用于真空测量的低量程压阻式压力传感器及其制造方法

摘要

本发明揭示了一种可以用于真空测量的低量程压阻式压力传感器及其制造方法，所述传感器包括硅片及安装于硅片上方的键合层，所述硅片设有感压薄膜，感压薄膜上突出有岛结构；所述硅片采用岛结构的形式来实现低量程测量的要求；通过键合在硅片上面的键合层以实现绝对压力的测量；另外，所述键合层还设有防止感压薄膜过度变形的止挡块，通过止挡块的设计限制了感压薄膜的最大位移，以实现传感器常压保存与过载保护的功能。

说明书

【技术领域】

本发明涉及一种压阻式压力传感器及其制造方法，属于微机电系统(MEMS) 传感器领域。

【背景技术】

硅压力传感器是商业化的硅传感器中的重要组成部分，按照工作原理主要 分为压阻式、电容式以及近年取得快速发展的谐振式。由于微机电系统(MEMS) 技术起源于硅传感器的发展，因而最先用于生产硅压阻式压力传感器。目前， 硅压阻式压力传感器技术最为成熟，是实用化产品中的主流技术。

硅压阻式压力传感器的核心技术在于感应薄膜的结构与加工工艺。结构上， 本着集中应力的目的，薄膜分为平膜、岛膜、梁膜等形式。平膜结构简单，工 艺易于控制，主要用于高量程压力传感器，而若要实现低量程的要求，就得通 过增大薄膜的面积或者降低感应薄膜的厚度来提高灵敏度。薄膜面积的增大使 得该压力传感器与MEMS器件的体积小、重量轻、成本低的优势相违背，商用 性差。另外，薄膜厚度的减小将严重影响传感器的线性度，并且薄膜在大的压 力冲击下容易损坏。

现有的硅压阻式压力传感器的产品，虽然在压力传感器领域占据着最大的 比重，但是其主要应用领域是高量程压力传感器。对于主要用于真空计的低量 程压力传感器，由于制作要求和成本较高，国内市场暂时处于空白状态。国外 市场中，应用于真空场合的方法有：惰性气体He检测法、谐振器Q值检测法与“皮 拉尼计”(Pinani Gauge)。惰性气体He检测法受限于其成本高，能耗高；谐振器 Q值检测法的主要缺点是易受到传感器漂移的影响；皮拉尼计采用气体的热传导 原理制成，其能耗低,使用简单，缺点是精度低、反应慢、线性度差、易受外 界环境的影响。

综上所述，进行低量程、绝压下的硅压力传感器及其制备方法的研究对整 个压力传感器技术领域的进步和相关产业的发展具有积极的推动作用。

【发明内容】

本发明的主要目的在于提供一种具有保护结构且可用于真空条件下测量压 力的压阻式压力传感器及其制造方法。

为达成上述目的，本发明采用如下技术方案：一种用于真空测量的低量程 压阻式压力传感器，其包括硅片及安装于硅片上方的键合层，所述硅片包括设 有感压薄膜的顶壁、与顶壁相对的底壁、自底壁向上凹设形成的背腔及突伸入 背腔内的岛结构，所述感压薄膜与背腔连通且位于背腔的上方，所述感压薄膜 在其应力集中区分布有连接成惠斯通电桥的若干压阻条；所述键合层为硅或者 玻璃且其包括固定于硅片顶壁上的外框、位于外框内且与感压薄膜连通的腔体 及向下突伸入腔体内的止挡块，所述止挡块与感压薄膜之间有间隙，当感压薄 膜受到来自背腔的压力而发生变形时，所述止挡块可抵压感压薄膜以限制感压 薄膜的过度变形。

进一步地，所述岛结构的剖面为矩形或梯形。

进一步地，所述外框包括相对设置的第一侧壁与第二侧壁，以及连接第一、 第二侧壁且位于腔体上方的上壁，所述腔体位于第一、第二侧壁之间，所述止 挡块与上壁一体延伸。

进一步地，所述硅片包括位于感压薄膜两侧的边缘硬框，所述第一、第二 侧壁固定于边缘硬框上。

进一步地，所述腔体正对着感压薄膜，所述止挡块为多个并且具有平齐的 下端面。

进一步地，所述压阻条对称分布在感压薄膜上。

进一步地，所述低量程压阻式压力传感器用以测量绝对压力。

为达成上述目的，本发明还可以采用如下技术方案：一种用于真空测量的 低量程压阻式压力传感器的制造方法，包括如下步骤：

(a)提供硅片，在硅片的背面覆盖作为掩膜的氧化硅和氮化硅，并用RIE 刻蚀掉作为掩膜的氧化硅和氮化硅以形成膜结构开口；

(b)去除光刻胶后腐蚀或刻蚀硅片，使得在膜结构开口处形成一定深度；

(c)光刻出岛结构，并用RIE刻蚀掉岛结构上的氧化硅和氮化硅；

(d)去除光刻胶后继续腐蚀或刻蚀硅片，得到所需厚度的感压薄膜；

(e)用BOE腐蚀掉剩下的氧化硅和氮化硅；

(f)提供键合层，并将键合层固定在硅片的正面，键合层设置与感压薄膜 连通的腔体及向下突伸入腔体内的止挡块，所述止挡块与感压薄膜之间预留有 间隙以限制感压薄膜的过度变形。

进一步地，还包括在感压薄膜的应力集中区制作用以连接成惠斯通电桥的 若干压阻条的步骤。

进一步地，所述感压薄膜是通过KOH溶液腐蚀硅片或深反应离子刻蚀(DRIE) 技术处理硅片而制成。

相较于现有技术，本发明将制有感压薄膜的硅片置于键合层的下面，实现 了绝对压力的测量，可以运用于真空环境中；另外，硅片设置岛膜结构，可以 满足低量程测量的要求；另外，所述止挡块可以防止感压薄膜由于大的冲击而 破损，以实现传感器常压保存与过载保护的功能。

