[发明专利]基于二维电子气的MEMS高温压力传感器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于压力测量领域，尤其涉及一种基于二维电子气的MEMS高温压力传感器及其制备方法。

背景技术

基于微机电系统(MEMS)的压力传感器，具有微型化、灵敏度高、稳定性好、功耗低、易集成、智能化等众多突出的优势，它是MEMS技术在传感器领域应用最成功的器件之一。MEMS压力传感器已在工业自动控制、汽车、消费电子、医疗保健、生物化工等不同的领域得到了广泛应用。目前，商业化的压力传感器主要利用硅的压阻效应实现压力敏感，尽管工艺成熟且性能优异，但受P-N结隔离耐温限制，通常工作在100℃以下，远不能满足航空航天、石油化工、金属冶炼等高温恶劣环境下的压力测量需要。超过125℃时，P-N结严重漏电，导致器件的精度变差，甚至失效。一般基于绝缘体上硅(SOI)的MEMS压力传感器使用温度可以扩展到250℃。利用蓝宝石上外延的多晶硅制作的压力传感器可以工作到350℃。基于SiC、金刚石薄膜、III-V化合物半导体的MEMS高温压力传感器均有报道，各有优势和不足，均处于初步研究阶段。AlGaN/GaN的二维电子气(2DEG)对应力非常灵敏，应力测量因子(GF，gauge factor，即单位应力引起的检测量的变化)高达832。张应力下，AlGaN/GaN的2DEG通道电导率增加，压应力下通道电导减小，是压力传感器中最优异的力敏换能单元之一。

氮化镓(GaN)具有非常稳定的化学键，抗腐蚀，可应用在苛刻的工业环境中。它禁带宽为3.4eV，使其在高温下本征载流子浓度较低，例如，在350℃下单晶硅的本征载流子浓度已达1015cm^-3，而GaN中仅有107cm^-3。宽禁带不仅抑制热激发，还能有效抑制辐射激发，使其可用于强辐射环境中。在未特意掺杂GaN上外延一薄层(约30nm)AlGaN，由自发和压电极化引起的能带弯曲将一层2DEG限制在异质结界面处。实验测量到的2DEG的面密度达1013cm^-2，电子迁移率达1500-2000cm²·V^-1·S^-1，远超过传统器件中沟道电子密度及迁移率，基于AlGaN/GaN的高电子迁移率晶体管(HEMT)有望被应用在高温、高频和大功率领域。基于AlGaN/GaN的HEMT在550℃下工作，性能没有衰减。由于2DEG对表面电势及应力变化非常敏感，AlGaN/GaN器件可用于多种高灵敏传感器，如，PH值、粘度、压强、位移、极性液体、气体、生物分子等。基于高温下的稳定性及对应力的敏感性，AlGaN/GaN 2DEG用于高温压力传感器方面具有非常大潜力。

到目前为止，国内外还没有报道将二维电子气制作成压敏电阻条，用于MEMS高温压力传感器。

发明内容

(一)要解决的技术问题

现有的压力测量芯片难于满足苛刻的工业环境的需求，例如矿产开采、石油、化工、航空航天等领域。本发明提供了一种基于二维电子气的MEMS高温压力传感器及其制备工艺。本发明的压力传感器灵敏度高、稳定性强，可以满足工业苛刻环境中的使用。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供一种基于二维电子气的MEMS压力传感器及其制备方法。

一方面，本发明的基于二维电子气的MEMS压力传感器包括：衬底和玻璃板，其中所述衬底的背面有一背腔，所述衬底的背面与所述玻璃板键合，所述背腔与所述衬底的正面之间的部分构成感压薄膜，所述感压薄膜上设置有二维电子气层形成的压敏电阻条，所述感压薄膜和所述压敏电阻条上设置有绝缘层，所述压敏电阻条两端的绝缘层被刻蚀形成电学接触孔，所述压敏电阻条两端和所述电学接触孔上沉积有第一金属层，所述第一金属层上设置有第二金属层，所述第二金属层形成电学互联引线和压焊块。

另一方面，本发明的基于二维电子气的MEMS压力传感器的制备方法包括：

步骤1：在正面具有二维电子气层的衬底上进行光刻，定义压敏电阻条的形状和位置，通过刻蚀电学隔离二维电子气层，形成压敏电阻条；

步骤2：在所述衬底的正面生长绝缘层，用于钝化保护所述压敏电阻条；

步骤3：进行正面光刻，刻蚀所述绝缘层，在所述压敏电阻条的两端形成电学接触孔；

步骤4：淀积第一金属层，合金退火，使所述第一金属层与所述压敏电阻条形成欧姆接触，所述第一金属层为耐高温金属层；

步骤5：在所述第一金属层上形成第二金属层，用于形成电学互联引线及压焊块；

步骤6：背面衬底减薄，再生长一掩膜层；