專利名稱：新型全SiN的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及微型壓力傳感器，特別涉及微結(jié)構(gòu)諧振梁壓力傳感器。
普通的硅微結(jié)構(gòu)諧振梁壓力傳感器包括三個部分諧振梁壓力傳感器芯片1、管帽3、管座4。硅微結(jié)構(gòu)諧振梁壓力傳感器芯片通過電極引線2與管座相連，再通過管座上的電極6與外部測試電路相連；傳感器通過排氣管5將管帽內(nèi)腔抽成真空后，將排氣管封死；傳感器通過測量接口7與待測系統(tǒng)相連，用于測量外界壓力。
硅諧振梁壓力傳感器芯片1是由上硅片一諧振子8和下硅片9鍵合而成的。
以硅為材料制作微結(jié)構(gòu)諧振梁壓力傳感器具有以下幾種缺點1)梁的制作工藝復雜，工藝要求十分苛刻，難以控制要求的尺寸精度，因而影響器件的成品率，使器件的成本很高。雖然可以采用自停止腐蝕等辦法加以改善，但這些方法不僅降低器件性能，還要增加昂貴的設備，從而增加成本。增加工藝步驟本身也增加了工藝復雜性。
2)硅諧振梁壓力傳感器的封裝要將諧振子、壓力敏感膜和管座鍵合在一起，需要兩次鍵合。每次鍵合都產(chǎn)生應力，這些應力都對傳感器產(chǎn)生影響。鍵合是一種比較復雜的工藝，減少鍵合過程也就是簡化工藝過程。
3)我們提出的專利“新型SiNx微結(jié)構(gòu)諧振梁壓力傳感器(待申請)”提出的新型復合梁膜SiNx微結(jié)構(gòu)諧振梁壓力傳感器，所采用的是以硅材料為壓力敏感膜的方法。由于采用硅為壓力敏感膜的材料制作過程中采用的是腐蝕的方法，最后硅壓力敏感膜的厚度是不能精確控制的。諧振梁壓力傳感器的量程是由壓力敏感膜的厚度決定的，厚度不準會導致制作出的傳感器的量程與設計值差別較大。這種結(jié)構(gòu)適合于制作大量程的諧振梁壓力傳感器，對于微力的測量受到很大的限制。
4)采用硅材料制作壓力敏感膜所能夠制作的微結(jié)構(gòu)諧振梁壓力傳感器的尺寸只能在毫米量級，與其它傳感器或元件的集成器件尺寸將會很大，不可能用于制作高密度集成化的器件。
為實現(xiàn)本發(fā)明的目的，新型全SiNx微結(jié)構(gòu)諧振梁壓力傳感器包括諧振梁10、諧振梁上的金屬電極11和激振電阻13、硅襯底15，SiNx壓力敏感膜17位于硅襯底15上部，諧振梁10的下部。
本發(fā)明實現(xiàn)梁膜一體化，簡化工藝，實現(xiàn)更高精度和微小物理量的測量。梁的尺寸可以精確控制，而且均勻性好，使得壓力傳感器的物理參數(shù)有可能得到精確控制。易于實現(xiàn)微梁諧振器，從而制作微梁壓力傳感器，達到進一步降低器件成本的目的。實現(xiàn)微傳感器的集成化和陣列化。例如微梁壓力傳感器與測試系統(tǒng)的集成，壓力傳感器和其它傳感器的混合集成。由于SiNx具有更好的機械加工性能，可以制作更為復雜的諧振粱器件。
圖3是常規(guī)新型SiNx復合梁膜微結(jié)構(gòu)諧振梁壓力傳感器橫截面4是全SiNx新型微結(jié)構(gòu)諧振梁壓力傳感器的平面圖。
圖5是全SiNx新型微結(jié)構(gòu)諧振梁壓力傳感器B-B’橫截面圖；圖6是全SiNx新型微結(jié)構(gòu)諧振梁壓力傳感器A-A’橫截面圖。
從圖5和圖3比較我們可以看出SiNx新型微結(jié)構(gòu)諧振梁壓力傳感器芯片與新型復合梁膜SiNx微結(jié)構(gòu)諧振梁壓力傳感器明顯的區(qū)別是SiNx新型微結(jié)構(gòu)諧振梁壓力傳感器芯片的壓力敏感膜17是采用超厚低應力SiNx材料制作的。
