压力传感器论文和设计-罗应树

全文摘要

一种压力传感器，包括：基底，所述基底中具有第一导压孔；位于基底上表面上的第一半导体层，第一半导体层中具有第二导压孔，第二导压孔与第一导压孔连通，第一半导体层的部分下表面与基底的部分上表面之间具有隔离缝隙；位于第一半导体层的上表面上的隔离层，所述隔离层中具有有受压腔体，受压腔体与第二导压孔连通；位于隔离层上的第二半导体层，受压腔体正上方的对应的第二半导体层为应变膜，应变膜的表面具有应变电阻；位于应变膜、应变电阻和受压腔体周围的第一半导体层、隔离层和第二半导体中的隔离槽，所述隔离槽与隔离缝隙连通。本实用新型的压力传感器测量信号漂移较小，测量精度提升。

主设计要求

1.一种压力传感器，其特征在于，包括：基底，所述基底包括下表面和相对的上表面，所述基底中具有贯穿基底上表面和下表面的第一导压孔；位于基底上表面上的第一半导体层，所述第一半导体层具有下表面和相对的上表面，所述第一半导体层中具有贯穿第一半导体层上表面和下表面的第二导压孔，第二导压孔与第一导压孔连通，所述第一半导体层的部分下表面与基底的部分上表面之间具有隔离缝隙，所述隔离缝隙位于第二导压孔一侧；位于第一半导体层的上表面上的隔离层，所述隔离层中具有有受压腔体，所述受压腔体与第二导压孔连通；位于隔离层上的第二半导体层，所述受压腔体正上方的对应的第二半导体层为应变膜，应变膜的表面具有应变电阻；位于应变膜、应变电阻和受压腔体周围的第一半导体层、隔离层和第二半导体中的隔离槽，所述隔离槽与隔离缝隙连通。

设计方案

1.一种压力传感器，其特征在于，包括：

基底，所述基底包括下表面和相对的上表面，所述基底中具有贯穿基底上表面和下表面的第一导压孔；

位于基底上表面上的第一半导体层，所述第一半导体层具有下表面和相对的上表面，所述第一半导体层中具有贯穿第一半导体层上表面和下表面的第二导压孔，第二导压孔与第一导压孔连通，所述第一半导体层的部分下表面与基底的部分上表面之间具有隔离缝隙，所述隔离缝隙位于第二导压孔一侧；

位于第一半导体层的上表面上的隔离层，所述隔离层中具有有受压腔体，所述受压腔体与第二导压孔连通；

位于隔离层上的第二半导体层，所述受压腔体正上方的对应的第二半导体层为应变膜，应变膜的表面具有应变电阻；

位于应变膜、应变电阻和受压腔体周围的第一半导体层、隔离层和第二半导体中的隔离槽，所述隔离槽与隔离缝隙连通。

2.如权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，所述受压腔体位于隔离缝隙正上方的隔离层中，所述受压腔体的尺寸小于隔离缝隙的尺寸。

3.如权利要求2所述的压力传感器，其特征在于，所述受压腔体通过一位于隔离层中的连通槽与第二导压孔连通。

4.如权利要求3所述的压力传感器，其特征在于，所述隔离槽为环形槽，环形槽的两个端部分别位于连通槽两侧的第一半导体层、隔离层和第二半导体中。

5.如权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，所述隔离缝隙为位于基底或者第一半导体层中，所述隔离缝隙的开口位于基底的上表面或者位于第一半导体层的下表面。

6.如权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，所述应变电阻通过对第二半导体层掺杂杂质离子形成。

7.如权利要求6所述的压力传感器，其特征在于，所述应变电阻的数量为4个，所述4个应变电阻通过金属连线连接成惠斯登电桥。

8.如权利要求7所述的压力传感器，其特征在于，第二半导体层上还具有焊盘，所述焊盘与应变电阻或惠斯登电桥电连接。

9.如权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，待测压力的气体或液体通过第一导压孔、第二导压孔进入受压腔体，让受压腔体上方的应变膜发生应变，从而带动应变膜应变电阻应变，通过测量应变电阻的电阻值的变化获得压力的变化。

