一种内嵌式高温无线压力传感器的制造方法
【专利摘要】一种内嵌式高温无线压力传感器，涉及一种压力传感器。设有压力敏感膜、传感器上盖板、电容上下极板、电感线圈、传感器基座与压力参考腔；传感器上盖板上开有方形槽，构成压力敏感膜，传感器上盖板背面制作有电容上极板；传感器基座上开有回形槽，电容下极板与电感线圈制作在传感器基座上，电容下极板上表面与电感线圈上表面平齐，而电感线圈制作在回形槽中；电容上极板、电容下极板与电感线圈均由掺杂金属的硅制作而成，电容上极板与电容下极板构成平行板电容器，电容上极板与电感线圈上分别引出上下层导线，传感器上盖板与传感器基座键合，上下层导线紧密接触，使得电容上极板、电感线圈与电容下极板串联构成标准RLC回路并形成压力参考腔。
【专利说明】一种内嵌式高温无线压力传感器
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种压力传感器，尤其是涉及一种内嵌式高温无线压力传感器。
【背景技术】
[0002]高温极端环境下压力测量是石化生产、航空航天、汽车电子、国防军工等领域必须突破和掌握的基础科学技术之一。耐高温压力传感器作为微机电系统(MEMS)的主要产品之一，在工业和国防军工领域有着广阔的应用需求和前景。具体来讲，在工业上可用于化工反应釜、冶炼塔内、高温油井以及涡轮发动机内燃机的压力检测与控制。在国防军事上可用于航天飞行器的姿态控制、高速飞行器或远程超高速导弹的飞行控制、喷气发动机、火箭、导弹、卫星等耐热腔体和表面的压力测量。随着国民经济和国防现代化的发展，耐高温压力传感器的市场需求将以每年10%~32%的速率增长。
[0003]针对高温极端环境这一难题而设计的耐高温压力传感器已经有广泛的研究和应用，如SOI (绝缘体上硅)硅压力传感器、多晶硅(Ploy-Si)高温压力传感器、SOS蓝宝石高温压力传感器、与SiC压力传感器。
[0004]目前的半导体压力传感器以基于硅的压力传感器为主，但以下几点原因限制了基于硅的压力传感器在高温恶劣环境下的应用:1)由于硅禁带宽度窄，所以其耐高温和抗辐射性能比较差；2)硅容易与介质发生化学反应，被氧化或者被腐蚀；3)在高温条件下硅的机械性能退化，当温度高于50(TC，硅材料将发生热塑性变形，使传感器性能恶化乃至失效。 [0005]SOS压力传感器最高工作温度可以达到350°C，但是其致命缺点是成本高，工艺复杂，成品率低，而且由于外延的硅与蓝宝石间有较大的晶格失配，难以保证长期稳定性。多晶硅与SOI压力传感器最高工作温度较低，一般在200°C左右。SOI材料是在Si材料基础上用SiO2嵌入层以提高电绝缘性。虽然，SOI器件的工作温度可以扩展到400°C左右，但是500°C以上时，硅发生热塑性变形又限制了 SOI器件的应用。
[0006]SiC材料作为第三代直接跃迁型宽禁带的半导体材料，具有宽禁带结构、高击穿电压和较高热导率等特点，以及优良的抗辐射性能和高温稳定性，这些特性使SiC在制造高温器件中具有明显的优势。2005年，Chien-Hung Wu研制出具有3C_SiC/Si02/Si复合层的部分SiC压阻式压力传感器，工作温度范围为-7~400°C，其灵敏度在室温下为177.6mV/￥*?&，在4001:下为63.lmV/V.psi0 SiO2中间层作为绝缘层，克服了高温下漏电流的产生。但是掺杂磷的SiC在高温下相对较低的压阻系数、压敏电阻的温度效应以及SiC与SiO2间的热失配限制了传感器在更高温度下工作。2007年，凯斯西储大学的Li Chen和MehranMehregany报道了第一例全SiC电容式压力传感器,最高工作温度达到574°C。全SiC结构消除了材料热失配。该全SiC电容式压力传感器的缺点在于采用了金属引线，使得传感器性能受到引线寄生电容与高温下欧姆接触比电阻增大的影响，限制了传感器在更高温度下的应用。因此，无线传输结构被引入，以获得能够在更高温度下工作的无线压力传感器。
