專利名稱：一種高過載、可恢復(fù)壓力傳感器及制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及硅基壓力傳感器，特指一種高過載、高線性度、絕壓式、可恢復(fù)硅基壓力傳感器及制造方法。
背景技術(shù)：
壓力傳感器是常用的壓力測(cè)量器件，硅基壓力傳感器利用單晶硅的壓阻效應(yīng)，外加壓強(qiáng)使硅片形變，使得硅電阻改變，采錄信號(hào)，測(cè)量外加壓強(qiáng)的大小，硅基壓力傳感器具有小型、廉價(jià)、可集成、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，但其缺點(diǎn)有1、過載性能較差，一般只有5 — 7倍， 而且過載后斷裂，是不可恢復(fù)的；2、在測(cè)量范圍內(nèi)的芯片的線性度一般在1 3%左右，更高的線性度需要靠外部補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)；3、其電阻用一般的擴(kuò)散或離子注入方法制備，電阻的溫飄較大，不適合高精度壓力檢測(cè)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為克服上述現(xiàn)有硅基壓力傳感器的不足，提供一種高過載、高線性度、高精度、可恢復(fù)的硅基壓力傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其制造方法。為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的上述目的采用的技術(shù)方案是
1)選擇厚度不均勻小于0.01微米的(100)晶向單晶硅基片；
2)使步驟1所述的單晶硅基片表面生長0.5微米的S^2腐蝕保護(hù)層，對(duì)硅片表面進(jìn)行光刻，形成方形阱腐蝕窗口，去除窗口 SiA氧化層，然后用KOH腐蝕液做定向腐蝕，對(duì)于 Γ IO5^r IO6Pa量程的傳感器，腐蝕深度在20微米到80微米，方形阱腐蝕完成后去除表面全部氧化層，得到表面有方形腐蝕阱的單晶硅基片；
3)選擇表面不平整度小于0.5納米(100)晶向的P型單晶硅片，去除有機(jī)污染和金屬離子污染后，氧化0. 5微米厚度的S^2氧化層，將該氧化后的P型單晶硅片與前述已經(jīng)形成方形阱且去除表面全部氧化層的單晶硅基片作親水處理，在氧氣氛下將兩個(gè)作過親水處理的硅片拋光面相對(duì)，即將一片生長SiO2的拋光面與另一片帶方形腐蝕阱的表面相對(duì)，使其在氧氣氛下吸合后推入石英管，再在1180°C的4/ 合成水氣氛下高溫鍵合2小時(shí)，形成結(jié)合牢固的鍵合對(duì)；
4)對(duì)上述結(jié)合牢固的鍵合對(duì)的無腐蝕坑側(cè)硅片進(jìn)行減薄與拋光后，成為壓力傳感器的形變片；
5)然后，對(duì)方形阱上的形變片光刻，腐蝕，制備凸型梁，根據(jù)形變片的面積、厚度，用材料力學(xué)板殼理論應(yīng)力計(jì)算，確定凸型梁的寬度和腐蝕深度，凸型梁的寬度為方形腐蝕阱邊長的359Γ40%，腐蝕深度即凸出高度為未腐蝕時(shí)形變片厚度的509Γ60%，將減薄后的鍵合對(duì)熱氧化，在拋光表面生長0. 5微米厚SiO2層，光刻保護(hù)傳感器形變片上凸型梁的凸出區(qū)域， 開出腐蝕窗口，腐蝕凸型梁兩邊的硅達(dá)到需要厚度，形成凸型結(jié)構(gòu)；在S^2腐蝕液中剝離表面SiO2層，光刻出沿凸型梁寬度方向排列的壓敏電阻橋窗口，以光刻膠作屏蔽，用離子注入摻雜制備阻值為5 10ΚΩ的壓敏電阻，壓敏電阻必須滿足R1=K=R3=R4且同方向排列，R2, R3
