一種內(nèi)嵌式高溫?zé)o線壓力傳感器的制造方法
【專利摘要】一種內(nèi)嵌式高溫?zé)o線壓力傳感器，涉及一種壓力傳感器。設(shè)有壓力敏感膜、傳感器上蓋板、電容上下極板、電感線圈、傳感器基座與壓力參考腔；傳感器上蓋板上開有方形槽，構(gòu)成壓力敏感膜，傳感器上蓋板背面制作有電容上極板；傳感器基座上開有回形槽，電容下極板與電感線圈制作在傳感器基座上，電容下極板上表面與電感線圈上表面平齊，而電感線圈制作在回形槽中；電容上極板、電容下極板與電感線圈均由摻雜金屬的硅制作而成，電容上極板與電容下極板構(gòu)成平行板電容器，電容上極板與電感線圈上分別引出上下層導(dǎo)線，傳感器上蓋板與傳感器基座鍵合，上下層導(dǎo)線緊密接觸，使得電容上極板、電感線圈與電容下極板串聯(lián)構(gòu)成標(biāo)準(zhǔn)RLC回路并形成壓力參考腔。
【專利說明】一種內(nèi)嵌式高溫?zé)o線壓力傳感器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種壓力傳感器，尤其是涉及一種內(nèi)嵌式高溫?zé)o線壓力傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]高溫極端環(huán)境下壓力測量是石化生產(chǎn)、航空航天、汽車電子、國防軍工等領(lǐng)域必須突破和掌握的基礎(chǔ)科學(xué)技術(shù)之一。耐高溫壓力傳感器作為微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)的主要產(chǎn)品之一，在工業(yè)和國防軍工領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用需求和前景。具體來講，在工業(yè)上可用于化工反應(yīng)釜、冶煉塔內(nèi)、高溫油井以及渦輪發(fā)動機(jī)內(nèi)燃機(jī)的壓力檢測與控制。在國防軍事上可用于航天飛行器的姿態(tài)控制、高速飛行器或遠(yuǎn)程超高速導(dǎo)彈的飛行控制、噴氣發(fā)動機(jī)、火箭、導(dǎo)彈、衛(wèi)星等耐熱腔體和表面的壓力測量。隨著國民經(jīng)濟(jì)和國防現(xiàn)代化的發(fā)展，耐高溫壓力傳感器的市場需求將以每年10%~32%的速率增長。
[0003]針對高溫極端環(huán)境這一難題而設(shè)計的耐高溫壓力傳感器已經(jīng)有廣泛的研究和應(yīng)用，如SOI (絕緣體上硅)硅壓力傳感器、多晶硅(Ploy-Si)高溫壓力傳感器、SOS藍(lán)寶石高溫壓力傳感器、與SiC壓力傳感器。
[0004]目前的半導(dǎo)體壓力傳感器以基于硅的壓力傳感器為主，但以下幾點(diǎn)原因限制了基于硅的壓力傳感器在高溫惡劣環(huán)境下的應(yīng)用:1)由于硅禁帶寬度窄，所以其耐高溫和抗輻射性能比較差；2)硅容易與介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，被氧化或者被腐蝕；3)在高溫條件下硅的機(jī)械性能退化，當(dāng)溫度高于50(TC，硅材料將發(fā)生熱塑性變形，使傳感器性能惡化乃至失效。 [0005]SOS壓力傳感器最高工作溫度可以達(dá)到350°C，但是其致命缺點(diǎn)是成本高，工藝復(fù)雜，成品率低，而且由于外延的硅與藍(lán)寶石間有較大的晶格失配，難以保證長期穩(wěn)定性。多晶硅與SOI壓力傳感器最高工作溫度較低，一般在200°C左右。SOI材料是在Si材料基礎(chǔ)上用SiO2嵌入層以提高電絕緣性。雖然，SOI器件的工作溫度可以擴(kuò)展到400°C左右，但是500°C以上時，硅發(fā)生熱塑性變形又限制了 SOI器件的應(yīng)用。
