一種微壓力傳感器及其制備與檢測(cè)方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種流體微壓力傳感器及其制備與檢測(cè)方法，傳感器從上到下主要包括上薄板、中薄板和基底；其中，中薄板、上薄板以及上支柱形成上空腔，中薄板的上表面或上薄板的下表面設(shè)置有上絕緣層；中薄板、基底以及下支柱形成下空腔，中薄板的下表面或基底的上表面設(shè)置有下絕緣層。上薄板用作傳感器壓力敏感元件，中薄板用作傳感器的諧振元件，上薄板、中薄板和基底同時(shí)用作傳感器的上、中和下電極。壓力測(cè)量時(shí)，壓力引起的上薄板變形導(dǎo)致中薄板所受靜電力發(fā)生改變，進(jìn)而引起中薄板諧振頻率發(fā)生變化，通過該諧振頻率和壓力變化之間的關(guān)系即可實(shí)現(xiàn)壓力測(cè)量。本發(fā)明可提高傳感器的靈敏度，便于實(shí)現(xiàn)微小壓力的高靈敏度檢測(cè)。
【專利說明】—種微壓力傳感器及其制備與檢測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】:
[0001]本發(fā)明涉及MEMS及壓力檢測(cè)技術(shù)，特別涉及一種微壓力傳感器及其制備與檢測(cè)方法。
【背景技術(shù)】:
[0002]微壓力傳感器在工業(yè)控制、醫(yī)療設(shè)備、航空航天以及軍事武器等領(lǐng)域均有迫切的需求和廣泛的應(yīng)用，因而對(duì)該類傳感器的研究則具有重要的實(shí)用意義。隨著MEMS(Micix)Electro-Mechanical Systems,微型機(jī)械電子系統(tǒng))技術(shù)的發(fā)展，MEMS微壓力傳感器已廣泛應(yīng)用微壓力測(cè)量領(lǐng)域。MEMS微壓力傳感器主要有壓阻式、電容式以及諧振式三種。壓阻式微壓傳感器主要利用硅的壓阻效應(yīng)，通過硅膜受壓后膜內(nèi)集成惠斯登電橋輸出電壓的變化來測(cè)量被測(cè)壓力的大小。雖然其輸出與輸入具有良好的線性關(guān)系，但硅薄膜中力敏電阻的溫度敏感性要求傳感器必須實(shí)行溫度補(bǔ)償，增加了測(cè)量的復(fù)雜性，同時(shí)硅膜中惠斯登電橋的集成致使其薄膜厚度難以在保證測(cè)量精度條件下進(jìn)一步減小來實(shí)現(xiàn)更小量程和更高靈敏度的壓力測(cè)量。電容式硅微壓力傳感器利用電容極距變化將壓力變化轉(zhuǎn)化為電容的變化，有著溫度穩(wěn)定性好、靈敏度高、功耗低、進(jìn)一步微型化變得相對(duì)簡單等一系列優(yōu)點(diǎn)，但其輸出與輸入的線性度較差。諧振式硅微壓力傳感器是利用諧振梁的固有頻率隨施加軸向力的改變而改變來實(shí)現(xiàn)壓力測(cè)量的，雖然其測(cè)量精度、穩(wěn)定性和分辨力都優(yōu)于以上兩種，但為了保證較高品質(zhì)因子，傳感器芯片需要真空密封，因而結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工難度較大，成本高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]基于上述技術(shù)現(xiàn)狀，本發(fā)明提出一種微壓力傳感器結(jié)構(gòu)及其制備與檢測(cè)方法，為流體的微小壓力測(cè)量提供一種全新的檢測(cè)方法，以實(shí)現(xiàn)更小壓力的高靈敏度測(cè)量。
[0004]本發(fā)明一種微壓力傳感器對(duì)液體壓力進(jìn)行檢測(cè)的方法，其特征在于:所述傳感器包括上電極、中電極、下電極，上電極和中電極之間形成閉合的上空腔，中電極和下電極之間形成閉合的下空腔，所述上空腔和下空腔的內(nèi)壁分別設(shè)置有上絕緣層和下絕緣層，檢測(cè)時(shí)，在上電極和中電極之間施加偏置電壓，在中電極和下電極之間施加交流激勵(lì)信號(hào)，使中電極發(fā)生諧振，以該諧振頻率作為參考頻率，當(dāng)有壓力作用在上電極時(shí)或者作用在上電極上的壓力發(fā)生變化時(shí)，引起上電極與中電極之間的電容和靜電力發(fā)生改變，從而導(dǎo)致中電極的諧振頻率發(fā)生改變，調(diào)節(jié)激勵(lì)信號(hào)的頻率使中電極再次諧振，通過諧振頻率的變化與被測(cè)壓力之間的關(guān)系即可實(shí)現(xiàn)被測(cè)壓力的檢測(cè)。