5盡量對(duì)稱靠近凸型梁的X方向上的中線，R1與R4相對(duì)于凸型梁的X方向上的中線對(duì)稱，離方形阱邊緣的距離為0. 05的方形阱邊長，將R1, R2 ；R3和R4互聯(lián)，即將R1, R2 ；R3, R4分別串聯(lián)，再并聯(lián)成電阻橋，在隊(duì)和&的相接端與電源的正極連接，R3和R4的相接端與電源的負(fù)極連接，從R1與&的相接端和民與R4的相接端測(cè)到傳感器的壓敏信號(hào)輸出，互聯(lián)線光刻腐蝕后需要作合金化處理，使互聯(lián)線與壓敏電阻形成良好的接觸。所述步驟2)中使步驟1所述的單晶硅基片表面生長0. 5微米的SW2腐蝕保護(hù)層的方法為將其表面在1000°c條件下用干氧氧化20分鐘，接著用氫氧合成水汽氧化2小時(shí)， 再干氧氧化30分鐘。所述步驟2)中去除窗口 SiO2氧化層的方法為在氫氟酸乙二胺水=1 1 3 (體積比)的腐蝕液去除窗口 SW2氧化層。所述步驟2)中用KOH腐蝕液做定向腐蝕，KOH腐蝕液的質(zhì)量百分濃度為0.2 0. 5%，腐蝕時(shí)的溫度在50°(T65°C。所述步驟2)中方形阱腐蝕完成后去除表面全部氧化層是指用S^2腐蝕液去除表面全部氧化層。所述步驟3)中在P型單晶硅片表面氧化0. 5微米厚度的SW2氧化層的方法為 將其表面在1000°c條件下用干氧氧化20分鐘，接著用氫氧合成水汽氧化2小時(shí)，再干氧氧化30分鐘。所述步驟3)中將該氧化后的P型單晶硅片與前述已經(jīng)形成方形阱且去除表面全部氧化層的單晶硅基片作親水處理的方法為在硫酸雙氧水=8 1 (體積比)溶液中煮沸 20分做表面親水處理。所述步驟4)中對(duì)步驟3)中形成的結(jié)合牢固的鍵合對(duì)的無腐蝕坑側(cè)硅片進(jìn)行減薄與拋光的方法為選用機(jī)械減薄機(jī)粗減，用拋光法精減，粗減后的鍵合的單晶硅表面層的最終厚度比量程要求厚度厚100微米，然后用無蠟拋光技術(shù)拋光，達(dá)到要求厚度和鏡面光潔度。所述步驟5)中對(duì)壓敏電阻的互接的方法為需要先蒸發(fā)或?yàn)R射沉積1.廣1. 3微米厚鋁膜，設(shè)計(jì)光刻互聯(lián)線版圖，注意讓電源和信號(hào)輸出壓點(diǎn)離開方形阱邊緣100微米。所述步驟5)中合金化處理的條件為將鍵合對(duì)置于隊(duì)75% (體積分?jǐn)?shù))+H225% (體積分?jǐn)?shù))的混合氣氛中對(duì)壓敏電阻的互聯(lián)線做420°C，30分合金熱處理。本發(fā)明基于傳統(tǒng)硅基壓力傳感器制備原理，結(jié)合MEMS技術(shù)、薄膜技術(shù)、應(yīng)力放大設(shè)計(jì)和特殊真空腔制備技術(shù)制備硅基壓力傳感器，其優(yōu)點(diǎn)是
1、具有高過載性能，過載度超過量程的50倍以上，比一般硅基壓力傳感器的過載度 5 - 7倍高得多；