[0006]SiC材料作為第三代直接躍遷型寬禁帶的半導(dǎo)體材料，具有寬禁帶結(jié)構(gòu)、高擊穿電壓和較高熱導(dǎo)率等特點(diǎn)，以及優(yōu)良的抗輻射性能和高溫穩(wěn)定性，這些特性使SiC在制造高溫器件中具有明顯的優(yōu)勢。2005年，Chien-Hung Wu研制出具有3C_SiC/Si02/Si復(fù)合層的部分SiC壓阻式壓力傳感器，工作溫度范圍為-7~400°C，其靈敏度在室溫下為177.6mV/￥*?&，在4001:下為63.lmV/V.psi0 SiO2中間層作為絕緣層，克服了高溫下漏電流的產(chǎn)生。但是摻雜磷的SiC在高溫下相對較低的壓阻系數(shù)、壓敏電阻的溫度效應(yīng)以及SiC與SiO2間的熱失配限制了傳感器在更高溫度下工作。2007年，凱斯西儲大學(xué)的Li Chen和MehranMehregany報道了第一例全SiC電容式壓力傳感器,最高工作溫度達(dá)到574°C。全SiC結(jié)構(gòu)消除了材料熱失配。該全SiC電容式壓力傳感器的缺點(diǎn)在于采用了金屬引線，使得傳感器性能受到引線寄生電容與高溫下歐姆接觸比電阻增大的影響，限制了傳感器在更高溫度下的應(yīng)用。因此，無線傳輸結(jié)構(gòu)被引入，以獲得能夠在更高溫度下工作的無線壓力傳感器。
[0007]無線壓力傳感器，實質(zhì)上是一個RLC諧振傳感器，是由對外界壓力敏感的電容和固定電感構(gòu)成的諧振電路。這種帶無線傳輸結(jié)構(gòu)的設(shè)計，為解決高溫惡劣環(huán)境下有線測量會產(chǎn)生電路失效和電引線高溫退化等問題，提供了一個很好的解決方案。但是，目前所報道的無線壓力傳感器，RLC諧振電路基本上都是采用金屬引線工藝制作，其應(yīng)用溫度很難超過600 °C。美國專利N0.7478562B2公開了高溫LC壓力傳感器，所公開的傳感器為SiC-SiO2-SiC三層結(jié)構(gòu)，電容上極板與電容下極板分別制作在上層SiC下表面與下層SiC上表面，使得平行板電容器C內(nèi)嵌在三層結(jié)構(gòu)當(dāng)中，而電感L制作在下層SiC底部，與平行板電容器C通過通孔連接，工藝復(fù)雜。因此，必須尋找設(shè)計新的結(jié)構(gòu)和制備工藝，實現(xiàn)RLC諧振電路電學(xué)連接在更高溫度下穩(wěn)定工作，以滿足未來航空航天對高溫壓力傳感器的要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的在于針對壓力傳感器在高溫極端惡劣環(huán)境下易失效的難題，提供對環(huán)境容忍度極高，能夠在高溫極端環(huán)境下穩(wěn)定工作的一種內(nèi)嵌式高溫?zé)o線壓力傳感器。
[0009]本發(fā)明設(shè)有壓力敏感膜、傳感器上蓋板、電容上極板、電容下極板、電感線圈、傳感器基座與壓力參考腔；
[0010]所述傳感器上蓋板由SiC片制作而成，傳感器上蓋板上開有方形槽，構(gòu)成壓力敏感膜，傳感器上蓋板背面制作有電容上極板；所述傳感器基座由SiC片制作而成，傳感器基座上開有回形槽，電容下極板與電感線圈制作在傳感器基座上，電容下極板上表面與電感線圈上表面平齊，而電感線圈制作在回形槽中，以增大電感線圈厚度；電容上極板、電容下極板與電感線圈均由摻雜金屬的硅(金屬硅化物)制作而成，電容上極板與電容下極板構(gòu)成平行板電容器，所述電容上極板與電感線圈上分別引出了上層導(dǎo)線和下層導(dǎo)線，傳感器上蓋板與傳感器基座鍵合，上層導(dǎo)線與下層導(dǎo)線緊密接觸，使得電容上極板、電感線圈與電容下極板串聯(lián)構(gòu)成標(biāo)準(zhǔn)RLC回路并形成壓力參考腔。
