專利名稱：用于陽(yáng)極粘接電容式傳感器的電極結(jié)構(gòu)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電容式傳感器，尤其涉及這樣一種傳感器，其環(huán)繞檢測(cè)元件的框架陽(yáng)極粘接到表面某部分帶有檢測(cè)電極的玻璃層上。
在許多不同的電容式傳感器器件中，陽(yáng)極粘接用于將玻璃晶片固定和密封到相鄰的半導(dǎo)體層上，如壓力傳感器、流量傳感器和加速度計(jì)。當(dāng)在溫度為幾百度時(shí)給玻璃相對(duì)半導(dǎo)體加上一個(gè)大的負(fù)電壓時(shí)，陽(yáng)極粘接發(fā)生在含鈉玻璃塊和相鄰的半導(dǎo)體之間。這將會(huì)將玻璃中的鈉離子從玻璃/半導(dǎo)體交界面中吸引出來，留下一層薄耗盡區(qū)。耗盡區(qū)上的電場(chǎng)非常強(qiáng)烈，以致于它會(huì)打破玻璃中的分子連鍵并將產(chǎn)生的氧離子吸向半導(dǎo)體。因此接近交界面的半導(dǎo)體會(huì)被氧化并且將半導(dǎo)體化學(xué)粘接到玻璃上。
在這種類型的電容式傳感器中，沒有被陽(yáng)極粘接的玻璃層部分被涂上一層薄膜檢測(cè)電極。為了防止擊穿，在粘接過程中這個(gè)電極通常與半導(dǎo)體保持相同的電壓。因此，耗盡區(qū)在鄰近檢測(cè)電極以及鄰近半導(dǎo)體本身的玻璃中形成，并且將氧吸引向電極。申請(qǐng)人發(fā)現(xiàn)這將導(dǎo)致至少一部分電極材料被氧化并且對(duì)完成的傳感器的準(zhǔn)確性和可靠性產(chǎn)生不利影響。在極端情況下，電極材料會(huì)被氧化過程完全損耗。
另外，申請(qǐng)人發(fā)現(xiàn)由于電極比玻璃通常保持較高電壓，當(dāng)傳感器工作時(shí)氧化過程還在繼續(xù)。這將其它的氧逐步地吸引向交界面并進(jìn)一步氧化電極。在一個(gè)慣性傳感器中，如玻璃硅片加速度計(jì)，這將引發(fā)在可移動(dòng)檢測(cè)元件某一面上的縫隙隨時(shí)間而改變并影響了用來將檢測(cè)元件伺服回零位的靜電壓力。這樣會(huì)在器件的輸出中引起嚴(yán)重的錯(cuò)誤。
易受上述影響的電容式玻璃硅片加速度計(jì)的例子公開在O’Brien等人的美國(guó)5,205,171號(hào)專利和Warren，K.，航空學(xué)會(huì)雜志38卷1號(hào)，1991年4月的91-99頁(yè)。
因此在許多應(yīng)用中都期望提供一種能消除電容式傳感器中陽(yáng)極粘接的不利影響的結(jié)構(gòu)和方法。
本發(fā)明在玻璃晶片和陽(yáng)極粘接電容式傳感器的檢測(cè)電極之間插入了交界面阻擋層，如氮化膜，來消除氧從玻璃向電極材料的遷移。如果電容式傳感器是玻璃硅片加速度計(jì)，那么氮化物最好是氮化硅(Si3N4)，它可以通過適當(dāng)?shù)谋∧さ矸e技術(shù)形成。這種技術(shù)包括等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積技術(shù)和適當(dāng)?shù)某尚筒襟E，在具體的實(shí)施方式中還有在含氮?dú)夥罩泄璧幕钚詾R射。
