一種電容式壓力傳感器的制備方法
【專利摘要】一種電容式壓力傳感器的制備方法。本發(fā)明在于用采用相對簡單的工藝方法，制造出結(jié)構(gòu)簡單但是可靠性好，重復(fù)性好的器件。具體加工方法包括，敏感膜片的加工，電容間隙的加工，電極的加工及電極引出，硅玻璃的鍵合等。敏感膜片的加工過程包括：電容間隙的腐蝕，采用四甲基氫氧化銨(TMAH)溶液，硅島的腐蝕采用氫氧化鉀(KOH)溶液。本專利的發(fā)明在于硅島的腐蝕，本發(fā)明在于提出了一種變截面(八角形)型膜片。變截面膜片有較好的線性度，且有較低的應(yīng)力集中。電容間隙在2～4um，用TMAH溶液易于控制腐蝕精度。淀積Cr/Au電極，與玻璃電極鍵合在一起，玻璃面用膠保護(hù)好后，光刻正面并腐蝕出硅島，在鍵合時，考慮靜電鍵合腔內(nèi)進(jìn)水，做了相應(yīng)的設(shè)計。
【專利說明】一種電容式壓力傳感器的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及微電子機(jī)械加工領(lǐng)域，尤其涉及一種基于硅各向異性腐蝕的高精度電容式壓力傳感器的加工方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在工業(yè)生產(chǎn)中，氣體和液體的壓力的測量時是相當(dāng)重要的一部分，壓力測量的原理和方法有很多，針對所應(yīng)用的各個領(lǐng)域或特別需求，有不同的設(shè)計方法與考慮，目前壓力傳感器的設(shè)計方法主要包括:壓阻式、壓電式、電容式等類型。由于電容式壓力傳感器具有高的靈敏度，靜態(tài)功耗低，受溫度影響小等特點(diǎn)而被廣泛的應(yīng)用。特別是微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的發(fā)展，使得壓力傳感器具有微小型化，可批量制造、成本低的特點(diǎn)，且可以將弱信號測量電路利用集成電路工藝和傳感器件做在一個芯片上形成單個元件，這樣對于壓力傳感器尤為重要，這樣弱信號就可以在芯片上做就近做放大處理，可以避免電磁干擾，雜散電容的干擾等，且可以利用信號處理電路，通過模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路后，再輸入到中央處理單元，可以提高信號的可靠性，減少連線數(shù)與中央控制系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)。近年來，微機(jī)械電容式壓力傳感器發(fā)展很快，在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。
[0003]電容壓力傳感器的在國外的發(fā)展始于80年帶初期，有代表的是1980年的Sander等人開發(fā)出的單片集成壓力傳感器用于生物醫(yī)療中的疾病的的檢測，采用體硅加工和陽極鍵合工藝，是早期微電容壓力傳感器的代表。該傳感器采用了平膜片結(jié)構(gòu)，非線性較大，增加了后續(xù)電路處理的負(fù)擔(dān)。
[0004]1988年密歇根大學(xué)的Wise K.D等提出用選擇性硼重?fù)诫s自停止腐蝕的方法來制作敏感電容，主要用于心血管的血壓的測量，這種溶硅技術(shù)后來被廣泛的應(yīng)用于壓力傳感器的設(shè)計，此壓力傳感器也是用平膜片制造。
[0005]1990年Hanneborg和Ohlckers采用帶凸起的膜和用于陽極鍵合的硼娃酸鹽玻璃濺射薄膜來加工壓力傳感器，輸出采用頻率調(diào)制，獲得了相當(dāng)?shù)偷臏囟认禂?shù)和零點(diǎn)漂移。
[0006]為了實(shí)現(xiàn)與集成電路的兼容，90年代表面微機(jī)械的犧牲層技術(shù)被引入壓力傳感器的制造。早期的表面微機(jī)械電容式壓力傳感器基于PN結(jié)隔離，利用多晶硅充當(dāng)敏感膜。對于應(yīng)用在汽車、航天工業(yè)中的壓力傳感器，PN結(jié)在高溫下具有明顯的漏電流。為了解決這一問題，Kasten等人嘗試采用注氧隔離技術(shù)以實(shí)現(xiàn)較低的溫度漂移。在制作壓力敏感單元的同時，還在厚氧層上加工出壓力參考單元，這樣壓力信號將轉(zhuǎn)化為敏感電容同參考基準(zhǔn)電容的比值，大大提高了測量的靈敏度，有效的抑制了電容信號的寄生效應(yīng)。但是傳感器結(jié)構(gòu)是平米結(jié)構(gòu)。為了提高電容式壓力傳感器的線性度，采用島膜結(jié)構(gòu)或波紋膜片結(jié)構(gòu)，但是島膜結(jié)構(gòu)有較大的應(yīng)力集中，波紋膜片結(jié)構(gòu)工藝實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜且誤差較大，難于控制精度。