[0007]无线压力传感器，实质上是一个RLC谐振传感器，是由对外界压力敏感的电容和固定电感构成的谐振电路。这种带无线传输结构的设计，为解决高温恶劣环境下有线测量会产生电路失效和电引线高温退化等问题，提供了一个很好的解决方案。但是，目前所报道的无线压力传感器，RLC谐振电路基本上都是采用金属引线工艺制作，其应用温度很难超过600 °C。美国专利N0.7478562B2公开了高温LC压力传感器，所公开的传感器为SiC-SiO2-SiC三层结构，电容上极板与电容下极板分别制作在上层SiC下表面与下层SiC上表面，使得平行板电容器C内嵌在三层结构当中，而电感L制作在下层SiC底部，与平行板电容器C通过通孔连接，工艺复杂。因此，必须寻找设计新的结构和制备工艺，实现RLC谐振电路电学连接在更高温度下稳定工作，以满足未来航空航天对高温压力传感器的要求。
【发明内容】
[0008]本发明的目的在于针对压力传感器在高温极端恶劣环境下易失效的难题，提供对环境容忍度极高，能够在高温极端环境下稳定工作的一种内嵌式高温无线压力传感器。
[0009]本发明设有压力敏感膜、传感器上盖板、电容上极板、电容下极板、电感线圈、传感器基座与压力参考腔；
[0010]所述传感器上盖板由SiC片制作而成，传感器上盖板上开有方形槽，构成压力敏感膜，传感器上盖板背面制作有电容上极板；所述传感器基座由SiC片制作而成，传感器基座上开有回形槽，电容下极板与电感线圈制作在传感器基座上，电容下极板上表面与电感线圈上表面平齐，而电感线圈制作在回形槽中，以增大电感线圈厚度；电容上极板、电容下极板与电感线圈均由掺杂金属的硅(金属硅化物)制作而成，电容上极板与电容下极板构成平行板电容器，所述电容上极板与电感线圈上分别引出了上层导线和下层导线，传感器上盖板与传感器基座键合，上层导线与下层导线紧密接触，使得电容上极板、电感线圈与电容下极板串联构成标准RLC回路并形成压力参考腔。
[0011]本发明由三大部分构成:电学结构、压力敏感结构与传感器基座。所述电学结构是标准RLC振荡电路，由MEMS工艺制作，内嵌于传感器中。电学结构中所制作的电感线圈构成电感L，所制作电容上极板与电容下极板构成平行板电容C，电感线圈电阻值、电容上极板电阻值、电容下极板电阻值构成回路电阻R，将电感线圈与平行板电容器串联及构成RLC振荡电路。RLC振荡电路与无线检测电路通过电感线圈耦合，构成传感器天线系统，其电学模型如图所示。当外界压力作用与压力敏感膜，压力敏感膜发生形变，改变电容上极板与电容下极板的间距，从而改变平行板电容器电容值，使得传感器天线系统的谐振频率改变。外界压力的变化量与传感器天线系统的谐振频率变化有非常好的线性相关性，通过检测传感器天线系统的谐振频率值便可获得外界压力值。
[0012]所述压力敏感结构由耐高温材料SiC片制作而成的敏感膜片，压力敏感结构，由SiC片经减薄、化学机械抛光(CMP)后，通过ICP刻蚀出方形压力敏感膜，其厚度在10?20 μ m。传感器基座由SiC片制作而成，其厚度为SiC裸片厚度。