[0005]所述上電極與中電極之間的靜電場(chǎng)力與上電極的變形的平方成反比。
[0006]作用在上電極上的壓力與中電極的諧振頻率為線性關(guān)系。
[0007]—種微壓力傳感器，上述方法應(yīng)用該傳感器進(jìn)行壓力檢測(cè)，所述傳感器包括上電極、中電極，以及下電極，所述上電極和中電極之間設(shè)置有上支柱，該上支柱以及上電極和中電極環(huán)繞形成閉合的上空腔，所述中電極和下電極之間設(shè)置有下支柱，該下支柱以及中電極和下電極環(huán)繞形成閉合的下空腔，所述上空腔和下空腔的內(nèi)壁分別設(shè)置有上絕緣層和下絕緣層，所述上電極用于承受壓力用作壓力敏感元件，所述中電極用作諧振元件。
[0008]所述上絕緣層的形狀與上空腔形狀相同，其橫向尺寸小于或等于上空腔橫向尺寸。
[0009]所述下絕緣層形狀與上空腔形狀相同，其橫向尺寸小于或等于下空腔橫向尺寸。
[0010]所述上絕緣層位于中電極的上表面或上電極的下表面，所述下絕緣層位于中電極的下表面或下電極的上表面。
[0011]一種微壓力傳感器的制備方法，包括以下步驟:
[0012](I)取〈111〉晶向單晶硅作為第一單晶硅，重?fù)诫s后在第一單晶硅上表面形成二氧氧化硅層，第一單晶硅部分作為基底。
[0013](2)光刻第一單晶娃上表面的二氧化娃層,形成下空腔圖形窗口，刻蝕圖形窗口內(nèi)的二氧化硅至下絕緣層厚度，形成下二氧化硅絕緣層，未被刻蝕的二氧化硅層則形成下支柱；
[0014](3)米用化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)拋光下支柱的上表面；同時(shí)取SOI片作為第一 SOI片，重?fù)诫s頂部單晶硅后拋光其上表面；
[0015](4)采用陽極鍵合技術(shù)，將下支柱的上表面與第一 SOI片的頂部單晶硅的上表面進(jìn)行真空鍵合，此時(shí)形成下空腔，其中，下支柱在下側(cè)，SOI片在上側(cè)；
[0016](5)用四甲基氫氧化銨溶液完全刻蝕掉第一 SOI片襯底娃,露出埋層二氧化娃,光刻該埋層二氧化硅形成上空腔圖形窗口，刻蝕圖形窗口中的二氧化硅至上絕緣層厚度，形成上絕緣層，周圍未刻蝕的二氧化硅層形成上支柱；
[0017](6)光刻第一 SOI片的埋層二氧化硅形成上空腔圖形窗口，刻蝕圖形窗口中的二氧化硅至上絕緣層厚度，形成上絕緣層，周圍未刻蝕的二氧化硅層形成上支柱；
[0018](7)米用化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)拋光上支柱的上表面；同時(shí)取另一 SOI最為第二 SOI片，并重?fù)诫s頂部單晶硅層，拋光其上表面；
[0019](8)采用陽極鍵合技術(shù)，將上支柱的上表面與第二 SOI片的頂部單晶硅層的上表面進(jìn)行真空鍵合，形成上空腔。其中上支柱在下側(cè)，第二 SOI在上側(cè)；
[0020](9)采用四甲基氫氧化銨溶液完全刻蝕掉第二 SOI片襯底硅，再用緩沖刻蝕液快速刻蝕掉第二 SOI片的埋層二氧化硅，釋放第二 SOI片的頂部單晶硅層，形成上薄板。
[0021]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明至少具有以下有益效果:本發(fā)明一種新型微壓力傳感器結(jié)構(gòu)及其制備與應(yīng)用方法，其技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于:
[0022](I)本發(fā)明中壓力敏感元件(上薄板)和諧振元件(中薄板)為兩個(gè)獨(dú)立元件，上薄板和中薄板之間的靜電場(chǎng)將壓力引起的壓力敏感元件變形轉(zhuǎn)化為諧振元件應(yīng)力狀態(tài)的變化，從而引起中薄板諧振頻率的變化，由于靜電場(chǎng)力的變化與敏感元件的變形的平方成反比，因而小的變形會(huì)導(dǎo)致較大靜電場(chǎng)力變化以及諧振頻率變化，因而相對(duì)于基于懸臂梁諧振式壓力傳感器，這種測(cè)量機(jī)制對(duì)壓力引起的諧振元件諧振頻率變化具有放大效應(yīng)，有利于提高壓力測(cè)量的靈敏度。
