专利名称：压阻压力传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种压阻压力传感器以及一种用于制造压阻压力传感器的方法。
背景技术：
已经已知作为加速度传感器和压力传感器实施的机电系统(MEMS)。大多数MEMS压力传感器按照相同的根本作用原理工作，其中薄膜片上的压力差导致该薄膜片的变形。压阻分析证明适用于测量技术地检测与压力差成比例的膜片变形。在此利用硅的高压阻效应，以便将膜片的机械张紧状态或膜片上的压电电阻转换成可以电学方式分析的量。因为压阻效应在ρ掺杂硅中比在η掺杂硅中大，所以一般可以通过掺杂将压阻作为所谓的η阱的ρ+掺杂区域来施加。这种传感器的经常应用的运行温度位于约150°C的范围中。对于更高的温度，例如直至约500°C，可以使用以SOKSilicon on Insulator,绝缘体上硅)技术制造的压阻压力传感器。在此，微机械的压力传感器的膜片典型地是10-100 μ m厚。
发明内容
本发明的主题是一种压阻压力传感器，包括硅衬底，在该硅衬底上布置有构造膜片的碳化硅层，其中还在硅衬底的与碳化硅层相对的那侧上布置有电绝缘层，在电绝缘层的与膜片相对的那侧上布置有压电电阻和具有金属接触部的印制导线以用于以压阻方式检测膜片的压力引起的变形。因此根据本发明设置硅衬底，使得在高温时也作为基体给予压力传感器足够的稳定性。碳化硅(SiC)层用作为膜片，该碳化硅层布置在衬底上。衬底因此具有空缺，在该空缺中碳化硅层作为膜片可弹性变形，以便对压力进行反应。根据本发明的压阻压力传感器的碳化硅层以可作为膜片使用的厚度直至超过1000°C也表现为弹性的。因此可以制造允许远高于500°C的使用温度的碳化硅传感器。因为根据本发明碳化硅不具有电学功能而是仅具有机械功能，因此可以放弃费用高的单晶碳化硅晶片。因为单晶碳化硅的晶片费用例如是硅的大约200倍高。因此根据本发明的压力传感器所提供的优点是，其可以用于压力传感器的众多应用领域，尤其是用于要求非常高使用温度的机动车中的应用。例如在气缸压力测量或者沿着废气区段的压力测量中是这种情况，其对于满足未来废气标准可能是必要的。在这里在压力传感器元件处存在的温度对于气缸压力测量达到大约600°C的值并且对于在废气歧管处的压力测量甚至达到1100°C。通过压电电阻下面的电绝缘层还几乎完全避免泄漏电流。该绝缘层在此不损害或仅微小地损害膜片的可变形性。设置由碳化硅构成的膜片所具有的优点还有与纯硅相比，碳化硅表现出明显减小的老化效应。膜片和传感器的耐用性由此可以显著提高。
因此利用根据本发明的压阻压力传感器可以对于在远高于500°C温度时的使用费用低地制造微机电压力传感器。在一个优选扩展方案的范围内，碳化硅层具有Iym至20μπι的厚度。以该厚度，碳化硅层具有足够的稳定性，以便即使在高温时也没有不期望的变形或以其他方式不利地受到损害。除此之外，弹性变形在整个温度范围内、尤其是直至1000°c的环境温度是可能的，使得膜片是充分敏感的。这样根据本发明的压力传感器优选可以在1巴至5000巴的压力范围内使用。在另一有利的扩展方案的范围内，碳化硅层由多晶碳化硅(poly-SiC)构造。这种层例如以CVD方法费用非常低地制造。在另一优选的扩展方案的范围内，压电电阻和印制导线由ρ+掺杂的硅构造。由此，电阻的压阻效应是特别高的。例如，压阻效应在P掺杂的硅中比在η掺杂的硅中高。在本发明的范围内的P+掺杂意味着，外来原子或晶格缺陷(Stoerstellen)尤其是以0. Ippb与IOOppm之间的量被引入到硅晶格中。这些外来原子有针对性地改变初始材料的特征。在P+掺杂的硅的情况下，三价元素、所谓的受主被引入到硅晶格中并且为此代替四价硅原子。因此产生正的空隙，其也被称为孔或空穴。根据本发明还有利的是，电绝缘层由二氧化硅(SiO2)构造。二氧化硅在高温时也是合适的绝缘体并且因此可以在整个期望的温度范围内有效地减小或防止泄漏电流。本发明还涉及一种用于制造压阻压力传感器的方法，包括步骤-使用硅衬底，该硅衬底通过电绝缘层与硅膜分离；