[0011]本發(fā)明由三大部分構(gòu)成:電學(xué)結(jié)構(gòu)、壓力敏感結(jié)構(gòu)與傳感器基座。所述電學(xué)結(jié)構(gòu)是標(biāo)準(zhǔn)RLC振蕩電路，由MEMS工藝制作，內(nèi)嵌于傳感器中。電學(xué)結(jié)構(gòu)中所制作的電感線圈構(gòu)成電感L，所制作電容上極板與電容下極板構(gòu)成平行板電容C，電感線圈電阻值、電容上極板電阻值、電容下極板電阻值構(gòu)成回路電阻R，將電感線圈與平行板電容器串聯(lián)及構(gòu)成RLC振蕩電路。RLC振蕩電路與無線檢測電路通過電感線圈耦合，構(gòu)成傳感器天線系統(tǒng)，其電學(xué)模型如圖所示。當(dāng)外界壓力作用與壓力敏感膜，壓力敏感膜發(fā)生形變，改變電容上極板與電容下極板的間距，從而改變平行板電容器電容值，使得傳感器天線系統(tǒng)的諧振頻率改變。外界壓力的變化量與傳感器天線系統(tǒng)的諧振頻率變化有非常好的線性相關(guān)性，通過檢測傳感器天線系統(tǒng)的諧振頻率值便可獲得外界壓力值。
[0012]所述壓力敏感結(jié)構(gòu)由耐高溫材料SiC片制作而成的敏感膜片，壓力敏感結(jié)構(gòu)，由SiC片經(jīng)減薄、化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)后，通過ICP刻蝕出方形壓力敏感膜，其厚度在10?20 μ m。傳感器基座由SiC片制作而成，其厚度為SiC裸片厚度。
[0013]所述傳感器電學(xué)結(jié)構(gòu)，由摻雜金屬所形成的娃化物制作而成。相比于傳統(tǒng)的金屬引線連接，由金屬硅化物所制作的電學(xué)結(jié)構(gòu)，避免了金屬與半導(dǎo)體間的歐姆接觸在高溫下易失效的問題。所述電學(xué)結(jié)構(gòu)中的電容上極板，為一個方形薄膜結(jié)構(gòu)，其面積大于壓力敏感膜的面積，厚度在I?3μπι。所述電學(xué)結(jié)構(gòu)中的電容下極板，為一個方形薄膜結(jié)構(gòu)，其面積、厚度與電容上極板一致。電容上極板與電容下極板對稱分布，形成平行板電容器。電學(xué)結(jié)構(gòu)中的電感線圈上表面與電容下極板上表面平齊，電感線圈厚度大于電容下極板厚度，增大電感線圈厚度的設(shè)計是為了減小電感線圈的電阻值，以減小RLC振蕩回路電阻值，達(dá)到增大RLC振蕩電路品質(zhì)因子的目的。
[0014]所述傳感器基座，由SiC片制作而成，其上通過兩次ICP刻蝕開有回形槽。上述電感線圈制作在回形槽中，回形槽設(shè)計增大了電感線圈的高度。
[0015]所述電學(xué)結(jié)構(gòu)在工藝上分兩部分制作，第一部分為帶有電容上極板的這一層，制作在SiC壓力敏感結(jié)構(gòu)背面。第二部分為帶有電容下級板與電感線圈的這一層，制作在SiC傳感器基座上。上述兩部分結(jié)構(gòu)經(jīng)過鍵合工藝形成完整的RLC振蕩電路電學(xué)結(jié)構(gòu)與壓力參考腔，同時完成了內(nèi)嵌式無線壓力傳感器的制作。
[0016]本發(fā)明的具體工藝制作過程將在具體實施例中給出。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1為本發(fā)明整體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖2為傳感器天線系統(tǒng)電學(xué)模型圖。
