[发明专利]用于真空测量的低量程压阻式压力传感器及其制造方法

说明书

【技术领域】

本发明涉及一种压阻式压力传感器及其制造方法，属于微机电系统(MEMS)传感器领域。

【背景技术】

硅压力传感器是商业化的硅传感器中的重要组成部分，按照工作原理主要分为压阻式、电容式以及近年取得快速发展的谐振式。由于微机电系统(MEMS)技术起源于硅传感器的发展，因而最先用于生产硅压阻式压力传感器。目前，硅压阻式压力传感器技术最为成熟，是实用化产品中的主流技术。

硅压阻式压力传感器的核心技术在于感应薄膜的结构与加工工艺。结构上，本着集中应力的目的，薄膜分为平膜、岛膜、梁膜等形式。平膜结构简单，工艺易于控制，主要用于高量程压力传感器，而若要实现低量程的要求，就得通过增大薄膜的面积或者降低感应薄膜的厚度来提高灵敏度。薄膜面积的增大使得该压力传感器与MEMS器件的体积小、重量轻、成本低的优势相违背，商用性差。另外，薄膜厚度的减小将严重影响传感器的线性度，并且薄膜在大的压力冲击下容易损坏。

现有的硅压阻式压力传感器的产品，虽然在压力传感器领域占据着最大的比重，但是其主要应用领域是高量程压力传感器。对于主要用于真空计的低量程压力传感器，由于制作要求和成本较高，国内市场暂时处于空白状态。国外市场中，应用于真空场合的方法有：惰性气体He检测法、谐振器Q值检测法与“皮拉尼计”(Pinani Gauge)。惰性气体He检测法受限于其成本高，能耗高；谐振器Q值检测法的主要缺点是易受到传感器漂移的影响；皮拉尼计采用气体的热传导原理制成，其能耗低,使用简单，缺点是精度低、反应慢、线性度差、易受外界环境的影响。

综上所述，进行低量程、绝压下的硅压力传感器及其制备方法的研究对整个压力传感器技术领域的进步和相关产业的发展具有积极的推动作用。

【发明内容】

本发明的主要目的在于提供一种具有保护结构且可用于真空条件下测量压力的压阻式压力传感器及其制造方法。

为达成上述目的，本发明采用如下技术方案：一种用于真空测量的低量程压阻式压力传感器，其包括硅片及安装于硅片上方的键合层，所述硅片包括设有感压薄膜的顶壁、与顶壁相对的底壁、自底壁向上凹设形成的背腔及突伸入背腔内的岛结构，所述感压薄膜与背腔连通且位于背腔的上方，所述感压薄膜在其应力集中区分布有连接成惠斯通电桥的若干压阻条；所述键合层为硅或者玻璃且其包括固定于硅片顶壁上的外框、位于外框内且与感压薄膜连通的腔体及向下突伸入腔体内的止挡块，所述止挡块与感压薄膜之间有间隙，当感压薄膜受到来自背腔的压力而发生变形时，所述止挡块可抵压感压薄膜以限制感压薄膜的过度变形。

进一步地，所述岛结构的剖面为矩形或梯形。

进一步地，所述外框包括相对设置的第一侧壁与第二侧壁，以及连接第一、第二侧壁且位于腔体上方的上壁，所述腔体位于第一、第二侧壁之间，所述止挡块与上壁一体延伸。

进一步地，所述硅片包括位于感压薄膜两侧的边缘硬框，所述第一、第二侧壁固定于边缘硬框上。

进一步地，所述腔体正对着感压薄膜，所述止挡块为多个并且具有平齐的下端面。

进一步地，所述压阻条对称分布在感压薄膜上。

进一步地，所述低量程压阻式压力传感器用以测量绝对压力。

为达成上述目的，本发明还可以采用如下技术方案：一种用于真空测量的低量程压阻式压力传感器的制造方法，包括如下步骤：

(a)提供硅片，在硅片的背面覆盖作为掩膜的氧化硅和氮化硅，并用RIE刻蚀掉作为掩膜的氧化硅和氮化硅以形成膜结构开口；

(b)去除光刻胶后腐蚀或刻蚀硅片，使得在膜结构开口处形成一定深度；

(c)光刻出岛结构，并用RIE刻蚀掉岛结构上的氧化硅和氮化硅；

(d)去除光刻胶后继续腐蚀或刻蚀硅片，得到所需厚度的感压薄膜；

(e)用BOE腐蚀掉剩下的氧化硅和氮化硅；

(f)提供键合层，并将键合层固定在硅片的正面，键合层设置与感压薄膜连通的腔体及向下突伸入腔体内的止挡块，所述止挡块与感压薄膜之间预留有间隙以限制感压薄膜的过度变形。

进一步地，还包括在感压薄膜的应力集中区制作用以连接成惠斯通电桥的若干压阻条的步骤。

进一步地，所述感压薄膜是通过KOH溶液腐蚀硅片或深反应离子刻蚀(DRIE)技术处理硅片而制成。