专利名称：苛刻环境压力传感器的制作方法
苛刻环境压力传感器
背景技术：
本公开涉及传感器并且特别地涉及压力传感器。更特别地，所述传感器涉及在苛刻环境中的压力传感器。
发明内容
本公开揭示一种用于在苛刻环境中测量压力的传感器。所述传感器可以具有形成在基底上的晶体管。由基底的一部分形成的可以是膜片，该膜片可以由于膜片上的压力改变而弯曲。所述晶体管可以检测膜片的弯曲，并且所述晶体管能够通过非惠斯通差分放大器类型电路指示压力改变的幅度。所述晶体管可以是高电子迁移率晶体管(HEMT)。HEMT 可以是III族氮化物晶体管。晶片可以被附着至所述膜片以形成密封腔。
图I为GaN晶体管的示图；图2a为集成晶体管作为压力传感器的基础的电子电路的示例性示例的示意图；图2b为具有用于包含晶体管的基底的传感器的示例性示例的示图，其中所述基底具有用于压力检测的膜；以及图3为具有用于包含晶体管的基底并且具有用于检测相对于腔内的参考压力的压力的腔的传感器的示例性示例的示图。
具体实施例方式能够在高温下和苛刻环境中工作的压力传感器看来似乎在许多应用领域中是需要的，所述应用领域诸如内燃机测量(缸内压力、排放等)，油、气以及地热勘探和钻井、气涡轮以及公用事业应用(锅炉、生命安全等)。在许多情况中，所要求的高操作温度(300°C 以上)和腐蚀介质的存在可能对传感器材料施加极端的限制。例如，市场上有售的硅压敏电阻压力传感器通常不能在这样高的温度下工作。本文中的方法是实现GaN压力传感器，其用来感测连接在有源负载差分放大器级中的氮化镓(GaN)高电子迁移率晶体管(HEMT)。GaN对于在高温和苛刻环境应用下操作的设备而言可能是合适的。由于其宽带隙性质，GaN呈现出高度热稳定的。因此，GaN电子设备可以在升高的温度下操作。该材料还呈现出化学稳定的，使得其适于在化学苛刻环境中操作。图I为可以在本传感器中使用的GaN晶体管11的示图。可以使用由诸如硅、蓝宝石、或碳化硅之类的材料制成的基底12。GaN的层13可以被形成在基底12上。AlGaN的层14可以被形成在层13上。2-DEG(即，二维电子气)15存在于层13和14的界面处。可以在层14上形成触点16用于漏极和源极。在层14的剩余表面的至少一部分上，可以形成 SiO2或Al2O3的层18。用于栅极的触点19可以被形成在层18上。漏极或触点16以及源极或触点16可以被看作欧姆触点。栅极或触点19可以被看作肖特基触点。
本压力传感器可以包括采用若干GaN HEMT构造的电子电路。在图2a和2b中的示图中示出了这样的压力传感器的一个示例。在图2b和3的传感器中的晶体管41、42、43、 44和45的结构和组成可以与图I中的晶体管11的结构和组成相似。如图2a的示意图中所示，可以采用若干GaN HEMT来构造电子电路。图2a是组成本压力传感器的基础的电路21的不意图。晶体管43 (M3)可以具有用于连接到端子22处的电压(Vd)的源极。另一个晶体管44(M4)可以具有连接到端子22 的源极。晶体管43和44的栅极可以被连接在一起，并且连接到晶体管43的漏极。晶体管43的漏极可以被连接到晶体管41 (Ml)的源极。晶体管44的漏极可以被连接到晶体管
42(M2)的源极。晶体管41和42的漏极可以被连接到连接部34，该连接部34被连接到晶体管45(Mb)的源极。晶体管45可以具有用于连接到地或参考电压端子24的漏极。电流 (Ib)可以从晶体管41和42的漏极经由连接部34流动到晶体管45并且通过晶体管45流动到端子24。可以在连接部34处指示电压(V)。电流(Iwt)和电压(Vwt)输出可以是在端子31处。端子31可以被连接到晶体管44的漏极和晶体管42的源极。晶体管41的栅极可以用于连接到端子32处的第一电压(Vl)。晶体管42的栅极可以用于连接到端子33处的第二电压(V2)。