[发明专利]一种复合膜片压力传感器结构

说明书

技术领域

本发明用于压力传感器制造技术领域，具体涉及到一种复合膜片压力传感器结构。

背景技术

当硅压力传感器敏感膜片减薄后，大挠度效应逐渐凸显，膜片的非线性形变的影响不可忽略，其结果将造成传感器的线性特性变差，膜片越薄，这个现象越为突出，目前，大多采用岛膜结构，以及梁膜岛等结构解决相关问题，其原理是将应力集中在一个比较小的范围内，以实现高质量的低压力测量。这些结构带来的问题是工艺难度较大，器件的成本随之提高。本发明的主要目标是在不影响低量程传感器灵敏度的前提下，采用多孔硅和单晶硅复合膜片，减小膜片的非线性形变，从而减小膜片挠度，最终达到提高低量程传感器灵敏度或降低非线性的目的。

多孔硅是一种新型的纳米半导体光电材料，室温下具有优异的光致发光、电致发光等特性，易与现有硅技术兼容，极有可能实现硅基光电器件等多个领域的应用。多孔硅在绝缘材料、敏感元件及传感器、照明材料及太阳能电池、光电器件以及作为合成其它材料的模板等多个领域内具有广泛的应用前景。

近年来，有些研究人员开始对多孔硅的机械特性和压阻特性进行了一定研究，并将其利用到压力传感器中。目前的研究主要集中在如下三个方面。

首先，利用多孔硅在高温下易倒塌的特性，通过高温退火形成硅空腔结构的压力传感器。这主要是Bosch公司的研究(Proceedings of SPIE Vol.4981，P.65，(2003))。这项技术主要是通过在多孔硅上外延一层单晶硅，然后在1100oC左右退火使得多晶硅层倒塌，从而形成了一个封闭腔。利用这种技术获得的压力范围在200mbar到1000mbar的绝压传感器，并且具有良好的线性度。

其次，是对多孔硅压阻特性的研究(IEEE Sensors Journal，Vol.6，No.2，P.301，(2006))。采用三明治结构，将多孔硅层作为电阻层而研究其压阻特性。Chirasree等人在2006年研究发现，对于63％的空隙率和20μm厚的多孔硅，其压敏特性3倍于传统硅膜；对于63％空隙率的多孔硅，其压阻系数要比单晶硅高50％；并且多孔硅的反应时间要比单晶硅短；多孔硅压力传感器的功耗也要比传统的压力传感器低得多。

第三，将多孔硅和硅结合起来，形成硅+多孔硅复合膜片结构，从而可以将其运用到压力传感器制备中(J.Micromech.Microeng.Vol.17，P.1605-1610，(2007))。L Sujatha等人在2007年的研究表明，利用多孔硅低的杨氏模量以及硅的支撑作用，通过控制多孔硅、硅层的厚度以及空隙率等参数，可以大大提高所制备器件的敏感度。但是，其研究并没有涉及具体的传感器结构等方面的信息。

从上面的研究可以看出，近几年多孔硅压力传感器的研究已经逐渐引起的人们的注意，并有进一步扩大的趋势。我们认为，在多孔硅的压阻特性、器件制备等方面需要作进一步的深入研究，如多孔硅压阻特性的物理机制等目前并不明朗，在器件制备方面也不成熟，仅停留在实验阶段等。特别是对硅多孔硅复合膜片结构的研究，具有很好的研究与开发前景，在解决低量程压力传感器灵敏度低或非线性特性不佳的问题方面应会有所作为。

发明内容

本发明的目的是在于提供一种复合膜片压力传感器结构，在不影响低量程传感器灵敏度的前提下，采用多孔硅和单晶硅复合膜片，减小膜片的非线性形变，从而减小膜片挠度，最终达到提高低量程传感器灵敏度或降低非线性的目的。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

本发明提供一种复合膜片压力传感器结构，包括：

一单晶硅层，该单晶硅层的一面为凹型；

一多孔硅层，该多孔硅层生长在单晶硅层凹型的内表面。

其中该凹型单晶硅层的底面为平板型结构。

其中该凹型单晶硅层的底面为岛状结构。

其中岛状结构为单岛、双岛或多岛结构。

其中岛状结构为方形岛、矩形岛或圆形岛结构。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的一种复合膜片压力传感器结构，这种膜片结构可以在不影响低量程传感器灵敏度的前提下，减小膜片的非线性形变，从而减小膜片挠度，最终达到提高低量程传感器灵敏度或降低非线性的目的。这项技术也可以扩展到更低量程的压力传感器，从而扩大平板型膜片传感器的量程范围，降低低压传感器的工艺复杂性，降低成本。