[0023](2)本發(fā)明中壓力敏感元件和諧振元件為兩個(gè)獨(dú)立元件，其諧振元件上、下兩側(cè)均為真空腔，因而可避免阻尼對(duì)諧振元件振動(dòng)性能的影響，可使諧振元件具有極高的品質(zhì)因子，便于實(shí)現(xiàn)高靈敏度壓力檢測(cè)。
[0024](3)由于本發(fā)明中諧振元件的振動(dòng)性能不受阻尼的影響，因而無論是在具有小阻尼的氣體環(huán)境中還是在具有較大阻尼的流體環(huán)境中均可實(shí)現(xiàn)壓力的高靈敏度、高分辨測(cè)量。
[0025](4)相對(duì)于壓阻式壓力傳感器，本發(fā)明壓力敏感元件中無集成的電路系統(tǒng)，因而其厚度可以進(jìn)一步減小，具有可實(shí)現(xiàn)更小壓力檢測(cè)的優(yōu)勢(shì)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]圖1為本發(fā)明一種新型微壓力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027]圖2為本發(fā)明一種新型微壓力傳感器的一變化結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028]圖3為本發(fā)明一種新型微壓力傳感器的另一變化結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029]圖4為本發(fā)明一種新型微壓力傳感器的另一變化結(jié)構(gòu)示意圖；
[0030]圖5為本發(fā)明一種新型微壓力傳感器的工作原理圖；
[0031]圖6為本發(fā)明一種新型微壓力傳感器結(jié)構(gòu)在某一結(jié)構(gòu)參數(shù)條件下的壓力-頻率關(guān)系圖；
[0032]圖7為本發(fā)明一種新型微壓力傳感器結(jié)構(gòu)的典型制備工藝流程圖；
[0033]圖8為本發(fā)明圖7所示制備工藝流程的另一部分制備工藝圖。
[0034]圖中的標(biāo)號(hào)如下表示:
[0035]
[0036]
【權(quán)利要求】
1.一種微壓力傳感器對(duì)流體壓力進(jìn)行檢測(cè)的方法，其特征在于:所述傳感器包括上電極、中電極、下電極，上電極和中電極之間形成閉合的上空腔，所述上電極的下表面或中電極的上表面設(shè)置有上絕緣層，中電極和下電極之間形成閉合的下空腔，所述中電極的下表面或下電極的上表面設(shè)置有下絕緣層，檢測(cè)時(shí)，在上電極和中電極之間施加偏置電壓，在中電極和下電極之間施加交流激勵(lì)信號(hào)，使中電極發(fā)生諧振，以該諧振頻率作為參考頻率，當(dāng)有壓力作用在上電極時(shí)或者作用在上電極上的壓力發(fā)生變化時(shí)，引起上電極與中電極之間的電容和靜電力發(fā)生改變，從而導(dǎo)致中電極的諧振頻率發(fā)生改變，調(diào)節(jié)激勵(lì)信號(hào)的頻率使中電極再次諧振，通過諧振頻率的變化與被測(cè)壓力之間的關(guān)系即可實(shí)現(xiàn)被測(cè)壓力的檢測(cè)。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:作用在上電極上的壓力與中電極的諧振頻率為線性關(guān)系。
3.一種微壓力傳感器，根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法應(yīng)用該傳感器進(jìn)行壓力檢測(cè)，其特征在于:所述傳感器包括上電極、中電極，以及下電極，所述上電極和中電極的之間設(shè)置有上支柱，該上支柱以及上電極和中電極環(huán)繞形成閉合的上空腔，所述中電極和下電極的之間設(shè)置有下支柱，該下支柱以及中電極和下電極環(huán)繞形成閉合的下空腔，所述上空腔和下空腔的內(nèi)壁分別設(shè)置有上絕緣層和下絕緣層，所述上電極用于承受壓力用作壓力敏感元件，所述中電極用作諧振元件。
4.如權(quán)利要求3所述的壓力傳感器，其特征在于:所述上絕緣層的形狀與空腔形狀相同，其橫向尺寸小于或等于上空腔橫向尺寸。
5.如權(quán)利要求3所述的壓力傳感器，其特征在于:所述下絕緣層形狀與空腔形狀相同，其橫向尺寸小于或等 于下空腔橫向尺寸。
6.如權(quán)利要求3所述的的壓力傳感器，其特征在于:所述上絕緣層位于中電極的上表面或上電極的下表面，所述下絕緣層位于中電極的下表面或下電極的上表面。
