高灵敏度微纳巨压阻雨量传感器及其制备方法、测量结构

摘要

本发明公开一种高灵敏度微纳巨压阻雨量传感器及其制备方法、测量结构，传感器包括传感器阵列，传感器阵列单元包括多个硅铝异质结的传感单元、供电电极对、信号检测引出电极对、参考引出电极对；各传感单元包括两个硅铝异质结的压力敏感结构、硅底层、绝缘二氧化硅层和硅顶层；两个结构与特性一致硅铝异质结平行设置在传感器两端，硅铝异质结侧部设置激励电极和检测电极。本发明在应用时，通过雨量压力引起传感器芯片形成机械应力使改变硅铝异质结的接触势垒大小，来实现巨压阻效应；作为参考部分的铝异质结伏安特性改变不是由受力引起，可作为差分的参考电路排除温度的影响。本发明测量灵敏度高，准确，适用于高精度的雨量测量场合。

说明书

技术领域

本发明涉及微纳电子机械系统(MEMS/NEMS)传感器设计技术领域，特别是一种高灵敏度微纳巨压雨量传感器及其制备方法、测量结构。

背景技术

气象对国家安全、国民经济和人民生命财产安全具有重要的作用，而大气的压力是气象探测的最基本参数，因此，气压传感器的研究对于促进气象业务发展具有重要的作用。由于微电子和微机械加工技术的迅速发展，传感器技术也得到了极大的进步。经过几十年的发展，半导体压力传感器有一部分成功运用在气象测量领域，如气压传感器和湿度传感器等。但是在雨量测量方面，目前大部分系统采用的是传统的翻斗式和虹吸式的雨量传感器。

目前传统的翻斗式和虹吸式雨量传感器检测微量的降雨能力弱，并且受到风力的影响较大，在极端天气条件中的工作稳定性下降，已经不能满足现在气象观测的要求。

压阻式压力传感器包括传统的硅压阻式和硅纳米线巨压阻式传感器，其原理都是在压力作用下传感器应力膜发生弹性形变，通过压敏电阻的变化感知，并进而获得输出交由后端信号调理电路处理，通过对输出电压与压力值进行标定可以实现对压力的测量。由于雨滴下落时也会产生相应的应力，所以可以将硅压阻式传感器应用到雨量测量上。

但是目前的硅压阻式压力传感器在运用到雨量测量时也存在如下问题：(1)单个压力传感器的面积有限，不能可靠的反映雨量的变化。(2)传统通过掺杂工艺的硅压敏电阻的应变系数较小，约100左右，传统参杂工艺的压阻式压力传感器已经不能满足微量雨量测量的的灵敏度检测的要求。(3)硅纳米线巨压阻式传感器具有很高的灵敏度，但是极其高要求的制造工艺限制了它的广泛应用。(4)传感器本身不能分辨风力与雨量两者的应力区别，给测量带来难度。(5)气象测量一般都在气温变化相对比较大的场合，影响硅压阻式传感器的性能。

发明内容

本发明要解决的技术问题为：基于MEMS技术设计高灵敏度微纳巨压阻雨量传感器，以有效地捕捉不同方向和大小的雨滴，提升传感器的灵敏度。

本发明采取的技术方案具体为：一种高灵敏度微纳巨压阻雨量传感器，包括串联连接的多个传感单元，以及连接传感单元的供电电极对、信号检测引出电极对和参考引出电极对；各传感单元包括由下至上依次叠置的玻璃基底层、硅底层和绝缘二氧化硅层；硅底层下部设有凹槽，凹槽上方的硅底层部分即传感单元的受力应变薄膜；绝缘二氧化硅层上设有一对硅铝异质结，其中各硅铝异质结为一长方形铝与一长方形掺杂硅相接构成，铝与掺杂硅之间的硅铝接触区域形成接触势垒；各硅铝异质结的掺杂硅上分别引出有一对电源电极和一对信号检测电极；一对硅铝异质结呈结构对称地分设于绝缘二氧化硅层的两端，且其中一个位于传感单元的受力应变薄膜内，作为被测端，另一个位于传感单元的应变薄膜外，作为参考端；相邻两个传感单元之间，同位于被测端的其中一个电源电极相连接，同位于参考输入端的其中一个电源电极相连接，以使得多个传感单元形成在被测端与参考输入端分别由电源电极依次连接的串联结构的传感器阵列；

位于上述串联结构两端的其中一个传感单元，其位于被测端和参考输入端、未被连接的两个电源电极之间相连；位于上述串联结构两端的另一个传感单元，其位于被测端和参考输入端、未被连接的两个电源电极分别与供电电极对中的两个电极相连；