2、具有高線性度性能，通常的高精度壓力傳感器的線性度需要通過傳感器芯片外部的補(bǔ)償來提高，即使如此，也只能達(dá)到1%，本發(fā)明制備的硅基壓力傳感器芯片的線性度不用補(bǔ)償可以達(dá)到0. 1% ；
3、具有可恢復(fù)特性，通常的硅基壓力傳感器在過載5 7倍時(shí)，形變片斷裂，傳感器損壞無法恢復(fù)，本發(fā)明制備的高過載硅基壓力傳感器在壓力撤除后，芯片能恢復(fù)測(cè)試功能；
4、正負(fù)壓強(qiáng)都可使用，一般的硅基壓力傳感器都是正壓傳感器，即只能滿足加正向壓強(qiáng)使用，本發(fā)明制備的硅基壓力傳感器是絕壓式的，正壓傳感器的量程不受限制，只要調(diào)節(jié)
6形變凸型梁的厚度與寬度即可。負(fù)壓傳感器的量程適合在0 — -105 范圍，高過載特性對(duì)正壓適用，高精度、高線性、高靈敏度特性對(duì)正負(fù)壓都有效；
5、具有較高的靈敏度，由于采用了凸型梁的放大作用，使本發(fā)明制備的硅基壓力傳感器不經(jīng)放大的信號(hào)輸出靈敏度是常規(guī)硅基壓力傳感器的兩倍以上，而且可以根據(jù)量程選用合適的凸型梁的厚度和寬度比，得到最大信號(hào)輸出。
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步簡要說明

圖1是硅基壓力傳感器的截面圖2是壓敏電阻在凸型梁上的分布圖； 圖3是壓敏電阻橋的連接圖4是本發(fā)明硅基壓力傳感器的制備過程的工藝流程示意圖； 圖5是量程為0 10 絕壓式傳感器的實(shí)測(cè)正壓特性線圖，輸出信號(hào)的非線性度約 0. 086% ；
圖6是量程為0 -IO5Pa絕壓式傳感器的實(shí)測(cè)負(fù)壓特性線圖，輸出信號(hào)的非線性度約 0. 098% ；
1、凸型梁；2、真空腔；3、硅襯底。
具體實(shí)施例方式首先選取(100)單晶硅基片，要求做嚴(yán)格的厚度篩選，要求厚度的不均勻(即兩面平行度)小于0.01微米，但對(duì)厚度的整體偏差沒有要求，如果兩面平行度達(dá)不到要求，必需先做預(yù)拋光處理，不能采用有蠟拋光。對(duì)經(jīng)預(yù)拋光處理的符合要求的單晶硅基片，將其表面在1000°C條件下用干氧氧化 20分鐘，接著用氫氧合成水汽氧化2小時(shí)，再干氧氧化30分鐘，使硅基片表面生長0. 5微米的SiO2腐蝕保護(hù)層，對(duì)硅片表面進(jìn)行光刻，形成方形阱腐蝕窗口，在氫氟酸乙二胺水 =1:1:3 (體積比)的腐蝕液去除窗口 3102氧化層，然后用KOH腐蝕液做定向腐蝕，KOH腐蝕液的質(zhì)量百分濃度為0. 2 0. 5%，腐蝕時(shí)的溫度在50°(T65°C，方形阱的腐蝕深度由傳感器的量程、需要的過載倍數(shù)和阱的面積等根據(jù)板殼理論對(duì)硅形變的力學(xué)計(jì)算得到(Higdon Ohlsen著，易鐘煌、周崇芝譯，材料力學(xué)，高等教育出版社，1985)，最后由實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證確定，實(shí)驗(yàn)結(jié)果指出，阱的腐蝕深度為硅形變膜的初始厚度(圖1中凸型梁的厚度)相當(dāng)，對(duì)應(yīng)于正壓 Γ IO5^r IO6Pa量程的傳感器，深度在20微米到80微米，方形阱腐蝕完成后用SW2腐蝕液去除表面全部氧化層，得到表面有方形腐蝕阱的硅片。