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    重庆时时彩怎么走势: 基于SOI?MEMS技术的电容式绝压微压气压传感器.pdf

    摘要
    申请专利号:

    重庆时时彩单双窍门 www.4mum.com.cn CN201610964608.5

    申请日:

    2016.10.27

    公开号:

    CN106568548A

    公开日:

    2017.04.19

    当前法律状态:

    实审

    有效性:

    审中

    法律详情: 实质审查的生效IPC(主分类):G01L 9/12申请日:20161027|||公开
    IPC分类号: G01L9/12 主分类号: G01L9/12
    申请人: 北京遥测技术研究所; 航天长征火箭技术有限公司
    发明人: 焦海龙; 杨挺; 陈艳; 孟丽娜; 王建; 尹玉刚; 金小锋; 张世名; 邹江波
    地址: 100076 北京市丰台区北京市9200信箱74分箱
    优先权:
    专利代理机构: 中国航天科技专利中心 11009 代理人: 范晓毅
    PDF完整版下载: PDF下载
    法律状态
    申请(专利)号:

    CN201610964608.5

    授权公告号:

    |||

    法律状态公告日:

    2017.05.17|||2017.04.19

    法律状态类型:

    实质审查的生效|||公开

    摘要

    基于SOI?MEMS技术的电容式绝压微压气压传感器,涉及一种电容式绝压微压气压传感器敏感芯片领域;包括SOI晶圆器件层、二氧化硅层、SOI晶圆衬底层和键合封装盖板玻璃;其中,SOI晶圆器件层为方形结构,且水平位于底部;二氧化硅层固定安装在SOI晶圆器件层的上表面;SOI晶圆衬底层固定安装在二氧化硅层的上表面;键合封装盖板玻璃固定安装在SOI晶圆衬底层的上表面;避免了电极引线贯穿真空腔封装键合界面,增加微压传感器的真空封装性能和可靠性,传感器的性能指标、一致性、成品率可以得到很好保证;所需微纳工艺简单、实现成本较低。

    权利要求书

    1.基于SOI-MEMS技术的电容式绝压微压气压传感器,其特征在于:包括SOI晶圆器件层
    (101)、二氧化硅层(102)、SOI晶圆衬底层(103)和键合封装盖板玻璃(201);其中,SOI晶圆
    器件层(101)为方形结构,且水平位于底部;二氧化硅层(102)固定安装在SOI晶圆器件层
    (101)的上表面;SOI晶圆衬底层(103)固定安装在二氧化硅层(102)的上表面;键合封装盖
    板玻璃(201)固定安装在SOI晶圆衬底层(103)的上表面。
    2.根据权利要求1所述的基于SOI-MEMS技术的电容式绝压微压气压传感器,其特征在
    于:所述二氧化硅层(102)为方形薄片结构,中间设置有圆形通孔。
    3.根据权利要求2所述的基于SOI-MEMS技术的电容式绝压微压气压传感器,其特征在
    于:沿SOI晶圆衬底层(103)竖直方向加工圆柱形SOI衬底层通孔结构(104);所述SOI衬底层
    通孔结构(104)竖直方向位于二氧化硅层(102)的圆形通孔范围内。
    4.根据权利要求3所述的基于SOI-MEMS技术的电容式绝压微压气压传感器,其特征在
    于:在SOI晶圆衬底层(103)的下底面固定安装长方体结构的SOI晶圆衬底层欧姆接触
    (402)。
    5.根据权利要求1所述的基于SOI-MEMS技术的电容式绝压微压气压传感器,其特征在
    于:所述SOI晶圆器件层(101)的下表面固定安装长方体结构的SOI晶圆器件层欧姆接触
    (401)。
    6.根据权利要求3所述的基于SOI-MEMS技术的电容式绝压微压气压传感器,其特征在
    于:所述键合封装盖板玻璃(201)的下表面设置有圆形盖板玻璃坑槽(202);所述圆形盖板
    玻璃坑槽(202)的尺寸与二氧化硅层(102)圆形通孔的尺寸一致。
    7.根据权利要求6所述的基于SOI-MEMS技术的电容式绝压微压气压传感器,其特征在
    于:所述圆形盖板玻璃坑槽(202)的底面处固定安装有吸气剂薄膜(301)。
    8.根据权利要求7所述的基于SOI-MEMS技术的电容式绝压微压气压传感器,其特征在
    于:所述吸气剂薄膜(301)为圆形薄片结构,且吸气剂薄膜(301)高小于圆形盖板玻璃坑槽
    (202)的槽深。
    9.根据权利要求1所述的基于SOI-MEMS技术的电容式绝压微压气压传感器,其特征在
    于:所述SOI晶圆器件层(101)和SOI晶圆衬底层(103)为单晶硅,且SOI晶圆器件层(101)和
    SOI晶圆衬底层(103)的电阻率小雨0.005Ω·cm。