位于上述串联结构两端的两个传感单元，各自位于被测端的一对信号检测电极中的一个电极与信号检测引出电极对中的一个电极相连，各自位于参考输入端的一对信号检测电极中的一个电极，与参考引出电极对中的一个电极相连。

本发明的传感器在应用时，硅底层下部设置凹槽使得硅底层呈硅杯型，同时形成受力应变薄膜；两个硅铝异质结为压力敏感结构，分设于应变薄膜上和应变薄膜外，作为被测和参考。检测电极用于检查硅铝异质结的电势，当外界存在应力时，硅铝异质结的接触势垒就会发生改变，异质结阻值发生剧烈变化，形成巨压阻效应。作为参考部分的铝异质结伏安特性改变不是由受力引起，可作为差分的参考电路排除温度的影响。通过对位于被测端和参考输入端的检测信号进行差分处理，即可排除其它如温度之类因素的对传感器测量结果影响。

进一步的，本发明还包括支架，支架为半球体，其上均布设置有多个传感器阵列安装槽，传感器阵列安装于安装槽内。在应用时，可在半球体的支架的各安装槽中分别安装传感器阵列，使得多个传感器能有效辨别风力的大小和方向，可提高数据的可靠性。经过一定的算法调整以后即可消除风力对传感器测得数据的影响，得到真实的雨量值。

更进一步的，本发明雨量传感器中，各传感单元中，掺杂硅上还设有Si₃N₄层，可用于绝缘和保护。

优选的，本发明中，各传感器阵列包括9个传感单元，呈3行×3列结构。相对于单个传传感器单元，传感器阵列的优势在于能够反映一个区域压力整体的变化，但是如果设置成数量更多的传感器单元个数就会增加布线的难度，并且串联在一起的传感器个数太多会导致传感器阻值过大不便于测量，而3×3的设计结构可以在保证传感器高灵敏度的同时又能测量一定范围内的压力变化，适合雨量变化信号的测量。

优选的，本发明传感器阵列的各传感单元中，硅顶层采用掺杂磷离子的硅材质。

本发明还提供上述高灵敏度微纳巨压阻雨量传感器的制备方法，包括以下步骤：

步骤一：选用N型100晶向的SOI硅芯片作为传感器芯片制备的材质，硅底层的厚度为350-800um，绝缘二氧化硅层厚度为100-200nm，顶层硅厚度为100-200nm；

步骤二：分别用硫酸与双氧水混合溶液和去离子DI水各冲洗SOI硅片7-13分钟；

步骤三：在SOI硅芯片的硅顶层以倾斜角度5-9°，20keV能量注入10¹⁷每立方厘米的剂量的磷离子，时间为10-12分钟，然后放置于高温退火炉中20-40秒以使磷离子均匀分布，形成掺杂硅；

步骤四：旋涂光刻胶，利用硅铝异质结中硅结构及其电极引出端口的掩膜板进行光刻；掩膜板是光刻时原始图形结构的载体，光刻则将掩膜板上的图形转移到前述旋涂的光刻胶上，改变光刻胶的形状；

步骤五：在SF₆/N₂气氛环境下，通过ICP干法刻蚀硅顶层，形成硅铝异质结的硅结构及其电极引出端；

步骤六：浸泡在49％HF溶液1-2分钟去除TEOS，并通过温度为363K的TMAH湿法腐蚀SOI硅芯片硅底层，腐蚀出梯形凹槽；梯形凹槽位于硅底层的中部，其顶部的硅底层部分即为受力应变薄膜；受力应变薄膜的厚度可控制在20μm；

步骤七：通过LPCVD技术在硅片的顶层沉积1～2μm的Si₃N₄，作为绝缘层和保护膜；

步骤八：对Si₃N₄层进行光刻得到接触孔的窗口，即铝与掺杂硅实现欧姆接触的过孔；

步骤九：旋涂光刻胶，在光刻胶上以温度400-450℃，时间为30-50分钟溅射一层厚度与掺杂硅一致的金属铝；

步骤十：光刻形成电极和硅铝异质结的图形，以Liftoff工艺去除底层的光刻胶，将铝释放到硅顶层之上的同一平面内，与掺杂硅相接触形成硅铝异质结结构；

步骤十一：以温度200-300℃，利用阳极键合技术，将硅底层键合到硼硅玻璃基底上；

步骤十二：划片，封装，完成高灵敏度微纳巨压阻雨量传感器制作。

本发明还公开上述高灵敏度微纳巨压阻雨量传感器的测量结构，其包括传感器阵列、电源、信号采集电路和信号处理电路；

传感器阵列的数量为多个，电源通过供电电极向各传感器阵列提供基准恒流源；

信号采集电路包括多组相连的差分放大电路和滤波电路；各组中，差分放大电路的输入端分别连接一个传感器阵列的信号检测引出电极对和参考引出电极对，滤波电路的输出端连接信号处理电路；

