專利名稱：一種含有硅通孔的電容式壓力傳感器及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電容式壓力傳感器，具體涉及一種含有硅通孔的電容式壓力傳感器及其制造方法，屬于微機(jī)械電子技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究及日常生活中，凡是利用液體、氣體或蒸汽等作為傳遞介質(zhì)的都要體現(xiàn)壓力的作用。為了保證生產(chǎn)和科研能正確控制、順利實(shí)施，需要利用壓力傳感器來指示壓力的有無、大小和變化等情況。其中，電容式壓力傳感器因其低功耗、高靈敏度、高輸出阻抗、以及良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性等優(yōu)點(diǎn)，已成為壓力傳感器研究的一大熱點(diǎn)。電容式壓力傳感器的基本結(jié)構(gòu)由兩部分組成，即包括固定電極8的基片B和包括可動(dòng)電極9的膜片A，如圖1(b)和(c)所示?？蓜?dòng)電極9是一個(gè)能在壓力作用情況下發(fā)生撓度形變的敏感膜。固定電極8和可動(dòng)電極9之間存在一定的間距，形成電容。壓力作用于彈性敏感膜(可動(dòng)電極9)，膜發(fā)生形變，使得兩個(gè)電極間距發(fā)生變化，產(chǎn)生相應(yīng)的電容值變化。由于電容值隨著壓力變化而變化，電容值又與壓力值相互對(duì)應(yīng)，由此形成壓力到電容的信號(hào)轉(zhuǎn)換。由于表面加工技術(shù)所帶來的薄膜應(yīng)力和粘附問題很難解決，現(xiàn)有的電容式壓力傳感器通常以體硅濕法腐蝕工藝為基礎(chǔ)，對(duì)硅片的特定區(qū)域進(jìn)行腐蝕形成硅膜，然后將此硅片貼裝到制作有固定電極的另一硅片(或玻璃)上，形成密封的腔體，如周偉等人于2006 年10月在《傳感技術(shù)學(xué)報(bào)》上發(fā)表的名稱為基于“倒裝技術(shù)的電容式絕對(duì)壓力傳感器研究” 的論文中所采用的結(jié)構(gòu)。這種傳感器制造方法存在著如下問題一方面，密封腔內(nèi)可動(dòng)電極難以通過低阻、 低損耗的方式從膜片引出，使得電容信號(hào)的測(cè)量值出現(xiàn)較大誤差，從而影響壓力信號(hào)的準(zhǔn)確測(cè)量；另一方面，對(duì)于給定的壓力，硅膜的撓度依賴于膜的等效剛度，因此，當(dāng)傳感器標(biāo)定完成后，硅膜的剛度務(wù)必要保持恒定。然而，就體硅濕法腐蝕工藝制造的電容式壓力傳感器而言，由于硅膜與經(jīng)腐蝕后的硅片梯形槽斜面相連，當(dāng)傳感器正常工作時(shí)，硅片梯形槽斜面也要受到傳遞介質(zhì)壓力的作用發(fā)生形變，使得硅膜除受到待測(cè)壓力的作用外，還要額外受到硅片梯形槽斜面的力學(xué)影響，此干擾力可以分解成對(duì)硅膜的軸向力與垂直力作用，其中， 軸向向內(nèi)的力會(huì)降低硅膜的剛度，軸向向外的力會(huì)增加硅膜的剛度，垂直力的作用方向與待測(cè)壓力的方向一致，使得所測(cè)得的結(jié)果不準(zhǔn)。以上兩方面問題均會(huì)影響電容式壓力傳感器的測(cè)量精度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，在傳感器中設(shè)計(jì)硅通孔結(jié)構(gòu)，提出一種改進(jìn)型的電容式壓力傳感器。和現(xiàn)有技術(shù)相同，本發(fā)明公開的電容式壓力傳感器也包括含固定電極的基片，