[0013]所述传感器电学结构，由掺杂金属所形成的娃化物制作而成。相比于传统的金属引线连接，由金属硅化物所制作的电学结构，避免了金属与半导体间的欧姆接触在高温下易失效的问题。所述电学结构中的电容上极板，为一个方形薄膜结构，其面积大于压力敏感膜的面积，厚度在I?3μπι。所述电学结构中的电容下极板，为一个方形薄膜结构，其面积、厚度与电容上极板一致。电容上极板与电容下极板对称分布，形成平行板电容器。电学结构中的电感线圈上表面与电容下极板上表面平齐，电感线圈厚度大于电容下极板厚度，增大电感线圈厚度的设计是为了减小电感线圈的电阻值，以减小RLC振荡回路电阻值，达到增大RLC振荡电路品质因子的目的。
[0014]所述传感器基座，由SiC片制作而成，其上通过两次ICP刻蚀开有回形槽。上述电感线圈制作在回形槽中，回形槽设计增大了电感线圈的高度。
[0015]所述电学结构在工艺上分两部分制作，第一部分为带有电容上极板的这一层，制作在SiC压力敏感结构背面。第二部分为带有电容下级板与电感线圈的这一层，制作在SiC传感器基座上。上述两部分结构经过键合工艺形成完整的RLC振荡电路电学结构与压力参考腔，同时完成了内嵌式无线压力传感器的制作。
[0016]本发明的具体工艺制作过程将在具体实施例中给出。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1为本发明整体结构示意图。
[0018]图2为传感器天线系统电学模型图。
[0019]图3为本发明结构爆炸图。
[0020]图4为本发明主要工艺流程图。
[0021]图中各标记为:1、压力敏感膜；2、传感器上盖板；3、电容上极板；4、电容下极板；
5、电感线圈；6、传感器基座；7、压力参考腔；8、上层导线；9、下层导线；10、SiC-a ;11、回形槽；12、下 PSG 绝缘层;13、S1-a ;14、回形凹坑；15、SiC_b ;16、上 PSG 绝缘层;17、Si_b ;18、PSG保护层。
【具体实施方式】
[0022]参见图1?4，本发明实施例设有压力敏感膜1、传感器上盖板2、电容上极板3、电容下极板4、电感线圈5、传感器基座6与压力参考腔7。所述传感器上盖板2由SiC片制作而成，传感器上盖板上开有方形槽，构成压力敏感膜1，传感器上盖板2背面制作有电容上极板3 ;所述传感器基座6由SiC片制作而成，传感器基座6上开有回形槽，电容下极板4与电感线圈5制作在传感器基座6上，电容下极板4上表面与电感线圈5上表面平齐,而电感线圈5制作在回形槽中，以增大电感线圈5厚度；电容上极板3、电容下极板4与电感线圈均由掺杂金属的硅(金属硅化物)制作而成，电容上极板3与电容下极板4构成平行板电容器，所述电容上极板3与电感线圈5上分别引出了上层导线8和下层导线9，传感器上盖板2与传感器基座6键合，上层导线8与下层导线9紧密接触，使得电容上极板3、电感线圈5与电容下极板4串联构成标准RLC回路并形成压力参考腔7。
[0023]图4给出本发明的详细工艺过程，步骤如下:
[0024]取片源SiC-alO，溅射一层Ni作为后续ICP刻蚀掩膜，光刻开窗，形成图案化Ni掩膜。对SiC-a片进行两次ICP刻蚀，获得回形槽11。经LPCVD沉积一层PSG绝缘层12，其厚度为200?800纳米。PSG绝缘层12不仅作为电学隔离的绝缘层，在后续ICP刻蚀电容下极板4与电感线圈5的工艺中还起到刻蚀自停止层作用。