10.如权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，所述基底为玻璃衬底，所述隔离层的材料为氧化硅，所述第一半导体层和第二半导体层的材料为硅。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及传感器领域，尤其涉及一种压力传感器。

背景技术

传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。

其中，压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，其广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业。

压力传感器种类繁多，有陶瓷压阻式，陶瓷电容式，硅芯体式，硅应变片玻璃微熔式(简称玻璃微熔)，薄膜压阻式。其中硅芯体式压力传感器通常是在硅片的一面制作应变电阻，硅片的另一面作深刻蚀形成腔体和应变膜，最后将硅片邦定在玻璃衬底上并切割分离，形成完整的芯体。

但是现有的硅芯体式压力传感器的测量信号漂移较大，测量精度有待提升。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是怎样减小压力传感器的信号漂移，提高测量的精度。

为了解决上述问题，本实用新型提供了一种压力传感器，其特征在于，包括：

基底，所述基底包括下表面和相对的上表面，所述基底中具有贯穿基底上表面和下表面的第一导压孔；

位于第一半导体层的上表面上的隔离层，所述隔离层中具有有受压腔体，所述受压腔体与第二导压孔连通；

位于隔离层上的第二半导体层，所述受压腔体正上方的对应的第二半导体层为应变膜，应变膜的表面具有应变电阻；

位于应变膜、应变电阻和受压腔体周围的第一半导体层、隔离层和第二半导体中的隔离槽，所述隔离槽与隔离缝隙连通。

可选的，所述受压腔体位于隔离缝隙正上方的隔离层中，所述受压腔体的尺寸小于隔离缝隙的尺寸。

可选的，所述受压腔体通过一位于隔离层中的连通槽与第二导压孔连通。

可选的，所述隔离槽为环形槽，环形槽的两个端部分别位于连通槽两侧的第一半导体层、隔离层和第二半导体中。

可选的，所述隔离缝隙为位于基底或者第一半导体层中，所述隔离缝隙的开口位于基底的上表面或者位于第一半导体层的下表面。

可选的，所述应变电阻通过对第二半导体层掺杂杂质离子形成。

可选的，所述应变电阻的数量为4个，所述4个应变电阻通过金属连线连接成惠斯登电桥。

可选的，第二半导体层上还具有焊盘，所述焊盘与应变电阻或惠斯登电桥电连接。

可选的，待测压力的气体或液体通过第一导压孔、第二导压孔进入受压腔体，让受压腔体上方的应变膜发生应变，从而带动应变膜应变电阻应变，通过测量应变电阻的电阻值的变化获得压力的变化。

可选的，所述基底为玻璃衬底，所述隔离层的材料为氧化硅，所述第一半导体层和第二半导体层的材料为硅。

与现有技术相比，本实用新型技术方案具有以下优点：

本实用新型的压力传感器包括：基底，所述基底中具有贯穿基底的第一导压孔；位于基底上表面上的第一半导体层，所述第一半导体层中具有贯穿第一半导体层的第二导压孔，第二导压孔与第一导压孔连通，所述第一半导体层的部分下表面与基底的部分上表面之间具有隔离缝隙，所述隔离缝隙位于第二导压孔一侧；位于第一半导体层的上表面上的隔离层，所述隔离层中具有有受压腔体，所述受压腔体与第二导压孔连通；位于隔离层上的第二半导体层，所述受压腔体正上方的对应的第二半导体层为应变膜，应变膜的表面具有应变电阻；位于应变膜、应变电阻和受压腔体周围的第一半导体层、隔离层和第二半导体中的隔离槽，所述隔离槽与隔离缝隙连通。本实用新型中的压力传感器，在进行压力的测量时，待测压力的气体或液体通过第一导压孔、第二导压孔进入受压腔体，让受压腔体上方的应变膜发生应变，从而带动应变膜应变电阻应变，通过测量应变电阻的电阻值的变化获得压力的变化，测量压力时，本实用新型的压力传感器包括隔离槽和隔离缝隙，通过隔离槽和隔离缝隙的配合，使得受压腔体、应变膜、应变电阻以及周边上下的实体均处在悬空状态，仅有一处和外面实体连接，故外部的应变(包括基底和安装体热膨胀带来的应变和安装时由于扭力不同，粘胶不同带来的应变)无法传递到应变膜上，也就无法影响传感器的输出，使得压力传感器的测量信号漂移较小，测量精度提升。