全SiNx新型微結(jié)構(gòu)諧振梁壓力傳感器芯片的核心是諧振子，它上面含有使梁產(chǎn)生受迫振動的激振單元和檢測諧振信號的拾振單元。激振單元可以采用熱激振、電磁激振也可以是靜電激振或光激振等幾種激勵方式。拾振單元可以采用壓阻拾振，電容拾振、光拾振等等幾種拾振方式。我們以熱激振和壓阻拾振的全SiNx新型微結(jié)構(gòu)諧振梁壓力傳感器為例介紹諧振梁壓力傳感器的工作原理。
熱激振和壓阻拾振的全SiNx新型微結(jié)構(gòu)諧振梁壓力傳感器芯片包括諧振子、壓力敏感膜17和襯底15。諧振子包括SiNx諧振梁10以及制作在其上的激振電阻13和拾振電阻14以及溫度補償電阻16。
下面以熱激振壓阻拾振方式工作的諧振梁壓力傳感器為例說明諧振梁壓力傳感器的工作原理。
電阻激振即熱激振是利用加熱電阻13將諧振梁10的局部加熱產(chǎn)生膨脹，產(chǎn)生熱應力，使梁10發(fā)生彎曲；當一個電脈沖到來時，加熱電阻13發(fā)熱使諧振梁發(fā)生彎曲，電脈沖過去后，加熱電阻的熱量迅速通過諧振梁10散掉，諧振梁10恢復到自然伸直狀態(tài)。加在激振電阻13上所加的交變電信號使諧振梁10產(chǎn)生交變熱應力，使梁10的彎曲和伸直周期性變化，產(chǎn)生周期性受迫振動。
所謂拾振就是通過某種敏感元件檢測振動狀態(tài)，將梁10的機械振動動能轉(zhuǎn)化為能夠直接測量的電信號，例如，由于振動時梁發(fā)生形變，在形變區(qū)制作壓阻材料，材料的電阻隨所受的壓力的變化而發(fā)生變化，電阻值的變化周期與梁10的振動周期是一致的。給壓阻材料接上一個恒流源時，壓阻材料兩端的電壓將隨梁的振動發(fā)生周期性變化，檢測壓阻材料兩端的電壓變化就可以知道振動情況的變化。拾振電阻14的阻值隨電阻所受到的壓力的周期性變化而發(fā)生周期性改變，拾振電阻14所受到的壓力與諧振梁10的振幅呈正比。梁10發(fā)生諧振時壓阻14兩端電壓發(fā)生突變，在諧振梁壓力傳感器的幅頻特性曲線上出現(xiàn)諧振峰，諧振梁10的幅頻特性曲線中的諧振峰的變化直接反映了諧振梁的振動狀態(tài)，這就是壓阻拾振方法。
諧振梁壓力傳感器就是利用壓力敏感膜17將作用在壓力敏感膜上的外力轉(zhuǎn)化為作用在諧振梁10兩端的軸向力，軸向力和諧振梁10的諧振頻率在一定范圍內(nèi)具有非常好的線性函數(shù)關(guān)系，因此，測知諧振梁的諧振頻率，就可以測知環(huán)境壓力。如

圖1所示，當待測容器的壓力發(fā)生改變時，比如壓力增大，壓力敏感膜向上彎曲，給諧振梁10的兩端施加軸向的張應力，在軸向張應力的作用下，諧振梁的諧振頻率發(fā)生改變，通過測試系統(tǒng)檢測漂移后的頻率，做一條頻率對壓力的關(guān)系曲線，我們就可以根據(jù)檢測儀器檢測到的頻率得出待測壓力。
權(quán)利要求
1.一種新型全SiNx微結(jié)構(gòu)諧振梁壓力傳感器，包括諧振梁(10)、諧振梁上的金屬電極(11)和激振電阻(13)、硅襯底(15)，其特征在于SiNx壓力敏感膜(17)位于硅襯底(15)上部，諧振梁(10)的下部。
2.按權(quán)利要求1所述的壓力傳感器，其特征在于所述諧振梁(10)是SiNx諧振梁。
3.按權(quán)利要求1所述的壓力傳感器，其特征在于所述的壓力敏感膜(17)和諧振梁(10)使用低應力氮硅化合物。
全文摘要
一種新型全SiN
文檔編號G01L7/00GK1401979SQ0112428
公開日2003年3月12日 申請日期2001年8月24日 優(yōu)先權(quán)日2001年8月24日
發(fā)明者于中堯, 崔大付 申請人:中國科學院電子學研究所