專利名稱：硅微諧振式壓力傳感器及其制作方法
技術領域：
本發明屬于傳感器技術領域，特別涉及一種硅微諧振式壓力傳感器及其制作方法。
技術背景諧振式壓力傳感器是目前精度最高的壓力傳感器，為準數字信號輸出，其精度主要受結 構機械特性的影響，抗干擾能力強，性能穩定， 一直是各國研究和開發的重點。例如英國Greenwood開發并已經由Druck公司商品化的硅微諧振式壓力傳感器，其敏感 部分由諧振結構、矩形硅島、矩形壓力敏感膜片及其四周固定邊框四部分構成。其中諧振結 構為蝶形或者兩個相連的矩形，采用濃硼自停止刻蝕技術得到，它通過兩個對稱分布的矩形 硅島懸置在矩形壓力敏感膜片表面，該矩形硅島的長邊與矩形壓力敏感膜片的長邊平行。上述硅微諧振式壓力傳感器由于其硅島形狀及布置位置的問題，在壓力敏感膜片變形過 程中易在硅島根部引起應力集中，而且諧振結構被嚴格限制在兩個矩形硅島之間，制約了諧 振結構面積，造成后期檢測困難。 發明內容為克服現有技術中存在的易在硅島根部引起應力集中，諧振結構形狀尺寸受限的不足， 本發明提出了一種新的硅微諧振式壓力傳感器及其制作方法。本發明提出的硅微諧振式壓力傳感器由諧振結構1、正方形硅島2、正方形壓力敏感膜 片3及邊框4四部分構成。邊框4內部固定有正方形壓力敏感膜片3，在正方形壓力敏感膜 片3的對角線上對稱布置有四個正方形硅島2,四個正方形硅島2的四邊與所述的正方形壓 力敏感膜片3的四邊平行或者成45。夾角，四個正方形硅島2通過分別與之相連的四根支撐 梁5將諧振結構1懸置于壓力敏感膜片3表面。該諧振結構l采用一體工藝制作，由四根支撐梁5、四個振動葉片6及一個中心連接端7
構成，四根支撐梁5和四個振動葉片6間隔對稱分布于中心連接端7的四周，四個振動葉片 6處于懸置狀態。支撐梁5可以為直梁或者彎梁，其截面可以為矩形、三角形、圓形或者其 任意組合形狀；振動葉片6可以為矩形、三角形、圓形或者其任意組合形狀，而且振動葉片 6上可以開有孔或者孔的陣列，該孔可以為矩形、三角形、圓形或者其任意組合形狀；中心 連接端7可以為矩形、三角形、圓形或者其任意組合形狀，而且中心連接端7上可以開有孔 或者孔的陣列，該孔可以為矩形、三角形、圓形或者其任意組合形狀。本發明提出的硅微諧振式壓力傳感器的第一種制作方法包括以下步驟a. 雙面拋光〈100〉型硅片；b. 上表面進行濃硼擴散，形成自停止層10與結構層11;或者進行濃硼擴散形成自停止 層IO，外延形成結構層ll;C.下表面進行光刻并刻蝕，形成臺階13;d. 上表面進行光刻并刻蝕，至刻透自停止層IO，形成未懸置的諧振結構l;e. 沉積氮化硅，上表面進行光刻并各向異性刻蝕，利用濃硼自停止刻蝕以及凸角刻蝕 與補償技術，得到最終諧振結構l、正方形硅島2、正方形壓力敏感膜片3及其邊框 4 f. 去掉氮化硅，完成制作。本發明提出的硅微諧振式壓力傳感器的第二種制作方法包括以下歩驟a. 雙面拋光〈100〉型第一硅片8;b. 下表面進行光刻并刻蝕，形成臺階13;c. 沉積氮化硅，上表面進行光刻并各向異性刻蝕，形成帶有正方形硅島2的正方形壓 力敏感膜片3;d. 去掉氮化硅；e. 雙面拋光第二硅片9;f. 與第一硅片8上表面進行硅硅鍵合，減薄第二硅片9;g. 對第二硅片9進行光刻并深反應離子刻蝕，形成諧振結構l，完成制作。 本發明采用四個對稱布置在正方形壓力敏感膜片對角線上的正方形硅島，避免了壓力敏感膜片變形過程中硅島根部的應力集中，減小了硅島對諧振結構的形狀尺寸限制，增大了諧振結構面積，提高了檢測信號幅值，降低了后期檢測的難度。