[0025]取片源Si_al3，与带PSG的SiC-alO真空键合，得到图(b)所示带腔体的双层结构。采用湿法腐蚀或者研磨工艺，减薄带腔体双层结构，得到图(C)所示减薄的带腔体双层结构。加热SiC-Si双层结构至硅的熔融温度，在键合腔室内外压力差作用下，使熔融态硅回流，并填充至Sic-al3上的回形槽11内，在回形槽11上方位置会形成回形凹坑14，得到图4(d)所示结构。通过研磨化学机械抛光得到图4(e)所示平整的SiC-Si双层结构，其中Si层厚度为3?10 μ m。Si层进行第一次ICP刻蚀，形成下层导线9结构，ICP刻蚀深度决定了电容下极板3与电容下极板4间距，得到结构如图4(f)所示。再对Si层进行第二次ICP刻蚀，刻蚀出电感线圈5结构与电容下极板4结构，如图4(g)所示。然后对Si层进行高温金属掺杂，形成导电性极好的金属硅化物。
[0026]取片源SiC_bl5，通过LPCVD在SiC-b背面生长一层PSG绝缘层16。取片源Si_bl7，将带PSG绝缘层16的SiC-bl5与S1-al7真空键合，得到SiC-Si双层结构，如图4 (j)所示。对Si层进行减薄，减薄可以采用湿法腐蚀或者研磨，再进行化学机械抛光，得到I?3μπι的Si层。ICP刻蚀Si层，形成电容上极板3结构与上层导线8结构，如图4(1)所示。然后往Si层里掺杂金属，形成导电性极好的金属硅化物。
[0027]将上述Si_al3片与Si_bl7片真空键合，构成压力参考腔7，上层导线8与下层导线9紧密连接，将电感线圈5与由电容上极板3和电容下极板4构成的平行板电容器串联，构成RLC振荡回路，从而得到本发明内嵌式无线传感器电学结构，如图4(n)所示。研磨化学机械抛光SiC-bl5，将SiC-bl5厚度减小到20?30 μ m。ICP刻蚀SiC_bl5，刻蚀出方形压力敏感膜I。最后通过LPCVD，长一层PSG保护层18，将传感器包裹起来，起到保护作用。
[0028]本发明的具体工作过程如下:
[0029]本发明为用于高温极端环境下的内嵌式无线压力传感器。基于无线传输结构的无线测量方法的电学模型为一传感器天线系统，如图3所示。当外界压力作用与压力敏感膜1，压力敏感膜I发生形变，改变电容上极板3与电容下极板4的间距，从而改变平行板电容器电容值，使得传感器天线系统的谐振频率改变。外界压力的变化量与传感器天线系统的谐振频率变化有非常好的线性相关性，通过检测传感器天线系统的谐振频率值便可获得外界压力值。
【权利要求】
1.一种内嵌式高温无线压力传感器，其特征在于设有压力敏感膜、传感器上盖板、电容上极板、电容下极板、电感线圈、传感器基座与压力参考腔； 所述传感器上盖板上开有方形槽，构成压力敏感膜，传感器上盖板背面设有电容上极板；所述传感器基座上开有回形槽，电容下极板与电感线圈设在传感器基座上，电容下极板上表面与电感线圈上表面平齐，电感线圈设在回形槽中；电容上极板与电容下极板构成平行板电容器，所述电容上极板与电感线圈上分别引出上层导线和下层导线，传感器上盖板与传感器基座键合，上层导线与下层导线紧密接触，使得电容上极板、电感线圈与电容下极板串联构成标准RLC回路并形成压力参考腔。
2.如权利要求1所述一种内嵌式高温无线压力传感器，其特征在于所述传感器上盖板由SiC片制作而成。
3.如权利要求1所述一种内嵌式高温无线压力传感器，其特征在于所述传感器基座由SiC片制作而成。
4.如权利要求1所述一种内嵌式高温无线压力传感器，其特征在于所述电容上极板、电容下极板与电感线圈均由金属硅化物制作而成。
【文档编号】G01L1/10GK103926026SQ201410182582
【公开日】2014年7月16日 申请日期:2014年5月4日 优先权日:2014年5月4日
【发明者】王凌云, 周如海, 蔡建法, 郑成, 何勇, 陈丹儿 申请人:厦门大学