因此，本發(fā)明的傳感器可以包括具有框架結(jié)構(gòu)的檢測(cè)元件；至少一層陽(yáng)極粘接到這個(gè)框架結(jié)構(gòu)中并具有相鄰于檢測(cè)元件的金屬檢測(cè)電極的玻璃層；放置在玻璃層與金屬檢測(cè)電極之間的交界面阻擋層。在一種實(shí)施方式中，本器件是一個(gè)慣性傳感器，如加速度計(jì)，它具備鉸合連接在框架結(jié)構(gòu)上的大體為平面的檢測(cè)體，這個(gè)檢測(cè)體和框架結(jié)構(gòu)由單片硅體構(gòu)成；一對(duì)陽(yáng)極粘接到框架結(jié)構(gòu)相對(duì)方向表面的玻璃層，它有與檢測(cè)體空間相對(duì)的金屬檢測(cè)電極；在玻璃層和金屬檢測(cè)電極之間的交界面氮化物膜。玻璃層可按在檢測(cè)體和框架的任一面上，交界面膜可由氮化硅構(gòu)成。
本發(fā)明的結(jié)構(gòu)和方法用于在陽(yáng)極粘接過程中保護(hù)檢測(cè)電極的整體性而又不損害檢測(cè)電極與相連的玻璃層之間的附著。另外，它們也用來減少陽(yáng)極粘接電容式傳感器在其使用壽命內(nèi)工作特性的變化，并且消除電容式傳感器中陽(yáng)極粘接的失效。
通過下面詳細(xì)的描述和與之相應(yīng)的附圖，可以更加透徹地理解本發(fā)明的上述和其它屬性。全部附圖中相同的標(biāo)識(shí)符代表相同的元件，其中

圖1是按本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式而構(gòu)成的電容式傳感器的分解透視圖；圖2是圖1的電容式傳感器沿線2-2的水平截面圖；圖3是圖2的電容式傳感器的概要表示，表示了陽(yáng)極粘接過程中形成的耗盡區(qū)和在粘接電壓的影響下玻璃中離子的運(yùn)動(dòng)；圖4A是由圖2的電容式傳感器的一部分放大的斷層截面圖，說明了現(xiàn)有技術(shù)中電極的配置；
圖4B是由圖2的電容式傳感器的一部分放大的截面圖，表示了一個(gè)由本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式而構(gòu)成的交界面阻擋層。
現(xiàn)在參考圖1，它描述了本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式。其中電容式傳感器10由夾在玻璃基層14和玻璃頂層16之間的半導(dǎo)體12構(gòu)成。半導(dǎo)體12有一個(gè)陽(yáng)極粘接到基層14和頂層16的邊緣框架部分18，和一個(gè)通過撓性部件或鉸鏈接到框架部分18上的中心檢測(cè)元件20。在基層14和頂層16的面對(duì)檢測(cè)元件20的表面上分別放有檢測(cè)電極24和26，用來檢測(cè)在外力作用下檢測(cè)元件的移動(dòng)。如果電容式傳感器20是加速度計(jì)或其它慣性傳感器，檢測(cè)電極24和26也用來施加足夠的靜電壓力以使檢測(cè)元件返回到它中間的位置上。因此，被支撐的檢測(cè)元件20根據(jù)在電極24和26之間的自由空間中的鉸鏈?zhǔn)竭\(yùn)動(dòng)，用作為壓力平衡檢測(cè)體。到檢測(cè)電極24和26的電氣連接分別通過連接盤24’和26’實(shí)現(xiàn)。這類加速度計(jì)在O’Brien等人的美國(guó)5,205,171號(hào)專利和Warren，K.，航空學(xué)會(huì)雜志38卷1號(hào)，1991年4月的91-99頁(yè)中作了描述，其中所公開的內(nèi)容全部并入至此以作參考。
根據(jù)本發(fā)明，交界面阻擋層46放置在檢測(cè)電極24和26以及相應(yīng)的玻璃層14和16中間，具體如圖4B所示。這個(gè)交界面層的作用是阻擋玻璃層中氧的遷移并由此在傳感器的制造和工作中防止電極材料被氧化。