信号处理电路包括多通道AD转换器、FPGA和微处理器；多通道AD转换器中AD转换通道的数量与传感器阵列的数量相同；各AD转换通道的输入端分别连接信号采集电路中的一个滤波电路，输出端连接FPGA；

FPGA对各AD转换通道输出的传感器阵列信号进行采集，并将采集到的数据输出至微处理器。微处理器负责对采集到的传感器信号进行分析与计算得出信号对应的雨量值并控制LCD进行显示。

本发明上述测量结构中，电源可采用直流电源，电源还通过光耦隔离为信号采集电路提供工作电源；还可对电源信号进行处理，得到LDO线性电源，供信号处理电路工作。FPGA可采用Xilinx公司的XC3030-70芯片。LCD显示单元可采用TFTLCD。

进一步的，本发明的测量结构还包括显示单元，显示单元的输入端连接微处理器。

有益效果

本发明高灵敏度微纳巨压阻雨量传感器是基于硅铝异质结的巨压阻效应，通过外部压力引起传感器芯片形成机械应力改变使硅铝异质结中的硅和铝接触部分的接触势垒，来实现巨压阻效应。与现有技术相比，具有以下进步：

1.可消除温度环境对压阻阻值的影响：通过采用两个结构性质一致的硅铝异质结分别设置在传感器的两端，其中一端设置在受力应变薄膜外，作为差分的参考电路，其输出的电信号与谐振器输出的电信号之差作为运放电路的差分输入信号，有效的提高了测量结果的准确度；

2.采用了半球体的传感器的支架，能有效辨别风力的大小和方向，提高了数据的可靠性，经过一定的算法调整以后的可以消除风力对传感器测得数据的影响，得到真实的雨量值；

3.雨量传感器采用了串联排列的硅铝异质结的传感单元，解决了硅铝异质结低电阻的特性，阵列式的传感器测量可以增大对雨量测量的面积，提高了传感器灵敏度；

4.选用的压力敏感结构是一种新型的硅铝异质结的压阻式电阻，其所的巨压阻效应的电阻应变系数高达843，比传统体加工的硅压阻的电阻应变系数(100左右)高出很多，硅铝异质结的压敏电阻在压力下产生的巨压阻效应能够大大提高传感器的检测灵敏度和分辨率。采用这种结构所制成的压敏电阻可控性强、稳定性高、结构一致性好、易于实现阵列化；

5.可以通过标准的MEMS制造工艺实现，不需要新的技术，节省了制造成本；

6.选用N型100晶向的SOI硅片，SOI硅片具有许多体硅所无法比拟的优点：它可以即可通过中间的绝缘氧化层实现硅顶层和底层的电气隔离，一方面可确保传感器可靠的工作在高温环境中，另一方面可彻底消除了传感器的寄生闩锁效应。采用这种材料制成的传感器还具有抗辐射、寄生电容小、短沟效应小以及功耗等优势。

综上，本发明可大幅度提高硅压力传感器的灵敏度和分辨率、降低温度对传感器性能的影响，提高了雨量检测数据的精度、可靠性和实时性。

附图说明

图1为高灵敏度微纳巨压阻雨量传感器阵列单元结构示意图；

图2为硅铝异质结的传感单元硅顶层俯视图；

图3为硅铝异质结的传感单元硅顶层剖面图；

图4为传感器支架示意图；

图5为压力传感器芯片制备流程示意图；

图6为为高灵敏度微纳巨压阻雨量传感器与外围电路连接系统框图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例进一步描述。

参考图1，本发明的高灵敏度微纳巨压阻雨量传感器，包括：包括串联连接的多个传感单元34，以及连接传感单元34的供电电极对27(28)、信号检测引出电极对29(31)和参考引出电极对30(32)；

参考图3，各传感单元包括由下至上依次叠置的玻璃基底层26、硅底层25和绝缘二氧化硅层12；硅底层25下部设有凹槽，凹槽上方的硅底层25部分即传感单元的受力应变薄膜27；绝缘二氧化硅层12上设有一对硅铝异质结，其中各硅铝异质结为一长方形铝13与一长方形掺杂硅15相接构成，铝13与掺杂硅15之间的硅铝接触区域形成接触势垒；各硅铝异质结的掺杂硅15上分别引出有一对电源电极5/8(16/19)和一对信号检测电极6/7(17/18)，各电极分别连接有铝端子1、2、3、4、20、21、22、23、24；一对硅铝异质结呈结构对称地分设于绝缘二氧化硅层12的两端，且其中一个位于传感单元的受力应变薄膜27内，作为被测端，另一个位于传感单元的应变薄膜27外，作为参考端；

