專利名稱：真空微電子多功能傳感器及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于真空微電子傳感器，特別是多功能真空微電子傳感器。
近年來，傳感器的發(fā)展很快，各種新型傳感器層出不窮。真空微電子壓力傳感器正是其中之一。這種新型的壓力傳感器具有抗輻射、體積小、靈敏度高、溫度穩(wěn)定性好以及制造工藝與微電子技術(shù)兼容等優(yōu)點，具有良好的應用前景。然而目前存在的真空微電子壓力傳感器器件尺寸均比較大，且只能測量單一的壓力，不能測量外界壓力的分布。
同時，目前常用的幾種壓力傳感器與溫度傳感器集成也仍存在著一些問題。例如，硅壓阻式壓力傳感器在溫度變化范圍較大時必須進行溫度補償，給集成化造成了困難；壓電式壓力傳感器采用壓電晶體作為工作物質(zhì)，其制造工藝與微電子技術(shù)不兼容；電容式壓力傳感器則在器件的微型化上存在著較大的困難。由于真空微電子壓力傳感器具有較好的溫度穩(wěn)定性和IC兼容性，因此其與溫度傳感器的集成是可能的。
本發(fā)明的目的是實現(xiàn)真空微電子壓力傳感器的微型化，形成陣列以測量外界壓力的分布。同時，將真空微電子壓力傳感器與溫度傳感器集成，實現(xiàn)傳感器的多功能，能同時測量外界的壓力和溫度。本發(fā)明的主要特點是在真空微電子壓力傳感器的陽極版的背面制備薄膜溫度傳感器，傳感器是陣列傳感器。


圖1是本發(fā)明原理及結(jié)構(gòu)示意圖，包括陰極硅片和陽極硅片兩部分。
圖2是真空微電子壓力傳感器陣列一個單元的剖面圖。
圖3是薄膜鉑電阻的示意圖。
圖中1—陰極電子發(fā)射源，2—壓力敏感膜，1和2組成“敏感膜—陰極”復合結(jié)構(gòu)，3—陰極引線焊點，4—陽極陣列，5—陽極引線，6—薄膜鉑電阻。
圖4是生長有SiO2—Si3N4絕緣層的硅片示意圖。
圖5是硅片光刻后的示意圖。
圖6是腐蝕SiO2—Si3N4絕緣層后的硅片示意圖。
圖7是硅尖制備完成后的示意圖。
圖8是敏感膜制備完成后的硅片示意圖。
圖9是去除正面SiO2—Si3N4絕緣層及制備背面金引線后的硅片示意圖。
圖10是在有SiO2—Si3N4絕緣層的硅片上生長金膜后的示意圖。
圖11是制備陽極及陽極引線后的硅片示意圖。
圖12是制備真空封裝過渡層后的硅片示意圖。
圖13是光刻鉑電阻圖形后的硅片示意圖。
圖14是濺射鉑薄膜后的硅片示意圖。
圖15是去除正膠形成薄膜鉑電阻后的硅片示意圖。
下面結(jié)合附圖詳述本發(fā)明。
本發(fā)明提出真空微電子壓力傳感器陣列與薄膜鉑電阻溫度傳感器集成系統(tǒng)，如圖1所示，其特點是真空微電子壓力傳感器陣列的陰極1和2采用“敏感膜—陰極”復合型結(jié)構(gòu)；陽極4和5為電極引線陣列；陣列各單元之間絕緣隔離；薄膜鉑電阻溫度傳感器6制作在陽極陣列背面。其中，真空微電子壓力傳感器陣列的單元尺寸很小，壓力敏感膜2邊長在100μm—500μm之間，厚度在20μm以下，相鄰兩單元間距在100μm—500μm以內(nèi)。陣列的單元數(shù)目至少為1×2個，這一數(shù)目可以根據(jù)需要增加。陽極電極引線陣列4和5制作在生長有絕緣層的硅片上，通過光刻工藝形成相互獨立的結(jié)構(gòu)，從而達到絕緣隔離的效果。因此各個單元能夠獨立地感知外界壓力，對整個陣列而言就是能夠測量外界壓力的分布。陽極板背面的薄膜鉑電阻溫度傳感器6的制備工藝與真空微電子壓力傳感器陣列的制備工藝相兼容。將這兩種傳感器集成，可以形成一個雙功能的傳感器，既能對外界壓力的分布進行測量，又能對環(huán)境的溫度進行感知。
真空微電子壓力傳感器陣列與薄膜鉑電阻溫度傳感器集成系統(tǒng)的制作步驟分為兩部分“敏感膜—陰極”復合型結(jié)構(gòu)的制備、陽極引線及鉑電阻的制備，其工藝流程如圖4—圖15所示。下面詳述整個工藝流程。
