一种压阻式MEMS温度传感器制造技术

本实用新型专利技术公开了一种涉及微机电系统领域的压阻式MEMS温度传感器，该传感器主要采用双层膜结构和惠斯通电桥技术，采用压阻式悬臂梁结构，将惠斯通电桥的四个电阻布置在四个悬臂梁的相同位置，通过引线将四个电阻连接成惠斯通电桥，能够放在狭窄的空间内直接进行点位置的温度测量。

A piezoresistive MEMS temperature sensor

The utility model discloses a piezoresistive MEMS temperature sensor in the field of microelectromechanical systems. The sensor mainly uses a double layer membrane structure and a Wheastone bridge technology, using a piezoresistive cantilever beam structure. The four resistors of the Wheastone bridge are arranged in the same position of the four cantilever beams, and four resistors are connected through the lead wire. The Wheatstone bridge can be placed in a narrow space directly for temperature measurement.

【技术实现步骤摘要】
一种压阻式MEMS温度传感器
本技术涉及一种传感器，尤其涉及一种压阻式MEMS温度传感器及其制作方法。
技术介绍
开关柜结构紧凑，空间环境复杂，存在高电压、高温度、强磁场及极强的电磁干扰环境，一般的温度传感器很难精确的测量到精确位置的温度。市面上已有的测温技术如红外测温技术，属于非接触式测温方式，基于黑体辐射定律的原理，任何高于绝对零度的物体都在发射出辐射能，物体温度通过红外辐射能量的大小及波长分布来表现。但是红外测温仪测温时需安装固定，并且受到开关柜内部复杂结构的影响只能得到部分位置的温度，通用性差；声表面波无线温度传感器由天线、叉指换能器、反射栅以及压电基片组成，其测温原理是传播在压电基片表面的声表面波，其波长和波速会随基片表面或内部因素(温度)的改变而变化。这种系统安装简单，但是成本较高，测温范围小，可靠性低。随着微纳电子工艺的发展，一种基于微机电系统(MEMS)的温度传感器逐步发展，其功耗低，抗干扰能力强，由于其体积很小，通常可以放在任何需要测温的位置，具有极高的可靠性。
技术实现思路
有鉴于此，本技术的目的是提供一种压阻式MEMS温度传感器，解决了现有技术中存在的问题，即可以实现任意位置的温度监测，也具有较高的灵敏度、较高的可靠性。本技术所采用的技术方案是，一种压阻式MEMS温度传感器，其采用双层膜结构，上层为热膨胀系数较大的金属铝膜，下层为SOI器件层的半导体硅，硅的表面进行离子注入，在半导体硅的表面设置四个扩散电阻，组成惠斯通电桥。优选地，将惠斯通电桥的四个电阻布置在不同的四个悬臂梁的相同位置，引线将四个电阻连接成惠斯通电桥。优选地，其采用悬臂梁式结构。优选地，所述电阻的位置大致在距离悬臂梁固定端20μm处。优选地，所述悬臂梁的长度L为500μm，宽度为50μm，铝层厚度为1.5μm，硅层厚度为8μm。优选地，所述的压阻式MEMS温度传感器用于开关柜温度监测。本技术提供的所述压阻式MEMS温度传感器，功耗低，抗干扰能力强，由于其体积很小，通常可以放在任何需要测温的位置，采用微机械结构具有极高的灵敏度和可靠性。附图说明通过以下参照附图对本技术实施例的描述，本技术的上述以及其它目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：图1是本技术硅微桥式MEMS温度传感器的结构示意图；图2是悬臂梁式MEMS温度传感器的结构示意图；图3是惠斯通电桥的结构示意图；图4是SOI硅片结构示意图；图5是制作温度传感器过程中离子注入工艺示意图。图中：1-硅微桥；2-悬臂梁；3-离子源；4-真空泵；5-质量分析器；6-加速器；7-中性束偏移器；8-聚焦系统；9-偏移扫描系统；10-硅片；11-铝层；12；硅层；13-Si；14-SiO2。具体实施方式以下基于实施例对本技术进行描述，但是本技术并不仅仅限于这些实施例。如图1-5所示，本技术提供了一种压阻式MEMS温度传感器，主要采用双层膜结构和惠斯通电桥技术，能够放在狭窄的空间内直接进行点位置的温度测量。其中，所述双层膜结构上层为热膨胀系数较大的金属铝膜，下层为SOI(Silicon-On-Insulator，即绝缘衬底上的硅)器件层的半导体硅，SOI的结构如图4所示。