专利名称：硅微机械压力开关、制作方法及其应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种硅微机械压力开关、制作方法及其应用，更确切地说是
一种基于MEMS (Micro Electro-Mechanical System)技术的微机械压力开关， 当轮胎爆胎后，该开关能迅速闭合，从而接通轮胎制动装置电路，使轮胎快 速制动。属微电子机械系统(MEMS)领域。
背景技术：
据公安部统计，在中国高速公路上发生的交通事故有70%是由于爆胎引 起的，而在美国这一比例则高达80%。目前用于爆胎事故的代表性装置为胎 压监视系统(TPMS)和自支持轮胎(PRX)。
胎压监视系统(TPMS)主要用于实时监测轮胎压力，主要有两种解决 方案(直接系统和间接系统)。直接式轮胎压力监测系统利用安装在每一个轮 胎里的压力传感器直接测量轮胎的压力，并对各轮胎压力进行显示及监控， 当轮胎气压太低或有渗漏时，系统会自动报警。间接式轮胎压力监测系统是 通过汽车ABS系统的轮速传感器来比较轮胎之间的转速差别，以达到监控胎 压的目的。直接式轮胎压力监控系统又分为主动式和被动式两种。主动式系 统是釆用在硅基上利用MEMS工艺制作电容式或者压阻式压力传感器，将压 力传感器安装在每个轮圈上，通过无线射频的方式将信号传输出去，安装在 驾驶室里的无线接收装置接收到该压力敏感信号，经过一定的信号处理，显 示出当前的轮胎压力。被动式轮胎压力监控系统的传感器是采用声表面波来 设计的，这种传感器通过射频电场产生一个声表面波，当这个声表面波通过 压电衬底材料表面时，就会产生变化，通过检测声表面波的这个变化，就可 以知道轮胎压力的情况。
TPMS产品已经相当成熟，能够经受5—7万公里的使用测试，TPMS传 感器是一个集成了半导体压力传感器、半导体温度传感器、数字信号处理单 元和电源管理器的片上系统模块。为了强化胎压检测功能，有不少TPMS传
4感器模块内还增加了功能芯片使得TPMS传感器不仅能实时检测汽车开动中 的轮胎压力和胎内温度的变化，而且还能实现汽车移动即时开机、自动唤醒、
节省电能等功能。TPMS的压力传感器主要是用基于MEMS技术来设计、生 产的，主要有硅集成电容式压力传感器，如飞思卡尔的MPXY8020、 MPXY8040;硅压阻式压力传感器，如GE NovaSensor的NPX1、NPXC01746， Infineon SensoNor的SP12、 SP12T、 SP30。硅压阻式压力传感器是采用高精 密半导体电阻应变片组成惠斯顿电桥作为力电变换测量电路。
TPMS技术核心是对轮胎气压、温度进行即时监测，向驾驶员作出信息 预警，现有TPMS技术的目标为轮胎信息预警提示，且基于省电模式下的信 号采样频率受到限制，该技术方案设置的轮胎气压采样频率(每6秒采样一 次)无法对突发的爆胎(O.l秒左右)信号进行实时监测采样，因此，TPMS 技术产品无法对爆胎灾难实施救助。
PRX核心是降低轮胎的截面高度，设置专门的轮辋圈箍，在轮胎泄气后 用圈箍支撑轮胎，降低爆胎事故的风险。TPMS和PRX技术均未涉及汽车爆胎 后的主动防护救济，且PRX产品由于价格因素和作用十分有限，特别是轮胎 截面高度降低后刚度增加，车轮附着力下降而必须增加轮胎宽度，导致滚动 阻力增大而增加油耗，轮胎截面降低大大降低了轮胎的减震性能，使汽车舒 适度性能下降，应用范围和应用前景不容乐观。
采用硅微机械压力开关的制动系统的工作过程为，当轮胎爆胎后，该硅 压力开关能迅速闭合(0.2-0.5秒左右)，从而接通轮胎制动装置电路，制动 器单元瞬间爆发出强大的制动力，使车辆的行车方向不变，从而有效防止了 爆胎方向偏航，制动更能使汽车行驶速度快速降低，彻底化解爆胎风险。采 用该硅压力开关的一大优点在于，该开关不用耗电。
发明内容