“敏感膜—陰極”復合型結(jié)構(gòu)的制備(采用雙面拋光的n型硅片)如圖4—圖9所示，分為陰極的制備和敏感膜的制備。陰極的制備，如圖4—圖7所示1)如圖4所示，生長SiO2—Si3N4薄膜SiO2薄膜的生長溫度1000℃—1200℃，生長的SiO2厚度1μm-2.5μm，采用干氧濕氧交替生長的方法；Si3N4薄膜—1的生長溫度800℃—1000℃，生長的Si3N4厚度1000?！?000埃；2)如圖5所示，正面光刻硅尖陣列框；3)如圖6所示，去除SiO2—Si3N4薄膜Si3N4薄膜—1的腐蝕采用反應離子刻蝕的方法；SiO2薄膜—2的腐蝕采用BHF溶液或稀釋的HF溶液，腐蝕時間以Si—3露出表面為準；4)如圖7所示，各向同性制備硅尖陣列采用的腐蝕液為HNO3、HF和CH3COOH的混合液，體積比為25∶10∶3左右，腐蝕時間以硅尖掩膜正好脫落形成硅尖—4為準。敏感膜的制備，如圖8—圖9所示1)如圖8所示，制備壓力敏感膜首先生長SiO2—Si3N4薄膜—6保護硅尖—4，生長條件與圖4相同，SiO2薄膜的厚度為50?！?00埃，Si3N4薄膜的厚度為500埃—2000埃；然后制備壓力敏感膜—5，采用的腐蝕液為KOH、H2O和(CH3)2CHOH(異丙醇，縮寫IPA)的混合溶液，比例為25.6g∶16.5ml60ml，溶液溫度60℃—80℃之間，腐蝕時間以敏感膜透光為準；2)如圖9所示，去除正面SiO2—Si3N4薄膜并制備背面金引線采用圖6的方法去除正面硅尖—4處的SiO2—Si3N4薄膜，背面金采用電子束蒸發(fā)的方法，以100-500埃的Cr為襯底，金厚度在1000?！?000埃之間。陽極引線及薄膜鉑電阻的制備(采用雙面拋光的n型硅片)，如圖10—圖15所示，分為陽極引線的制備和薄膜鉑電阻的制備。陽極引線的制備，如圖10—圖12所示1)如圖10所示，生長SiO2—Si3N4層和金膜生長條件與“敏感膜—場發(fā)射陰極”復合結(jié)構(gòu)制備工藝中SiO2—Si3N4層和金膜的制備相同，SiO2薄膜—2的厚度為1μm—2.5μm，Si3N4薄膜—1的厚度為500?！?000埃，金膜—4厚度為1000?！?000埃；2)如圖11所示，制備陽極及引線光刻完成后，進行金的腐蝕形成陽極及引線—4。采用的金腐蝕液為碘、碘化鉀和水的溶液，配比為1g∶4g∶150ml；3)如圖12所示，生長封裝過渡層及光刻采用電子束蒸發(fā)的方法的硅片上生長—層1μm—4μm的Pyrex7740玻璃或者低熔點玻璃薄膜—5，采用BHF溶液或稀釋的HF腐蝕。薄膜鉑電阻的制備，如圖13—圖15所示1)如圖13所示，正膠反刻背面的鉑電阻圖形光刻后正膠—6厚度為7μm—15μm；2)如圖14所示，生長鉑薄膜采用磁控濺射的方法，生長的撥薄膜鉑電阻—7厚度為1000埃—3000埃；3)去除犧牲層形成薄膜鉑電阻采用丙酮來溶解正膠，直到硅片上只剩下薄膜鉑電阻—6的圖形。
權(quán)利要求
1.一種真空微電子多功能傳感器，包括真空微電子壓力傳感器，其特征在于在真空壓力傳感器的陽極版的背面制備薄膜溫度傳感器。
2.按權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于所述的傳感器是陣列傳感器。
3.按權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于所述的溫度傳感器是薄膜鉑電阻溫度傳感器。
4.按權(quán)利要求2所述的傳感器，其特征在于所述的陣列傳感器的數(shù)目至少為1×2個，陣列各單元之間絕緣隔離。
5.按權(quán)利要求4所述的傳感器，其特征在于陣列傳感器相鄰兩單元之間的間距為100μm—500μm，
6.按權(quán)利要求2所述的傳感器，其特征在于所述的壓力傳感器的壓力敏感膜邊長為100μm—500μm，膜的厚度在20μm以下。
7.一種真空微電子多功能傳感器制備方法，包括步驟制備“敏感膜-陰極”復合型結(jié)構(gòu)；制備陽極引線和鉑電阻。
