一种高灵敏度宽量程力传感器及其制造方法
【技术领域】
[0001 ]本发明涉及一种力传感器，具体来说，涉及一种高灵敏度宽量程的压阻式力传感器及其制造方法。
【背景技术】
[0002]在采用半导体材料和MEMS工艺制造的微机械器件中，力传感器是发展较为成熟的一类。目前，力传感器已经广泛应用于工业控制、生物、医疗等领域。MEMS力传感器按其工作原理主要分为压阻式力传感器、电容式力传感器等，而目前市面上主流的力传感器仍为压阻式。压阻式力传感器虽然因采用压阻效应测量形变，具有一定的温度效应，需要采用一定的温度补偿机制，但其结构简单、灵敏度高、线性度好、易于集成且测量方便，仍是目前的主要应用原理。力传感器的测量范围和精度通常不能很好兼顾，尤其在风压测量领域，风压的大小和风速的平方成正比，因此小风时需要传感器有非常高的灵敏度，而同时也必须有很宽的测量范围。因此设计兼顾灵敏度和测量范围的力测试结构非常必要。
【发明内容】
:
[0003]技术问题:本发明提出了一种具有较高灵敏度且具有较宽量程的高灵敏度宽量程力传感器及其制造方法。
[0004]
【发明内容】
:为解决上述技术问题，本发明提供了一种高灵敏度宽量程力传感器，该传感器包括衬底，下层硅悬臂梁，上层硅薄膜，第一介质层和第二介质层，第一压阻和第二压阻，以及第一压阻和第二压阻的引出第一导线和第二引出导线;其中，
[0005]衬底中空，下层硅梁位于衬底中心上表面中空区域内，且表面和衬底上表面齐平，下层硅梁一端和衬底连接，另一段悬空；
[0006]第二压阻嵌入下层硅梁和衬底上表面连接处，表面和下层硅梁齐平；上层硅薄膜呈悬臂结构，其固定区域通过第一介质层和衬底连接，与其固定区域连接的是悬浮区域;第一压阻嵌于其固定区域和悬浮区域之间，与上层硅薄膜齐平；上层硅薄膜构成的悬浮区域和下层硅梁有交叠，并有和第一介质层同样厚度的间隙；第二介质层覆盖上层硅薄膜和下层硅梁及衬底的上表面，第一引线和第二引线位于第二介质层表面，分别是第一压阻和第二压阻的引出线。
[0007]优选的，其下层硅悬臂梁和上层硅薄膜的力敏感梁刚度不同，上层硅薄膜力敏感梁刚性小于下层硅悬臂梁敏感梁刚性。
[0008]优选的，下层硅悬臂梁和上层硅薄膜之间存在间隙，其间隙宽度等于第一介质层的厚度。
[0009]本发明还提供了一种高灵敏度宽量程力传感器的制造方法，该方法包括如下步骤:
[0010]步骤1:选择衬底为晶向的N型SOI硅片，通过反应离子刻蚀刻蚀工艺去掉部分SOI硅片上方的硅薄膜层和对应的氧化硅第一介质层，形成上层硅薄膜并露出下层硅衬底I;
[0011]步骤2:然后以光刻胶为掩膜，光刻并用离子注入工艺注入硼离子形成第一压阻和第二压阻并去胶；
[0012]步骤3:氮气气氛下950°C退火，并热氧化形成第二介质层；
[0013]步骤4:光刻并用氢氟酸刻蚀出第一压阻和第二压阻部分的引线孔，采用磁控溅射淀积金属铝并刻蚀形成压阻第一引线和第二引线；
[0014]步骤5:采用四甲基氢氧化氨从背面腐蚀衬底硅到一定的厚度；
[0015]步骤6:背面光刻并用深反应离子刻蚀工艺刻蚀硅槽中的下层硅，形成下层硅悬臂梁；
[0016]步骤7:正面用胶保护，采用氢氟酸湿法腐蚀从背面将下层硅悬臂梁和上层硅薄膜力敏感梁分离释放，自此，本传感器的制作过程完成。
[0017]有益效果:I)利用两个不同灵敏度的压力敏感梁实现了压力传感器灵敏度和量程的优化，使得该力传感器在低力作用下具有较高灵敏度的同时具有较宽的量程;2)当外界力较大时，下方刚性较大的敏感梁可以对上方力敏感梁提供有效的支撑，保证了传感器结构的可靠性;3)整个工艺可以用SOI硅片可以很容易地制造出此类传感器，工艺简单。
【附图说明】
[0018]图1为本发明结构的剖视示意图。
[0019]图2a为正面硅膜刻蚀和压阻结构形成示意图。
[0020]图2b为正面压阻引线形成示意图。
[0021]图2c为硅背面深腐蚀示意图。
[0022]图2d为背面硅刻槽释放和正面结构释放示意图。
[0023]两图中具有统一的标注。其中:衬底I，下层硅悬臂梁2，上层硅薄膜3，第一介质层41和第二介质层42，第一压阻51和第二压阻52，以及第一压阻51和第二压阻52的引出第一导线61和第二引出导线62。
【具体实施方式】
[0024]下面结合附图对本发明做进一步说明。