然后進(jìn)行硅片對(duì)的高溫鍵合與高過載真空保護(hù)腔的制備，高過載真空保護(hù)腔有兩個(gè)作用，首先是實(shí)現(xiàn)傳感器的高過載保護(hù)，當(dāng)外加壓力超過量程較多時(shí)，形變梁與真空腔底接觸，從而改變了形變梁的應(yīng)力分布，特別是減小了容易斷裂的邊緣切變應(yīng)力，達(dá)到過載能力到量程50倍以上且外力撤除，應(yīng)變片恢復(fù)的功能；其次是能實(shí)現(xiàn)正負(fù)壓都能工作的功能，該腔的形成與硅片鍵合同時(shí)進(jìn)行，不需要抽真空；具體制備工藝如下選擇表面不平整度小于0. 5納米、(100)晶向的平整P型單晶硅片，用微電子器件工藝常用的清洗液去除有機(jī)污染和金屬離子污染后，用上述同樣的氧化條件，氧化0.5微米厚度的SiO2氧化層。將
7該氧化片與前述已經(jīng)形成方形阱且去除表面全部氧化層的硅片作親水處理，即在硫酸雙氧水=8 1 (體積比)溶液中煮沸20分做表面親水處理，在氧氣氛下將兩個(gè)作過親水處理的硅片拋光面相對(duì)，即將一片生長S^2的拋光面與另一片帶方形腐蝕阱的表面相對(duì)，使其在氧氣氛下吸合后推入石英管，再在1180°C的4/ (氫氧)合成水氣氛下高溫鍵合2小時(shí)， 形成結(jié)合牢固的鍵合對(duì)；由于待鍵合的兩片硅片表面有很強(qiáng)的親水性，所以在互相貼近時(shí)能自動(dòng)吸合，保證在腐蝕阱中充滿的是氧氣，這樣，在高溫鍵合時(shí)腔體內(nèi)的氧氣與硅氧化殆盡，形成真空腔，滿足絕壓式傳感器要求(見圖1所示)?？紤]到硅氧化時(shí)初始速率高需要氧氣多，從而保證在高溫鍵合時(shí)能把腔中氧氣全部消耗，形成絕壓結(jié)構(gòu)需要的真空腔體，所以本發(fā)明的兩片硅片采用一片氧化，另一片裸硅，而不采用兩邊都是裸硅的方法鍵合，帶氧化層鍵合的效果比硅-硅鍵合結(jié)合強(qiáng)度高，在兩片硅片間即使有微小顆粒，也能因水氣的高速氧化速率而結(jié)合牢固。再對(duì)上述結(jié)合牢固的鍵合對(duì)的上部平整硅片進(jìn)行減薄與拋光后，成為壓力傳感器的形變片，鍵合對(duì)的減薄和拋光決定了傳感器的量程，選用機(jī)械減薄機(jī)粗減，用拋光法精減，粗減后的鍵合的單晶硅表面層的最終厚度比量程要求厚度厚100微米，然后用無蠟拋光技術(shù)拋光，達(dá)到要求厚度和鏡面光潔度；為了減少機(jī)械應(yīng)力的引入，機(jī)械減薄時(shí)的轉(zhuǎn)速或切削速率必需嚴(yán)格控制，合適的控制以減薄、拋光后不明顯提高原硅片的位錯(cuò)密度為條件， 為了避免表面單晶層的厚度不均勻性因硅片平行度的差異導(dǎo)入，拋光必需采用真空吸附的無蠟拋光。然后，對(duì)方形阱上的形變片光刻，腐蝕，制備凸型梁(見圖1的傳感器結(jié)構(gòu)和圖4的工藝流程示意)，凸型梁可以使形變膜的形變中性軸向下移動(dòng)[2]，在應(yīng)力放大的同時(shí)也加大了拉應(yīng)力保護(hù)，提高了過載能力；凸型梁的寬度一般為方形腐蝕阱邊長的359Γ40%，將減薄后的鍵合對(duì)熱氧化，在拋光表面生長0. 