含可動(dòng)電極的膜片，和與所述固定電極和可動(dòng)電極電連接的測(cè)量電路；所述固定電極和所述可動(dòng)電極之間存在間距，形成電容；所述可動(dòng)電極位于所述膜片的梯形槽內(nèi)，和現(xiàn)有技術(shù)不同之處在于，所述可動(dòng)電極四周設(shè)有多個(gè)和所述可動(dòng)電極相接的彼此間隔的經(jīng)填充的通孔，所述通孔位于所述梯形槽的斜面中，將所述可動(dòng)電極和部分所述斜面分隔。優(yōu)選地，所述基片還包括金球凸點(diǎn)，所述金球凸點(diǎn)位于所述基片的表面，并和所述通孔相接。優(yōu)選地，所述通孔可等間距彼此間隔；通孔的徑向截面可呈正方形；位于所述可動(dòng)電極相對(duì)兩側(cè)的通孔的數(shù)量可以相同。優(yōu)選地，所述電容式壓力傳感器還包括現(xiàn)有技術(shù)中的封裝片，所述封裝片包括壓力介質(zhì)傳遞通道。本發(fā)明還公開了一種含有硅通孔的電容式壓力傳感器的制造方法，其包括下列步驟a)通過下列步驟制造膜片i.在第一硅襯底的第一表面上通過摻雜形成導(dǎo)電層；ii.在第一硅襯底的第二表面上通過刻蝕形成梯形槽，使所述導(dǎo)電層的一個(gè)表面裸露；iii.在所述梯形槽的斜面和所述導(dǎo)電層接觸處通過刻蝕形成多個(gè)通孔，所述通孔彼此間隔，位于所述導(dǎo)電層四周；iv.通過電鍍?cè)谒鐾變?nèi)進(jìn)行填充材料的填充，所述填充材料的填充高度超過所述導(dǎo)電層的厚度；b)通過下列步驟制造基片i.在第二硅襯底的第一表面上形成氧化層；ii.在所述氧化層上通過金屬濺射和光刻形成固定電極；iii.在所述固定電極上覆蓋鈍化層；iv.在所述鈍化層上制作金球凸點(diǎn)，并使所述金球凸點(diǎn)和測(cè)量電路的輸入端相連， 所述金球凸點(diǎn)和所述通孔的位置相對(duì)應(yīng)；v.在所述第二硅襯底上制造經(jīng)填充的過孔，并使所述過孔和測(cè)量電路的輸出端相連；c)將所述膜片貼裝于所述基片上，使所述金球凸點(diǎn)和所述通孔相連。優(yōu)選地，所述方法還包括通過下列步驟制造封裝片，并在步驟C)中將所述封裝片貼裝于所述基片上i.在第三硅襯底的第一表面上形成梯形槽；ii.在梯形槽底部形成多個(gè)壓力介質(zhì)傳遞通道；iii.在第三硅襯底的第一表面上制作與基片的過孔相應(yīng)的金球焊點(diǎn)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是1)膜片上垂直互連通孔經(jīng)填充、與基片焊接后，可以起到固定可動(dòng)電極的作用。當(dāng)傳感器受到傳遞介質(zhì)外加壓力作用時(shí)，能夠有效減小梯形槽斜面對(duì)可動(dòng)電極形變的干擾影響；2)可動(dòng)電極通過垂直互連通孔引出，有效的減小了電容信號(hào)在傳輸過程中的損耗，從而測(cè)量得到比較精確的信號(hào)，提高了傳感器的測(cè)量精度。


圖1 (a)是現(xiàn)有技術(shù)的傳感器可動(dòng)電極的俯視圖，圖1 (b)是圖1 (a)沿aa’方向的剖面圖，圖1(c)是圖1(b)的分解示意圖；圖2(a)是本發(fā)明的傳感器可動(dòng)電極的俯視圖，圖2(b)是圖2(a)沿aa’方向的剖面圖，圖2(c)是可動(dòng)電極，通孔和梯形槽斜面的立體示意圖；圖3是實(shí)施例1膜片的制造流程示意圖；圖4是實(shí)施例1基片的制造流程示意圖；圖5是實(shí)施例1封裝片的制造流程示意圖；圖6是實(shí)施例1傳感器的組裝結(jié)構(gòu)示意圖；圖7是實(shí)施例2基片的制造流程示意圖；圖8是實(shí)施例2信號(hào)測(cè)量片的制造流程示意圖；圖9是實(shí)施例2傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；其中A-膜片；B-基片；C-密封片；1-第一硅襯底；2-第二硅襯底；31，32，33，34-金球凸點(diǎn)；4_通孔；5_梯形槽斜面； 6-鈍化層；7-氧化層；8-固定電極；9-可動(dòng)電極；IO-Cr粘附層與Au金屬層；11-壓力傳遞介質(zhì)通道；12-第三硅襯底；131，132-過孔;14-焊球；15-載體硅片；16-信號(hào)測(cè)量片。