專利名稱：基于熱損失工作方式的圓形硅薄膜微機電壓力傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
基于熱損失工作方式的圓形硅薄膜微機電壓力傳感器技術(shù)領(lǐng)域[0001]本實用新型提供了一種在圓形N型硅薄膜上制作圓形的P型半導體硅薄層作為 傳感層的微機電壓力傳感器結(jié)構(gòu)，利用電阻抗斷層成像(EIT)測量原理進行傳感計算， 屬于微機電技術(shù)領(lǐng)域。技術(shù)背景[0002]壓力傳感器是重要的傳感器之一，有著非常廣泛的用途。目前的大多數(shù)壓力傳 感器采用集總參數(shù)的測量方法，例如，檢測壓敏電阻變化或平板電容變化的方法。壓敏 電阻的對稱性要求高，而平板電容器結(jié)構(gòu)存在電容變化量小以及非線性的問題。[0003]P型硅具有比較明顯的壓阻效應，常用于傳感材料受到的張應力或壓應力。傳 統(tǒng)的微機電壓力傳感器采用由P型硅制作的壓阻來傳感，將壓阻制作在壓力傳感薄膜應 力最大的位置，例如在壓力傳感薄膜的邊界處。當外界的壓力使傳感薄膜發(fā)生形變時， 也使這些壓阻受到應力的作用并導致其電阻的大小發(fā)生變化。對于這些壓阻式傳感器的 檢測常常采用惠斯頓電橋，但是，因為用于傳感的壓阻通常位于壓力傳感薄膜邊界，工 藝的離散性使這些電阻間產(chǎn)生失配，并因此使惠斯頓電橋檢測出現(xiàn)初始誤差。[0004]當采用P型半導體硅薄層作為傳感材料時，形變所產(chǎn)生的薄層上應力分布將發(fā) 生變化，這種應力分布變化將導致薄層電阻率分布發(fā)生變化。[0005]電阻抗斷層成像(EIT)技術(shù)采用電流激勵/電壓測量，并通過成像算法計算待檢 測材料的電阻率分布。[0006]將薄膜電阻率的變化通過EIT技術(shù)檢測出來，將能夠得到薄膜各點的形變，并 因此能夠反映外界所施加的壓力。發(fā)明內(nèi)容[0007]技術(shù)問題本實用新型的目的是提供一種基于熱損失工作方式的圓形硅薄膜微 機電壓力傳感器，在圓形N型硅薄膜上制作圓形的P型半導體硅薄層作為傳感層的微機 電壓力傳感器結(jié)構(gòu)，具有傳感器結(jié)構(gòu)簡單、加工工藝簡單的特點。[0008]技術(shù)方案本實用新型的基于熱損失工作方式的圓形硅薄膜微機電壓力傳感器 的最下層是玻璃基片，在玻璃基片上設有N型硅襯底，在N型硅襯底中間與玻璃基片 之間設有圓形空腔，圓形P型摻雜薄層覆蓋整個位于圓形空腔上方的N型硅襯底的硅薄 膜，作為傳感層的微機電壓力傳感器結(jié)構(gòu)，并且P型摻雜薄層的厚度等于該硅薄膜厚度 的一半，采用圓形的P型摻雜薄層作為傳感層；在N型硅襯底和圓形P型摻雜薄層的上 表面覆蓋了二氧化硅層，二氧化硅層上是即可用于電流激勵也可用于電壓測量的金屬電 極。[0009]所述圓形的P型摻雜薄層，在其一周沿著圓形的P型摻雜薄層，均勻分布連接著 16個即可用于電流激勵也可用于電壓測量的金屬電極；利用圓形的P型摻雜薄層的電阻 率分布隨壓力變化而發(fā)生變化的原理進行壓力傳感。[0010]其基本工作原理是當外界壓力導致硅薄膜變形時，因為壓阻效應導致硅薄膜 上的P型半導體硅薄層沿著半徑方向各點的電阻率發(fā)生變化，利用EIT技術(shù)計算這種情況 下的P型半導體硅薄層電阻率分布，既而得到硅薄膜的形變量。因為形變的大小直接和 壓力有關(guān)，由此得到壓力值。與傳統(tǒng)采用壓阻傳感的微機電壓力傳感器不同，本發(fā)明提 出的結(jié)構(gòu)利用整個傳感薄層材料電阻率分布的變化對外界壓力值進行傳感表征。同時， 因為EIT技術(shù)以本底電阻率分布為基礎(chǔ)值，因此，基礎(chǔ)誤差和不對稱性可以抵消。具有 傳感器結(jié)構(gòu)簡單、加工工藝簡單的特點。[0011]有益效果本實用新型的最大優(yōu)點在于傳感器結(jié)構(gòu)簡單，對加工工藝的靈敏度 低。因為采用電阻率分布變化來檢測硅薄膜的形變，因此，是對于變化的相對值進行檢 測。不同于傳統(tǒng)的基于特定點的參數(shù)采樣或者對集總參數(shù)采樣的傳感方式，它是對整個 傳感面進行計算，因此，制作誤差被平均化，減小了系統(tǒng)誤差。同時，本底電阻率分布 可以作為基本參考，將實測電阻率分布與本底電阻率相減，濾除初始工藝誤差?；谒?法的信息處理方法更易實現(xiàn)智能化。