[0007]文中所說的電容式壓力傳感器，特征在于敏感膜片結(jié)構(gòu)和工藝制造方法及電極引出方法上。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0008]本發(fā)明在于用采用簡單的工藝方法，制造出結(jié)構(gòu)簡單但是可靠性好，重復(fù)性好的器件。具體加工方法包括，敏感膜片的加工，電容間隙的加工，電極的加工及電極引出，硅玻璃的鍵合等。
[0009]敏感膜片的加工過程包括:電容間隙的腐蝕，硅島的腐蝕可采用四甲基氫氧化銨溶液或氫氧化鉀溶液，硅島的腐蝕采用氫氧化鉀溶液。本專利的發(fā)明在于硅島的腐蝕，有文獻(xiàn)記載的是E型膜片和波紋型膜片及平膜片。本發(fā)明在于提出了一種變面截(八角形)膜片。工藝簡單，在用ansys仿真可以看出，在相同的膜厚及面積下，變E型膜片有更好的靈敏度，線性度，且有較低的應(yīng)力集中。電容間隙在用TMAH溶液易于控制腐蝕精度。腐蝕好電容間隙之后，淀積金屬電極，并圖形化電極，與玻璃電極鍵合在一起，玻璃面用膠保護(hù)好后，光刻正面并腐蝕出硅島，在鍵合時，考慮靜電鍵合和防進(jìn)水，做了相應(yīng)的設(shè)計。很好的避免了上述問題。
[0010]相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明有以下特點(diǎn):
[0011]第一，敏感膜片的結(jié)構(gòu)，采用變截面(八角形)膜片，工藝簡單，易于實(shí)現(xiàn)且優(yōu)于其他膜片。
[0012]第二，采用先腐蝕出電容間隙后先與玻璃鍵合，再腐蝕硅島。
[0013]第三，該壓力傳感器結(jié)構(gòu)為玻璃-硅-玻璃三層結(jié)構(gòu)。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014]圖1是整體裝配圖。11是打孔玻璃，12是敏感膜片，13是玻璃電極。
[0015]圖2是敏感膜片。21是島結(jié)構(gòu)。
[0016]圖3是玻璃極板。31是玻璃上Cr/Au電極。
[0017]圖4是硅片基底。
[0018]圖5是圖4的首I]切圖。52是氧化娃。51是娃。
[0019]圖6是附圖步驟說明
[0020]圖7是電容間隙的制備過程。71是電容間隙。
[0021]圖8是電容間隙腐蝕時的版圖。81和83是防止?jié)穹ǜg時電容腔內(nèi)進(jìn)水槽。82是鍵合面。
[0022]84是防止陽極鍵合時靜電吸合而做的接觸凸起。
[0023]85是電容間隙的面積。
[0024]圖9是壓力計電容鍵和后的示意圖。91是玻璃極板，92是電容間隙，93是電容引出電極位置及劃片是斷裂處。
[0025]圖10是整體剖面圖。101是玻璃電極，102是打孔玻璃，103是敏感膜片。
【具體實(shí)施方式】
[0026]為使本發(fā)明的上述目的，特征和優(yōu)點(diǎn)能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖及【具體實(shí)施方式】對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
[0027]如圖1整體包括敏感膜片和玻璃電極以及打孔玻璃構(gòu)成。工藝步驟如下:
[0028]在4英寸(100)硅片熱氧2000?5000埃，正面涂膠保護(hù)。
[0029]第一次光刻，用氫氟酸溶液腐蝕氧化硅，用四甲基氫氧化銨溶液或氫氧化鉀溶液，腐蝕出電容間隙2?4um，本工藝過程采用25%的四甲基氫氧化銨溶液，在60度的溫度下腐蝕；腐蝕完成后，濺射Cr/Au300?400埃/1500?2000埃，并進(jìn)行第二次光刻，并圖形化電極。
[0030]在PREX7740玻璃上淀積Cr/Au300?400埃/1500?2000埃，作為玻璃電極。采用陽極鍵合的方法將硅和玻璃鍵合在一起，鍵合條件為1000V電壓，350°C溫度環(huán)境，完成電容的制作。
[0031]在硅面用等離子增強(qiáng)化學(xué)氣象淀積技術(shù)(PECVD)在硅面上淀積一層SiC0.5?