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。實(shí)施例1參考圖2，在本實(shí)施例中，通孔4經(jīng)過填充后將可動(dòng)電極9固定，并將電容信號(hào)引出?？蓜?dòng)電極9的邊長為600 μ m，通孔4的水平截面為邊長40 μ m的正方形，可動(dòng)電極9的每一邊被7個(gè)通孔4所固定。通孔4中填充的金屬必須與可動(dòng)電極9有良好的接觸，以減小信號(hào)損失。最終制備的傳感器的結(jié)構(gòu)如圖6所示，整個(gè)傳感器由膜片A、基片B以及封裝片C 構(gòu)成。I、膜片A的工藝流程如圖3所示，包括1、準(zhǔn)備η型<100>雙面拋光硅片作為第一硅襯底1，如圖3(a)所示；2、在第一硅襯底1的第一表面涂膠，在硅膜設(shè)計(jì)區(qū)光刻出擴(kuò)散窗口，采用固態(tài)摻雜源進(jìn)行濃硼擴(kuò)散形成導(dǎo)電層，得到可動(dòng)電極9，如圖3(b)所示；3、采用正膠保護(hù)，在膜片用于密封的地方進(jìn)行光刻。然后用ICP刻蝕出凹槽，凹槽的深度約為40 μ m，如圖3(c)所示；4、先后在凹槽中濺射500A的Cr粘附層和2000A的Au金屬層10，如圖3 (d)所示；
5、金屬剝離；6、在第一硅襯底1的第二表面光刻出窗口，去除氧化層，采用KOH溶液進(jìn)行濕法腐蝕，實(shí)現(xiàn)可動(dòng)電極9的釋放，然后跟載體15鍵合，如圖3(e)所示；7、保護(hù)好可動(dòng)電極9，在梯形槽上需要垂直過孔連接的地方用掩膜進(jìn)行DRIE過刻蝕，形成通孔4。其中，SF6氣體流量為130sCCm，C4F8氣體流量為lOOsccm，載臺(tái)功率為600W， APC(自動(dòng)壓力控制)選擇60。每刻蝕9s后鈍化7s，讓刻蝕和鈍化交替進(jìn)行，最終形成符合要求的通孔4，如圖3(f)所示；8、在通孔4內(nèi)生長SiO2，制作絕緣層；利用帶傾角的RIE，刻蝕掉通孔4內(nèi)壁絕緣層與可動(dòng)電極9接觸的部分；在通孔4內(nèi)濺射Ti/W/Cu，制作擴(kuò)散阻擋層和種子層；將可動(dòng)電極9保護(hù)好，然后對(duì)通孔4進(jìn)行高深寬比的銅電鍍，直至電鍍的銅高過可動(dòng)電極9為止， 如圖3(g)所示；9、進(jìn)行后續(xù)工藝，將載體15解鍵合，如圖3(h)所示II、基片B的工藝流程如圖4所示，包括1、選擇已制作好信號(hào)測(cè)量電路的第二硅襯底2，將器件層的電路保護(hù)好，如圖 4(a)所示。2、采用干氧-濕氧-干氧的方式，在硅片空白處生長一層厚度約為Ιμπι的氧化層 7，如圖4(b)所示。3、金屬濺射，光刻出固定電極8及互連線。4、采用PECVD工藝淀積出1_2 μ m氮化硅鈍化保護(hù)層6，刻蝕出用于和金球凸點(diǎn)互連的金屬區(qū)，如圖4(c)所示。5、制作金球凸點(diǎn)31和32，將與通孔4對(duì)齊的金球凸點(diǎn)32與信號(hào)測(cè)量電路的輸入端相連，如圖4(d)所示。6、保護(hù)好襯底上制作好的結(jié)構(gòu)和電路，與載體15鍵合，如圖4(e)所示。7、在襯底上需要垂直過孔連接的地方用掩膜進(jìn)行DRIE過刻蝕，形成過孔131，如圖4(f)所示。8、在過孔131內(nèi)生長SiO2，制作絕緣層；在過孔內(nèi)濺射Ti/W/Cu，制作擴(kuò)散阻擋層和種子層；將襯底上的結(jié)構(gòu)保護(hù)好，然后對(duì)過孔131進(jìn)行高深寬比的銅電鍍，直到電鍍滿整個(gè)過孔131為止，如圖4(g)所示。11、對(duì)過孔131與測(cè)量電路的輸出端相連，將載體15解鍵合，如圖4(h)所示。12、在過孔131的另一端制作焊球14，如圖4 (i)所示。III、封裝片C的工藝流程如圖5所示，包括1、準(zhǔn)備η型<100>雙面拋光硅片作為第三硅襯底12 ；2、涂膠，光刻出正面的窗口，采用KOH溶液進(jìn)行濕法腐蝕形成梯形槽，如圖5 (a)所