晶体管45的栅极可以用于连接到端子35处的电压(Vb)。如图2b中所示，所述电路可以被至少部分地定位在可弯曲膜(membrane) 17上，该可弯曲膜17可以是来自传感器25的基底12的蚀刻部分的结果。膜17可以在沿着方向28 的压力29应力下弯曲。方向28可以近似垂直于膜17、基底12、和/或传感器25的各层的主表面。压力29可以对膜17提供应力或应变。可以注意的是，在该膜中，由于变形的缘故， 应力/应变也可能横向地产生。与膜片17的表面相对的基底12的表面(其容易受到压力29的影响)可以具有密封基底12的那个表面的可选的盖38或者用于将基底12的那个表面或侧面与环境以及压力29的影响相隔离的其他机构，从而避免从膜片的另一侧面冲击膜片17的压力29的减小或抵消。晶体管可以在由盖38覆盖的表面上。关联的应力或应变可以改变压电极化并且因此改变晶体管41 (MI )、42 (M2)、
43(M3)和 44(M4)的沟道中的 2-DEG 浓度 15。因此，所述四个 HEMT41 (Ml)、42 (M2)、43 (M3) 和44(M4)的沟道电导可以随着测量的压力而改变。在四个HEMT的一个或多个中的沟道电导改变量可以是压力29的测量结果。应该注意的是，通过将HEMT 42 (M2)和43 (M3)定位为靠近可弯曲膜17的中心并且将HEMT 41 (Ml)和44(M4)定位为靠近膜17的边缘，对于两对晶体管而言，所述改变的符号或方向可能是相反的。当HEMT 42 (M2)和HEMT43 (M3)的沟道电导率增加时，则HEMT 41 (Ml)和HEMT44(M4)的沟道电导率可能减�。⑶曳粗嗳�。 虽然位于基底12上，但是通过不位于可弯曲膜17的上方或上面，GaN HEMT 45 (Mb)不必然受到环境压力改变影响。晶体管45可以是在基底12可弯曲性方面没有改变的参考。所述五个晶体管41、42、43、44和45可以被连接在有源负载差分放大器级中(图2a)，其中在端子31处的输出信号Vrat与所检测的压力29的幅度成比例。晶体管41/43(M1/M3)分支和晶体管42/44(M2/M4)分支之间的不平衡可以分别通过晶体管41/44(M1/M4)对和晶体管 42/43 (M2/M3)对上的压力的相反作用而增加。在端子31处的输出信号可以被特别设计用于阻抗匹配和噪声降低的放大级进一步处理。这样的处理可以产生压力29的更精确的测量结果。晶体管41-45的一个或多个可以具有除了 HEMT之外的另一类型。
图3是传感器26的示图，传感器26是在图2b中示出的压力传感器25的变体。可弯曲膜17可以形成与封闭腔27的侧壁垂直的一个侧壁和多个侧面。晶片37可以被附着于所述膜以形成腔27的其他侧壁。在图3中示出的传感器26可以测量相对于或对比封闭腔27内的参考压力的外部压力。在GaN HEMT压力传感器的某些实例中，可以通过一个或多个HEMT中或者在惠斯通电桥配置中连接到一起的四个HEMT中的沟道电阻率改变来感测压力。然而，在本实例中，可以由每个单独的晶体管41 (Ml)、42 (M2)、43 (M3)和44(M4)来执行该感测。晶体管可以被连接在与惠斯通配置不同的电子电路配置中。在灵敏度方面的提高主要可以归因于电子电路的差分配置。然而，通过利用压力29分别对晶体管对41/44 (M1/M4)和42/43 (M2/M3) 所具有的相反作用、从而使压力29对端子31处的输出信号Vrat的作用加倍，可以保持惠斯通电桥的优点。此外，可以按照使得电路对压力29的灵敏度被优化的方式来对晶体管进行偏置(分别在端子32、33、35和22处使用Vl、V2、Vb和VD)。经由采用晶体管43 (M3)和 44(M4)构造的电流反射镜,有源负载差分电路配置在去除共模影响(common mode effect) 方面也可以是非常有效的。