雙面接觸式電容壓力傳感器原理介紹

1　引言

　　圖1給出了典型的雙面接觸式電容壓力傳感器的一般結構及其工作的模擬仿真曲線。從圖1可以看出，雙面接觸式電容壓力傳感器有4個工作區(qū)，第Ⅰ區(qū)是正常區(qū)，梁未接觸到襯底上的絕緣層，當傳感器工作在這一段時，接觸式電容壓力傳感器與傳統(tǒng)的硅壓力傳感器一樣。當梁快要接近接觸點的時候，傳感器單位面積上受到的壓力與產(chǎn)生的電容呈非線性關系。第Ⅱ區(qū)是過渡區(qū)，梁開始接觸到襯底上的絕緣層，C-p曲線呈非線性關系，電容從梁未接觸到襯底到開始接觸襯底轉變。第Ⅲ區(qū)是線性區(qū)，梁與襯底上的絕緣層開始有效接觸，而且傳感器的電容將隨著壓力的增加而線性增大。第Ⅳ區(qū)是飽和區(qū)C-p曲線略呈非線性關系，隨著壓力的繼續(xù)增加，非線性將更明顯。
 

　　圖1　雙面接觸式電容壓力傳感器的結構及工作曲線圖

        雙面接觸式電容壓力傳感器的原理是基于單面接觸式電容壓力傳感器而來的。其工作原理：當傳感器的受壓膜片(即梁)與基底距離很近時，膜片受壓后與基底接觸，當壓力變化時，通過改變接觸面積的大小來改變電容量。

　　雙面接觸式電容壓力傳感器的電容由兩部分組成：一部分為梁受壓后，尚未接觸到襯底上的絕緣層時形成的電容，此電容類似于常規(guī)的電容壓力傳感器，這一部分只占接觸式電容壓力傳感器的電容量的很小一部分;另一部分是梁接觸到襯底后形成的電容，這部分電容量才是需要的電容量，而且它占主導地位，較多采用的是國產(chǎn)品牌電容，如三環(huán)電容、風華電容，也可選擇臺企電容巨頭——YAGEO電容(即國巨電容)作為所選電容。當壓力增加時，梁與襯底的接觸面積增加，同時梁與襯底的非接觸部分減少。剛開始，電容主要由非接觸部分提供，隨著壓力的增加，梁開始接觸襯底的絕緣層后，非接觸部分提供的電容逐漸減少，而接觸部分提供的電容與接觸面積將呈線性增加。由于絕緣層非常薄，因此當梁開始與襯底上的絕緣層接觸后，接觸面積所提供的電容將占主導地位。

　　2　工藝流程

　　雙面接觸式電容壓力傳感器由3個硅晶片(其中有兩個晶片B是一樣的)用硅熔融法進行鍵合，先把晶片A正反兩面腐蝕兩個同樣大小的溝槽來作為傳感器的真空腔，然后在這兩個大溝槽上淀積一層二氧化硅作為絕緣層，同時把晶片A作為雙面接觸式電容壓力傳感器的公共下電極，接著把兩片用濃的固態(tài)硼擴散好的晶體B用熔融鍵合的辦法鍵合在晶片A的正反兩面，用離子刻蝕法刻蝕掉晶片B最外層的重摻雜層，緊接著用自停止腐蝕法去掉輕摻雜層，得到最里面的重摻雜層作為傳感器的上電極。對于晶片A和B,可以采用圓形、方形、矩形膜，本次設計采用圓形膜。制造工藝流程如下：

　　2.1　晶片A

　　襯底晶片采用N型硅晶體，晶向為<100>晶向，厚度約為(500±10)μm,電阻率約為5～10Ω·cm.

　　2.1.1　腐蝕出大溝槽

　　先在晶片A的兩端氧化出2μm的氧化層，然后把預先設計好的掩膜(即大溝槽的形狀)附在晶片A的正反兩面，然后放到SF6溶液里面讓它進行腐蝕，就可得到所要的大溝槽(真空腔)的形狀。

　　2.1.2　淀積一層絕緣層

　　在腐蝕出大溝槽的晶片A兩面都氧化一層150nm厚的SiO2,作為絕緣層。此時，晶片A可以與晶片B進行鍵合。

　　2.2　晶片B

　　晶片B主要是為了制作重摻雜的梁。晶片B取P型硅，晶向為<100>晶向，晶片厚度約(400±10)μm,電阻率約為2～5Ω·cm.

　　2.2.1　硼擴散

　　為了減少由于只擴散硼的一邊使梁變形而凹凸不平的情況，使晶體的兩邊都進行硼擴散，大約要在1120℃下擴散160min.

