一種mems壓力計(jì)芯片及其制造工藝的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種MEMS傳感器，特別是一種用于檢測(cè)礦井下壓力變化的MEMS壓力
i+o
【背景技術(shù)】
[0002]在碳?xì)浠衔锏V井的勘探與開(kāi)采過(guò)程中，井下壓力的測(cè)量是至關(guān)重要的。在鉆井時(shí)所采集的壓力數(shù)據(jù)將用于設(shè)置鉆的各項(xiàng)參數(shù)以及建立礦井的結(jié)構(gòu)。當(dāng)鉆好礦井并開(kāi)始開(kāi)采后，油氣儲(chǔ)存量管理上又要用到壓力數(shù)據(jù)。所以在碳?xì)浠衔锏V井的整個(gè)周期中，壓力數(shù)據(jù)是至為關(guān)鍵的，尤其是在優(yōu)化開(kāi)采和降低風(fēng)險(xiǎn)上。為此，人們需要一種能精確，性價(jià)比又高的壓力測(cè)量裝置。
[0003]而用于碳?xì)浠衔锞碌膲毫鞲衅鞅仨氃趷毫拥墓ぷ鳝h(huán)境中，于長(zhǎng)達(dá)數(shù)周的測(cè)量期間依舊能夠保持精準(zhǔn)度、穩(wěn)定性和可靠性。通常傳感器必須能夠承受-50至250攝氏度的溫度，以及高至200MPa的壓力(約2000個(gè)大氣壓)，其精準(zhǔn)度必須將誤差保持在0.1%的壓力范圍內(nèi)，最好是在0.01%的范圍內(nèi)。
[0004]用于井下的壓力傳感器通常包括兩種:第一種是石英類(lèi)壓力計(jì)，其中的石英諧振器被浸在液體中，并通過(guò)一個(gè)金屬隔離膜片或者波紋管來(lái)測(cè)量外界的壓力。在美國(guó)3617780號(hào)專(zhuān)利中描述了一種石英諧振器，其中的石英諧振部件被置于一個(gè)由石英外殼構(gòu)成、真空密封的腔體內(nèi)并形成了該腔體結(jié)構(gòu)的主要支撐部件。該諧振部件通過(guò)電激勵(lì)及石英的壓電效應(yīng)而產(chǎn)生諧振，其諧振頻率會(huì)根據(jù)腔體壁上的壓力變化而變化。由于石英共振已經(jīng)是非常成熟的技術(shù)，而石英諧振器的全部部件基本都由石英制成，所以石英壓力計(jì)有著很高的精準(zhǔn)度、穩(wěn)定性和可靠性，并成為當(dāng)今井下壓力計(jì)的最高標(biāo)準(zhǔn)。然而，石英壓力計(jì)的造價(jià)非常的昂貴。
[0005]另一種用于井下的壓力計(jì)為藍(lán)寶石類(lèi)壓力計(jì)。在美國(guó)5024098號(hào)專(zhuān)利中描述了一種藍(lán)寶石壓力計(jì)，其中，藍(lán)寶石元件被浸在液體中并通過(guò)隔離膜片來(lái)測(cè)量外界的壓力。藍(lán)寶石元件在受到壓力時(shí)產(chǎn)生形變，通過(guò)設(shè)置在藍(lán)寶石元件表面上的薄膜應(yīng)變計(jì)所測(cè)量的應(yīng)變則可以推算出壓力值。雖然藍(lán)寶石壓力計(jì)的可靠性很高，并且適用于井下應(yīng)用，但其精準(zhǔn)度和穩(wěn)定性并不如石英壓力計(jì)，而且其造價(jià)也非常昂貴。主要原因是:如果使用的薄膜應(yīng)變計(jì)是硅材料的話，則精確度會(huì)受到硅的電阻溫度系數(shù)以及壓阻效應(yīng)的溫度系數(shù)的影響。然而，如果不使用硅應(yīng)變計(jì)，而采用金屬合金類(lèi)薄膜應(yīng)變計(jì)的話，則會(huì)有靈敏度低的問(wèn)題，也會(huì)帶來(lái)溫度和其他測(cè)量誤差被放大的問(wèn)題。此外，無(wú)論使用哪種材料的薄膜應(yīng)變計(jì)，都會(huì)有和藍(lán)寶石熱脹冷縮系數(shù)不匹配所帶來(lái)的誤差。