[0025]发明提出了一种具有较高灵敏度且具有较宽量程的压阻式力传感器结构。该传感器利用SOI硅片制成，利用SOI硅片的上层硅膜制作具有较高灵敏度但量程较窄的力敏感结构;利用体硅制作具有较宽量程但灵敏度稍低的力敏感结构，结合上述两个不同灵敏度和测量范围的传感器结构，得到了一种兼具较高灵敏度和较宽量程的力传感器。该传感器所测外力较少时，上层高灵敏结构向下弯曲，下层宽测量范围敏感结构保持不变，此时传感器的输出由上层高灵敏结构决定；当所测力达到某个阈值时，上层敏感结构受力端与下层敏感结构的受力端接触，此时下层敏感结构开始工作，同时下层敏感结构也起到止档作用，保护上层梁由于过载可能造成的损害。
[0026]本发明提出的力传感器为了兼具较高的灵敏度和较宽的量程，利用两种不同灵敏度的力敏感结构感测外加压力。该传感器的示意图如附图1所示。
[0027]该传感器包括衬底I，下层硅悬臂梁2，上层硅薄膜3，第一介质层41和第二介质层42，第一压阻51和第二压阻52，以及第一压阻51和第二压阻52的引出第一导线61和第二引出导线62;其中，
[0028]衬底I中空，下层硅梁2位于衬底I中心上表面中空区域内，且表面和衬底I上表面齐平，下层硅梁2—端和衬底I连接，另一段悬空；
[0029]第二压阻52嵌入下层硅梁2和衬底I上表面连接处，表面和下层硅梁2齐平;上层硅薄膜3呈悬臂结构，其固定区域通过第一介质层41和衬底I连接，与其固定区域连接的是悬浮区域;第一压阻51嵌于其固定区域和悬浮区域之间，与上层硅薄膜3齐平;上层硅薄膜3构成的悬浮区域和下层硅梁2有交叠，并有和第一介质层41同样厚度的间隙；第二介质层42覆盖上层硅薄膜3和下层硅梁2及衬底I的上表面，第一引线61和第二引线62位于第二介质层42表面，分别是第一压阻51和第二压阻52的引出线。
[0030]下层硅悬臂梁2和上层硅薄膜3的力敏感梁刚度不同，上层硅薄膜3力敏感梁刚性小于下层硅悬臂梁2敏感梁刚性。
[0031]下层硅悬臂梁2和上层硅薄膜3之间存在间隙，其间隙宽度等于第一介质层41的厚度。
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【技术领域】
[0001 ]本发明涉及一种力传感器，具体来说，涉及一种高灵敏度宽量程的压阻式力传感器及其制造方法。
【背景技术】
[0002]在采用半导体材料和MEMS工艺制造的微机械器件中，力传感器是发展较为成熟的一类。目前，力传感器已经广泛应用于工业控制、生物、医疗等领域。MEMS力传感器按其工作原理主要分为压阻式力传感器、电容式力传感器等，而目前市面上主流的力传感器仍为压阻式。压阻式力传感器虽然因采用压阻效应测量形变，具有一定的温度效应，需要采用一定的温度补偿机制，但其结构简单、灵敏度高、线性度好、易于集成且测量方便，仍是目前的主要应用原理。力传感器的测量范围和精度通常不能很好兼顾，尤其在风压测量领域，风压的大小和风速的平方成正比，因此小风时需要传感器有非常高的灵敏度，而同时也必须有很宽的测量范围。因此设计兼顾灵敏度和测量范围的力测试结构非常必要。
【发明内容】
:
[0003]技术问题:本发明提出了一种具有较高灵敏度且具有较宽量程的高灵敏度宽量程力传感器及其制造方法。
[0004]
【发明内容】
:为解决上述技术问题，本发明提供了一种高灵敏度宽量程力传感器，该传感器包括衬底，下层硅悬臂梁，上层硅薄膜，第一介质层和第二介质层，第一压阻和第二压阻，以及第一压阻和第二压阻的引出第一导线和第二引出导线;其中，
[0005]衬底中空，下层硅梁位于衬底中心上表面中空区域内，且表面和衬底上表面齐平，下层硅梁一端和衬底连接，另一段悬空；
[0006]第二压阻嵌入下层硅梁和衬底上表面连接处，表面和下层硅梁齐平；上层硅薄膜呈悬臂结构，其固定区域通过第一介质层和衬底连接，与其固定区域连接的是悬浮区域;第一压阻嵌于其固定区域和悬浮区域之间，与上层硅薄膜齐平；上层硅薄膜构成的悬浮区域和下层硅梁有交叠，并有和第一介质层同样厚度的间隙；第二介质层覆盖上层硅薄膜和下层硅梁及衬底的上表面，第一引线和第二引线位于第二介质层表面，分别是第一压阻和第二压阻的引出线。
[0007]优选的，其下层硅悬臂梁和上层硅薄膜的力敏感梁刚度不同，上层硅薄膜力敏感梁刚性小于下层硅悬臂梁敏感梁刚性。
[0008]优选的，下层硅悬臂梁和上层硅薄膜之间存在间隙，其间隙宽度等于第一介质层的厚度。