[0019]圖3為本發(fā)明結(jié)構(gòu)爆炸圖。
[0020]圖4為本發(fā)明主要工藝流程圖。
[0021]圖中各標(biāo)記為:1、壓力敏感膜；2、傳感器上蓋板；3、電容上極板；4、電容下極板；
5、電感線圈；6、傳感器基座；7、壓力參考腔；8、上層導(dǎo)線；9、下層導(dǎo)線；10、SiC-a ;11、回形槽；12、下 PSG 絕緣層;13、S1-a ;14、回形凹坑；15、SiC_b ;16、上 PSG 絕緣層;17、Si_b ;18、PSG保護(hù)層。
【具體實施方式】
[0022]參見圖1?4，本發(fā)明實施例設(shè)有壓力敏感膜1、傳感器上蓋板2、電容上極板3、電容下極板4、電感線圈5、傳感器基座6與壓力參考腔7。所述傳感器上蓋板2由SiC片制作而成，傳感器上蓋板上開有方形槽，構(gòu)成壓力敏感膜1，傳感器上蓋板2背面制作有電容上極板3 ;所述傳感器基座6由SiC片制作而成，傳感器基座6上開有回形槽，電容下極板4與電感線圈5制作在傳感器基座6上，電容下極板4上表面與電感線圈5上表面平齊,而電感線圈5制作在回形槽中，以增大電感線圈5厚度；電容上極板3、電容下極板4與電感線圈均由摻雜金屬的硅(金屬硅化物)制作而成，電容上極板3與電容下極板4構(gòu)成平行板電容器，所述電容上極板3與電感線圈5上分別引出了上層導(dǎo)線8和下層導(dǎo)線9，傳感器上蓋板2與傳感器基座6鍵合，上層導(dǎo)線8與下層導(dǎo)線9緊密接觸，使得電容上極板3、電感線圈5與電容下極板4串聯(lián)構(gòu)成標(biāo)準(zhǔn)RLC回路并形成壓力參考腔7。
[0023]圖4給出本發(fā)明的詳細(xì)工藝過程，步驟如下:
[0024]取片源SiC-alO，濺射一層Ni作為后續(xù)ICP刻蝕掩膜，光刻開窗，形成圖案化Ni掩膜。對SiC-a片進(jìn)行兩次ICP刻蝕，獲得回形槽11。經(jīng)LPCVD沉積一層PSG絕緣層12，其厚度為200?800納米。PSG絕緣層12不僅作為電學(xué)隔離的絕緣層，在后續(xù)ICP刻蝕電容下極板4與電感線圈5的工藝中還起到刻蝕自停止層作用。
[0025]取片源Si_al3，與帶PSG的SiC-alO真空鍵合，得到圖(b)所示帶腔體的雙層結(jié)構(gòu)。采用濕法腐蝕或者研磨工藝，減薄帶腔體雙層結(jié)構(gòu)，得到圖(C)所示減薄的帶腔體雙層結(jié)構(gòu)。加熱SiC-Si雙層結(jié)構(gòu)至硅的熔融溫度，在鍵合腔室內(nèi)外壓力差作用下，使熔融態(tài)硅回流，并填充至Sic-al3上的回形槽11內(nèi)，在回形槽11上方位置會形成回形凹坑14，得到圖4(d)所示結(jié)構(gòu)。通過研磨化學(xué)機(jī)械拋光得到圖4(e)所示平整的SiC-Si雙層結(jié)構(gòu)，其中Si層厚度為3?10 μ m。Si層進(jìn)行第一次ICP刻蝕，形成下層導(dǎo)線9結(jié)構(gòu)，ICP刻蝕深度決定了電容下極板3與電容下極板4間距，得到結(jié)構(gòu)如圖4(f)所示。再對Si層進(jìn)行第二次ICP刻蝕，刻蝕出電感線圈5結(jié)構(gòu)與電容下極板4結(jié)構(gòu)，如圖4(g)所示。然后對Si層進(jìn)行高溫金屬摻雜，形成導(dǎo)電性極好的金屬硅化物。