[0006]現(xiàn)如今，大多數(shù)傳感器均為微機(jī)電系統(tǒng)(Micro-Electro-MechanicalSystems, MEMS)類(lèi)型的傳感器。與集成芯片類(lèi)似，MEMS傳感器通常是通過(guò)對(duì)硅晶圓片進(jìn)行微加工而制成的。鑒于MEMS傳感器的結(jié)構(gòu)，也有一些用來(lái)制造三維細(xì)微結(jié)構(gòu)的特殊的制造工藝，例如雙面光刻，深度反應(yīng)離子刻蝕(Deep Reactive 1n Etching)，娃晶圓片鍵合等等。與石英和藍(lán)寶石相比，硅具有很好的機(jī)械特性，例如，高硬度，高彈性模量，高極限強(qiáng)度，并且在斷裂點(diǎn)之前都是完全彈性的。此外，在硅上制作精確的微結(jié)構(gòu)要比在石英或者藍(lán)寶石上制作容易的多。鑒于其成本低、尺寸小、精度高、可靠性高以及穩(wěn)定性高等諸多優(yōu)點(diǎn)，硅薄膜式MEMS壓力計(jì)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、醫(yī)療、工業(yè)以及電子產(chǎn)品中。
[0007]雖然有如此多的優(yōu)點(diǎn)，MEMS壓力計(jì)仍沒(méi)有被廣泛的用于礦井應(yīng)用領(lǐng)域。其中有幾個(gè)必須要解決的問(wèn)題，特別是在測(cè)量特別高壓力的時(shí)候，需要一種有別于常規(guī)硅薄膜式壓力計(jì)的改進(jìn)型機(jī)械設(shè)計(jì)。此外，MEMS壓力計(jì)需要克服各種溫度系數(shù)以及不穩(wěn)定性來(lái)增加在高溫環(huán)境中的測(cè)量精準(zhǔn)度。為此，現(xiàn)在需要一種能夠在井下高溫高壓環(huán)境中仍然能夠具有高精準(zhǔn)度并且性價(jià)比高的MEMS壓力計(jì)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種準(zhǔn)確度高、檢測(cè)范圍大、并且受環(huán)境影響小，能夠在礦井下這種高溫、高壓環(huán)境中仍然能夠準(zhǔn)確輸出壓力數(shù)據(jù)的壓力計(jì)。
[0009]一種壓力計(jì)，包括腔體、以及設(shè)置在所述腔體內(nèi)的MEMS壓力計(jì)芯片，所述壓力計(jì)芯片包括相互連接的襯底、器件部以及蓋板，所述襯底與所述器件部之間以及所述器件部與所述蓋板之間形成有氧化硅層；所述襯底以及所述蓋板上分別形成有凹陷部，襯底凹陷部與蓋板凹陷部相連接并形成一空腔，所述器件部位于所述空腔內(nèi)；所述器件部包括橋接部以及壓阻測(cè)量元件，所述壓阻測(cè)量元件設(shè)置在所述橋接部上。
[0010]本發(fā)明中的壓力計(jì)還具有以下附屬特征:
[0011 ] 所述空腔為真空密封空腔。
[0012]所述橋接部的兩端與所述空腔的兩端相連接。
[0013]所述器件部中還包括懸臂梁，所述壓阻測(cè)量元件設(shè)置在所述懸臂梁上。
[0014]所述器件部中包括至少一根橋接部以及至少一對(duì)懸臂梁，所述橋接部與所述懸臂梁相互平行；每根所述橋接部上形成有兩個(gè)所述壓阻測(cè)量元件，每根所述懸臂梁上形成有一個(gè)所述壓阻測(cè)量元件。