圖1是本發明的硅微諧振式壓力傳感器結構示意圖；圖2是實施例一中諧振結構與正方形硅島的位置關系示意圖；圖3是實施例二中諧振結構與正方形硅島的位置關系示意圖；圖4 (a)是本發明提出的硅微諧振式壓力傳感器的第一種制作方法中，步驟a,b完成后 的示意圖；圖4 (b)是本發明提出的硅微諧振式壓力傳感器的第一種制作方法中，步驟c,d完成后 的示意圖；圖4 (c)是本發明提出的硅微諧振式壓力傳感器的第一種制作方法中，步驟e,f完成后 的示意圖；圖5 (a)是本發明提出的硅微諧振式壓力傳感器的第二種制作方法中，步驟a,b,c,d完 成后的示意圖；圖5 (b)是本發明提出的硅微諧振式壓力傳感器的第二種制作方法中，步驟e,f完成后 的示意圖；圖5 (c)是本發明提出的硅微諧振式壓力傳感器的第二種制作方法中，步驟g完成后的 示意圖。 圖中l.諧振結構 2.正方形硅島 3.正方形壓力敏感膜片 4.邊框5.支撐梁6.振動葉片 7.中心連接端 8.第一硅片 9.第二硅片10.自停止層 ll.結構層 12.孔 13.臺階具體實施方式
實施例一參閱圖l、圖2、圖4,硅微諧振式壓力傳感器由諧振結構1、正方形硅島2、正方形壓 力敏感膜片3及邊框4四部分構成。邊框4內部固定有正方形壓力敏感膜片3，在正方形壓 力敏感膜片3的對角線上對稱布置有四個正方形硅島2,四個正方形硅島2的四邊與所述的 正方形壓力敏感膜片3的四邊平行，四個正方形硅島2通過分別與之相連的四根支撐梁5將 諧振結構1懸置于壓力敏感膜片3表面。該諧振結構l采用一體工藝制作，由四根支撐梁5、四個振動葉片6及一個中心連接端7 構成，四根支撐梁5和四個振動葉片6間隔對稱分布于中心連接端7的四周，四個振動葉片 6處于懸置狀態。該支撐梁5為直梁，截面為矩形，振動葉片6主體由矩形和三角形組合構 成，中心連接端7主體為矩形。制作本實施例中所述硅微諧振式壓力傳感器的具體工藝步驟如下(1) 雙面拋光低電阻率、P型的〈100〉型硅片；(2) 氧化，去掉上表面的氧化硅；(3) 上表面進行濃硼擴散，形成自停止層10;(4) 去掉上表面的氧化硅；(5) 上表面進行低電阻率、P型外延，形成結構層ll，去掉氧化硅；(6) 沉積氮化硅；(7) 下表面進行光刻并反應離子刻蝕，然后進行KOH各向異性刻蝕，形成臺階13;(8) 去掉氮化硅；(9) 上表面進行光刻并反應離子刻蝕，至刻透自停止層IO，形成未懸置的諧振結構l;(10) 沉積氮化硅；(11) 上表面進行光刻并反應離子刻蝕，然后進行KOH各向異性刻蝕，利用濃硼自停止刻蝕以 及凸角刻蝕與補償技術，得到最終諧振結構1、正方形硅島2、正方形壓力敏感膜片3 及其邊框4;(12) 去掉氮化硅，完成制作。實施例二參閱圖1、圖3、圖5，硅微諧振式壓力傳感器由諧振結構1、.正方形硅島2、正方形壓 力敏感膜片3及邊框4四部分構成。邊框4內部固定有正方形壓力敏感膜片3，在正方形壓 力敏感膜片3的對角線上對稱布置有四個正方形硅島2，四個正方形硅島2的四邊與所述的 正方形壓力敏感膜片3的四邊成45。夾角，四個正方形硅島2通過分別與之相連的四根支撐 梁5將諧振結構1懸置于壓力敏感膜片3表面。該諧振結構1采用一體工藝制作，由四根支撐梁5、四個振動葉片6及一個中心連接端7 構成，四根支撐梁5和四個振動葉片6間隔對稱分布于中心連接端7的四周，四個振動葉片 6處于懸置狀態。該支撐梁5為直梁，截面為矩形，振動葉片6主體由矩形和三角形組合構 成，中心連接端7主體為矩形。制作本實施例的硅微諧振式壓力傳感器的具體工藝步驟如下-(1) 雙面拋光低電阻率的〈100〉型第一硅片8;(2) 沉積氮化硅；(3) 下表面進行光刻并反應離子刻蝕，然后進行KOH各向異性刻蝕，形成臺階13;(4) 去掉氮化硅；(5) 沉積氮化硅；(6) 上表面進行光刻并反應離子刻蝕，然后進行KOH各向異性刻蝕，形成帶有正方形硅島 2的正方形壓力敏感膜片3;(7) 去掉氮化硅；(8) 雙面拋光、低電阻率的第二硅片9;(9) 與第一硅片8的上表面進行硅硅鍵合；(10) K0H刻蝕，減薄第二硅片9;(11) 第二硅片9進行光刻并深反應離子刻蝕，形成諧振結構1及孔12，完成制作。