为了克服现有的爆胎装置的不足，本发明的目的之一是提供一种硅微机 械压力开关，压力开关的结构如图l所示。该压力开关包括上下两个硅片电 极和金属管壳，两电极间有二氧化硅作为绝缘层进行隔离，其中上硅片电极 包括有硅弹性薄膜、节流槽、上电极金薄膜、框架，下硅片电极包括有导流 孔、下电极金薄膜，导流孔正对硅弹性薄膜的中心，所述的上、下两电极主题由硅材料组成，封装在金属管壳中，形成比较大的空气腔，上下电极通过 两个管脚引出。其工作原理是，未爆胎时，空气腔中的气压与轮胎中的气压 相等，此时硅弹性薄膜的上表面和下表面的气压相等，硅弹性薄膜未变形， 因为上电极与下电极被二氧化硅所绝缘，所以未爆胎时该开关断开，当爆胎 时，因为导流孔的尺寸远大于节流槽的尺寸，所以硅弹性薄膜下表面的压强 迅速与大气压相同，硅弹性薄膜上下表面产生压力差，硅弹性薄膜产生变形， 从而与下电极硅片接触，开关闭合，闭合一段时间后，硅弹性薄膜的上下表 面气压相等，硅弹性薄膜返回原位，开关断开。对于慢漏气，由于节流槽的 存在，硅弹性薄膜上下表面建立不起足够的压力差，开关不动作。同时，上 硅片电极中的框架被二氧化硅覆盖，这样开关就不会因边缘的接触而接通。
该压力开关空气腔上面有金属管帽，上硅片电极上有正方形的硅弹性薄 膜，且至少有一个节流槽，用于控制空气腔中的气体进出。硅弹性薄膜的下 表面没有被二氧化硅覆盖，同时，下电极硅片上的导流孔的位置可以与硅弹 性薄膜的中心正对，用于使硅弹性薄膜下方的压强尽快与周围的压强相同。
上、下硅片电极间由二氧化硅作为绝缘层进行隔离，使上、下硅片电极 间有一定间隙，硅弹性薄膜上无绝缘层材料，且溅射一定厚度的金，保证硅 弹性薄膜形成后与下电极硅片有良好的电接触。下电极表面被金膜层覆盖， 保证硅弹性薄膜形变后与下电极有良好的电接触。
本发明的目的之一是提供所述的压力开关的制作方法，具体工艺步骤包 括节流槽的形成、框架的形成、硅弹性薄膜的形成、电接触硅膜图形的形成、 电接触金膜图形的形成、导流孔的形成、上下电极粘合和器件封装等。具体 特征在于
(1) 在抛光的单晶硅片上，高温氧化形成热氧化硅，作为湿法腐蚀的掩模。 光刻节流槽的图形，以光刻胶为掩模，先用加缓冲剂的稀氢氟酸腐蚀 氧化硅，然后去胶，以氧化硅为掩模，用KOH在一定温度下湿法腐蚀 单晶硅，形成节流槽。
(2) 在步骤(l)所用硅片上，高温氧化形成热氧化硅，作为湿法腐蚀的掩模。 光刻框架的图形，以光刻胶为掩模，先用加缓冲剂的稀氢氟酸腐蚀氧
化硅，然后去胶，以氧化硅为掩模，用KOH在一定温度下湿法腐蚀单 晶硅，形成框架。(3) 在步骤(2)所用硅片上，高温氧化形成热氧化硅，作为湿法腐蚀的掩模。 光刻硅弹性薄膜的图形，以光刻胶为掩模，先用加缓冲剂的稀氢氟酸
腐蚀氧化硅，然后去胶，以氧化硅为掩模，用KOH在一定温度下湿法 腐蚀单晶硅，形成硅弹性薄膜。
(4) 在步骤(3)所用硅片上，高温氧化形成热氧化硅，光刻电接触硅膜图形， 以光刻胶为掩模，用加缓冲剂的稀氢氟酸腐蚀氧化硅，形成电接触硅 膜图形。
(5) 在步骤(4)所用硅片上，溅射金，光刻电接触金膜图形，以光刻胶为掩 模，用碘化钾腐蚀液腐蚀金，形成电接触金膜图形。
(6) 在抛光的另一片硅片上，高温氧化形成热氧化硅，作为湿法腐蚀的掩 模。光刻导流孔的图形，以光刻胶为掩模，先用加缓冲剂的稀氢氟酸 腐蚀氧化硅，然后去胶，以氧化硅为掩模，用KOH在一定温度下湿法 腐蚀单晶硅，形成导流孔。
(7) 在步骤(6)所用硅片上，溅射金，形成下电极金薄膜，使用金硅键合技 术将上下电极硅片粘合在一起，在上下表面溅射金。
(8) 用导电胶将器件粘在管座上，上电极用金线引到管脚上，封帽。 本发明所涉及的压力开关的主要用途就是，当轮胎爆胎后，该开关能迅
速闭合(0.2-0.5秒)，从而接通轮胎制动装置电路，使轮胎快速制动。在开 关闭合一段时间后，开关自动复位。目前的压力开关多为机械式压力开关， 其体积较大，而微机械压力开关采用MEMS技术后不仅使开关的尺寸减小， 而且因所有的结构都由硅材料构成，便于将制动装置电路整合到传感器中， 真正实现集传感和电路于一体的MEMS系统。