7.—種權(quán)利要求3所述的微壓力傳感器的制備方法，包括以下步驟: (1)取〈111〉晶向單晶硅作為第一單晶硅，重?fù)诫s后采用熱氧化技術(shù)在第一單晶硅上表面形成二氧氧化硅層，未被氧化的第一單晶硅部分作為基底； (2)光刻第一單晶硅上表面的二氧化硅層，形成下空腔圖形窗口，刻蝕圖形窗口內(nèi)的二氧化硅至下絕緣層厚度，形成下二氧化硅絕緣層，未被刻蝕的二氧化硅層則形成下支柱； (3)米用化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)拋光下支柱的上表面；同時(shí)取SOI片作為第一SOI片，重?fù)诫s頂部單晶硅后拋光其上表面； (4)采用陽極鍵合技術(shù)，將下支柱的上表面與第一SOI片的頂部單晶硅的上表面進(jìn)行真空鍵合，此時(shí)形成下空腔；其中，下支柱在下側(cè)，SOI片在上側(cè)； (5)用四甲基氫氧化銨溶液完全刻蝕掉第一SOI片襯底娃,露出埋層二氧化娃； (6)光刻第一SOI片的埋層二氧化硅，形成上空腔圖形窗口，刻蝕圖形窗口中的二氧化硅至上絕緣層厚度，形成上絕緣層，周圍未刻蝕的二氧化硅層形成上支柱； (7)米用化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)拋光上支柱的上表面；同時(shí)取另一SOI最為第二 SOI片，并重?fù)诫s頂部單晶硅層，拋光其上表面； (8)采用陽極鍵合技術(shù)，將上支柱的上表面與第二SOI片的頂部單晶硅層的上表面進(jìn)行真空鍵合，形成上空腔；其中上支柱在下側(cè)，第二 SOI在上側(cè)； (9)采用四甲基氫氧化銨溶液完全刻蝕掉第二SOI片襯底硅，再用緩沖刻蝕液在最短的時(shí)間內(nèi)刻蝕掉第二 SOI片的埋層二氧化硅，釋放第二 SOI片的頂部單晶硅層，形成上薄板。
8.—種權(quán)利要求3所述的微壓力傳感器的制備方法，包括以下步驟: (1)取〈111〉晶向單晶硅作為第一單晶硅，重?fù)诫s后采用化學(xué)氣相沉積技術(shù)在第一單晶硅上表面沉積二氧氧化硅層，摻雜后的第一單晶硅作為基底； (2)光刻第一單晶硅上表面的二氧化硅層，形成下空腔圖形窗口，刻蝕圖形窗口內(nèi)的二氧化硅至下絕緣層厚度，接著，再次光刻二氧化硅層，刻蝕二氧化硅形成位于第一單晶硅中部區(qū)域的塊狀二氧化下硅絕緣層，未被刻蝕的二氧化硅層則形成下支柱； (3)米用化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)拋光下支柱的上表面；同時(shí)取SOI片作為第一SOI片，重?fù)诫s頂部單晶硅后拋光其上表面； (4)采用陽極鍵合技術(shù)，將下支柱的上表面與第一SOI片的頂部單晶硅的上表面進(jìn)行真空鍵合，此時(shí)形成下空腔；其中，下支柱在下側(cè)，SOI片在上側(cè)； (5)用四甲基氫氧化銨溶液完全刻蝕掉 第一SOI片襯底娃,露出埋層二氧化娃； (6)光刻第一SOI片的埋層二氧化硅，形成上空腔圖形窗口，刻蝕圖形窗口中的二氧化硅至上絕緣層厚度，再次光刻二氧化硅層，刻蝕二氧化硅形成位于第一 SOI片頂層單晶硅片中部區(qū)域的塊狀二氧化硅上絕緣層，周圍未刻蝕的二氧化硅層形成上支柱； (7)米用化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)拋光上支柱的上表面；同時(shí)取另一SOI最為第二 SOI片，并重?fù)诫s頂部單晶硅層，拋光其上表面； (8)采用陽極鍵合技術(shù)，將上支柱的上表面與第二SOI片的頂部單晶硅層的上表面進(jìn)行真空鍵合，形成上空腔；其中上支柱在下側(cè)，第二 SOI在上側(cè)； (9)采用四甲基氫氧化銨溶液完全刻蝕掉第二SOI片襯底硅，再用緩沖刻蝕液在最短的時(shí)間內(nèi)刻蝕掉第二 SOI片的埋層二氧化硅，釋放第二 SOI片的頂部單晶硅層，形成上薄板。
【文檔編號(hào)】B81C1/00GK103983395SQ201410240293
【公開日】2014年8月13日 申請(qǐng)日期:2014年5月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月30日
【發(fā)明者】趙立波, 李支康, 蔣莊德, 葉志英, 薛方正, 喬智霞, 李萍, 趙玉龍 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)