1.5um,也可以用濺射Cr/Au做掩膜，本工藝采用是SiC做為掩膜。用ASE技術(shù)圖形化SiC，并用氫氧化鉀(KOH)溶液腐蝕硅島也可以用四甲基氫氧化銨溶液。腐蝕出硅島后與打孔玻璃鍵合在一起，完成工藝過程，后續(xù)過程包括TO封裝和測試。
[0032]以上對本發(fā)明所提供一種電容式壓力傳感器加工方法進(jìn)行了詳細(xì)介紹，本文中應(yīng)用了具體個例對本發(fā)明的原理及實(shí)施方式進(jìn)行了闡述，以上實(shí)施例的說明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想；同時，對于本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員，依據(jù)本發(fā)明的思想，在【具體實(shí)施方式】及應(yīng)用范圍上均會有改變之處，綜上所述，本說明書內(nèi)容不應(yīng)理解為對本發(fā)明的限制。
【權(quán)利要求】
1.一種體娃工藝制成的壓力傳感器,該壓力傳感器自上而下包括上玻璃板，娃敏感膜片，下玻璃電極板。其特征在于，所述方法包括以下步驟:玻璃電極的加工步驟:采用玻璃作為下極板，在玻璃板上采用淀積工藝淀積金屬，作為電極，并圖形化電極形成電極引線和壓焊電極.敏感膜片的加工:采用硅片作為基片，在背面腐蝕出電容間隙，淀積電極，和玻璃電極鍵合后，腐蝕出正面的硅島。硅島為變截面型硅島。打孔玻璃鍵合:腐蝕出硅島后，與打孔玻璃鍵合在一起。劃片:通過劃片完成裂片和壓焊電極的露出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述電容式壓力傳感器的制造方法，玻璃電極的制造方法包括電極和引線以及陽極鍵合時為避免靜電吸合而制作的電極。金屬層生長步驟，在玻璃基片上形成金屬層；金屬層圖形化步驟，圖形化所述金屬層，形成所述電容式壓力傳感器的一個極板的電極，電信號引出線以及壓焊電極。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容式壓力傳感器的制造方法，其特征在于當(dāng)采用單晶硅基片作為敏感電極膜片時，膜片的的制造方法包括電容間隙的制造和硅島的制造，在電容間隙制造制造時包括電極引出槽和防進(jìn)水槽的設(shè)計，以及防止靜電吸合時接觸電極。在腐蝕硅島時采用KOH溶液作為腐蝕液，腐蝕出變截面(八角形)膜片。 膜片的加工步驟為， 熱氧化生長步驟，通過熱氧化在單晶硅基片上形成絕緣層.電容間隙腐蝕步驟，背面光刻SiO2,用TMAH溶液腐蝕出電容間隙及防止后續(xù)鍵合進(jìn)水裝置。電容極板金屬制作步驟，淀積金屬，并圖形化金屬電極，形成電容的硅極板電極及引線及壓焊電極。
4.根據(jù)權(quán)利要求1，硅島的制備方法為，先將制備好的玻璃極板和硅極板以靜電鍵合的方法鍵合在一起，鍵合完成后背面玻璃用膠保護(hù)，正面光刻，并腐蝕出硅島。
5.根據(jù)權(quán)利要求1，電容式壓力傳感器的制備方法，將腐蝕好的娃島與打孔玻璃鍵合在一起。
6.根據(jù)權(quán)利要求1，電容式壓力傳感器的制備方法，通過劃片完成裂片和電容間隙的露出。
【文檔編號】B81C1/00GK103964370SQ201310033190
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2013年1月29日 優(yōu)先權(quán)日:2013年1月29日
【發(fā)明者】劉圣亞, 高成臣, 郝一龍 申請人:北京大學(xué)