[发明专利]一种应变片的结构设计及制作工艺

说明书

技术领域

本发明涉及到微型半导体应变片领域，具体的说，特别涉及到一种采用多层硅结构以及将其加工为高温高精度全桥应变片的工艺。

背景技术

半导体应变片是利用硅材料的压阻效应开发的力敏传感器的核心部件，主要原理是当应变片受到外力作用时，其电阻发生改变。通过监测其电阻的改变测量应变片周围环境应力的变化。

微电子机械系统又称MEMS（Micro-Electro-Mechanical-System）是目前大规模制造微型高性能器件，如压力传感器，加速度计等的先进技术。采用MEMS技术制造半导体应变片可实现高精度，大批量和低成本。

目前半导体应变片多采用PN结实现力敏压阻元件之间的电隔离。在常温条件下，PN结能有效的防止漏电流的产生，但在高温（一般指大于150度）条件下，PN结的漏电流明显增大，影响了传感器输出的稳定性，甚至导致传感器失效。另一方面，目前的半导体应变片多为单个力敏压阻元件，输出的电信号幅值小，容易受到噪声的干扰。采用4个单独的力敏压阻元件组成惠斯通电桥能有效的提高输出信号的幅值，但由于4个独立力敏压阻元件本身的差异会导致惠斯通电桥零点输出大以及零点温漂大，所以无法满足高精度传感器的要求。

因此，在高温高精度压力传感器领域，特别需要一种新型应变片来解决上述困难。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多层硅结构应变片，针对现有技术的不足，有效地提高应变片传感器在高温环境中输出信号的温度稳定性，具有低成本、性能优化和实施简单的特点。

本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：

一种多层硅结构应变片，包括第一层硅、第二层硅和第三层硅；所述第一层硅具有若干力敏压阻元件，所述若干力敏压阻元件通过连接电路组成全桥惠斯通电桥，用于将压力信号转化成电信号；所述第二层硅设置于第一层硅的下方，用于支撑第一硅材料层；在第一层硅和第二层硅之间设有用于隔离两者之间电连接的第一层绝缘层；所述第三层硅设置于第二层硅的下方，用于调整多层硅结构的整体厚度，便于对其的加工；在第二层硅和第三层硅设有第二层绝缘层。

进一步的，所述第一层硅的厚度小于第二层硅和第三层硅，并具有较低的电阻率，用于制作力敏压阻元件。

多层硅结构的生产工艺，包括如下步骤：

1）在第一层硅的下表面设置第一层绝缘层，并与第二层硅健合形成硅-绝缘层-硅的结构；

2）在第二层硅的下表面设置第二层绝缘层，并与第三层硅键合形成硅-绝缘层-硅-绝缘层-硅的多层硅结构。

进一步的，所述步骤2）具有可替换工艺；所述可替换工艺的步骤如下：

在所述第一硅材料层中通过氧离子注入工艺形成绝缘层，该绝缘层将第一层硅分隔为上硅层和下硅层，从而形成硅-绝缘层-硅-绝缘层-硅的多层硅结构。

一种将多层硅结构加工为高温高精度全桥应变片的工艺，包括如下步骤：

（1）在上述多层硅结构的第一层硅上形成力敏压阻元件和连接电路；

（2）采用离子刻蚀或者腐蚀的方法在力敏压阻元件和连接电路的周围形成沟槽，该沟槽贯穿第一层硅、第一层绝缘层和第二层硅，所述沟槽的底部位于第二层硅内；在力敏压阻元件和连接电路的周围设置至少一层钝化层，用于保护力敏压阻元件和连接电路；

（3）在连接电路端点处的钝化层上开孔，在开孔处淀积耐高温金属层并形成焊盘，用于引出电信号；

（4）在多层硅结构第一层硅的上表面涂上抗腐蚀粘结层；

（5）将整个多层硅结构通过粘结层与基板粘结为整体，然后置于硅腐蚀液中，用于将第三层硅去除；

（6）再将第二层绝缘层去除，去除方法开采用湿法化学腐蚀或者等离子刻蚀。

（7）最后采用加热或使用有机溶剂溶解的方式将抗腐蚀粘结层去除，使全桥应变片与基板分离。

进一步的，所述全桥应变片包括4个力敏压阻元件，其通过连接电路形成惠斯通电桥。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1）力敏压阻元件之间距离小于5mm，在工艺上容易保证各力敏压阻元件的物理特性一致，使得传感器的零点输出小，零点温漂小。

2）力敏压阻元件和连接电路之间依靠沟槽完全实现物理隔离，并且应变片与第二层硅材料支撑结构之间依靠绝缘层实现完全电隔离，使得传感器能在高温下稳定工作。

3）第二层绝缘层，用作腐蚀阻挡层，保证了第二硅材料层支撑厚度不受腐蚀影响，提高了应变片的一致性。

附图说明