进一步，所述受压腔体位于隔离缝隙正上方的隔离层中，所述受压腔体的尺寸小于隔离缝隙的尺寸，所述隔离层中还具有连通槽，所述受压腔体通过连通槽与第二导压孔连通，连通槽的存在，能便于和优化第一导压孔、第二导压孔、隔离缝隙和受压腔体的布局，以便于隔离槽的布局，使得隔离槽可以很方便的与隔离缝隙连通，从而使得受压腔体、应变膜、应变电阻以及周边上下的实体均处在悬空状态，仅有一处和外面实体连接。

附图说明

图1-2为本实用新型一实施例中压力传感器的结构示意图；

图3-图18为本实用新型一实施例中压力传感器形成过程的结构示意图。

具体实施方式

如背景技术所言，现有的硅芯体式压力传感器的测量信号漂移较大，测量精度有待提升。

研究发现，由于应变膜四周都和玻璃衬底紧密连接，玻璃衬底的应变会传递到应变膜上，从而引起输出的变化，使得测量信号产生漂移，影响了测量的精度。并且当温度变化时，由于玻璃跟安装体之间的热膨胀不同，也会有应力传递到应变膜上，使得测量信号产生漂移，影响了测量的精度，这种应力会随着温度循环的增加而减弱，所以使得传感器尽管已经在出厂时校准好，经历温度循环后输出仍旧会发生变化。同时压力传感器在安装时也会由于扭力不同，粘胶不同传递不同的应力，从而使得传感器的输出受安装方式的影响较大，使得测量信号产生漂移，影响了测量的精度。

为此，本实用新型提供了一种压力传感器及其形成方法，本实用新型的压力传感器包括隔离槽和隔离缝隙，通过隔离槽和隔离缝隙的配合，使得受压腔体、应变膜、应变电阻以及周边上下的实体均处在悬空状态，仅有一处和外面实体连接，故外部的应变(包括基底和安装体热膨胀带来的应变和安装时由于扭力不同，粘胶不同带来的应变)无法传递到应变膜上，也就无法影响传感器的输出，使得压力传感器的测量信号漂移较小，测量精度提升。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做详细的说明。在详述本实用新型实施例时，为便于说明，示意图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本实用新型的保护范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

图1-2为本实用新型一实施例中压力传感器的结构示意图，其中图2为图1沿切割线AB方向的剖面结构示意图。

参考图1-2，所述压力传感器，包括：

基底4，所述基底4包括下表面和相对的上表面，所述基底4中具有贯穿基底4上表面和下表面的第一导压孔43；

位于基底4上表面上的第一半导体层3，所述第一半导体层3具有下表面和相对的上表面，所述第一半导体层3中具有贯穿第一半导体层3上表面和下表面的第二导压孔33，第二导压孔33与第一导压孔43连通，所述第一半导体层3的部分下表面与基底4的部分上表面之间具有隔离缝隙34，所述隔离缝隙34位于第二导压孔33一侧；