可以通过减小可能相同地影响几乎所有晶体管的交叉灵敏度 (cross-sensitivities)(例如,温度、湿度等)来提高传感器25和26的性能。我们可以返回到可以用在本传感器25和26中的图I的GaN HEMT结构11的示例。 由于在栅极19金属化期间还可以充当钝化层的介电层18 (诸如Si02、Al203等)的存在，结构11可以被看作是金属一绝缘体一半导体(MIS) HEMT。晶体管11操作可以基于AlGaN/GaN界面处的2-DEG (二维电子气)15的存在。可以通过异质结构中的强压电和自发极化效应并且通过表面态(surface state)和大导带偏移来产生2-DEG 15。虽然图I示出了 AlGaN/GaN HEMT，但是可以使用几乎任何其他的基于GaN的HEMT 结构，诸如AlInN/GaN、AlInGaN/GaN、AlGaN/InGaN等。GaN HEMT结构同样可以包含缓冲层、 盖层和GaN HEMT技术的其他层，其未必在图I中示出。由自发和压电极化感生的表面和界面电荷可以用于压力改变的检测。为了获得本压力传感器25或26，可能必须提供基于GaN HEMT晶体管的电子电路并且将它放置为接近基底12侧上的膜片17或在基底12侧上的膜片17上方，如图2b和3 中所示。相应地考虑到图2a的示意图，可以通过连接五个左右GaN HEMT来将电子电路构建在芯片上。为了制造GaN HEMT晶体管，可以使用GaN HEMT晶体管的各种处理和制造技术。关于基底12，可以使用SiC、蓝宝石或硅。通常用于外延生长的几乎所有基底可以被结合用于GaN HEMT结构。为了实现电接触，可以使用各种常规和特定的金属化模式(像用于源极和漏极欧姆触点16的Ti/Al/Au、Ti/Al/Ti/Au或Ti/Al/Ni/Au、以及用于栅极肖特基触点19的Ni/Au、Pt/Au或Pd/Au)和退火处理。可以使用用于实现GaN HEMT的欧姆和肖特基触点的特定金属化模式和退火处理。电路互连(根据图2a的GaN HEMT之间的连接)可以通过利用了 Au、Ni/Au、或Cr/ Au金属化的各种技术(例如，光刻等)来制造。此外，可以通过利用各种技术(例如，像在硅的情况下的湿法或干法蚀刻)或者诸如在蓝宝石和SiC基底的情况下使用的那些之类的其他技术蚀刻基底12来获得膜片17。
为了获得具有图3中所示的封闭腔27的传感器26结构，在图2b中描述的结构可以进一步通过采用由相同材料制得的覆盖晶片37覆盖可弯曲膜17以及将所述膜和晶片附着在一起以便形成密封腔27来完成。在本说明书中，尽管以另一种方式或时态进行了陈述，但某些问题可能具有假设或预言的性质。尽管已针对至少一个说明性示例描述了本系统，但在阅读本说明书时，对于本领域技术人员而言，很多变形与修改将变得显而易见。因此目的是所附权利要求书在考虑到现有技术的情况下被尽可能宽地解释以包括所有这样的变形与修改。
权利要求
1.一种压力传感器，包括基底；位于所述基底的第一表面上的两个或更多个晶体管；将所述两个或更多个晶体管互连的电路；以及由在所述基底的第二表面上的所述基底的至少一部分形成的膜；以及其中当施加压力到所述膜时，所述膜具有形状方面的改变；所述两个或更多个晶体管提供所述膜的形状方面的改变的检测；以及所述电路将所述检测转化为所述压力的幅度的指示；以及所述两个或更多个晶体管是高电子迁移率晶体管。
2.根据权利要求I所述的传感器，其中所述高电子迁移率晶体管包括III族氮化物结构；以及具有III族氮化物HEMT结构的所述高迁移率电子晶体管包括AlGaN/GaN、AlInN/GaN、 AlInGaN/GaN、AlGaN/InGaN或其它类似材料布置。