盡管為了方便起見本發(fā)明參照慣性傳感器來描述，特別是以玻璃硅片加速度計(jì)來說明，但本技術(shù)對(duì)將玻璃層陽(yáng)極粘接到含有檢測(cè)元件結(jié)構(gòu)上的其它形式的電容式傳感器同樣有效。這些傳感器包括壓力傳感器和流量傳感器，其中的膜片由被測(cè)流體來起作用。它們具有與半導(dǎo)體12相應(yīng)的結(jié)構(gòu)，但檢測(cè)元件20由一個(gè)膜片代替。這些膜片在流體壓力和流量狀態(tài)的影響下偏轉(zhuǎn)，而這個(gè)偏轉(zhuǎn)則可由檢測(cè)電極測(cè)出。
參考圖2，在電容式傳感器10的玻璃基層14和玻璃頂層16的向外表面的邊緣上有粘接電極28，用以提供陽(yáng)極粘接所需的電壓。這個(gè)電壓通過粘接接頭30(同見圖2)來提供，同時(shí)，半導(dǎo)體12接地。
現(xiàn)在參考圖3，在粘接過程中當(dāng)器件保持在大約300℃的溫度時(shí)，提供到接頭30的電壓為-400伏。這就將玻璃中帶負(fù)電荷的鈉離子32吸引向粘接電極28，并從半導(dǎo)體12的邊緣框架部分18中出來。由于檢測(cè)電極24和26與半導(dǎo)體12保持相同的電壓，下方玻璃基層14和上方玻璃頂層16中鈉原子均會(huì)被分別均勻向下和向上吸引，由此會(huì)損耗兩個(gè)玻璃層中最深處表面的自由負(fù)電荷載體。因此，粘接電壓在相鄰于玻璃層14和16的向內(nèi)表面36建立了一層薄耗盡區(qū)。在這種結(jié)構(gòu)中，所提供的大部分電壓會(huì)因耗盡區(qū)的高電阻而加在耗盡區(qū)上。耗盡區(qū)很薄(約1微米)，所以所得電場(chǎng)很強(qiáng)，其結(jié)果是在二氧化硅網(wǎng)絡(luò)上鍵連的氧原子以圖3中標(biāo)為38的負(fù)電荷的形式被吸向玻璃/硅交界面。這些離子氧化在交界面上的硅原子，將硅和玻璃化學(xué)連在一起。
在陽(yáng)極粘接過程中檢測(cè)電極24和26與半導(dǎo)體12保持相同的電壓，這樣可以避免檢測(cè)元件20的擊穿和可能的與電極金屬的粘貼。它會(huì)使氧離子移向電極并同時(shí)導(dǎo)致電極材料的陽(yáng)極氧化。在極端情況下，電極材料會(huì)因氧化而損耗掉，導(dǎo)致與玻璃粘接的失效。在任何情況下，若未根據(jù)本發(fā)明提供阻擋層，至少部分電極會(huì)被損耗掉。
檢測(cè)電極24和26的材料氧化的另一后果在圖4A中加以說明，其中檢測(cè)電極24的厚度增加了，它侵入到器件中電容間隙圖4A中標(biāo)為40線的地方。由于在不同元件之間的空隙極小，這將導(dǎo)致運(yùn)行間隙的嚴(yán)重減小，即從圖中初始間隙42的大小減到間隙44的大小。即使器件不會(huì)因附著的失效而失效，但檢測(cè)元件和電極之間縫隙的減小會(huì)嚴(yán)重影響器件的精度。
如果不使用阻擋層，在檢測(cè)器件10正常運(yùn)行時(shí)氧化作用也會(huì)緩慢進(jìn)行。這是由于電極通常比檢測(cè)元件帶有更高的正電壓。在大約85℃及更高的工作溫度下，這種電壓足以將帶負(fù)電荷的氧離子從玻璃中吸向電極，這會(huì)進(jìn)一步減小器件的間隙。