位于第一半导体层3的上表面上的隔离层2，所述隔离层2中具有有受压腔体31，所述受压腔体31与第二导压孔33连通；

位于隔离层2上的第二半导体层1，所述受压腔体21正上方的对应的第二半导体层1为应变膜10，应变膜10的表面具有应变电阻11；

位于应变膜10、应变电阻11和受压腔体21周围的第一半导体层3、隔离层2和第二半导体1中的隔离槽5，所述隔离槽5与隔离缝隙34连通。

具体的，本实施例中，所述基底4为玻璃衬底。所述基底4中具有第一导压孔43，第一导压孔43贯穿基底4的上表面和下表面，所述第一导压孔43用于在测量压力时，使得外界的待测压力的气体或液体到达受压腔体21。

所述基体4与第一半导体层3接触的表面为上表面，与上表面相对的一个表面为下表面。本实施例中，所述基体4的上表面与第一半导体层3的下表面通过键合连接。

需要说明的是，所述基体4可以采用其他的材料，基体4与第一半导体层3也可以采用其他的方式连接在一起。

所述第一半导体层3和第二半导体层1的材料均为半导体材料，本实施例中，所述第一半导体层3和第二半导体层1的材料为硅。在其他实施例中，所述第一半导体层3和第二半导体层1的材料可以为锗、锗化硅、绝缘体上硅或绝缘体上锗。

所述第一半导体层3中具有第二导压孔33，第二导压孔33与第一导压孔43连通，所述第二导压孔33还与绝缘层2中形成的受压腔体21连通。

本实施例中，第一半导体层3中还具有隔离缝隙34，所述隔离缝隙34的开口位于第一半导体层3的下表面。在其他实施例中，所述隔离缝隙为位于基底中，所述隔离缝隙的开口位于基底的上表面。通过设置隔离缝隙34，隔离缝隙34与隔离槽5的配合，使得受压腔体21、应变膜10、应变电阻11以及周边上下的实体均处在悬空状态，仅有一处和外面实体连接，故外部的应变(包括基底和安装体热膨胀带来的应变和安装时由于扭力不同，粘胶不同带来的应变)无法传递到应变膜10上，也就无法影响传感器的输出，使得压力传感器的测量信号漂移较小，测量精度提升。

所述隔离层2位于第一半导体层3的上表面上，隔离层2中具有受压腔体21。本实施例中，所述隔离层2的材料为氧化硅。在其他实施例中，所述隔离层2的材料可以为氮化硅、氮氧化硅或其他合适的材料，所述隔离层2也可以为单层或多层堆叠结构，在以具体的实施例中，所述隔离层2可以为双层堆叠结构，包括位于第一半导体层3上表面的氮化硅层位于氮化硅层上的氧化硅层。

在一实施例中，所述受压腔体21位于隔离缝隙34正上方的隔离层2中，所述受压腔体21的尺寸小于隔离缝隙34的尺寸，所述隔离层2中还具有连通槽22，所述受压腔体21通过连通槽22与第二导压孔33连通，连通槽22的存在，能便于和优化第一导压孔、第二导压孔、隔离缝隙34和受压腔体的布局，以便于隔离槽5的布局，使得隔离槽5可以很方便的与隔离缝隙34连通，从而使得受压腔体21、应变膜10、应变电阻11以及周边上下的实体均处在悬空状态，仅有一处和外面实体连接。

第二半导体层1位于隔离层2上，将所述受压腔体21正上方的对应的那部分第二半导体层1做为应变膜10，应变膜10的表面具有应变电阻11。

在一实施例中，所述应变电阻11通过对第二半导体层1掺杂杂质离子形成。所述掺杂的杂质离子包括硼离子(B)。

在一实施例中，述应变电阻的数量为4个，所述4个应变电阻通过金属连线连接成惠斯登电桥。在其他实施例中，所述应变电阻的数量可以根据测量的实际需要进行设置。

在一实施例中，第二半导体层1上还具有焊盘12，所述焊盘12与应变电阻11或惠斯登电桥电连接。所述焊盘12通过位于第二半导体层1表面的金属层与应变电阻11或惠斯登电桥电连接。