    说明书

    基于SOI-MEMS技术的电容式绝压微压气压传感器

    技术领域

    本发明涉及一种电容式绝压微压气压传感器敏感芯片领域,特别是一种基于SOI-
    MEMS技术的电容式绝压微压气压传感器。

    背景技术

    绝压微压气压传感器广泛用于航天航空深空气象探测(月球探测、火星探测等)、
    石油化工、环保、医疗、仪器设备气动控制及工业过程检测与控制等领域。微电子机械系统
    (Micro-Electro-Mechanical System,简写为MEMS)气压传感器的一个核心技术难点是真
    空参考腔及电极引线引出,绝压微压气压传感器相比常压气压传感器对真空参考腔需更高
    要求,真空参考腔的真空度、真空长期维持能力、封装应力等对微压气压传感器的综合精
    度、温度漂移、长时间稳定性等参数指标有重要影响。另外,微压敏感薄膜的微纳加工制作
    也是关键,微压敏感薄膜对微压传感器的分辨率、稳定性等性能指标有决定性影响。

    MEMS真空参考腔的封装加工实现方式主要有:直接键合技术(硅直接键合、硅玻璃
    阳极键合等),中间层键合技术(金属热压、BCB、玻璃浆料等)等。电极引线的引出方式主要
    有:薄金属电极引线图形直接穿过键合层,采用超低电阻率的衬底材料直接作为电极等。微
    压敏感薄膜的微纳加工实现方式主要有:精确研磨减薄抛光、SOI(Silicon on Insulator)
    器件层、腐蚀自停止等途径。

    韩国Kang Ryeol Lee等人(Kang Ryeol Lee,Kunnyun Kim.Fabrication of
    Capacitive Absolute Pressure Sensor Using Si-Au Eutectic Bonding in SOI
    Wafer.International MEMS Conference,2006)研制的绝压微压传感器采取的方法是:采
    用金-硅共溶键合将腐蚀有坑槽的硅片与SOI器件层键合一起形成密封真空参考腔,然后去
    除衬底层做电容电极薄膜,再与腐蚀有电容间隙和导气坑槽及电容电极薄膜的玻璃用阳极
    键合方式键合一起。该方法采用的金-硅共溶键合由于金属共溶高温放气和较大的热失配,
    封装的真空度水平、界面应力影响芯片性能、长期可靠性等方面存在挑战,另外,电容间隙
    与被测气压环境相通降低了可靠性,防尘要求高。美国ISSYS公司和密歇根大学研制的电容
    式绝压微压气压传感器(Sonbol Massoud-Ansari,Yafan Zhang.An Ultra-Sensitive,
    High-Vacuum Absolute Capacitive Pressure Sensor.The 14th IEEE International
    Conference on MEMS,2001)是采用基于DWP(Dissolved Wafer Process)的敏感薄膜微纳
    加工技术,用生长多晶硅方案同时实现真空密封封装和电极线引出。该方案微纳加工工艺
    工序复杂繁多、难度大,需昂贵仪器设备多,成品率保证挑战大。

    发明内容

    本发明的目的在于克服现有技术的上述不足,提供基于SOI-MEMS技术的电容式绝
    压微压气压传感器,避免了电极引线贯穿真空腔封装键合界面,增加微压传感器的真空封
    装性能和可靠性,传感器的性能指标、一致性、成品率可以得到很好保证;所需微纳工艺简
    单、实现成本较低。

    本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现的:

    基于SOI-MEMS技术的电容式绝压微压气压传感器,包括SOI晶圆器件层、二氧化硅
    层、SOI晶圆衬底层和键合封装盖板玻璃;其中,SOI晶圆器件层为方形结构,且水平位于底
    部;二氧化硅层固定安装在SOI晶圆器件层的上表面;SOI晶圆衬底层固定安装在二氧化硅
    层的上表面;键合封装盖板玻璃固定安装在SOI晶圆衬底层的上表面。

    在上述的基于SOI-MEMS技术的电容式绝压微压气压传感器,所述二氧化硅层为方
    形薄片结构,中间设置有圆形通孔。

    在上述的基于SOI-MEMS技术的电容式绝压微压气压传感器,沿SOI晶圆衬底层竖
    直方向加工圆柱形SOI衬底层通孔结构;所述SOI衬底层通孔结构竖直方向位于二氧化硅层
    的圆形通孔范围内。

    在上述的基于SOI-MEMS技术的电容式绝压微压气压传感器,在SOI晶圆衬底层的
    下底面固定安装长方体结构的SOI晶圆衬底层欧姆接触。

    在上述的基于SOI-MEMS技术的电容式绝压微压气压传感器,所述SOI晶圆器件层
    的下表面固定安装长方体结构的SOI晶圆器件层欧姆接触。

    在上述的基于SOI-MEMS技术的电容式绝压微压气压传感器,所述键合封装盖板玻
    璃的下表面设置有圆形盖板玻璃坑槽;所述圆形盖板玻璃坑槽的尺寸与二氧化硅层圆形通
    孔的尺寸一致。