參考圖4B，將根據(jù)本發(fā)明提供的交界面阻擋層46放在每個(gè)檢測(cè)電極和相應(yīng)的玻璃層14和16之間。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，電極24和26由淀積在鈦附著層上的金導(dǎo)電層制成。具體地說，圖4B中檢測(cè)電極24由淀積在鈦附著層224上的金導(dǎo)電層124構(gòu)成。檢測(cè)電極26圖中沒有單獨(dú)詳細(xì)說明，它則是檢測(cè)電極24的鏡像對(duì)稱。阻擋層46以氮化物為好，最好是氮化硅。阻擋層46的厚度應(yīng)該至少幾百埃且最好在800至1000埃之間，它可以由任何適當(dāng)?shù)谋∧どa(chǎn)過程來制造，例如等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積(PECVD)或活性濺射。這些生產(chǎn)過程中，活性濺射較好，特別是當(dāng)使用離子束時(shí)，因?yàn)檫@樣可以在較低溫度下進(jìn)行并且相對(duì)更加直接。
至于制造材料，基層14和頂層16可以是任何適于陽(yáng)極粘接的含鈉玻璃，比如這些具有適當(dāng)鈉含量的玻璃包括Corning以Pyrex商標(biāo)生產(chǎn)的玻璃，這種玻璃Schott玻璃公司以商標(biāo)Tempax生產(chǎn)，以及Hoya玻璃公司生產(chǎn)的類似玻璃。半導(dǎo)體12則可以是任一適合的晶體半導(dǎo)體，如單片硅，它通過硅晶片的異向腐蝕得到。技術(shù)上已眾所周知的腐蝕過程用于制造圖1和圖2的結(jié)構(gòu)中表示的檢測(cè)元件20和撓性部件22。另一個(gè)選擇是，半導(dǎo)體12可以由其它任何適合的半導(dǎo)體制造即有適當(dāng)彈性和可腐蝕或者能以另外所需要的方法來配置。這種材料之一是鍺。
玻璃層14和16的厚度最好約500微米，而半導(dǎo)體12在邊緣框架部分18處以300微米厚為好。檢測(cè)元件20則可以通過腐蝕減小厚度從而在檢測(cè)電極的地方提供出約3微米的間隙42。每一個(gè)檢測(cè)電極24和26最好約2500埃厚，在圖4B的實(shí)施方式中相鄰于阻擋層46的由鈦附著層構(gòu)成的復(fù)合膜(如層224)大約200埃厚，金導(dǎo)電層(如層124)大約2300埃厚。這些金屬最好通過適當(dāng)?shù)谋∧ぜ夹g(shù)不留真空地順序附著，如濺射技術(shù)。如上所述，處于玻璃層和相應(yīng)檢測(cè)元件之間的交界面阻擋層46(見圖4B)會(huì)從幾百埃增加到約1000埃甚至到電極結(jié)構(gòu)的全部厚度。然而在圖1和圖2結(jié)構(gòu)中的這個(gè)厚度是用來在檢測(cè)元件20的每一面上得到大約3微米的電容間隙的。
雖然阻擋層最好使用氮化硅，但其它材料只要能較好地粘接玻璃層14和16并且對(duì)電極24和26的金屬有足夠的附著力，也可以代替氮化硅。其中一種材料是氮化鈦。
在制造電容式傳感器10，尤其是交界面阻擋層46時(shí)，在淀積和成型步驟中要避免在高溫和化學(xué)品環(huán)境中以使對(duì)玻璃基層14和玻璃頂層16的不利影響最小。淀積阻擋層46的一個(gè)生產(chǎn)過程是等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積(PECVD)，其中氮化硅層在大約385℃的溫度中從含有二氯甲硅烷和氨的等離子中完成淀積。以這種方法涂覆的玻璃晶片在生產(chǎn)過程中會(huì)有變形的趨勢(shì)，但一般是可以接受的。隨后它們通過腐蝕過程來成型，除了那些將在其上形成檢測(cè)電極24和26的區(qū)域以外，所有地方的氮化硅都會(huì)被清除。在實(shí)際的技術(shù)中，氮化硅層往往被置于稍大于隨后的電極金屬噴鍍的面積上，從而避免電極金屬和玻璃之間的直接接觸。盡管用等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積過程得到了有用的器件，即沒有表現(xiàn)出現(xiàn)有技術(shù)的遷移/氧化問題，但它卻不希望地引起陽(yáng)極粘接域的玻璃粗糙不平并且從被腐蝕的地方溶解鈉。這兩種影響致使隨后的陽(yáng)極粘接更加困難了。