權利要求
1.一種硅微諧振式壓力傳感器，其特征在于邊框(4)內部設計有正方形壓力敏感膜片(3)，在正方形壓力敏感膜片(3)的對角線上對稱布置有四個正方形硅島(2)，四個正方形硅島(2)通過分別與之相連的四根支撐梁(5)將諧振結構(1)懸置于壓力敏感膜片(3)表面；諧振結構(1)是由四根支撐梁(5)、四個振動葉片(6)及一個中心連接端(7)構成，四根支撐梁(5)和四個振動葉片(6)間隔對稱分布于中心連接端(7)的四周，四個振動葉片(6)處于懸置狀態。
2. 如權利要求書1所述的硅微諧振式壓力傳感器，其特征在于，所述的四個正方形硅島(2) 在原位置與所述的正方形壓力敏感膜片(3)的四邊平行，或與所述的正方形壓力敏感膜片(3) 的四邊成45°夾角。
3. 如權利要求書1所述的硅微諧振式壓力傳感器，其特征在于，所述的振動葉片(6)的形狀 是矩形、三角形、圓形或者其任意組合形狀。
4. 如權利要求書1所述的硅微諧振式壓力傳感器，其特征在于，所述的中心連接端(7)的形 狀是矩形、三角形、圓形或者其任意組合形狀。
5. —種制作權利要求1 4所述的硅微諧振式壓力傳感器的方法，其特征在于，該方法包括以 下步驟-.a. 雙面拋光〈100〉型硅片；b. 上表面進行濃硼擴散，形成自停止層(10)與結構層(11);或者進行濃硼擴散形成自停止層(10)，外延形成結構層(11);c. 下表面進行光刻并刻蝕，形成臺階U3);d. 上表面進行光刻并刻蝕，至刻透自停止層(10)，形成未懸置的諧振結構(1);e. 沉積氮化硅，上表面進行光刻并各向異性刻蝕，利用濃硼自停止刻蝕以及凸角刻蝕與補償技術，得到最終諧振結構(1)、正方形硅島(2)、正方形壓力敏感膜片(3)及 其邊框(4);f.去掉氮化硅，完成制作。 6.—種制作權利要求1 4所述的硅微諧振式壓力傳感器的方法，其特征在于，該方法包括以 下歩驟a. 雙面拋光〈100〉型第一硅片(8);b. 下表面進行光刻并刻蝕，形成臺階(13);c. 沉積氮化硅，上表面進行光刻并各向異性刻蝕，形成帶有正方形硅島(2)的正方形壓力敏感膜片(3);d. 去掉氮化硅；e. 雙面拋光第二硅片(9);f. 與第一硅片(8)上表面進行硅硅鍵合，減薄第二硅片(9);g. 對第二硅片(9)進行光刻并深反應離子刻蝕，形成諧振結構(1)，完成制作。
全文摘要
本發明提出一種新的硅微諧振式壓力傳感器及其制作方法。為克服現有技術中存在的易在硅島根部引起應力集中，諧振結構形狀尺寸受限的不足，本發明采用四個對稱布置在正方形壓力敏感膜片對角線上的正方形硅島，諧振結構通過該正方形硅島懸置于正方形壓力敏感膜片表面。該諧振結構由四根支撐梁、四個振動葉片及一個中心連接端構成。四根支撐梁和四個振動葉片間隔對稱分布于中心連接端的四周，而四根支撐梁的另一端分別置于四個正方形硅島的上表面，四個振動葉片處于懸置狀態。本發明避免了壓力敏感膜片變形過程中硅島根部的應力集中，減小了對諧振結構的形狀尺寸限制，增大了諧振結構面積，提高了檢測信號幅值，降低了后期檢測的難度。
文檔編號G01L1/16GK101149298SQ200610104609
公開日2008年3月26日 申請日期2006年9月20日 優先權日2006年9月20日
發明者森 任, 苑偉政, 鄧進軍 申請人:西北工業大學