-对硅膜进行结构化以生成压电电阻和印制导线；-部分地去除硅衬底直至电绝缘层以生成膜片几何结构；-在膜片几何结构上沉积碳化硅层；-在印制导线上布置金属接触部。利用根据本发明的方法可以特别简单地制造压阻压力传感器，使得利用所制造的传感器可以获得根据本发明的以及关于该传感器所述的优点。在此特别有利的是，对硅膜的结构化通过反应离子蚀刻(RIE)来进行。在反应离子蚀刻的情况下，在两个电极之间通过高频在真空中通过蚀刻气体点燃等离子体。暴露于等离子体的硅通过离子轰击被蚀刻。还可以利用蚀刻气体进行硅的化学反应。这两个蚀刻部分可以有针对性地用于蚀刻过程的控制。在根据本发明方法的另一扩展方案的范围内，通过KOH蚀刻进行硅衬底的去除。在这种各向异性的蚀刻过程的情况下，将硅作为羟基络合物从衬底中析出，其中可以实现具有高蚀刻率的非常均勻的过程。在根据本发明方法的另一扩展方案的范围内，通过PECVD碳化硅沉积来进行碳化硅层的沉积。这种等离子体支持的化学气相沉积(plasma enhanced chemical vapourdeposition, PECVD)是可尤其是用于沉积碳化硅的方法，利用该方法可以非常高的准确性和均勻的厚度来沉积碳化硅层。还有利的是，对金属接触部的构造通过溅射、例如利用掩膜的溅射来进行。因此在印制导线上淀积金属膜，其中金属接触部的几何结构可通过掩膜来控制。通过该方法可以特别均勻地在硅上沉积金属。
根据本发明的主题的另外的优点和有利扩展方案通过附图来表明并且在以下描述中阐述。在此应当注意，附图仅具有描述性特性并且不应被考虑为以任何方式限制本发明。其中
图1示出用于制造根据本发明的压力传感器的初始产品；图2示出具有结构化的硅层的中间阶段；图3示出具有定义的膜片几何结构的另一中间阶段；图4示出具有沉积的碳化硅层的另一中间阶段；图5示出完成了的根据本发明的压阻压力传感器。
具体实施例方式在图中为根据本发明的压阻压力传感器示出特别优选的根据本发明的制造方法。根据本发明的压力传感器可以使用于每种应用。根据本发明的压力传感器尤其适用于在高温时执行非常准确的压力测量，诸如在机动车应用中，例如在气缸盖中或在废气管路中，或者也在工业测量技术中。利用根据本发明的传感器例如可以进行相对压力测量以及绝对压力测量。在图1中示出用于制造根据本发明的压阻压力传感器的初始产品。作为用于制造根据本发明的压力传感器的初始产品，设置硅基体或硅衬底1。硅衬底1被构造为SOI衬底(Silicon on hsulator，绝缘体上硅)。由此得出较短的开关时间和尤其是较小的功率消耗。因此这在当前的情况下是尤其有利的，因为功率消耗也在泄漏电流方面是小的。硅衬底1可以由常见的未掺杂的硅构成并且具有例如700μπι的厚度。硅衬底1既在低温(诸如在环境温度)时、也在根据本发明可能的直至超过1000°c的高使用温度时给予传感器足够的稳定性。除了这样的硅衬底1以外设置有SOI膜，尤其是硅膜2。硅膜2优选是掺杂的，尤其是P+掺杂的。由此可以在完成了的压力传感器中达到特别好的压阻效应。硅膜2可以具有彡0.5至<20 μ m的厚度。