位于应变膜10、应变电阻11和受压腔体21周围的第一半导体层1、隔离层2和第二半导体3中的隔离槽5，所述隔离槽5与隔离缝隙34连通。

本实施例中，所述隔离槽5为环形槽，环形槽的两个端部分别位于连通槽22两侧的第一半导体层1、隔离层2和第二半导体3中，隔离槽5的底部与隔离缝隙34连通。

本实施例中的压力传感器，在进行压力的测量时，待测压力的气体或液体通过第一导压孔43、第二导压孔33(和连通槽22)进入受压腔体21，让受压腔体21上方的应变膜发生应变，从而带动应变膜应变电阻应变，通过测量应变电阻的电阻值的变化获得压力的变化。测量压力时，本实施例的压力传感器由于通过隔离槽5和隔离缝隙34的配合，使得受压腔体21、应变膜10、应变电阻11以及周边上下的实体均处在悬空状态，仅有一处和外面实体连接，故外部的应变(包括基底和安装体热膨胀带来的应变和安装时由于扭力不同，粘胶不同带来的应变)无法传递到应变膜10上，也就无法影响传感器的输出，使得压力传感器的测量信号漂移较小，测量精度提升。

图3-图18为本实用新型一实施例中压力传感器形成过程的结构示意图。

参考图3-图5，提供第一半导体层3，所述第一半导体层3具有下表面和相对的上表面，所述第一半导体层3上表面上形成有隔离层2，所述第一半导体层3的下表面具有隔离缝隙34。

所述第一半导体层3的材料为半导体材料，本实施例中，所述第一半导体层3的材料为硅。在其他实施例中，所述第一半导体层3的材料可以为锗、锗化硅、绝缘体上硅或绝缘体上锗。

所述隔离缝隙34通过刻蚀工艺形成，所述刻蚀工艺可以湿法刻蚀或干法刻蚀。

所述隔离层2材料为氧化硅，隔离层2的形成工艺为化学气相沉积。在其他实施例中，所述隔离层2的材料可以为氮化硅、氮氧化硅或其他合适的材料，所述隔离层2也可以为单层或多层堆叠结构，在以具体的实施例中，所述隔离层2可以为双层堆叠结构，包括位于第一半导体层3上表面的氮化硅层位于氮化硅层上的氧化硅层。

在一实施例中，可以先形成隔离缝隙34，后形成隔离层2。在其他实施例中，也可以先形成隔离层，后形成隔离缝隙。

参考图6和图7，图6为图1沿切割线CD方向的剖面结构示意图，刻蚀去除部分隔离层2，在隔离层2中形成受压腔体21。

在一实施例中，在刻蚀去除部分隔离层2之前，在隔离层2的表面形成图形化的掩膜层，所述图形化的眼膜层可以为图形化的光刻胶层，以所述图形化的掩膜层为掩膜，刻蚀去除部分所述隔离层2，在隔离层2中形成受压腔体21；去除所述图形化的掩膜层。

刻蚀去除部分隔离层2的工艺为湿法刻蚀或干法刻蚀。本实施例中，湿法刻蚀所述隔离层2可以采用氢氟酸，干法刻蚀为等离子体刻蚀，等离子体刻蚀采用的气体为包含碳氟元素的气体，比如CF_{4<\/sub>等。}

所述受压腔体21位于隔离缝隙34正上方，所述受压腔体21的尺寸小于隔离缝隙34的尺寸。

在一实施例中，在隔离层2中形成受压腔体21的同时在隔离层2中形成与受压腔体21连通的连通槽22。

参考图8，刻蚀去除部分第一半导体层3，在第一半导体层3中形成贯穿第一半导体层3厚度的第二导压孔33，所述第二导压孔33与受压腔体21连通。

刻蚀所述第一半导体层3采用等离子刻蚀工艺，等离子刻蚀工艺采用的气体为HBr和\/或Cl_2<\/sub>。

在一实施例中，在刻蚀所述第一半导体层3之前，在所述隔离层2上形成图形化的掩膜层，所述图形化的掩膜层填充所述受压腔体21，所述图形化的掩膜层中具有保留初连通槽21底部的部分第一半导体层3表面的开口；以所述图形化的掩膜层为掩膜，沿开口刻蚀去除部分第一半导体层，在第一半导体层3中形成贯穿第一半导体层3厚度的第二导压孔33。