参考图1，相邻两个传感单元之间，同位于被测端的其中一个电源电极相连接，同位于参考输入端的其中一个电源电极相连接，以使得多个传感单元形成在被测端与参考输入端分别由电源电极依次连接的串联结构的传感器阵列；

位于上述串联结构两端的其中一个传感单元，其位于被测端和参考输入端、未被连接的两个电源电极之间相连；位于上述串联结构两端的另一个传感单元，其位于被测端和参考输入端、未被连接的两个电源电极分别与供电电极对中的两个电极27(28)相连；

位于上述串联结构两端的两个传感单元，各自位于被测端的一对信号检测电极中的一个电极与信号检测引出电极对中的一个电极29(31)相连，各自位于参考输入端的一对信号检测电极中的一个电极，与参考引出电极对中的一个电极30(32)相连。

本发明的传感器在应用时，硅底层下部设置凹槽使得硅底层呈硅杯型，同时形成受力应变薄膜；两个硅铝异质结为压力敏感结构，分设于应变薄膜上和应变薄膜外，作为被测和参考。检测电极用于检查硅铝异质结的电势，当外界存在应力时，硅铝异质结的接触势垒就会发生改变，异质结阻值发生剧烈变化，形成巨压阻效应。作为参考部分的铝异质结伏安特性改变不是由受力引起，可作为差分的参考电路排除温度的影响。通过对位于被测端和参考输入端的检测信号进行差分处理，即可排除其它如温度之类因素的对传感器测量结果影响。

实施例

参考图1，本实施例中，传感器阵列包括9个传感单元，呈3行×3列结构。相对于单个传传感器单元，传感器阵列的优势在于能够反映一个区域压力整体的变化，但是如果设置成数量更多的传感器单元个数就会增加布线的难度，并且串联在一起的传感器个数太多会导致传感器阻值过大不便于测量，而3×3的设计结构可以在保证传感器高灵敏度的同时又能测量一定范围内的压力变化，适合雨量变化信号的测量。

参考图4，本发明还包括支架35，支架35为半球体，其上均布设置有多个传感器阵列安装槽36，传感器阵列安装于安装槽内。在应用时，可在半球体的支架的各安装槽中分别安装传感器阵列，使得多个传感器能有效辨别风力的大小和方向，可提高数据的可靠性。经过一定的算法调整以后即可消除风力对传感器测得数据的影响，得到真实的雨量值。

参考图3，各传感单元中，掺杂硅15上还设有Si₃N₄层24，可用于绝缘和保护。

参考图5，本发明高灵敏度微纳巨压阻雨量传感器的制备方法，包括如下步骤：

步骤一：选用N型100晶向的SOI硅芯片作为传感器芯片制备的材质,硅底层的厚度为350-800um，绝缘二氧化硅层厚度为100-200nm，顶层硅厚度为100-200nm，如图5(1)所示；

步骤二：分别用硫酸与双氧水混合溶液和去离子DI水各冲洗SOI硅片7-13分钟；

步骤三：在SOI硅芯片的硅顶层以倾斜角度5-9°，20keV能量注入10¹⁷每立方厘米的剂量的磷离子，时间为10-12分钟，然后放置于高温退火炉中20-40秒以使磷离子均匀分布，如图5(2)所示；

步骤四：如图5(3)所示，旋涂光刻胶，利用硅铝异质结中硅结构及其电极引出端口的掩膜板进行光刻；

步骤五：在SF₆/N₂气氛环境下，通过ICP干法刻蚀顶层硅，如图5(4)所示；

步骤六：浸泡在49％HF溶液1-2分钟去除TEOS(正硅酸乙酯)，并通过温度为363K的TMAH湿法腐蚀SOI硅芯片硅底层，腐蚀出梯形凹槽，如图5(5)所示；

步骤七：通过LPCVD技术在硅片的顶层沉积1～2μm的Si₃N₄，作为绝缘层和保护膜，如图5(6)所示；

步骤八：光刻得到接触孔的窗口，即得到铝与掺杂硅实现欧姆接触的过孔，如图5(7)所示；

步骤九：如图5(8)所示，旋涂光刻胶，在光刻胶上以温度400-450℃，时间为30-50分钟溅射一层厚度与掺杂硅一致的金属铝，如图5(9)所示；

步骤十：如图5(10)所示，光刻形成电极和硅铝异质结的图形，以Liftoff工艺去除底层的光刻胶，将铝释放到硅顶层的同一平面内，与掺杂硅相接触形成硅铝异质结传感结构，如图5(11)所示；