5微米以上SW2層，光刻保護(hù)傳感器形變膜上凸型梁的凸出區(qū)域，開出腐蝕窗口，在前述KOH腐蝕液中用相同條件腐蝕形變膜上凸型梁的凸出區(qū)域兩邊的硅，形成凸型結(jié)構(gòu)，腐蝕深度即凸出高度為未腐蝕時(shí)形變片厚度的509Γ60%; 為了使電阻與引線的等平面，減小熱應(yīng)力，在前述SiO2腐蝕液中剝離表面SiO2層，光刻出沿梁寬度方向排列的壓敏電阻橋窗口，以光刻膠作屏蔽，用離子注入摻雜制備需要阻值的壓敏電阻(在^TlOK歐姆)。壓敏電阻必須滿足1^= = = 且同方向排列，I 2，R3盡量對(duì)稱靠近形變膜的中線，R1與R4對(duì)稱地距離方形阱邊緣0. 05a (a為方形腐蝕阱的邊長)，這樣能使&與R3的縱橫向應(yīng)力近似相等，傳感器的線性度主要由隊(duì)和R4決定，降低了壓敏電阻的設(shè)計(jì)難度。^RijR25R3, R4分別串聯(lián)，再并聯(lián)成電阻橋(如圖3所示)，在隊(duì)和1 2的相接端與電源的正極(V+)連接，R3和R4的相接端與電源的負(fù)極(V-)連接，則可以從R1與&的相接端和民與禮的相接端測(cè)到傳感器的壓敏信號(hào)輸出(Vout)，因?yàn)樾巫兤暮穸却蟠笮∮诜叫涡巫兤拈L度，可作二維簡化處理，用板殼理論的伽遼金法(S.鐵摩辛柯，S.沃諾斯基著， 板橋理論翻譯組譯，板橋理論，科學(xué)出版社，1977)計(jì)算后，結(jié)合硅壓敏電阻的計(jì)算(鮑敏杭， 吳憲平，集成傳感器，第三章集成壓力傳感器，國防工業(yè)出版社，1987)，可以得到該傳感器的輸出信號(hào)大小為
ΤΓ T R1Rd-R2R3 T ri KP Irn ,^a3P
Kiit = h D , D , D , D = hK ——=7 VVW —σ,^-ΤΤ"
R1 + R3 + R3 + R4a 4^ kJ
式中，IQ，R0為未加壓時(shí)電阻橋的電流和初始電阻；P為外加壓強(qiáng)；P44=IOO' IO-11Hi2ZiN為硅的剪切壓阻系數(shù)，表示剪切應(yīng)力對(duì)電阻率張量得影響；K為壓敏電阻的壓力靈敏度系數(shù)；sx，sy分別為禮或禮的沿χ向和y方向的剪切應(yīng)力(兩電阻位置對(duì)稱，剪切應(yīng)力相等)；h為凸型梁腐蝕深度為初始形變片厚度一半時(shí)的形變膜厚度；壓敏電阻的互聯(lián)線用蒸發(fā)或?yàn)R射沉積的1.廣1.3微米厚的鋁膜光刻得到，根據(jù)圖3，設(shè)計(jì)光刻互聯(lián)線版圖，注意讓電源和信號(hào)輸出壓點(diǎn)離開方形阱邊緣100微米左右，避免封裝時(shí)超聲焊接造成芯片損壞， 互聯(lián)線光刻腐蝕后，需要作合金化處理，使互聯(lián)線與壓敏電阻形成良好的接觸。條件為在 N275%+H225%的混合氣氛中做420°C，30分合金熱處理。這樣，壓力傳感器的芯片已經(jīng)制備完成。本發(fā)明的壓力傳感器的壓敏電阻橋設(shè)置不是常規(guī)的沿方形腔四邊，而是先形成凸型梁，把壓敏電阻橋的四個(gè)電阻設(shè)置在凸型梁上，配合凸型梁對(duì)應(yīng)力的放大，使本發(fā)明得到的壓力傳感器的靈敏度比普通硅基壓力傳感器高一倍以上，也大大提高了傳感器的線性度。圖5，圖6給出了一個(gè)絕壓式硅基高過載壓力傳感器的信號(hào)輸出特性，它的量程為 O-IO5Pa