[0015]所述壓阻測(cè)量元件相互之間以惠斯登電橋方式相電連接。
[0016]所述器件部包括至少兩根相互垂直的所述橋接部，每根所述橋接部上形成有兩個(gè)所述壓阻測(cè)量元件。
[0017]所述器件部中還包括懸臂梁，所述壓阻測(cè)量元件設(shè)置在所述懸臂梁上。
[0018]所述壓阻測(cè)量元件相互之間以惠斯登電橋方式相電連接。
[0019]所述壓阻測(cè)量元件的上下方及側(cè)壁均形成有氧化硅隔離層。
[0020]所述壓阻測(cè)量元件的末端形成有金屬觸點(diǎn)。
[0021]所述壓力計(jì)芯片為絕緣體上硅結(jié)構(gòu)，包括上硅層、下硅層以及氧化硅埋層，所述下硅層中在特定位置預(yù)先形成有空腔；其中，所述襯底位于所述下硅層中，所述器件部位于所述上硅層中，所述上硅層與所述下硅層之間設(shè)置有所述氧化硅埋層。
[0022]所述腔體內(nèi)填充有電絕緣液體，所述壓力計(jì)芯片浸入在所述電絕緣液體中。
[0023]所述壓力計(jì)上還設(shè)置有金屬膜片，所述金屬膜片用于密封所述電絕緣液體以及所述壓力計(jì)芯片。所述壓力計(jì)芯片通過(guò)所述金屬膜片來(lái)檢測(cè)外界壓力。
[0024]—種MEMS壓力計(jì)芯片的制造工藝，所述制造工藝包括以下步驟:
[0025]第一步，在預(yù)先加工帶有空腔的絕緣體上硅硅晶圓片的頂面及底面生長(zhǎng)或淀積一層氧化硅層；
[0026]第二步，通過(guò)光刻及離子植入，對(duì)所述絕緣體上硅的上硅層進(jìn)行局部摻雜；降低其電阻值，形成高導(dǎo)電區(qū)域；
[0027]第三步，通過(guò)光刻以及刻蝕，在所述上硅層上刻蝕出多個(gè)深至氧化硅埋層的槽；形成多個(gè)壓阻測(cè)量元件；
[0028]第四步，在所述槽內(nèi)生長(zhǎng)或淀積一層氧化硅層；
[0029]第五步，通過(guò)光刻和刻蝕，在所述高導(dǎo)電區(qū)域的頂面氧化硅層刻蝕出多個(gè)深至所述上硅層的孔；并在所述孔內(nèi)淀積金屬并引出電極；
[0030]第六步，利用光刻和刻蝕，對(duì)頂面的所述氧化硅層，所述上硅層以及所述氧化硅埋層進(jìn)行刻蝕出深至下硅層空腔的槽；形成可自由活動(dòng)的橋接部及懸臂梁；
[0031]第七步，將預(yù)先加工有凹陷部的蓋板硅晶圓片與所述絕緣體上硅硅晶圓片的頂面進(jìn)行鍵合；
[0032]第八步，通過(guò)劃片，將所述已鍵合的硅晶圓片分割，形成完整的MEMS壓力計(jì)芯片。
[0033]對(duì)所述蓋板的凹陷部的加工步驟包括:通過(guò)光刻和刻蝕，在所述蓋板上刻蝕出凹陷部。所述刻蝕的方法為以下方法中的一種或多種方法:干法刻蝕或濕法刻蝕，所述干法刻蝕包括:硅的深度反應(yīng)離子、反應(yīng)離子、以及氣態(tài)的二氟化氙刻蝕和氧化硅的反應(yīng)離子、等離子、以及氣態(tài)的氟化氫刻蝕。
[0034]所述用于濕法腐蝕硅層的腐蝕劑為以下腐蝕劑中的一種或多種的組合:氫氧化鉀、四甲基氫氧化銨、或乙二胺鄰苯二酚腐蝕液。
[0035]所述用于濕法腐蝕氧化硅層的腐蝕劑為以下腐蝕劑中的一種或多種的組合:氫氟酸或緩沖氫氟酸。
[0036]相對(duì)于【背景技術(shù)】中所提到的兩種不同的壓力計(jì)，本發(fā)明的壓力計(jì)具有以下優(yōu)點(diǎn):首先，硅薄膜式MEMS壓力計(jì)的造價(jià)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于石英或者藍(lán)寶石壓力計(jì)，