[0012]圖1傳感器結(jié)構(gòu)示意圖，[0013]圖2是圖1中A-A斷面圖。[0014]其中，101是N型硅襯底；102是采用摻雜技術(shù)制作的圓形的P型硅薄層；103 是二氧化硅層；104是連接圓形的P型硅薄層與金屬電極的連接孔；105是電流激勵和電 壓檢測的金屬電極，共計16個；106是圓形空腔；107用于密封空腔的玻璃基片。
具體實施方式
[0015]本實用新型提供了一種在圓形N型硅薄膜上制作圓形的P型半導體硅薄層作為 傳感層的微機電壓力傳感器，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。傳感器的最下層是用于密閉空腔 106的玻璃基片107，玻璃基片107之上是N型硅襯底101，靠近玻璃基片107的N型硅 襯底101背面制作圓形空腔106，在圓形空腔106之上是硅薄膜，圓形的P型摻雜薄層102 覆蓋整個硅薄膜，并且P型摻雜薄層102的厚度等于硅薄膜厚度的一半，在硅片的上表面 覆蓋了二氧化硅層103，沿著圓形的P型摻雜薄層102—周，均勻分布連接著16個即可 用于電流激勵也可用于電壓測量的金屬電極105，金屬電極通過二氧化硅上的小孔104和 P型摻雜薄層102進行連接。[0016]本實用新型的傳感器有多種制作方法，這里以采用微機電加工工藝制作本發(fā)明 的傳感器進行說明。[0017]首先選擇半導體層厚度0.2微米的N型SOI硅片。熱生長100納米厚度的氧化 層后通過光刻工藝形成圓形P型摻雜薄層102圖形。帶膠在圓形P型摻雜薄層102進行 硼離子注入，摻雜濃度控制在5E18/cm3左右，結(jié)深0.1微米。低溫淀積300納米二氧化 硅層103。采用光刻工藝形成電極連接孔104。采用濺射工藝在表面沉積一層金屬鋁，光 刻形成16個金屬電極105。采用深反應離子刻蝕刻蝕SOI片背面，形成圓形空腔106， 刻蝕進行到SOI片的二氧化硅層停止。去除空腔上的二氧化硅。用PREX7740玻璃作為 密封玻璃基片，采用靜電鍵合在真空下進行N型硅襯底101和玻璃基片107的鍵合形成對圓形空腔106的密閉。
權(quán)利要求1.一種基于熱損失工作方式的圓形硅薄膜微機電壓力傳感器，其特征在于該傳感器 的最下層是玻璃基片(107)，在玻璃基片(107)上設有N型硅襯底(101)，在N型硅襯底 (101)中間與玻璃基片(107)之間設有圓形空腔(106)，圓形P型摻雜薄層(102)覆蓋整 個位于圓形空腔(106)上方的N型硅襯底(101)的硅薄膜，作為傳感層的微機電壓力傳 感器結(jié)構(gòu)，并且P型摻雜薄層(102)的厚度等于該硅薄膜厚度的一半，采用圓形的P型摻 雜薄層(10 作為傳感層；在N型硅襯底(101)和圓形P型摻雜薄層(10 的上表面覆 蓋了二氧化硅層(103)，二氧化硅層上是即可用于電流激勵也可用于電壓測量的金屬電極 (105)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于熱損失工作方式的圓形硅薄膜微機電壓力傳感器，其特 征在于所述圓形的P型摻雜薄層(102)，在其一周沿著圓形的P型摻雜薄層(102)，均勻 分布連接著16個即可用于電流激勵也可用于電壓測量的金屬電極(105)；利用圓形的P 型摻雜薄層(10 的電阻率分布隨壓力變化而發(fā)生變化的原理進行壓力傳感。
專利摘要基于熱損失工作方式的圓形硅薄膜微機電壓力傳感器是一種采用圓形的P型半導體硅薄層的微機電壓力傳感器結(jié)構(gòu)，傳感器的最下層是用于密閉空腔的玻璃基片，玻璃基片之上是N型硅襯底，靠近玻璃基片的N型硅襯底背面具有圓形空腔，在圓形空腔上是硅薄膜，圓形的P型摻雜薄層覆蓋整個硅薄膜，在硅片的上表面覆蓋了二氧化硅層，沿著圓形的P型摻雜薄層一周，均勻分布連接著16個即可用于電流激勵也可用于電壓測量的金屬電極。其特征在于采用圓形的P型摻雜薄層作為傳感層，以圓形的P型摻雜薄層的電阻率分布隨壓力變化而發(fā)生變化的原理進行壓力傳感。
文檔編號G01L1/18GK201811815SQ20102055475
公開日2011年4月27日 申請日期2010年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月29日
發(fā)明者李偉華 申請人:東南大學