在量程范圍內(nèi)的正負(fù)壓非線性度分別為0. 086%和0. 098%,正壓加到6Mpa，樣品壓力撤除后恢復(fù)性能。樣品在0°C到80°C時(shí)不加外壓(由于是真空腔，實(shí)際相當(dāng)于加1個(gè)大氣壓強(qiáng))輸出電壓的溫飄在400ppm/°C，控制壓敏電阻的溫度系數(shù)和改進(jìn)封裝結(jié)構(gòu)，可進(jìn)一步降低溫飄。從上可見，該傳感器樣品的各種性能均符合本發(fā)明前述的優(yōu)點(diǎn)。
9
權(quán)利要求
1.一種高過載、可恢復(fù)壓力傳感器，其特征在于采用如下方法制備1)選擇厚度不均勻小于0.01微米的(100)晶向單晶硅基片；2)使步驟1所述的單晶硅基片表面生長0.5微米的S^2腐蝕保護(hù)層，對(duì)硅片表面進(jìn)行光刻，形成方形阱腐蝕窗口，去除窗口 SiA氧化層，然后用KOH腐蝕液做定向腐蝕，對(duì)于 Γ IO5^r IO6Pa量程的傳感器，腐蝕深度在20微米到80微米，方形阱腐蝕完成后去除表面全部氧化層，得到表面有方形腐蝕阱的單晶硅基片；3)選擇表面不平整度小于0.5納米(100)晶向的P型單晶硅片，去除有機(jī)污染和金屬離子污染后，氧化0. 5微米厚度的S^2氧化層，將該氧化后的P型單晶硅片與前述已經(jīng)形成方形阱且去除表面全部氧化層的單晶硅基片作親水處理，在氧氣氛下將兩個(gè)作過親水處理的硅片拋光面相對(duì)，即將一片生長SiO2的拋光面與另一片帶方形腐蝕阱的表面相對(duì)，使其在氧氣氛下吸合后推入石英管，再在1180°C的4/ 合成水氣氛下高溫鍵合2小時(shí)，形成結(jié)合牢固的鍵合對(duì)；4)對(duì)上述結(jié)合牢固的鍵合對(duì)的無腐蝕坑側(cè)硅片進(jìn)行減薄與拋光后，成為壓力傳感器的形變片；5)將減薄拋光后的鍵合對(duì)熱氧化，在拋光表面生長0.5微米厚SiO2層，光刻保護(hù)傳感器形變片上凸型梁的凸出區(qū)域，開出腐蝕窗口，腐蝕凸型梁兩邊的硅達(dá)到需要厚度，形成凸型梁結(jié)構(gòu)，凸型梁的寬度和腐蝕深度根據(jù)形變片的面積、厚度，用材料力學(xué)板殼理論應(yīng)力計(jì)算，凸型梁的寬度為方形腐蝕阱邊長的359Γ40%，腐蝕深度即凸出高度為未腐蝕時(shí)形變片厚度的509Γ60% ；在S^2腐蝕液中剝離表面S^2層，光刻出沿凸型梁寬度方向排列的壓敏電阻橋窗口，以光刻膠作屏蔽，用離子注入摻雜制備阻值為5 10Κ Ω的壓敏電阻，壓敏電阻必須滿足I^1=K=R3=R4且同方向排列，R2, R3盡量對(duì)稱靠近凸型梁的X方向上的中線，R1與R4 相對(duì)于凸型梁的X方向上的中線對(duì)稱，離方形阱邊緣的距離為0. 05的方形阱邊長，將R1, R2 ；R3和R4互聯(lián)，即將R1, R2 ；R3, R4分別串聯(lián)，再并聯(lián)成電阻橋，在R1和R2的相接端與電源的正極連接，R3和R4的相接端與電源的負(fù)極連接，從R1與&的相接端和R3與R4的相接端測(cè)到傳感器的壓敏信號(hào)輸出，互聯(lián)線光刻腐蝕后需要作合金化處理，使互聯(lián)線與壓敏電阻形成良好的接觸。
