯槽2的端面淀积有压力敏感膜3，所述压力敏感膜3的材料包括导电多晶硅，所述压力敏感膜3上设有释放孔7，用于释放浅杯槽2内的牺牲层。所述浅杯槽2内淀积有牺牲层，通过浅杯槽2内的牺牲层作用，将压力敏感膜3利用LPCVD(低压化学气相沉积)的方法淀积在衬底1和牺牲层上。所述压力敏感膜3上生长有氧化层4，所述氧化层4覆盖在压力敏感膜3的表面并填充在释放孔7内，使压力敏感膜3与氧化层4覆盖浅杯槽2的槽口，压力敏感膜3与衬底1形成密闭的空腔。所述氧化层4上淀积有敏感电阻5，氧化层4对应于设置敏感电阻5外的其余表面均覆盖有绝缘介质层8。所述敏感电阻5分别形成惠斯通电桥的桥臂，所述敏感电阻5的材料包括导电多晶硅。所述绝缘介质层8上设有电极6，所述电极6穿过绝缘介质层8并与敏感电阻5电性连接。
上述结构的压力传感器通过下述工艺步骤实现：
(1)、依据压力传感器的量程要求，确定芯片及压力敏感膜3的尺寸，采用有限元分析软件确定压力敏感膜3的应力分布，布置敏感电阻5及电极，并制作对应的光刻版；
(2)、对衬底1进行氧化，刻蚀出浅杯槽2及与浅杯槽2相连通的释放通道；所述衬底1通过干法腐蚀或湿法腐蚀形成浅杯槽2；并在浅杯槽2内填充牺牲层，所述牺牲层的材料可为磷硅玻璃(PSG)；
(3)、采用LPCVD在衬底1对应于设置浅杯槽2的表面淀积多晶硅，根据压力传感器量程要求决定多晶硅的厚度，形成压力敏感膜3；
(4)、采用干法刻蚀在压力敏感膜3上形成释放孔7，所述释放孔7从压力敏感膜3的表面延伸到牺牲层的表面；
(5)、采用湿法或干法腐蚀牺牲层，所述牺牲层通过释放孔7进行释放，所述压力敏感膜3作为牺牲层释放的阻挡墙，释放时间无需精确控制；
(6)在压力敏感膜3上热氧化生长氧化层4，所述氧化层4填充在释放孔7内，将释放孔7封闭；所述氧化层4与压力敏感膜3将浅杯槽2封闭，使浅杯槽2形成密闭的空腔；
(7)、在所述氧化层4上通过LPCVD的方法淀积多晶硅，对多晶硅掺杂后进行刻蚀，在氧化层4上形成敏感电阻5，所述敏感电阻5分别形成惠斯通电桥的桥臂；然后在所述敏感电阻5上进行离子注入形成欧姆接触区；所述敏感电阻5布置在压力敏感膜3上张应力与压应力的对称区；
(8)、在氧化层4上对应于敏感电阻5外的其余部分均通过LPCVD淀积绝缘介质层8，所述绝缘介质层8的材料可为氮化硅；绝缘介质层8作为金属隔离层；
(9)、在绝缘介质层8的表面刻蚀形成引线孔，所述引线孔内淀积金属，得到电极6；所述电极6位于敏感电阻5的上方；电极6与敏感电阻5电性连接；
(10)、划片、封装、测试，完成压力传感器的制备。
如图1和图2所示，使用时，将电极6与相应的外部设备相连。电极6与敏感电阻5电性连接，敏感电阻5均为惠斯通电桥的桥臂。当压力传感器不受压力时，由敏感电阻5组成的惠斯通电桥输出的电压为零。当压力传感器受到压力时，所述电极6与敏感电阻5形成的惠斯通电桥输出对应的电压信号，通过检测所述惠斯通电桥的输出电压，得到压力传感器的灵敏度。所述衬底1与压力敏感膜3、氧化层4间密闭的空腔，即通过浅杯槽2的作用，当压力传感器受到外界压力时，压力敏感膜3发生形变，上面的敏感电阻5也产生形变，引起压阻效应，通过检测惠斯通电桥的输出电压，得到压力传感器的灵敏度。
本实用新型采用表面微机械加工工艺制备，避免了采用长时间的各向异性湿法腐蚀的工艺。采用LPCVD淀积的多晶硅作为压力敏感膜3，使得压力敏感膜3具有良好的均匀性。通过在衬底1上设置浅杯槽2，在浅杯槽2内设置牺牲层；通过设置释放孔7，并采取隔离层，避免了对释放时间控制的依赖。工艺实现上更加简单，利于传感器与后续信号检测电路的集成，并降低成本。
Claims (9)
1.一种压力传感器，包括衬底(1)；其特征是：所述衬底(1)上部凹设有浅杯槽(2)；衬底(1)对应于设置浅杯槽(2)的表面淀积有压力敏感膜(3)，所述压力敏感膜(2)上淀积有氧化层(4)；所述氧化层(4)与压力敏感膜(3)覆盖浅杯槽(2)的槽口；所述压力敏感膜(3)、氧化层(4)与衬底(1)对应于设置浅杯槽(2)上部形成密闭空腔；所述氧化层(4)上设有敏感电阻(5)；所述敏感电阻(5)分别形成惠斯通电桥的桥臂，氧化层(4)的表面对应于设置敏感电阻(5)外的其余部分覆盖有绝缘介质层(8)，所述绝缘介质层(8)上设有电极(6)；所述电极(6)穿过绝缘介质层(8)并与敏感电阻(5)电性连接。
2.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征是：所述绝缘介质层(8)的材料包括氮化硅。
3.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征是：所述压力敏感膜(3)通过LPCVD淀积在衬底(1)上。
4.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征是：所述压力敏感膜(3)的材料包括导电多晶硅。
5.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征是：所述敏感电阻(5)的材料包括导电多晶硅；所述导电多晶硅通过LPCVD淀积在氧化层4上，在所述导电多晶硅上掺杂刻蚀后，形成敏感电阻(5)。
6.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征是：所述压力敏感膜(3)上设有释放孔(7)，所述释放孔(7)内填充有氧化层(4)；所述释放孔(7)位于敏感电阻(5)的外侧。
7.根据权利要求6所述的压力传感器，其特征是：所述压力敏感膜(3)通过干法刻蚀形成释放孔(7)。
8.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征是：所述衬底(1)通过刻蚀形成浅杯槽(2)。
9.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征是：所述衬底(1)的材料为单晶硅。
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