[0026]取片源SiC_bl5，通過LPCVD在SiC-b背面生長一層PSG絕緣層16。取片源Si_bl7，將帶PSG絕緣層16的SiC-bl5與S1-al7真空鍵合，得到SiC-Si雙層結(jié)構(gòu)，如圖4 (j)所示。對Si層進(jìn)行減薄，減薄可以采用濕法腐蝕或者研磨，再進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光，得到I?3μπι的Si層。ICP刻蝕Si層，形成電容上極板3結(jié)構(gòu)與上層導(dǎo)線8結(jié)構(gòu)，如圖4(1)所示。然后往Si層里摻雜金屬，形成導(dǎo)電性極好的金屬硅化物。
[0027]將上述Si_al3片與Si_bl7片真空鍵合，構(gòu)成壓力參考腔7，上層導(dǎo)線8與下層導(dǎo)線9緊密連接，將電感線圈5與由電容上極板3和電容下極板4構(gòu)成的平行板電容器串聯(lián)，構(gòu)成RLC振蕩回路，從而得到本發(fā)明內(nèi)嵌式無線傳感器電學(xué)結(jié)構(gòu)，如圖4(n)所示。研磨化學(xué)機(jī)械拋光SiC-bl5，將SiC-bl5厚度減小到20?30 μ m。ICP刻蝕SiC_bl5，刻蝕出方形壓力敏感膜I。最后通過LPCVD，長一層PSG保護(hù)層18，將傳感器包裹起來，起到保護(hù)作用。
[0028]本發(fā)明的具體工作過程如下:
[0029]本發(fā)明為用于高溫極端環(huán)境下的內(nèi)嵌式無線壓力傳感器。基于無線傳輸結(jié)構(gòu)的無線測量方法的電學(xué)模型為一傳感器天線系統(tǒng)，如圖3所示。當(dāng)外界壓力作用與壓力敏感膜1，壓力敏感膜I發(fā)生形變，改變電容上極板3與電容下極板4的間距，從而改變平行板電容器電容值，使得傳感器天線系統(tǒng)的諧振頻率改變。外界壓力的變化量與傳感器天線系統(tǒng)的諧振頻率變化有非常好的線性相關(guān)性，通過檢測傳感器天線系統(tǒng)的諧振頻率值便可獲得外界壓力值。
【權(quán)利要求】
1.一種內(nèi)嵌式高溫?zé)o線壓力傳感器，其特征在于設(shè)有壓力敏感膜、傳感器上蓋板、電容上極板、電容下極板、電感線圈、傳感器基座與壓力參考腔； 所述傳感器上蓋板上開有方形槽，構(gòu)成壓力敏感膜，傳感器上蓋板背面設(shè)有電容上極板；所述傳感器基座上開有回形槽，電容下極板與電感線圈設(shè)在傳感器基座上，電容下極板上表面與電感線圈上表面平齊，電感線圈設(shè)在回形槽中；電容上極板與電容下極板構(gòu)成平行板電容器，所述電容上極板與電感線圈上分別引出上層導(dǎo)線和下層導(dǎo)線，傳感器上蓋板與傳感器基座鍵合，上層導(dǎo)線與下層導(dǎo)線緊密接觸，使得電容上極板、電感線圈與電容下極板串聯(lián)構(gòu)成標(biāo)準(zhǔn)RLC回路并形成壓力參考腔。
2.如權(quán)利要求1所述一種內(nèi)嵌式高溫?zé)o線壓力傳感器，其特征在于所述傳感器上蓋板由SiC片制作而成。
3.如權(quán)利要求1所述一種內(nèi)嵌式高溫?zé)o線壓力傳感器，其特征在于所述傳感器基座由SiC片制作而成。
4.如權(quán)利要求1所述一種內(nèi)嵌式高溫?zé)o線壓力傳感器，其特征在于所述電容上極板、電容下極板與電感線圈均由金屬硅化物制作而成。
【文檔編號】G01L1/10GK103926026SQ201410182582
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2014年5月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月4日
【發(fā)明者】王凌云, 周如海, 蔡建法, 鄭成, 何勇, 陳丹兒 申請人:廈門大學(xué)