本發(fā)明屬于壓力檢測與微納傳感器，涉及一種壓力檢測集成微納傳感器及其制作方法與檢測方法。

背景技術(shù)：

1、壓力傳感器在工業(yè)領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，高靈敏度、高線性度、大量程和小尺寸的壓力傳感器一直各工業(yè)領(lǐng)域極致追求的目標(biāo)。

2、為了提高壓力傳感器的性能，一種常見的策略是減小薄膜厚度以提高靈敏度。研究人員提出了一種替代傳統(tǒng)背面蝕刻法的方法，即利用犧牲層進行表面微加工來制造壓敏薄膜[asimulation?program?for?the?sensitivity?and?linearity?of?piezoresistivepressuresensors,journal?of?microelectromechanical?systems]。這種方法將沉積多晶硅作為壓阻層，從而有效降低了薄膜厚度，但多晶硅的壓阻靈敏度比單晶硅低約50％，導(dǎo)致傳感器的靈敏度并不高。于是研究人員又提出了一種制造壓敏薄膜和空腔的改進方法，即利用絕緣體上硅(soi)晶片中二氧化硅層作為犧牲層，從而實現(xiàn)了薄膜的精確加工[a?highsensitivitysurface-micromachined?pressure?sensor,sensors?and?actuators?a:physical]。此外，robert?bosch公司于2003年提出了著名的son(silicon?on?nothing)即多孔硅膜技術(shù)，即首先在壓力敏感膜片區(qū)域通過氫氟酸(hf)陽極氧化制作多孔硅，然后進行高溫退火形成真空腔體，再通過單晶硅外延形成單晶硅壓力敏感膜片。很好地解決了敏感膜片厚度均勻性問題，基于該工藝所生產(chǎn)的壓力傳感器已為各大手機汽車頭部廠商供貨。但仍存在膜片邊緣圓角瑕疵，外延單晶材料缺陷等問題。薄膜厚度的減少提高了靈敏度，但卻帶來了相當(dāng)大的非線性，對壓力傳感器的工作范圍產(chǎn)生了不良的影響。

3、在薄而靈敏的壓力敏感膜上加入硅島和梁進行適當(dāng)加固限制大撓度形變，可提高薄膜的測量范圍和線性度。從平面“c”型薄膜到島式“e”型薄膜，再到最終的“梁-薄膜-島”結(jié)構(gòu)，都一定程度上限制了膜片受壓時的變形撓度，從而一定程度上優(yōu)化了傳感器的線性范圍。

4、基于上述設(shè)計思路，李昕欣等人最近提出了一種利用體硅下薄膜技術(shù)的超靈敏壓力傳感器[monolithic?integration?of?pressure?plus?acceleration?composite?tpmssensors?witha?single-sided?micromachining?technology,journal?ofmicroelectromechanicalsystems][ultra-small?pressure?sensors?fabricated?usinga?scar-free?microholeinter-etch?and?sealing(mis)process,journal?ofmicromechanics?andmicroengineering]。這種方法可以實現(xiàn)超薄薄膜的精確加工和傳感器的微型化，同時還能加入硅島和硅梁。然而這種傳感器僅在較小范圍內(nèi)能夠保持高靈敏度和優(yōu)異線性度。

5、本發(fā)明正是旨在解決上次問題。本發(fā)明提出一種新型的“米”字型復(fù)合敏感薄膜，通過移除薄膜上的非線性變形區(qū)，切斷橫縱向應(yīng)力的傳導(dǎo)，可以在有效提升靈敏度的同時保證傳感器具備較大的線性范圍。同時本發(fā)明集成了半導(dǎo)體式的溫度敏感電阻，可用于溫度測量和溫度補償。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種利用微納加工技術(shù)制作的壓力檢測微納集成傳感器及其制作方法與檢測方法。