淀積阻擋層46，尤其是淀積氮化硅阻擋層的優(yōu)選方法是活性濺射。在這個(gè)過程中可以使用離子噴槍向含氮?dú)夥罩袊娚涔枘繕?biāo)。噴槍最好可以噴射硅或氬，并且基片能夠被加熱到約70℃。因此這樣的低溫過程不會(huì)對(duì)玻璃晶片有不利的影響并且相對(duì)更加直接。阻擋層46可以通過傳統(tǒng)的“發(fā)射(lift-off)”光刻膠過程或者通過孔板淀積阻擋層的辦法成型，這樣就消除了腐蝕或其它破壞陽(yáng)極粘接區(qū)玻璃表面的可能。這些成型方法每一種都可得到用于以后陽(yáng)極粘接的沒有破損的完整表面。通過活性濺射淀積的氮化硅分子比通過等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積過程得到的分布更致密。這是由于被噴射的分子具有更高能量并且在附著環(huán)境中沒有氫。
雖然我們描述和介紹了這樣一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方法，但在本發(fā)明范圍內(nèi)還可以有不同的替換和改進(jìn)。因此，這只是對(duì)本發(fā)明的介紹性描述，而并不是對(duì)本發(fā)明的限制。
權(quán)利要求
1.一種陽(yáng)極粘接電容式傳感器，它包括具有框架結(jié)構(gòu)的檢測(cè)元件；至少一層陽(yáng)極粘接到這個(gè)框架結(jié)構(gòu)并且具有一個(gè)在檢測(cè)元件附近的金屬檢測(cè)電極的玻璃層；以及一層位于玻璃層和金屬檢測(cè)電極之間的交界面阻擋層。
2.權(quán)利要求1的陽(yáng)極粘接電容式傳感器，其中所述的交界面阻擋層含有氮化物。
3.權(quán)利要求1的陽(yáng)極粘接電容式傳感器，其中所述的交界面阻擋層由氮化硅薄膜構(gòu)成。
4.權(quán)利要求3的陽(yáng)極粘接電容式傳感器，其中金屬檢測(cè)電極包含鈦。
5.權(quán)利要求3的陽(yáng)極粘接電容式傳感器，其中金屬檢測(cè)電極是一個(gè)多層結(jié)構(gòu)，其中導(dǎo)電材料層淀積在含鈦層上。
6.權(quán)利要求1的陽(yáng)極粘接電容式傳感器，其中所述的交界面阻擋層由通過在含氮?dú)夥罩袊娚涔瓒瞥傻牡铇?gòu)成。
7.權(quán)利要求6的陽(yáng)極粘接電容式傳感器，其中所述的交界面阻擋層是使用離子噴槍濺射的。
8.權(quán)利要求1的陽(yáng)極粘接電容式傳感器，其中檢測(cè)元件和框架結(jié)構(gòu)由半導(dǎo)體材料構(gòu)成。
9.權(quán)利要求1的陽(yáng)極粘接電容式傳感器，其中檢測(cè)元件和框架結(jié)構(gòu)由硅構(gòu)成。
10.權(quán)利要求1的陽(yáng)極粘接電容式傳感器，其中檢測(cè)元件和框架結(jié)構(gòu)由單片硅體構(gòu)成。
11.權(quán)利要求1的陽(yáng)極粘接電容式傳感器，其中所述至少一層玻璃層是由在檢測(cè)元件和框架結(jié)構(gòu)的每一面上的獨(dú)立玻璃層構(gòu)成。