图l是本发明提出的微机械压力开关结构剖面图。
图2是具体实施方式
所述器件的具体工艺流程。
图2-l节流槽的形成
图2-2框架的形成
图2-3硅弹性薄膜的形成
图2-4电接触硅膜图形的形成图2-5电接触金膜图形的形成
图2-6导流孔的形成 图2-7金硅键合
图中
l.硅片l， 2.节流槽，3.绝缘层，4.框架，5.管帽，6.导流孔，7.硅弹性薄 膜，8.金薄膜，9.硅片2， IO管座，ll引脚。
具体实施例方式
下面结合本发明所提供的工艺流程，来具体阐明该压力开关的具体结构。
(1) 在抛光的单晶硅片l上，高温氧化形成热氧化硅，氧化层厚度为0.5微 米，作为湿法腐蚀的掩模。光刻节流槽的图形，以光刻胶为掩模，先 用加缓冲剂的稀氢氟酸(NH4F:HF=7:1)腐蚀氧化硅，然后去胶，以氧 化硅为掩模，用KOH在湿法腐蚀单晶硅，形成至少一个节流槽，节流 槽长为900~1000微米，宽为2 5pm，深为1 2微米。见图2-l。
(2) 在步骤1形成节流槽的抛光的单晶硅片1上，高温氧化形成热氧化硅， 氧化层厚度为0.5微米，作为湿法腐蚀的掩模。光刻框架的图形，以光 刻胶为掩模，先用加缓冲剂的稀氢氟酸(NH4F:HF=7:1)腐蚀氧化硅， 然后去胶，以氧化硅为掩模，用KOH在湿法腐蚀单晶硅，形成框架， 框架长为2800微米，宽为200 300pm，深为20 30微米。见图2画2
(3) 在步骤2形成的框架的抛光的单晶硅片1上，高温氧化形成热氧化硅， 氧化层厚度为2微米，作为湿法腐蚀的掩模。光刻腔的图形，以光刻 胶为掩模，先用加缓冲剂的稀氢氟酸(NH4F:HF=7:1)腐蚀氧化硅，然 后去胶，以氧化硅为掩模，用KOH在湿法腐蚀单晶硅，形成正方形的 硅弹性薄膜，硅弹性薄膜的线性尺寸为lmmXlmm。见图2-3。
(4) 在步骤3形成硅弹性膜的单晶硅片1上，高温氧化形成热氧化硅，氧 化层厚度为1~2微米，光刻电接触硅膜图形，以光刻胶为掩模，用加 缓冲剂的稀氢氟酸腐蚀氧化硅，形成电接触硅膜图形。见图2-4。
(5) 在单晶硅片l上，溅射金，金膜厚度为0.2 0.5微米，光刻电接触金膜 图形，以光刻胶为掩模，用碘化钾腐蚀液腐蚀金，形成电接触金膜图 形。见图2-5。(6) 在抛光的另一单晶硅片2上，高温氧化形成热氧化硅，氧化层厚度为
1~2微米，作为湿法腐蚀的掩模。光刻导流孔的图形，以光刻胶为掩模，
先用加缓冲剂的稀氢氟酸腐蚀氧化硅，然后去胶，以氧化硅为掩模，
用KOH湿法腐蚀单晶硅，形成导流孔，溅射金，金膜厚度为0.2 0.5 微米，形成下电极金薄膜，见图2-6。
(7) 使用金硅键合技术将硅片1和硅片2进行粘合，两面溅射金，金膜厚 度为0.5微米，见图2-7。
(8) 用导电胶将器件粘在管座上，上电极用金线引到管脚上，封帽，形成 最终的开关结构。见图1。
权利要求
1、一种硅微机械压力开关，所述的压力开关包括上、下两个硅片电极和金属管壳，其特征在于上、下硅片电极封装在金属管壳中，形成空气腔；上下两电极间由二氧化硅作为绝缘层进行隔离；使上、下两硅片电极间形成间隙，上硅片电极包括有硅弹性薄膜、至少一个节流槽、金薄膜和框架；下硅片电极包括有导流孔和金薄膜；导流孔正对硅弹性薄膜的中心；硅弹性薄膜位于上硅片电极底部中央，节流槽位于键合后的上、下硅片电极形成的间隙之间，用于控制空气腔中气体的进出；上硅片电极中的框架被二氧化硅覆盖。
2、 按权利要求1所述的硅微机械压力开关，其特征在于所述的上、下硅片电极是通过两个管脚引出的。
3、 按权利要求1所述的硅微机械压力开关，其特征在于所述的硅弹性薄膜的下表面没有二氧化硅覆盖，且溅射金膜；导流孔的尺寸远大于节流槽的尺寸。
4、 按权利要求1或3所述的硅微机械压力开关，其特征在于硅弹性薄膜呈正方形。