2、為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明壓力檢測集成微納傳感器的技術(shù)方案為：

3、一種壓力檢測集成微納傳感器，包括作為基底的單晶硅硅片，其特征在于，所述單晶硅上面設(shè)置檢測單元，所述檢測單元包括壓力檢測單元，為了消除工況環(huán)境溫度變化給高精度測量帶來的干擾，給壓力檢測參數(shù)提供相應(yīng)補償，另設(shè)置有溫度檢測單元；壓力的最終檢測數(shù)值以壓力檢測單元檢測的壓力參數(shù)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，同時以溫度檢測單元檢測到的溫度參數(shù)給壓力檢測單元檢測的壓力參數(shù)提供補償；所述壓力檢測單元如此設(shè)置：所述單晶硅硅片上部采用深刻蝕工藝和濕法腐蝕工藝鏤空地開設(shè)一個空腔，空腔上面保留部分單晶硅硅片作為形變架子而其他部分鏤空，空腔上面保留的形變架子與其他部分鏤空整體呈左右對稱與上下對稱，空腔上面至形變架子之間設(shè)置多晶硅變形薄膜，形變架子的左右與上下設(shè)置4組硅壓阻條，所述硅壓阻條呈條狀，由硅片摻雜硼離子并形成曲折往返形狀，4組硅壓阻條分別引出導(dǎo)電引線連接第一接線焊盤，用于各自連接外部電源與外部檢測電路；4組相同的硅壓阻條依次連接，形成四電阻惠斯通電橋，使惠斯通電橋的輸出電壓與壓力值成正比。

4、以下為本發(fā)明壓力檢測集成微納傳感器進一步的方案：

5、所述壓力檢測單元如此形成，采用硼離子注入工藝在硅晶圓上制作壓力敏感電阻和溫度敏感電阻，分兩次注入硼離子，首次注入全部需注入?yún)^(qū)域，第二次僅注入重摻雜區(qū)，而形成重摻雜區(qū)；采用反應(yīng)離子刻蝕rie工藝和深刻蝕工藝drie圖形化微腐蝕孔，形成一系列腐蝕孔；將經(jīng)上述處理后的單晶硅硅片置于tmah腐蝕液中進行腐蝕，形成一個六邊形的空腔；用多晶硅材料對所述一系列腐蝕孔進行填充密封，包括腔體頂面的腔體所有內(nèi)表面同時被覆蓋上一層多晶硅薄膜，腔體頂面的六邊形多晶硅薄膜即作為所述多晶硅變形薄膜。

6、所述作為形變架子的空腔(9)上面單晶硅保留部分呈“米”字形，并且“米”字中間相交部分成加粗矩形塊的結(jié)構(gòu)，“米”字形的“十”字部分較細，“米”字形的斜“x”部分較粗，所述4組硅壓阻條(5)分別設(shè)置在“米”字形的“十”字部分橫條與縱條的盡端位置。如此結(jié)構(gòu)設(shè)計配置在提升壓力檢測性能方面有巨大優(yōu)勢，是本發(fā)明結(jié)構(gòu)設(shè)計創(chuàng)新的重點。

7、所述一系列腐蝕孔一部分沿所述“米”字形的斜“x”部分兩側(cè)布置，另一部分沿“米”字中間加粗矩形塊的上下兩側(cè)布置。

8、所述溫度檢測單元也采用硼離子注入工藝在硅晶圓上制作，包括輕摻雜帶與重摻雜區(qū)，輕摻雜區(qū)形成蛇形曲折往返的帶形狀，重摻雜區(qū)呈矩形，接在輕摻雜帶的首末端部，其上覆蓋著用于引出硅熱敏電阻信號的第二接線焊盤；當(dāng)溫度改變時，硅熱敏電阻阻值會發(fā)生相應(yīng)的改變。

9、所述壓力檢測集成微納傳感器將其襯底的至少一半?yún)^(qū)域用作壓力檢測單元區(qū)域，留下的至多一半?yún)^(qū)域用作溫度檢測單元。

10、為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明壓力檢測集成微納傳感器的制作方法所采用的技術(shù)方案為：

11、以上所述的壓力檢測集成微納傳感器的制作方法，其特征在于，包括所述壓力檢測單元的制作、溫度檢測單元的制作、各接線焊盤以及引線的制作，在單晶硅硅片上面劃定硅壓阻條保留區(qū)域，在保留區(qū)域進行二次離子注入，形成輕摻雜區(qū)與重摻雜區(qū)；其中壓力檢測單元的制作包括以下步驟：