[0009]本发明还提供了一种高灵敏度宽量程力传感器的制造方法，该方法包括如下步骤:
[0010]步骤1:选择衬底为晶向的N型SOI硅片，通过反应离子刻蚀刻蚀工艺去掉部分SOI硅片上方的硅薄膜层和对应的氧化硅第一介质层，形成上层硅薄膜并露出下层硅衬底I;
[0011]步骤2:然后以光刻胶为掩膜，光刻并用离子注入工艺注入硼离子形成第一压阻和第二压阻并去胶；
[0012]步骤3:氮气气氛下950°C退火，并热氧化形成第二介质层；
[0013]步骤4:光刻并用氢氟酸刻蚀出第一压阻和第二压阻部分的引线孔，采用磁控溅射淀积金属铝并刻蚀形成压阻第一引线和第二引线；
[0014]步骤5:采用四甲基氢氧化氨从背面腐蚀衬底硅到一定的厚度；
[0015]步骤6:背面光刻并用深反应离子刻蚀工艺刻蚀硅槽中的下层硅，形成下层硅悬臂梁；
[0016]步骤7:正面用胶保护，采用氢氟酸湿法腐蚀从背面将下层硅悬臂梁和上层硅薄膜力敏感梁分离释放，自此，本传感器的制作过程完成。
[0017]有益效果:I)利用两个不同灵敏度的压力敏感梁实现了压力传感器灵敏度和量程的优化，使得该力传感器在低力作用下具有较高灵敏度的同时具有较宽的量程;2)当外界力较大时，下方刚性较大的敏感梁可以对上方力敏感梁提供有效的支撑，保证了传感器结构的可靠性;3)整个工艺可以用SOI硅片可以很容易地制造出此类传感器，工艺简单。
【附图说明】
[0018]图1为本发明结构的剖视示意图。
[0019]图2a为正面硅膜刻蚀和压阻结构形成示意图。
[0020]图2b为正面压阻引线形成示意图。
[0021]图2c为硅背面深腐蚀示意图。
[0022]图2d为背面硅刻槽释放和正面结构释放示意图。
[0023]两图中具有统一的标注。其中:衬底I，下层硅悬臂梁2，上层硅薄膜3，第一介质层41和第二介质层42，第一压阻51和第二压阻52，以及第一压阻51和第二压阻52的引出第一导线61和第二引出导线62。
【具体实施方式】
[0024]下面结合附图对本发明做进一步说明。
[0025]发明提出了一种具有较高灵敏度且具有较宽量程的压阻式力传感器结构。该传感器利用SOI硅片制成，利用SOI硅片的上层硅膜制作具有较高灵敏度但量程较窄的力敏感结构;利用体硅制作具有较宽量程但灵敏度稍低的力敏感结构，结合上述两个不同灵敏度和测量范围的传感器结构，得到了一种兼具较高灵敏度和较宽量程的力传感器。该传感器所测外力较少时，上层高灵敏结构向下弯曲，下层宽测量范围敏感结构保持不变，此时传感器的输出由上层高灵敏结构决定；当所测力达到某个阈值时，上层敏感结构受力端与下层敏感结构的受力端接触，此时下层敏感结构开始工作，同时下层敏感结构也起到止档作用，保护上层梁由于过载可能造成的损害。
[0026]本发明提出的力传感器为了兼具较高的灵敏度和较宽的量程，利用两种不同灵敏度的力敏感结构感测外加压力。该传感器的示意图如附图1所示。
[0027]该传感器包括衬底I，下层硅悬臂梁2，上层硅薄膜3，第一介质层41和第二介质层42，第一压阻51和第二压阻52，以及第一压阻51和第二压阻52的引出第一导线61和第二引出导线62;其中，
[0028]衬底I中空，下层硅梁2位于衬底I中心上表面中空区域内，且表面和衬底I上表面齐平，下层硅梁2—端和衬底I连接，另一段悬空；
[0029]第二压阻52嵌入下层硅梁2和衬底I上表面连接处，表面和下层硅梁2齐平;上层硅薄膜3呈悬臂结构，其固定区域通过第一介质层41和衬底I连接，与其固定区域连接的是悬浮区域;第一压阻51嵌于其固定区域和悬浮区域之间，与上层硅薄膜3齐平;上层硅薄膜3构成的悬浮区域和下层硅梁2有交叠，并有和第一介质层41同样厚度的间隙；第二介质层42覆盖上层硅薄膜3和下层硅梁2及衬底I的上表面，第一引线61和第二引线62位于第二介质层42表面，分别是第一压阻51和第二压阻52的引出线。
[0030]下层硅悬臂梁2和上层硅薄膜3的力敏感梁刚度不同，上层硅薄膜3力敏感梁刚性小于下层硅悬臂梁2敏感梁刚性。
[0031]下层硅悬臂梁2和上层硅薄膜3之间存在间隙，其间隙宽度等于第一介质层41的厚度。
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再多了解一些
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