7J\ ο3、在硅片背面涂膠，在梯形槽底部光刻出若干窗口，利用ICP刻蝕出通孔作為壓力傳遞介質(zhì)通道11，如圖5(b)所示。4、在硅片背面未被KOH腐蝕處制作與基片B的過孔131對(duì)齊的金球焊點(diǎn)33，如圖 5(c)所示。先后將膜片A和封裝片C貼裝到基片B上，即可制成電容式壓力傳感器，如圖6所不。實(shí)施例2最終制備的傳感器的結(jié)構(gòu)如圖9所示，整個(gè)傳感器由膜片A、基片B、信號(hào)測(cè)量片D 以及封裝片C構(gòu)成。膜片A與封裝片C的工藝流程與實(shí)例一的工藝流程一樣，不再贅述。基片B的工藝流程如圖7所示，包括1、準(zhǔn)備空白硅片作為第二硅襯底2，如圖7(a)所示。2、采用干氧-濕氧-干氧的方式，在硅片空白處生長一層厚度約為Ιμπι的氧化層 7，如圖7(b)所示。3、金屬濺射，光刻出固定電極8及互連線。4、采用PECVD工藝淀積出1_2 μ m氮化硅鈍化保護(hù)層6，刻蝕出用于和金球凸點(diǎn)互連的金屬區(qū)，如圖7(c)所示。5、制作金球凸點(diǎn)31和32，如圖7(d)所示。6、保護(hù)好制作好的結(jié)構(gòu)和互連，與載體15鍵合，如圖7(e)所示。7、在襯底上需要用垂直過孔引出電容信號(hào)的的地方用掩膜進(jìn)行DRIE過刻蝕，形成過孔131，如圖7(f)所示。8、在過孔131內(nèi)生長SiO2，制作絕緣層；在過孔內(nèi)濺射Ti/W/Cu，制作擴(kuò)散阻擋層和種子層；將襯底上的敏感結(jié)構(gòu)保護(hù)好，然后對(duì)過孔131進(jìn)行高深寬比的銅電鍍，直到電鍍滿整個(gè)過孔131為止，如圖7(g)所示。11、將載體15解鍵合，如圖7(h)所示。信號(hào)測(cè)量片的工藝流程如圖8所示，包括1、選擇已制作好信號(hào)測(cè)量電路的硅片作為信號(hào)測(cè)量片16，將器件層的電路保護(hù)好，如圖8(a)所示。2、制作金球凸點(diǎn)34，將它與信號(hào)測(cè)量電路的輸入端相連，如圖8(b)所示。3、保護(hù)好信號(hào)測(cè)量片16上制作好的結(jié)構(gòu)和電路，與載體15鍵合；4、在信號(hào)測(cè)量片上16需要用垂直過孔互連的地方用掩膜進(jìn)行DRIE過刻蝕，形成過孔132，如圖8(c)所示。5、在過孔132內(nèi)生長SiO2，制作絕緣層；在過孔內(nèi)濺射Ti/W/Cu，制作擴(kuò)散阻擋層和種子層；將信號(hào)測(cè)量片16上的敏感結(jié)構(gòu)保護(hù)好，然后對(duì)過孔132進(jìn)行高深寬比的銅電鍍， 直到電鍍滿整個(gè)過孔132為止，如圖8(d)所示。8、將過孔與測(cè)量電路的輸出端相連，將載體15解鍵合；9、在過孔的另一端制作焊球14，如圖8(e)所示。先后將膜片A和封裝片C與基片B、信號(hào)測(cè)量片16組裝起來，即可制成電容式壓力傳感器，如圖9所示。以上通過詳細(xì)實(shí)例描述了本發(fā)明，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，在不脫離本發(fā)明實(shí)質(zhì)的范圍內(nèi)，可以對(duì)本發(fā)明做一定的變形或修改；其制備方法也不限于實(shí)施例中所公開的內(nèi)容。
權(quán)利要求
1.一種含有硅通孔的電容式壓力傳感器，其包括含固定電極的基片，含可動(dòng)電極的膜片，和與所述固定電極和可動(dòng)電極電連接的測(cè)量電路；所述固定電極和所述可動(dòng)電極之間存在間距，形成電容；所述可動(dòng)電極位于所述膜片的梯形槽內(nèi)，其特征在于，所述可動(dòng)電極四周設(shè)有多個(gè)和所述可動(dòng)電極相接的彼此間隔的經(jīng)填充的通孔，所述通孔位于所述梯形槽的斜面中，將所述可動(dòng)電極和部分所述斜面分隔。