12、步驟1、采用硼離子注入工藝在硅晶圓上制作壓力敏感電阻和溫度敏感電阻，分兩次注入以形成輕重摻雜區(qū)；注入傾角選7°-9°之間；

13、步驟2、低壓化學(xué)氣相沉積lpcvd沉積一層1μm氧化硅薄膜后，采用反應(yīng)離子刻蝕rie工藝圖形化“x”型微腐蝕孔，并采用深刻蝕工藝刻蝕15μm形成深腐蝕孔；

14、步驟3、lpcvd沉積一層0.4μm氧化硅薄膜后，采用高準(zhǔn)直的rie工藝除去腐蝕孔底部氧化硅，形成腐蝕孔的側(cè)壁保護，孔壁的側(cè)面硅由一層氧化硅覆蓋保護；

15、步驟4、采用深刻蝕工藝加深孔的深度，加深20μm，加深的部分為無側(cè)壁保護的硅裸露狀態(tài)；

16、步驟5、將上述處理后的晶圓置于tmah腐蝕液中進行腐蝕5個小時，形成一個六邊形的空腔；

17、步驟6、將上述晶圓置于氧化硅腐蝕液中除去表面沉積的氧化硅；

18、步驟7、對上述晶圓進行熱氧化工藝，形成2000a的氧化層后采用lpcvd工藝沉積多晶硅，對腐蝕孔進行填充密封，頂面和腔體內(nèi)也會同時被覆蓋上一層多晶硅薄膜，并采用rie工藝去除頂面不需要的多晶硅；

19、步驟8、采用磁控濺射工藝沉積金并圖案化，形成金引線和焊盤；

20、步驟9、圖案化非線性變形區(qū)域，采用深刻蝕工藝除去非線性變形區(qū)域的單晶硅，保留腔中內(nèi)的多晶硅薄膜，形成“米”字型敏感結(jié)構(gòu)加六邊形多晶硅薄膜的復(fù)合結(jié)構(gòu)。非線性變形區(qū)域的去除有利于提升壓力檢測的線性輸出能力。

21、為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明壓力檢測方法所采用的技術(shù)方案為：

22、一種壓力檢測方法，其特征在于，使用以上所述的任一種壓力檢測集成微納傳感器，使用檢測時，將壓力檢測集成微納傳感器連接外接電路，將壓力檢測微納傳感器至于作為檢測對象的氣體或液體中；所述硅壓阻條經(jīng)一對相對的接線焊盤連接外接電源，為壓力感應(yīng)的四電阻電橋其中一對相對的兩端提供激勵電壓，電橋另兩端的一對接線焊盤連接外接電壓檢測電路；所述溫度敏感單元經(jīng)其上面的一對第二接線焊盤連接外接溫度檢測電路，可以獲得與溫度變化匹配的電阻值，進而推得溫度值。

23、使用檢測前，在實驗環(huán)境下，用已經(jīng)過準(zhǔn)確測定的檢測對象樣品物，對所述的各個敏感單元進行檢測標(biāo)定，獲得檢測線性關(guān)系式。

24、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果：

25、1、本發(fā)明采用體硅下薄膜制造工藝，提出“x”形的腐蝕孔拓撲，并在此基礎(chǔ)上提出新型“米”字形敏感薄膜，具備優(yōu)異的敏感性能：非線性區(qū)域減薄提高敏感膜的線性區(qū)間與靈敏度、“x”型結(jié)構(gòu)限制大撓度變形、“十”字窄梁提升敏感膜靈敏度；

26、2、本發(fā)明將壓力敏感單元與溫度敏感單元集成到一塊傳感器上，實現(xiàn)多敏感單元的高度集成化，原位多參數(shù)實時測量，通過多參數(shù)數(shù)據(jù)融合進一步提升壓力測量精度。

27、3、本發(fā)明已開展實際制造測試，測試結(jié)果顯示本發(fā)明相較于傳統(tǒng)技術(shù)有更優(yōu)異的靈敏度與更大的線性范圍，測試結(jié)果如下圖1所示。

28、4、實現(xiàn)了傳感器的微型化和集成化、易于批量制造、成本低。