2.如權(quán)利要求1所述的一種高過載、可恢復(fù)壓力傳感器的制備方法，包括如下步驟1)選擇厚度不均勻小于0.01微米的(100)晶向單晶硅基片；2)使步驟1所述的單晶硅基片表面生長0.5微米的SiO2腐蝕保護(hù)層，對(duì)硅片表面進(jìn)行光刻，形成方形阱腐蝕窗口，去除窗口 SiA氧化層，然后用KOH腐蝕液做定向腐蝕，對(duì)于 Γ IO5^r IO6Pa量程的傳感器，腐蝕深度在20微米到80微米，方形阱腐蝕完成后去除表面全部氧化層，得到表面有方形腐蝕阱的單晶硅基片；3)選擇表面不平整度小于0.5納米(100)晶向的P型單晶硅片，去除有機(jī)污染和金屬離子污染后，氧化0. 5微米厚度的S^2氧化層，將該氧化后的P型單晶硅片與前述已經(jīng)形成方形阱且去除表面全部氧化層的單晶硅基片作親水處理，在氧氣氛下將兩個(gè)作過親水處理的硅片拋光面相對(duì)，即將一片生長SiO2的拋光面與另一片帶方形腐蝕阱的表面相對(duì)，使其在氧氣氛下吸合后推入石英管，再在1180°C的4/ 合成水氣氛下高溫鍵合2小時(shí)，形成結(jié)合牢固的鍵合對(duì)；4)對(duì)上述結(jié)合牢固的鍵合對(duì)的無腐蝕坑側(cè)硅片進(jìn)行減薄與拋光后，成為壓力傳感器的形變片；5)將減薄拋光后的鍵合對(duì)熱氧化，在拋光表面生長0. 5微米厚SiO2層，光刻保護(hù)傳感器形變片上凸型梁的凸出區(qū)域，開出腐蝕窗口，腐蝕凸型梁兩邊的硅達(dá)到需要厚度，形成凸型梁結(jié)構(gòu)，凸型梁的寬度和腐蝕深度根據(jù)形變片的面積、厚度，用材料力學(xué)板殼理論應(yīng)力計(jì)算，凸型梁的寬度為方形腐蝕阱邊長的359Γ40%，腐蝕深度即凸出高度為未腐蝕時(shí)形變片厚度的509Γ60% ；在S^2腐蝕液中剝離表面S^2層，光刻出沿凸型梁寬度方向排列的壓敏電阻橋窗口，以光刻膠作屏蔽，用離子注入摻雜制備阻值為5 10Κ Ω的壓敏電阻，壓敏電阻必須滿足I^1=K=R3=R4且同方向排列，R2, R3盡量對(duì)稱靠近凸型梁的X方向上的中線，R1與R4 相對(duì)于凸型梁的X方向上的中線對(duì)稱，離方形阱邊緣的距離為0. 05的方形阱邊長，將R1, R2 ；R3和R4互聯(lián)，即將R1, R2 ；R3, R4分別串聯(lián)，再并聯(lián)成電阻橋，在R1和R2的相接端與電源的正極連接，R3和R4的相接端與電源的負(fù)極連接，從R1與&的相接端和R3與R4的相接端測(cè)到傳感器的壓敏信號(hào)輸出，互聯(lián)線光刻腐蝕后需要作合金化處理，使互聯(lián)線與壓敏電阻形成良好的接觸。
3.如權(quán)利要求2所述的一種高過載、可恢復(fù)的硅基壓力傳感器的制造方法，其特征在于所述步驟2)中使步驟1所述的單晶硅基片表面生長0. 5微米的S^2腐蝕保護(hù)層的方法為將其表面在1000°C條件下用干氧氧化20分鐘，接著用氫氧合成水汽氧化2小時(shí)，再干氧氧化30分鐘。
4.如權(quán)利要求2所述的一種高過載、可恢復(fù)壓力傳感器的制造方法，其特征在于所述步驟2)中去除窗口 SiO2氧化層的方法為在氫氟酸乙二胺水=1:1:3 (體積比)的腐蝕液去除窗口 S^2氧化層。