　　2.2.2　化學機械拋光

　　晶片被腐蝕后表面變得不平，因此要進行化學機械拋光，化學機械拋光的一些參數(shù)見表1:

　　表1　用于熔融鍵合的P+型硅化學機械拋光的參數(shù)

　　這樣晶片B也可以進行鍵合了。2.3　鍵合后的晶片

　　2.3.1　硅熔融鍵合

　　在鍵合之前，所有晶片都要進行清洗，把晶體表面上的灰塵微粒洗掉，接著晶片在室溫下鍵合在一起，然后把這對晶片放在1000℃的純氮環(huán)境下進行退火鍵合。

　　圖2

　　2.3.2 硅蝕刻

　　首先利用離子刻蝕把原先為減少凹凸不平而重摻雜的濃硼擴散層刻蝕掉，這一步也可用機械拋光法來進行?？涛g掉這一層后，接著要把梁刻蝕出來，可用腐蝕的辦法來進行，用10%的KOH來腐蝕，前面的350μm在90℃的KOH中腐蝕，后面的50μm在50℃的KOH中腐蝕，以便得到更好的蝕刻選擇性。

　　2.3.3　開一個引線窗口和排氣窗口

　　引線窗口主要是在這個窗口中先淀積上一層金屬，然后從這一層金屬中引出電容的極板引線。要刻蝕出這個窗口可以在晶片上布一層掩膜，然后利用離子刻蝕法刻出這個窗口，同理，排氣窗口也可以這樣刻蝕。排泄窗口是為了使封裝的腔為真空而設計的。

　　2.3.4　封裝腔

　　排氣窗口刻蝕出以后，用LTO封裝這個排氣窗口，用LTO封裝以后，腔里的空氣壓力幾乎為零。那么這個傳感器就可以測絕對壓力。

　　2.3.5　刻蝕出梁和引線窗口

　　在BHF溶液中腐蝕出梁和引線窗口，腐蝕掉鏈接層的LTO和SiO2。

　　2.3.6　金屬化處理

　　在引線窗口濺射上300nm的Al/Si/Cu金屬層。

　　2.3.7　切割和測試

　　完成后的晶體能夠被切割和測試。

　　圖33　相關工藝

　　要得到好的鍵合效果，在進行晶體鍵合前，要對3塊晶片的表面進行處理，特別是晶體B,要用機械拋光的方法進行，否則由于重摻雜硼的晶體表面粗糙度太高，鍵合時會由于晶體表面的內應力使晶體彎曲，表面不平，常有空氣泡被封在里面，這使鍵合的效果不好，要得到好的鍵合效果就要使表面盡量光滑而且盡量平坦。在鍵合時，首先在晶體的邊緣進行鍵合，如果在空氣中鍵合，晶體的中間會有殘留的空氣，這些殘留的空氣泡在高溫下會膨脹，有可能把兩片晶體分開。為解決這個問題可在真空中鍵合;另一個辦法是同時在另一面也進行硼擴散來減少它的彎曲，因為兩面硼擴散的厚度如果一樣的話，晶體的變形會最小。

　　對于電容壓力傳感器，硅梁的擴散厚度需要精確控制，P+重摻雜自停止腐蝕法及PN結自停止腐蝕來控制擴散精度。P+重摻雜自停止腐蝕主要是利用當硼在硅中的濃度超過1019時，硅的腐蝕速率將大大減小，這是各向異性腐蝕的一個特性。各向異性腐蝕與晶體的晶向和摻雜濃度有關。腐蝕速率大部分取決于晶體的晶向，這個特性在腐蝕<100>晶向的晶體時會得到V形槽，<110>晶體得到U形槽。晶體的腐蝕速率取決于3個因素：晶體的類型、溶液的濃度及溫100>和<111>的腐蝕速率比值為50∶30∶1,在室溫下比值為160∶100∶1。腐蝕速率對溫度非常敏感，要注意控制腐蝕液的溫度。溶液的濃度也會影響腐蝕速率，但不是線性的。在10℃左右，腐蝕速率最大，而且當溶液的濃度逐漸增加時，腐蝕速率會慢慢降下來。

　　查閱資料，當溶液的濃度在10%～15%時，晶體的腐蝕速率最大。溶液的濃度很低時，晶體表面會產(chǎn)生一系列小洞。

　　4　結論

　　制造的成本與單面相當。具有單面接觸式電容壓力傳感器所具有的優(yōu)點：低溫漂，高靈敏度，受環(huán)境影響小，對分布電容不敏感。對于同樣大小的器件，雙面接觸式電容壓力傳感器的電容量和靈敏度高出單面1倍。