原理是：具有不同膨胀系数的几种材料组合成的物体，在温度发生均匀变化时，由于热膨胀系数不同，物体中不同材料的自由膨胀受到各个部分之间的相互约束，从而产生温度应力。半导体硅选择N型或者P型均可。进一步地，在所述硅的表面进行离子注入形成扩散电阻。当选择的半导体硅是N型时，在所述硅的表面进行硼离子注入形成所述扩散电阻；当选择的半导体硅是P型时，在所述硅的表面进行磷离子注入形成所述扩散电阻。本技术中选择N型SOI硅片，即在硅的表面进行BF(氟化硼)离子注入形成扩散电阻。进一步地，在所述半导体硅的表面设置四个所述扩散电阻(即R1、R2、R3、R4)，连接所述扩散电阻在膜片内形成惠斯通电桥(如图3)。优选地，将所述惠斯通电桥的四个电阻布置在不同的四个悬臂梁的相同位置，通过引线将四个电阻连接成惠斯通电桥，可以减小因为电阻的差异带来的误差。如果在同一个悬臂梁上离子注入四个电阻形成悬臂梁，离子在不同的位置会产生较大的误差导致电阻值不同，电桥调零时复杂。进一步地，所述温度传感器采用压阻式硅微桥1结构(如图1所示)，优选地，所述温度传感器采用压阻式悬臂梁2结构(如图2所示)。压阻式硅微桥结构与压阻式悬臂梁结构原理上一样，两者结构的差别在于前者是一端固定一端自由的，后者是两端都固定的结构。两种结构的主要区别在于灵敏度不同，所述压阻式悬臂梁温度传感器的灵敏度高于所述压阻式硅微桥温度传感器。由于金属铝的热膨胀系数大概是硅的10倍左右，且悬臂梁一端固定，另一端为自由端，当温度发生变化时，铝膜的形变大于硅的形变，悬臂梁发生弯曲导致电阻阻值发生变化，惠斯通电桥产生输出，且输出与温度成正比。如图2所示，进一步地，所述电阻的位置可以达到100MPa的应力，优选地，如图1所示，所述电阻的位置大致在距离悬臂梁固定端20μm，得到较好的灵敏度。更优选地，所述悬臂梁的长度L大约为500μm，宽度大约为50μm(图中未示出)，铝层厚度大约为1.5μm，硅层厚度大约为8μm。以此得到的温度传感器具有更高的灵敏度。所述温度传感器被广泛引用于各个领域，比如应用于开关柜中对温度进行监测。其功耗低，抗干扰能力强，体积小，可以放在任何需要测温的位置；该传感器是一种微机械结构，具有更高的灵敏度。本技术涉及的所述温度传感器的制作方法步骤如下：(1)要在N型SOI硅片的表面进行离子注入，形成电阻。选择N型中阻SOI时可以注入硼离子；如果选择P型中阻SOI，离子注入时需要注入磷离子形成电阻。这里以选择N型中阻SOI为例。(2)用BF(氟化硼)进行离子注入。其过程为：利用经过了电场加速的元素离子以一定速度射入固体材料表面形成掺杂。注入法精度高，纯度高。如图5所示，离子注入机总体上分为8个主要部分，分别是：离子源3：用于离化杂质的容器，常用的杂质源气体有BF3、AsH3、和PH3等。真空泵4：用于封闭空间中改善、产生、和维持真空。质量分析器5：不同离子具有不同的电荷质量比，因而在分析器磁场中偏转的角度不同，由此可分离出所需的杂质离子，且离子束很纯。加速器6：为高压静电场，用来对离子束加速。该加速能量是决定离子注入深度的一个重要参量。中性束偏移器7：利用偏移电极和偏移角度分离中性原子。聚焦系统8：用来将加速后的离子聚集成直径为数毫米的离子束。偏移扫描系统9：用来实现离子束x、y方向的一定面积内进行扫描。硅片10：对其进行离子注入。离子注入后常常需要进行热退火工艺，即在950℃高温氮气保护下退火15-30分钟，消除注入造成的损伤和激活注入杂质离子。也可通过让离子穿过薄氧化层来减少损伤。(3)确定接触孔。由于在硅片的表面形成电阻，接触孔就是一个导电端子，对电阻形成的惠斯通电桥供电或者输出，其材料是采用上层膜结构中的铝。(4)形成氧化层，溅射Al。由于硅和铝都是导电的，因而在硅层和铝层之间需要加入绝缘介质，因而采用二氧化硅。形成氧化层，厚度不需要很大；溅射铝目的是形成悬臂梁双层膜结构中的上层铝膜结构。(5)正面涂PI胶(即聚酰亚胺)本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种压阻式MEMS温度传感器，其特征在于：所述压阻式MEMS温度传感器采用双层膜结构，上层为热膨胀系数较大的金属铝膜，下层为SOI器件层的半导体硅，硅的表面进行离子注入，在半导体硅的表面设置四个扩散电阻，组成惠斯通电桥。

【技术特征摘要】
2017.09.21 CN 20171086051291.一种压阻式MEMS温度传感器，其特征在于：所述压阻式MEMS温度传感器采用双层膜结构，上层为热膨胀系数较大的金属铝膜，下层为SOI器件层的半导体硅，硅的表面进行离子注入，在半导体硅的表面设置四个扩散电阻，组成惠斯通电桥。2.根据权利要求1所述的压阻式MEMS温度传感器，其特征在于：将惠斯通电桥的四个电阻布置在不同的四个悬臂梁的相同位置，引线将四个电阻连接成惠...

【专利技术属性】
技术研发人员：余占清，王铁柱，蔡素雄，王晓蕊，高士森，黄泽荣，施理成，
申请(专利权)人：广东电网有限责任公司惠州供电局，清华大学，
类型：新型
国别省市：广东,44