3.根据权利要求I所述的传感器，其中将所述两个或更多个晶体管互连的所述电路包括第一晶体管，其具有连接到第一电压端子的栅极；第二晶体管，其具有连接到第二电压端子的栅极；第三晶体管，其具有连接到第三电压端子的源极；以及第四晶体管，其具有连接到第四电压端子的源极；以及其中所述第一晶体管的漏极连接到所述第二晶体管的漏极；所述第三晶体管的漏极和栅极连接到所述第一晶体管的源极；所述第四晶体管的栅极连接到所述第三晶体管的栅极；并且所述第四晶体管的漏极连接到所述第二晶体管的源极。
4.根据权利要求3所述的传感器，还包括第五晶体管，其具有连接到所述第一和第二晶体管的所述漏极的源极；并且其中所述第三和第四电压端子连接在一起；所述第五晶体管的栅极连接到第五电压；并且所述第五晶体管的漏极连接到参考电压。
5.根据权利要求4所述的传感器，其中所述第一、第二、第三和/或第四晶体管具有由于膜片形状方面的改变的沟道电导率方面的改变，其提供了所述膜的形状方面的改变的检测。
6.根据权利要求I所述的传感器，还包括晶片，其附着到所述膜以形成具有所述膜的表面和所述晶片的表面的闭合腔；以及其中所述膜响应于施加到所述基底的所述第一表面的压力而在形状方面改变。
7.—种苛刻环境压力传感器,包括基底，其具有可弯曲膜片；以及位于所述基底上用于检测所述膜片的弯曲的一个或多个晶体管；并且其中所述膜片的所述弯曲是由于冲击所述膜片的介质的压力；并且所述一个或多个晶体管是高电子迁移率晶体管。
8.根据权利要求7所述的传感器，其中所述高电子迁移率晶体管包括III族氮化物结构。
9.根据权利要求7所述的传感器，其中所述一个或多个晶体管的四个晶体管被连接在有源负载差分放大器和非惠斯通配置电路中；并且所述电路提供指示冲击所述膜片的所述介质的压力的幅度的电输出。
10.根据权利要求7所述的传感器，其中在经受冲击所述膜片的所述介质的压力的所述膜片表面的相对侧上的所述基底的所述表面被与冲击所述膜片的所述介质的所述压力隔离。
11.根据权利要求7所述的传感器，其中所述膜片的所述弯曲影响沟道中的二维电子气浓度和相应的晶体管的沟道电导，以产生来自所述晶体管的指示所述膜片的所述弯曲的幅度的信号。
12.根据权利要求9所述的传感器，其中晶体管中的两个或更多个位于所述基底上的接近于所述膜片的中心的位置处；并且两个或更多个晶体管位于所述基底上的接近于所述膜片的一个或多个边缘的位置处。
13.根据权利要求10所述的传感器，还包括在经受冲击所述膜片的所述介质的压力的所述膜片的所述表面的所述相对侧上的所述基底表面上形成的盖。
14.一种压力传感器，包括基底；以及感测元件，其位于所述基底上；以及其中蚀刻所述基底以形成可弯曲膜片；以及所述感测元件包括在非惠斯通电子电路中连接的至少四个III族氮化物高电子迁移率晶体管。
15.根据权利要求14所述的压力传感器，其中所述电子电路是有源负载差分放大器；以及所述可弯曲膜片形成封闭腔的一个侧壁。
全文摘要
一种用于在苛刻环境中测量压力的传感器。所述传感器可以具有形成在基底上的晶体管。由基底的一部分形成的可以是膜片，该膜片可以由于膜片上的压力改变而弯曲。所述晶体管可以检测膜片的弯曲，并且所述晶体管能够通过非惠斯通差分放大器类型电路指示压力改变的幅度。所述晶体管可以是高电子迁移率晶体管(HEMT)。HEMT可以是Ⅲ族氮化物晶体管。晶片可以被附着至所述膜片以形成密封腔。
文档编号G01L9/00GK102607759SQ20121005192
公开日2012年7月25日 申请日期2012年1月13日 优先权日2011年1月14日
发明者B-C·塞尔班, M·布勒兹努, S-D·科斯蒂, V-G·杜米特鲁 申请人:霍尼韦尔国际公司
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