特别优选地，该膜具有彡1至< 10 μ m的厚度。经常在掺杂的半导体中、诸如在掺杂的硅中确定，压阻效应恰好在高温时特别明显，因此在高温时、例如在高于500°C时的应用是特别有利的。在广泛领域中的制造过程中可以调节的、对硅掺杂的程度在此确定膜片的伸展与半导体电阻的电阻变化之间的比例系数。硅膜2布置在电绝缘层3上，该电绝缘层3将硅膜2与硅衬底1电绝缘。该电绝缘层3优选是二氧化硅(SiO2)层并且也被称为隐埋氧化物(BOX)。但是，其他电绝缘材料、诸如蓝宝石也是可能的。电绝缘层3可以具有彡50nm至<2μπι的厚度。该层特别优选地具有彡IOOnm至彡Ιμπι的厚度。通过设置电绝缘层3可以几乎完全避免泄漏电流。在图2中示出用于制造根据本发明的压阻压力传感器的第一方法步骤。在该方法步骤中对硅膜2进行结构化。这意味着，生成压电电阻4和印制导线5。它们于是尤其是这样地布置，以便以压阻方式检测稍后要生成的膜片的压力引起的变形。电阻4以及印制导线5因此是电的电阻测量电桥的构成部分。它们例如可以按照惠斯通电桥的原理来布置。硅膜2的结构化例如可以通过反应离子蚀刻(Reactive Ion Etching (RIE，反应离子蚀刻))或反应离子干蚀刻(de印reactive ion etching (DRIE，深反应离子蚀刻))来进行。通过这种方法，硅层2中的具有非�：玫男翁�、即深度与宽度的比的微结构是可能的，其中可以达到合适的结构深度。在图3中示出根据本发明方法的另一中间步骤。在该方法步骤中部分的去除硅衬底1。该方法步骤可以特别优选地通过KOH蚀刻来进行。因此将含水的碱溶液引到硅衬底1上，该碱溶液将硅作为羟基络合物引入到溶液中。通过这种方式可以从基本结构中洗掉并且因此去除硅。在本发明范围内的部分地去除硅衬底理解为，将碳化硅仅在χ方向上完全去除直至电绝缘层3。通过这种方式在硅衬底中产生空缺6。由此可以生成良好地适用于膜片的膜片几何结构。例如可以产生翻转过来的槽状的空缺6作为膜片几何结构，空缺6在其槽底部被构造为圆形的。但是每种期望的、对于在稍后方法步骤中施加的膜片有利的几何结构都是可能的。在根据图4的另一方法步骤中，在根据图3产生的膜片几何结构上沉积碳化硅层7。该碳化硅层在这里尤其是由多晶碳化硅(poly-SiC)构成的层。这可以通过每种可能的方法来实现。在这里特别优选PECVD沉积，即等离子体支持的化学气相沉积。由此可以以期望的厚度无问题地涂覆碳化硅层7。碳化硅层7尤其是具有1 μ m至20 μ m的厚度。通过根据图3生成期望的膜片几何结构，碳化硅层7现在例如在空缺6的槽底部构造膜片8。膜片8具有直至非常高的温度、诸如直至1000°C或甚至高于此的温度也不决定性地减小的稳定性。允许的最大可能的测量压力在这里可以通过膜片厚度受到影响。例如可以通过20 μ m厚的膜片8来实现5000巴的最大测量压力。在根据图5的最后的方法步骤中，在根据图2生成的印制导线5上尤其是通过利用掩膜的溅射来施加金属接触部9。该金属接触部9用于将传感器与电流源或分析单元电连接，以便因此可以执行压阻压力测量。因此在图5中示出制造完成的根据本发明的压阻压力传感器。因此根据本发明的压阻压力传感器包括硅衬底1作为支承体，在该硅衬底1上布置有构造膜片8的碳化硅层7。碳化硅层7因此以根据在图4中示出的方法步骤所选择的形式来构造膜片8。在衬底1上面或在膜片8上面，即在硅衬底1的与碳化硅层7相对的那侧上，布置有电绝缘层3。该电绝缘层3尤其是用于避免泄漏电流并且因此增大测量的准确性。