【附图说明】

图1为本发明压阻式压力传感器的示意图。

图2为本发明压阻式压力传感器的硅片的俯视图。

图3为本发明压阻式压力传感器的硅片沿图2中A-A方向的剖面示意图。

图4为本发明压阻式压力传感器的硅片另一实施方式的俯视图。

图5为本发明压阻式压力传感器的硅片的制作工艺流程图。

图6为本发明压阻式压力传感器的硅片另一实施方式的制作工艺流程图。

【具体实施方式】

请参图1至图3所示，本发明揭示了一种用于真空测量的压阻式压力传感器 100，其包括：硅片3及固定于硅片3上方的键合层7。所述压阻式压力传感器100 用于真空条件下测量绝对压力。所述硅片3包括设有感压薄膜30的顶壁31、与顶 壁31相对的底壁32及自底壁32向上凹设形成的背腔33。请参图1所示，所述感压 薄膜30位于虚线BB与CC之间。

所述感压薄膜30与背腔33连通且位于背腔33的上方，所述感压薄膜30在其 应力集中区分布有连接成惠斯通电桥的四个压阻条1(a)、1(b)、1(c)、1(d)。所述 压阻条1(a)-1(d)可以通过扩散或离子注入的方式制成。该四个压阻条1(a)-1(d)对 称分布在感压薄膜30的应力集中区，通过把这四个压阻条1(a)-1(d)连接成惠斯通 电桥的形式，被测压力的大小就反映在电阻的变化量上。当然，可以通过改变 压阻条1(a)-1(d)的长、宽和高的尺寸来实现对传感器灵敏度大小的调节。图2所 示的只是压阻条1(a)-1(d)的一种排布方式，压阻条1(a)-1(d)的个数和排布方式也 可以根据不同要求来合理优化设计，如图4所示的八个压阻条1(a)-1(d)即为其另 一种排布形式。

所述顶壁31一体延伸有向下突伸入背腔33内的岛结构34，使得传感器100在 保证灵敏度的同时有效地提高线性度，以实现低量程测量的要求。请参图3及图 6所示，所述岛结构34通过两次光刻和KOH溶液腐蚀或深反应离子刻蚀(DRIE) 技术制成，其剖面为矩形或梯形。

所述硅片3还设有位于感压薄膜30两侧的边缘硬框35、36。所述边缘硬框35、 36对应位于虚线BB与CC的外侧，用以固定键合层7。

所述键合层7为硅或者玻璃且其包括固定于硅片3顶壁31上的外框71及位于 外框71内且与感压薄膜30连通的腔体72。所述外框71包括相对设置的第一侧壁 711与第二侧壁712，以及连接第一、第二侧壁711、712且位于腔体72上方的上 壁713。所述腔体72位于第一、第二侧壁711、712之间。所述第一、第二侧壁711、 712对应固定于边缘硬框35、36上，以实现键合层7与硅片3的硅-硅键合或者硅- 玻键合。所述硅片3置于键合层7的下层，以有效干扰大气压、加速度的影响， 通过测量键合层7下方的压力来实现绝对压力的测量，可以运用于真空环境中。 所述腔体72与感压薄膜30连通且正对着感压薄膜30。所述键合层7还设有与上壁 713一体延伸的多个止挡块8(a)、8(b)。在本发明的实施方式中，所述止挡块8(a)、 8(b)的数量为两个，且所述止挡块8(a)、8(b)向下突伸入腔体72内。所述止挡块 8(a)、8(b)具有平齐的下端面81、82，并且下端面81、82与感压薄膜30之间有间 隙。当感压薄膜30受到来自背腔33的压力而发生变形时，所述止挡块8(a)、8(b) 可抵压感压薄膜30以限制感压薄膜30的过度变形，实现了常压保存与过载保护 的功能。

请参图5及图6所示，本发明同样揭示了一种用于真空测量的低量程压阻式 压力传感器100的制造方法。该方法的主要步骤是制备具有岛结构34的硅片3， 其包括如下步骤：

(a)提供硅片3，在硅片3的背面覆盖作为掩膜的氧化硅5和氮化硅6，并用 反应离子刻蚀(RIE)刻蚀掉作为掩膜的氧化硅5和氮化硅6以形成膜结构开口51；

(b)去除光刻胶后腐蚀或刻蚀硅片3，使得在膜结构开口51处形成一定深 度；

(c)光刻出岛结构34，并用反应离子刻蚀(RIE)刻蚀掉岛结构34上的氧化硅 5和氮化硅6；

(d)去除光刻胶后继续腐蚀或刻蚀硅片3，得到所需厚度的感压薄膜30；

(e)用BOE腐蚀掉剩下的氧化硅5和氮化硅6。

若要得到低量程压阻式压力传感器100，需要再提供键合层7，并将键合层7 固定在硅片3的正面。键合层7设置与感压薄膜30连通的腔体72及向下突伸入腔 体72内的止挡块8(a)、8(b)，所述止挡块8(a)、8(b)与感压薄膜30之间预留有间隙， 同时能够限制感压薄膜30的过度变形。

当然，在上述任何步骤中均可在感压薄膜30的应力集中区制作用以连接成 惠斯通电桥的若干压阻条1(a)-1(d)。

图5所示的制造流程为采用KOH溶液腐蚀技术的流程图。而图6所示的制造 流程为采用深反应离子刻蚀(DRIE)技术的流程图。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，不应以此限制本发明的范 围，即凡是依本发明权利要求书及发明说明书内容所作的简单的等效变化与修 饰，皆应仍属本发明专利涵盖的范围内。