    在上述的基于SOI-MEMS技术的电容式绝压微压气压传感器,所述圆形盖板玻璃坑
    槽的底面处固定安装有吸气剂薄膜。

    在上述的基于SOI-MEMS技术的电容式绝压微压气压传感器,所述吸气剂薄膜为圆
    形薄片结构,且吸气剂薄膜高小于圆形盖板玻璃坑槽的槽深。

    在上述的基于SOI-MEMS技术的电容式绝压微压气压传感器,所述SOI晶圆器件层
    和SOI晶圆衬底层为单晶硅,且SOI晶圆器件层和SOI晶圆衬底层的电阻率小雨0.005Ω·
    cm。

    本发明与现有技术相比具有如下优点:

    (1)本发明的电容敏感气压方案采用超低电阻率(<0.005Ω·cm)的SOI晶片,其器
    件层和衬底层分别作为敏感电容两电极板,用金属-硅欧姆接触实现电极线引出,避免了电
    极引线贯穿真空腔封装键合界面,增加微压传感器的真空封装性能和可靠性;

    (2)本发明的SOI衬底层通孔结构的设计兼顾考虑有效电容极板面积与中间氧化
    层腐蚀释放之间的权衡,器件层即为气压敏感薄膜、中间氧化层厚度即为敏感电容电极板
    间距,敏感薄膜的厚度和电容电极板间距可以依靠晶圆片非常精确地控制,传感器的性能
    指标、一致性、成品率可以得到很好保证;

    (3)本发明的真空参考腔采用SOI晶片与玻璃一次阳极键合实现,稳定可靠、热失
    配小,玻璃盖板上做有吸气剂薄膜,激活后可获得高真空度,且真空长期维持能力优异;

    (4)本发明气压敏感电容间隙封装在真空环境内,电容介质即真空密闭固定不受
    外界影响,传感器有很好的可靠性和稳定性;

    (5)本发明的电容式绝压微压气压传感器检测电路简单,可以直接与商业化的微
    弱电容检测集成电路芯片集成封装一起,数字接口输出,体积小、重量轻、寄生效应小、抗干
    扰性能好。

    附图说明

    图1为本发明传感器的结构解剖示意图;

    图2为本发明传感器的结构剖视图。

    具体实施方式

    下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述:

    如图1所示为传感器的结构解剖示意图,由图可知,基于SOI-MEMS技术的电容式绝
    压微压气压传感器,包括SOI晶圆器件层101、二氧化硅层102、SOI晶圆衬底层103和键合封
    装盖板玻璃201;其中,SOI晶圆器件层101为方形结构,且水平位于底部;二氧化硅层102固
    定安装在SOI晶圆器件层101的上表面;SOI晶圆衬底层103固定安装在二氧化硅层102的上
    表面;键合封装盖板玻璃201固定安装在SOI晶圆衬底层103的上表面;采用阳极键合方法将
    键合封装盖板玻璃201与SOI晶圆片的衬底层103键合一起。

    如图2所示为传感器的结构剖视图,由图可知,二氧化硅层102为方形薄片结构,中
    间设置有圆形通孔;沿SOI晶圆衬底层103竖直方向加工圆柱形SOI衬底层通孔结构104;所
    述SOI衬底层通孔结构104竖直方向位于二氧化硅层102的圆形通孔范围内。

    在SOI晶圆衬底层103的下底面固定安装长方体结构的SOI晶圆衬底层欧姆接触
    402。

    SOI晶圆器件层101的下表面固定安装长方体结构的SOI晶圆器件层欧姆接触401。

    键合封装盖板玻璃201的下表面设置有圆形盖板玻璃坑槽202;所述圆形盖板玻璃
    坑槽202的尺寸与二氧化硅层102圆形通孔的尺寸一致。

    所述圆形盖板玻璃坑槽202的底面处固定安装有吸气剂薄膜301。

    所述吸气剂薄膜301为圆形薄片结构,且吸气剂薄膜301高小于圆形盖板玻璃坑槽
    202的槽深。

    所述SOI晶圆器件层101和SOI晶圆衬底层103为单晶硅,且SOI晶圆器件层101和
    SOI晶圆衬底层103的电阻率小雨0.005Ω·cm。

    ①SOI器件层厚度及敏感薄膜直径与气压传感器量程之间的考虑优化本实施例中
    器件层厚度17um、敏感薄膜直径约3.6mm、传感器量程0~1.5kPa;②SOI晶圆片的中间二氧
    化硅层厚度的选取与敏感气压电容的本征值大小之间的考虑本实施例中选取6um、敏感电
    容本征值约8pF;③衬底层通孔结构开口直径大小及孔间距与湿法腐蚀释放器件层作为敏
    感薄膜之间的考虑本实施例中选取通孔开口直径40um、孔间距100um;④湿法腐蚀侧钻释放
    器件层的工艺控制优化本实施例中约控制为40~50um,该腐蚀侧钻会对敏感薄膜直径产生
    少许增大,设计中优化补偿。⑤传感器在负载超过量程一定程度后,两极板接触一起,输出
    电容为接近零。

    本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

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    基于 SOI MEMS 技术 电容 式绝压微 压气 传感器
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