5.如權(quán)利要求2所述的一種高過載、可恢復(fù)壓力傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及制造方法，其特征在于所述步驟2)中用KOH腐蝕液做定向腐蝕，KOH腐蝕液的質(zhì)量百分濃度為0. 2 0. 5%，腐蝕時(shí)的溫度在50°(T65°C。
6.如權(quán)利要求2所述的一種高過載、可恢復(fù)壓力傳感器的制造方法，其特征在于所述步驟2)中方形阱腐蝕完成后去除表面全部氧化層是指用3102腐蝕液去除表面全部氧化層。
7.如權(quán)利要求2所述的一種高過載、可恢復(fù)的壓力傳感器的結(jié)制造方法，其特征在于 所述步驟3)中在P型單晶硅片表面氧化0. 5微米厚度的S^2氧化層的方法為將其表面在 IOOO0C條件下用干氧氧化20分鐘，接著用氫氧合成水汽氧化2小時(shí)，再干氧氧化30分鐘。
8.如權(quán)利要求2所述的一種高過載、可恢復(fù)的壓力傳感器的制造方法，其特征在于所述步驟3)中將該氧化后的P型單晶硅片與前述已經(jīng)形成方形阱且去除表面全部氧化層的單晶硅基片作親水處理的方法為在硫酸雙氧水=8 1 (體積比)溶液中煮沸20分做表面親水處理。
9.如權(quán)利要求2所述的一種高過載、可恢復(fù)壓力傳感器的制造方法，其特征在于所述步驟4)中對(duì)步驟3)中形成的結(jié)合牢固的鍵合對(duì)的無腐蝕坑側(cè)硅片進(jìn)行減薄與拋光的方法為選用機(jī)械減薄機(jī)粗減，用拋光法精減，粗減后的鍵合的單晶硅表面層的最終厚度比量程要求厚度厚100微米，然后用無蠟拋光技術(shù)拋光，達(dá)到要求厚度和鏡面光潔度。
10.如權(quán)利要求2所述的一種高過載、可恢復(fù)壓力傳感器的制造方法，其特征在于所述步驟5)中對(duì)壓敏電阻的互聯(lián)線的制備方法為需要先蒸發(fā)或?yàn)R射沉積1.廣1. 3微米厚鋁膜，設(shè)計(jì)光刻互聯(lián)線版圖，注意讓電源和信號(hào)輸出壓點(diǎn)離開方形阱邊緣100微米；所述步驟5)中合金化處理的條件為將鍵合對(duì)置于隊(duì)75% (體積分?jǐn)?shù))+H225% (體積分?jǐn)?shù))的混合氣氛中對(duì)壓敏電阻的互聯(lián)線做420°C，30分合金熱處理。
全文摘要
本發(fā)明涉及硅基壓力傳感器，特指一種高過載、高線性度、絕壓式、可恢復(fù)硅基壓力傳感器及制造方法。本發(fā)明通過壓敏電阻排列和凸型梁的放大作用，使本發(fā)明制備的硅基壓力傳感器不經(jīng)放大的信號(hào)輸出靈敏度是常規(guī)硅基壓力傳感器的兩倍以上，而且可以根據(jù)量程選用合適的凸型梁的厚度和寬度比，得到最大信號(hào)輸出。該發(fā)明基于傳統(tǒng)硅基壓力傳感器制備原理，利用微電子器件制造技術(shù)和MEMS技術(shù)，芯片體積小，成本較低，收益高。
文檔編號(hào)B81C1/00GK102390803SQ20111024957
公開日2012年3月28日 申請(qǐng)日期2011年8月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月29日
發(fā)明者李金華 申請(qǐng)人:常州大學(xué)