2.如權(quán)利要求書1所述的含有硅通孔的電容式壓力傳感器，其特征在于，所述基片還包括金球凸點(diǎn)，所述金球凸點(diǎn)位于所述基片的表面，并和所述通孔相接。
3.如權(quán)利要求書1所述的含有硅通孔的電容式壓力傳感器，其特征在于，所述通孔等間距彼此間隔。
4.如權(quán)利要求書1所述的含有硅通孔的電容式壓力傳感器，其特征在于，所述通孔的徑向截面呈正方形。
5.如權(quán)利要求書1所述的含有硅通孔的電容式壓力傳感器，其特征在于，位于所述可動(dòng)電極相對(duì)兩側(cè)的通孔的數(shù)量相同。
6.如權(quán)利要求書1-5任意一項(xiàng)所述的含有硅通孔的電容式壓力傳感器，其特征在于， 所述電容式壓力傳感器還包括封裝片，所述封裝片包括壓力介質(zhì)傳遞通道。
7.一種含有硅通孔的電容式壓力傳感器的制造方法，其包括下列步驟a)通過下列步驟制造膜片i.在第一硅襯底的第一表面上通過摻雜形成導(dǎo)電層； .在第一硅襯底的第二表面上通過刻蝕形成梯形槽，使所述導(dǎo)電層的一個(gè)表面裸露；iii.在所述梯形槽的斜面和所述導(dǎo)電層接觸處通過刻蝕形成多個(gè)通孔，所述通孔彼此間隔，位于所述導(dǎo)電層四周；iv.通過電鍍?cè)谒鐾變?nèi)進(jìn)行填充材料的填充，所述填充材料的填充高度超過所述導(dǎo)電層的厚度；b)通過下列步驟制造基片i.在第二硅襯底的第一表面上形成氧化層； .在所述氧化層上通過金屬濺射和光刻形成固定電極；iii.在所述固定電極上覆蓋鈍化層；iv.在所述鈍化層上制作金球凸點(diǎn)，并使所述金球凸點(diǎn)和測(cè)量電路的輸入端相連，所述金球凸點(diǎn)和所述通孔的位置相對(duì)應(yīng)；V.在所述第二硅襯底上制造經(jīng)填充的過孔，并使所述過孔和測(cè)量電路的輸出端相連； C)將所述膜片貼裝于所述基片上，使所述金球凸點(diǎn)和所述通孔相連。
8.如權(quán)利要求7所述的含有硅通孔的電容式壓力傳感器的制造方法，其特征在于，所述方法還包括通過下列步驟制造封裝片，并在步驟c)中將所述封裝片貼裝于所述基片上i.在第三硅襯底的第一表面上形成梯形槽； .在梯形槽底部形成多個(gè)壓力介質(zhì)傳遞通道； iii.在第三硅襯底的第一表面上制作與基片的過孔相應(yīng)的金球焊點(diǎn)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種含有硅通孔的電容式壓力傳感器及其制造方法，屬于微機(jī)械電子技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明的電容式壓力傳感器包括含固定電極的基片，含可動(dòng)電極的膜片，和與所述固定電極和可動(dòng)電極電連接的測(cè)量電路；所述固定電極和所述可動(dòng)電極之間存在間距，形成電容；所述可動(dòng)電極位于所述膜片的梯形槽內(nèi)，所述可動(dòng)電極四周設(shè)有多個(gè)和所述可動(dòng)電極相接的彼此間隔的經(jīng)填充的通孔，所述通孔位于所述梯形槽的斜面中，將所述可動(dòng)電極和部分所述斜面分隔。本發(fā)明還公開了含有硅通孔的電容式壓力傳感器的制造方法。本發(fā)明可用于現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究及日常生活中的多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域。
文檔編號(hào)B81B3/00GK102183333SQ201010612818
公開日2011年9月14日 申請(qǐng)日期2010年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月29日
發(fā)明者于民, 朱智源, 朱韞暉, 繆旻, 金玉豐 申請(qǐng)人:北京大學(xué)