[发明专利]圆形硅薄膜微机电压力传感器

说明书

技术领域

本发明提供了一种在圆形N型硅薄膜上制作圆形的P型半导体硅薄层作为传感层的微机电压力传感器结构，利用电阻抗断层成像(EIT)测量原理进行传感计算，属于微机电技术领域。

技术背景

压力传感器是重要的传感器之一，有着非常广泛的用途。目前的大多数压力传感器采用集总参数的测量方法，例如，检测压敏电阻变化或平板电容变化的方法。压敏电阻的对称性要求高，而平板电容器结构存在电容变化量小以及非线性的问题。

P型硅具有比较明显的压阻效应，常用于传感材料受到的张应力或压应力。传统的微机电压力传感器采用由P型硅制作的压阻来传感，将压阻制作在压力传感薄膜应力最大的位置，例如在压力传感薄膜的边界处。当外界的压力使传感薄膜发生形变时，也使这些压阻受到应力的作用并导致其电阻的大小发生变化。对于这些压阻式传感器的检测常常采用惠斯顿电桥，但是，因为用于传感的压阻通常位于压力传感薄膜边界，工艺的离散性使这些电阻间产生失配，并因此使惠斯顿电桥检测出现初始误差。

当采用P型半导体硅薄层作为传感材料时，形变所产生的薄层上应力分布将发生变化，这种应力分布变化将导致薄层电阻率分布发生变化。

电阻抗断层成像(EIT)技术采用电流激励/电压测量，并通过成像算法计算待检测材料的电阻率分布。

将薄膜电阻率的变化通过EIT技术检测出来，将能够得到薄膜各点的形变，并因此能够反映外界所施加的压力。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种圆形硅薄膜微机电压力传感器，在圆形N型硅薄膜上制作圆形的P型半导体硅薄层作为传感层的微机电压力传感器结构，具有传感器结构简单、加工工艺简单的特点。

技术方案：本发明的圆形硅薄膜微机电压力传感器的最下层是玻璃基片，在玻璃基片上设有N型硅衬底，在N型硅衬底中间与玻璃基片之间设有圆形空腔，圆形P型掺杂薄层覆盖整个位于圆形空腔上方的N型硅衬底的硅薄膜，作为传感层的微机电压力传感器结构，并且P型掺杂薄层的厚度等于该硅薄膜厚度的一半，采用圆形的P型掺杂薄层作为传感层；在N型硅衬底和圆形P型掺杂薄层的上表面覆盖了二氧化硅层，二氧化硅层上是即可用于电流激励也可用于电压测量的金属电极。

所述圆形的P型掺杂薄层，在其一周沿着圆形的P型掺杂薄层，均匀分布连接着16个即可用于电流激励也可用于电压测量的金属电极；利用圆形的P型掺杂薄层的电阻率分布随压力变化而发生变化的原理进行压力传感。

其基本工作原理是：当外界压力导致硅薄膜变形时，因为压阻效应导致硅薄膜上的P型半导体硅薄层沿着半径方向各点的电阻率发生变化，利用EIT技术计算这种情况下的P型半导体硅薄层电阻率分布，既而得到硅薄膜的形变量。因为形变的大小直接和压力有关，由此得到压力值。与传统采用压阻传感的微机电压力传感器不同，本发明提出的结构利用整个传感薄层材料电阻率分布的变化对外界压力值进行传感表征。同时，因为EIT技术以本底电阻率分布为基础值，因此，基础误差和不对称性可以抵消。具有传感器结构简单、加工工艺简单的特点。

有益效果：本发明的最大优点在于传感器结构简单，对加工工艺的灵敏度低。因为采用电阻率分布变化来检测硅薄膜的形变，因此，是对于变化的相对值进行检测。不同于传统的基于特定点的参数采样或者对集总参数采样的传感方式，它是对整个传感面进行计算，因此，制作误差被平均化，减小了系统误差。同时，本底电阻率分布可以作为基本参考，将实测电阻率分布与本底电阻率相减，滤除初始工艺误差。基于算法的信息处理方法更易实现智能化。

附图说明

图1传感器结构示意图，

图2是图1中A-A断面图。

其中，101是N型硅衬底；102是采用掺杂技术制作的圆形的P型硅薄层；103是二氧化硅层；104是连接圆形的P型硅薄层与金属电极的连接孔；105是电流激励和电压检测的金属电极，共计16个；106是圆形空腔；107用于密封空腔的玻璃基片。

具体实施方案