8.按權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于包括陰極的制備。
9.按權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于生長SiO2—Si3N4薄膜SiO2薄膜-2的生長溫度1000℃—1200℃，生長的SiO2厚度1μm-2.5μm，Si3N4薄膜-1的生長溫度800℃—1000℃，生長的Si3N4厚度1000?！?000埃；
10.按權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于去除SiO2—Si3N4薄膜Si3N4薄膜—1的腐蝕采用反應離子刻蝕的方法；SiO2薄膜—2的腐蝕采用BHF溶液或稀釋的HF溶液，腐蝕時間以Si—3露出表面為準；
11.按權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于各向同性制備硅尖陣列采用的腐蝕液為HNO3、HF和CH3COOH的混合液，體積比為25∶10∶3左右，腐蝕時間以硅尖掩膜正好脫落形成硅尖—4為準。
12.按權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于包括敏感膜的制備。
13.按權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于再次生長SiO2—Si3N4薄膜—6SiO2薄膜的厚度為50埃—500埃，Si3N4薄膜的厚度為500?！?000埃；
14.按權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于壓力敏感膜—5制備采用的腐蝕液為KOH、H2O和(CH3)2CHOH的混合溶液，比例為25.6g∶16.5ml60ml，溶液溫度60℃—80℃之間，腐蝕時間以敏感膜透光為準；
15.按權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于包括制備陽極引線。
16.按權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于生長SiO2—Si3N4層和金膜SiO2薄膜—2的厚度為1μm—2.5μm，Si3N4薄膜—1的厚度為500?！?000埃，金膜—4厚度為1000?！?000埃；
16.按權(quán)利要求15或16所述的方法，其特征在于光刻完成后，進行金的腐蝕形成陽極及引線—4，采用的金腐蝕液為碘、碘化鉀和水的溶液，配比為1g∶4g∶150ml。
17.按權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于采用電子束蒸發(fā)的方法的硅片上生長一層1μm—4μm的Pyrex7740玻璃或者低熔點玻璃薄膜—5，采用BHF溶液或稀釋的HF腐蝕。
18.按權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于包括制備薄膜鉑電阻。
19.按權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于正膠反刻背面的鉑電阻圖形光刻后正膠—6厚度為7μm—15μm；
20.按權(quán)利要求18或19所述的方法，其特征在于生長的撥薄膜鉑電阻—7厚度為1000?！?000埃；
全文摘要
一種真空微電子多功能傳感器。在真空壓力傳感器的陽極版的背面制備薄膜溫度傳感器,所述的傳感器是陣列傳感器。本發(fā)明將兩種傳感器集成,可以形成一個雙功能的傳感器,既能對外界壓力的分布進行測量,又能對環(huán)境的溫度進行感知。
文檔編號G01L21/00GK1330261SQ00109609
公開日2002年1月9日 申請日期2000年6月16日 優(yōu)先權(quán)日2000年6月16日
發(fā)明者夏善紅, 蘇杰 申請人:中國科學院電子學研究所