所述导压孔33通过连通槽22与受压腔体21连通。

参考图9和图10，图9为图10沿切割线EF方向的剖面结构示意图，提供第二半导体层1，所述第二半导体层1上形成有应变电阻11。

在一实施例中，所述应变电阻11通过对第二半导体层1掺杂杂质离子形成。所述掺杂的杂质离子包括硼离子(B)。

在一实施例中，所述金属层和金属连线以及焊盘12通过溅射和刻蚀工艺形成。在其他实施例中，所述金属层和金属连线以及焊盘12通过电镀工艺形成。

参考图11，将第二半导体层1与第一半导体层3上的隔离层2键合，应变电阻11位于受压腔体21上方，所述受压腔体21正上方的对应的第二半导体层1为应变膜10。

本实施例中，所述键合工艺采用硅-硅直接键合工艺。在其他实施例中，可以采用其他的键合工艺将第一半导体层2和第二半导体层1结合在一起。

在一实施例中，在将第一半导体层3和第二半导体层1键合之前，从第二半导体层1的背面对第二半导体层1进行减薄。所述减薄采用化学机械研磨工艺。

参考图12，提供基底4，所述基底4中具有贯穿基底4的上表面和下表面的第一导压孔43。

本实施例中，所述基底4为玻璃基底，通过刻蚀基底4，在基体4中形成贯穿基底4的上表面和下表面的第一导压孔43。

参考图13，将基底4的上表面与第一半导体3的下表面键合，基底4中的第一导压孔43与第一半导体层3中的第二导压孔33连通。

本实施例中，所述键合工艺采用硅-硅直接键合工艺。在其他实施例中，可以采用其他的键合工艺将基底与第一半导体合在一起。

参考图14-图18，图15位第二半导体层1中形成隔离槽5后的立体结构图，图16为隔离层2中形成隔离槽5后的立体结构图，图17为第一半导体层3上表面形成隔离槽5后的立体结构图，图17为第一半导体层3下表面形成隔离槽5后的立体结构图，刻蚀去除应变膜10、应变电阻11和受压腔体21周围的部分第二半导体层1、隔离层2和第一半导体3，在应变膜10、应变电阻11和受压腔体21周围的第二半导体层1、隔离层2和第一半导体3中形成隔离槽5，所述隔离槽5与隔离缝隙34连通。

形成所述隔离槽5的工艺为等离子刻蚀，等离子刻蚀采用的气体包括Cl_{2<\/sub>、HBr、Ar中的一种或几种。在刻蚀之前，将第二半导体层1表面不需要刻蚀的部分通过掩膜层覆盖。}

本实用新型通过半导体集成制作工艺制作的压力传感器，工艺简单，在进行压力的测量时，待测压力的气体或液体通过第一导压孔43、第二导压孔33(和连通槽22)进入受压腔体21，让受压腔体21上方的应变膜发生应变，从而带动应变膜应变电阻应变，通过测量应变电阻的电阻值的变化获得压力的变化。测量压力时，本实施例的压力传感器通过隔离槽5和隔离缝隙34的配合，使得受压腔体21、应变膜10、应变电阻11以及周边上下的实体均处在悬空状态，仅有一处和外面实体连接，故外部的应变(包括基底和安装体热膨胀带来的应变和安装时由于扭力不同，粘胶不同带来的应变)无法传递到应变膜10上，也就无法影响传感器的输出，使得压力传感器的测量信号漂移较小，测量精度提升。

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

设计图

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