步骤十一：以温度200-300℃，利用阳极键合技术，将硅底层键合到硼硅玻璃基底上，如图5(12)所示；

步骤十二：划片，封装，完成高灵敏度微纳巨压阻雨量传感器制作。

本发明通过在SOI基片的硅顶层上制备硅铝异质结的压力敏感结构，两个结构特性一致的压力敏感电阻分别设置在受力应变薄膜外和受力应变薄膜上，通过应变薄膜正面与外界环境进行力交换，一对平行设置的硅铝异质结的压力敏感结构构成了差分输入的两端，两个硅铝异质结的压敏电阻均采用同一恒流源供电。

当外界有应力存在的时候，就会在应变薄膜层形成一个沿应力方向的应力梯度分布，处于受力应变薄膜上的硅铝异质结的压力敏感结构硅和铝接触的地方的接触势垒会随应力的变化而变化，最终导致压敏结构的电阻发生变化，形成巨压阻效应。差分放大电路两端分别接于传感器的两个检测电极。此时电路输出的电压就是由于应力变化引起的电压变化，经过放大滤波以后，然后通过FPGA控制多通道AD转换器测量输出电压的变化值，对输出电压与压力值进行标定就可以得到这个电压对应应力大小的精确信息。

还可在硅顶层上设置软橡胶，用于隔绝与外界环境的接触，以避免受到雨水腐蚀的污染。硅底层设置有梯形凹槽，可以降低芯片的应力损失，以便提高传感器的灵敏度。

传感器芯片制备方案中，将SOI硅片硅顶层通过掺杂一定浓度的磷离子，然后采用的是MEMS干法刻蚀形成得到硅铝异质结中硅的一部分，利用Liftoff工艺得到硅铝异质结中铝的一部分和引出电极；制备硅底层上的梯形凹槽采用MEMS各向同性湿法腐蚀工艺；然后将硅片键和在玻璃基底上，用硅橡胶密封，隔绝外界环境。

将硅铝异质结的压力敏感结构设置硅顶层的受力应变薄膜内，在雨滴下落到传感器上，雨滴的冲击力转变为传感器的机械形变，在应变区内硅铝异质结受到挤压和拉伸时就会改变硅铝异质结的接触势垒。设置在受力应变薄膜外的硅铝异质结，其不受应力变化的影响，作为差分输入的参考电压，排除了温度对于传感器的影响。

参考图6，本发明传感器的测量结构包括传感器阵列、电源、信号采集电路和信号处理电路；

传感器阵列的数量为多个，分别安装在支架的安装槽内；电源通过供电电极向各传感器阵列提供基准恒流源；

信号采集电路包括多组相连的差分放大电路和滤波电路；各组中，差分放大电路的输入端分别连接一个传感器阵列的信号检测引出电极对和参考引出电极对，滤波电路的输出端连接信号处理电路；

信号处理电路包括多通道AD转换器、FPGA和微处理器；多通道AD转换器中AD转换通道的数量与传感器阵列的数量相同；各AD转换通道的输入端分别连接信号采集电路中的一个滤波电路，输出端连接FPGA；

FPGA对各AD转换通道输出的传感器阵列信号进行采集，并将采集到的数据输出至微处理器。微处理器负责对采集到的传感器信号进行分析与计算得出信号对应的雨量值并控制LCD进行显示。

具体测量方法为：供电电极对27/28作为传感器阵列的恒流源输入输出端，信号检测引出电极对29/31作为检测信号输入输出端，参考引出端30/32作为参考信号输入输出端。传感器阵列的总阻值为R，引出电极的接触电阻为Rr。当雨量传感器受到外力F的作用时，应变膜发生弹性形变，其阵列的总阻值变化为ΔR，在外加恒流源I的作用下电极电压输出为Vout1＝I*(2Rr+ΔR+R+Rt)，其中Rt为温度变化引起的传感器阵列阻值的变化。由于参考端测量的是不受形变影响的参考输入端电压，其电压输出Vout2＝I*(2Rr+R+Rt)，经过差分输入后的输出电压为V＝Vout1-Vout2＝I*ΔR，由此可以看出信号的输出电压是由降雨的冲击力引起的，排除了温度因素的影响。输出的电压经过AD转换成数字信号经过FPGA采集后交与微处理器单片机处理，经过多次实验可得的电压与雨量的关系推算即可得到雨量值。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。