12.一種陽(yáng)極粘接電容式傳感器，它包括由半導(dǎo)體材料制成的大體是平面的檢測(cè)元件和框架結(jié)構(gòu)；一對(duì)陽(yáng)極粘接到框架結(jié)構(gòu)相對(duì)表面上的玻璃層，每個(gè)所述玻璃層都具有空間相對(duì)于檢測(cè)元件的金屬檢測(cè)電極；以及位于每個(gè)玻璃層和它的金屬檢測(cè)電極之間的包含氮化物的交界面阻擋層。
13.一種陽(yáng)極粘接電容式傳感器，它包括鉸合連接在框架結(jié)構(gòu)上的大體為平面的檢測(cè)體，這個(gè)檢測(cè)體和框架結(jié)構(gòu)由單片硅體構(gòu)成；一對(duì)陽(yáng)極粘接到框架結(jié)構(gòu)相對(duì)方向表面的玻璃層，每個(gè)所述玻璃層有與檢測(cè)體空間相對(duì)的金屬檢測(cè)電極；位于每個(gè)玻璃層和它的金屬檢測(cè)電極之間的交界面氮化物膜。
14.一種制造電容式傳感器的方法，它包括的步驟有提供連接到框架結(jié)構(gòu)上的檢測(cè)元件；根據(jù)檢測(cè)元件提供至少一塊具有預(yù)選面積的玻璃；在這塊玻璃預(yù)定的面積上形成阻擋層；在所述的阻擋層上淀積金屬檢測(cè)電極；將玻璃層陽(yáng)極粘接到框架結(jié)構(gòu)上，使檢測(cè)元件與金屬檢測(cè)電極空間相對(duì)。
15.權(quán)利要求14的制造方法，其中檢測(cè)元件和框架結(jié)構(gòu)由半導(dǎo)體構(gòu)成。
16.權(quán)利要求14的制造方法，其中檢測(cè)元件和框架結(jié)構(gòu)由硅構(gòu)成。
17.權(quán)利要求15的制造方法，其中阻擋層基本上由氮化硅組成。
18.權(quán)利要求14的制造方法，其中阻擋層通過在含氮?dú)夥罩袊娚涔瓒纬伞?br> 19.權(quán)利要求14的制造方法，其中使用電子噴槍噴射硅。
20.權(quán)利要求14的制造方法，其中阻擋層通過孔板淀積。
21.權(quán)利要求14的制造方法，其中阻擋層通過發(fā)射(lift-off)光刻膠過程成型。
22.一種制造慣性傳感器的方法，它包括的步驟有提供連接到框架結(jié)構(gòu)上的檢測(cè)體；根據(jù)檢測(cè)體提供至少一塊具有預(yù)選面積的玻璃；在這塊玻璃的預(yù)選面積上形成的氮化層；在所述成型的氮化層上淀積金屬檢測(cè)電極；將玻璃層陽(yáng)極粘接到框架結(jié)構(gòu)上，使檢測(cè)體與金屬檢測(cè)電極空間相對(duì)。
全文摘要
陽(yáng)極粘接電容式傳感器(10)的玻璃層(14，16)上的檢測(cè)電極(24，26)在電極(24，26)和玻璃層(14，16)之間還具有一層含氮化物的交界面阻擋層(46)。在一個(gè)實(shí)施方式中，電容式傳感器(10)是一個(gè)慣性傳感器，其檢測(cè)元件(20)鉸連到與玻璃層(14，16)陽(yáng)極粘接的框架結(jié)構(gòu)(18)上。檢測(cè)電極(24，26)則位于玻璃層(14，16)面對(duì)檢測(cè)元件(20)的表面。檢測(cè)元件(20)和框架結(jié)構(gòu)(18)最好由硅構(gòu)成，交界面薄膜(46)最好由氮化硅構(gòu)成。
文檔編號(hào)G01D5/12GK1146823SQ9519234
公開日1997年4月2日 申請(qǐng)日期1995年3月24日 優(yōu)先權(quán)日1994年3月28日
發(fā)明者基思·O·沃倫 申請(qǐng)人:利頓系統(tǒng)公司