5、 按权利要求1所述的硅微机械压力开关，其特征在于上、下硅片电极上的金薄膜厚度为0.2-0.5微米。
6、 制作如权利要求l、 2、 3或5所述的硅微机械压力开关的方法，其特征在于基于MEMS技术制作包括节流槽的形成、框架的形成、硅弹性薄膜的形成、电接触硅膜图形的形成、电接触金膜图形的形成、导流孔的形成、上下电极粘合和器件封装，具体制作步骤是-(a) 在抛光的单晶硅片上，高温氧化形成热氧化硅，作为湿法腐蚀的掩模，光刻节流槽的图形，以光刻胶为掩模，先用加含缓冲剂的稀氢氟酸溶液腐蚀氧化硅，然后去胶，以氧化硅为掩模，用KOH在一定温度下湿法腐蚀单晶硅，形成至少一个节流槽；(b) 在步骤(a)所用硅片上，高温氧化形成热氧化硅，作为湿法腐蚀的掩模。光刻框架的图形，以光刻胶为掩模，先用加缓冲剂的稀氢氟酸腐蚀氧化硅，然后去胶，以氧化硅为掩模，用KOH湿法腐蚀单晶硅，形成框架；(c) 在步骤(b)所用硅片上，高温氧化形成热氧化硅，作为湿法腐蚀的掩模。光刻硅弹性薄膜的图形，以光刻胶为掩模，先用加缓冲剂的稀氢氟酸腐蚀氧化硅，然后去胶，以氧化硅为掩模，用KOH湿法腐蚀单晶硅，形成 硅弹性薄膜；(d) 在步骤(c)所用硅片上，高温氧化形成热氧化硅，光刻电接触硅膜 图形，以光刻胶为掩模，用加缓冲剂的稀氢氟酸腐蚀氧化硅，形成电接触硅 膜图形；(e) 在步骤(d)所用硅片上，溅射金，光刻电接触金膜图形，以光刻胶 为掩模，用碘化钾腐蚀液腐蚀金，形成电接触金膜图形；(f) 在抛光的另一片硅片上，高温氧化形成热氧化硅，作为湿法腐蚀的 掩模。光刻导流孔的图形，以光刻胶为掩模，先用加缓冲剂的稀氢氟酸腐蚀 氧化硅，然后去胶，以氧化硅为掩模，用KOH湿法腐蚀单晶硅，形成导流 孔；(g) 在步骤(f)所用硅片上，溅射金，形成下电极金薄膜，使用金硅键合 技术将上下电极硅片粘合在一起，在上、下电极的表面溅射金；(h) 用导电胶将器件粘在管座上，上电极用金线引到管脚上，封帽，形 成最终的开关结构。
7、 按权利要求6所述的硅微机械压力开关的制作方法，其特征在于所述 的含缓冲剂的稀氢氟酸为质量比为7:1的NH4F和HF的溶液。
8、 按权利要求6所述的硅微机械压力开关的制作方法，其特征在于a) 所述的节流槽长为900-1000微米，宽为2-5微米，深为1-2微米；b) 所述的框架长为2800微米，宽为200-300微米，深为20-30微米；c) 所述的正方形硅弹性薄膜的线性尺寸为1毫米X1毫米。
9、 按权利要求1所述的硅机械压力开关的应用，其特征在于当轮胎爆胎 后，开关迅速闭合，从而接通轮胎制动装置电路，使轮胎快速制动，开关闭 合一段时间后，开关自动复位。
10、 按权利要求9所述的硅机械压力开关的应用，其特征在于开关闭合 时间为0.2秒-0.5秒。
全文摘要
本发明涉及一种硅微机械压力开关、制作方法及其应用。特征在于所述的压力开关的上、下硅片电极封装在金属管壳中，形成空气腔；上下两电极间由二氧化硅作为绝缘层进行隔离；使上、下两硅片电极间形成间隙，上硅片电极包括有硅弹性薄膜、至少一个节流槽、金薄膜和框架；下硅片电极包括有导流孔和金薄膜；导流孔正对硅弹性薄膜的中心；硅弹性薄膜位于上硅片电极底部中央，节流槽位于键合后的上、下硅片电极形成的间隙之间；上硅片电极中的框架被二氧化硅覆盖，制作是基于MEMS技术，包括节流槽的形成、框架的形成、硅弹性薄膜的形成、电接触硅膜图形的形成、电接触金膜图形的形成、导流孔的形成、上下电极粘合和器件封装，主要应用于轮胎爆胎快速制动。
文档编号B81B7/02GK101510482SQ20091004740
公开日2009年8月19日 申请日期2009年3月11日 优先权日2009年3月11日
发明者斌 熊, 王跃林, 荆二荣 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所