在电绝缘层3上面，即在绝缘层3的与膜片8相对的那侧上，布置有压电电阻4和具有金属接触部9的印制导线5以用于以压阻方式检测膜片8的压力引起的变形。压电电阻4尤其是布置在膜片8的边缘区域处。如果在传感器上或在膜片8上施加压力，则膜片8由于该压力而变形。在此在膜片8的边缘处，变形自然最明显。由于膜片8的变形，机械应力被施加到压电电阻4上。压电电阻4中的应力导致按照压阻效应的电阻变化。通过压电电阻4在膜片8的边缘处的优选布置，因此在电阻4中实现特别强的机械应力，使得电阻值的通过压阻效应触发的变化特别强。因此，该传感器的特别大的灵敏性是可能的。电阻变化可以与压力成比例地、可逆地以及以电子方式分析。在通过压电电阻4和印制导线5构造的测量电桥处，可以经由金属接触部9施加尤其是恒定的、几个伏特(例如5V)的电压，以便获得良好的测量结果。
权利要求
1.压阻压力传感器，包括硅衬底(1)，在该硅衬底(1)上布置有构造膜片(8)的碳化硅层(7)，其中还在硅衬底(1)的与碳化硅层(7)相对的那侧上布置有电绝缘层(3)，在电绝缘层(3)的与膜片(8)相对的那侧上布置有压电电阻(4)和具有金属接触部(9)的印制导线(5)以用于以压阻方式检测膜片(8)的压力引起的变形。
2.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，碳化硅层(7)具有1μ m至20 μ m的厚度。
3.根据权利要求1或2所述的压力传感器，其特征在于，碳化硅层(7)由多晶碳化硅构造。
4.根据权利要求1至3之一所述的压力传感器，其特征在于，压电电阻(4)和印制导线(5)由ρ+掺杂的硅构造。
5.根据权利要求1至4之一所述的压力传感器，其特征在于，电绝缘层(3)由二氧化硅构造。
6.用于制造压阻压力传感器的方法，包括步骤-使用硅衬底(1)，该硅衬底通过电绝缘层(3)与硅膜(2)分离；-对该硅膜(2)进行结构化以生成压电电阻(4)和印制导线(5)；-部分地去除硅衬底(1)直至该电绝缘层(3)以生成膜片几何结构；-在膜片几何结构上沉积碳化硅层(7);-在印制导线(5)上布置金属接触部(9)。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，该硅膜(2)的结构化通过反应离子蚀刻来进行。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，去除硅衬底(1)通过KOH蚀刻来进行。
9.根据权利要求6至8之一所述的方法，其特征在于，该碳化硅层(7)的沉积通过PECVD碳化硅沉积来进行。
10.根据权利要求6至9之一所述的方法，其特征在于，该金属接触部(9)的构造通过溅射、例如利用掩膜的溅射来进行。
全文摘要
本发明涉及一种压阻压力传感器，包括硅衬底(1)，在该硅衬底(1)上布置有构造膜片(8)的碳化硅层(7)，其中还在硅衬底(1)的与碳化硅层(7)相对的那侧上布置有电绝缘层(3)，在电绝缘层(3)的与膜片(8)相对的那侧上布置有压电电阻(4)和具有金属接触部(9)的印制导线(5)以用于以压阻方式检测膜片(8)的压力引起的变形。这种传感器尤其是适用于诸如远高于500℃的高温时的测量。
文档编号G01L9/06GK102374918SQ20111019068
公开日2012年3月14日 申请日期2011年7月8日 优先权日2010年7月9日
发明者�？怂� T. 申请人:罗伯特·博世有限公司
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