基于法珀腔的碳化硅基高温压力传感器及其制备方法与流程

本发明属于微机电系统(MEMS)领域，尤其涉及一种微型高温压力传感器。

(二)

背景技术：

微型高温压力传感器是微机电系统领域中重要传感器之一。体积小、耐高温的优点使其在高温MEMS测量领域，如航空发动机压力测量中得到广泛的应用和发展。目前，对高温压力传感器的研究，主要包括SOI、Poly-Si等半导体高温压力传感器，还有溅射合金薄膜高温压力传感器等。文献《基于MEMS工艺的SOI高温压力传感器设计》中提到的SOI高温压力传感器可以在300℃范围内工作，文献《一种新型MEMS压阻式SiC高温压力传感器》中提到的MEMS压阻式高温压力传感器可以在550℃环境温度下工作。这些传感器因为敏感材料本身的性质导致其无法在高温环境下工作，而且传统测量电路不耐高温，所以目前技术远不能满足高温环境下的压力测量需求。

(三)

技术实现要素：

为了满足高温领域的压力测量需求，本发明提出一种基于法珀腔的碳化硅基高温压力传感器及其制备方法，由于抛去了传统测量电路使用了基于法珀腔的光纤传感原理，使其耐高温能力得到了极大的提升。

本发明提出的基于法珀腔的碳化硅基MEMS高温压力传感器，主要包括碳化硅基底1，碳化硅敏感薄膜3及碳化硅光纤4；所述碳化硅基底1上有一置于中心位置的非贯通空腔，碳化硅基底1上有碳化硅敏感薄膜3，使得碳化硅基底1上的非贯通空腔形成一密闭真空腔，即法珀腔2；在碳化硅基底1下方中心，有位置与法珀腔2中心位置相应的光纤4，用传导信息。

该传感器工作原理为：光源发出的光光学处理后形成平行光，经光纤4以及入射到碳化硅敏感薄膜3上，在碳化硅敏感薄膜3下表面及碳化硅基底1上表面反射，再经过光纤4传输到光路解调系统中，两束光间的光程差感受碳化硅敏感薄膜3上压力引起的应变变化。当传感器敏感膜片所受的压力发生变化时，碳化硅基底1凹腔表面和碳化硅敏感薄膜3下表面两个反射面间距发生变化，即改变了法珀腔2的腔长，通过从反射回的干涉光信号中解调出腔长信息即可实现对压力的传感。

本发明提出了高温压力传感器的工艺流程，该加工工艺过程见图2，其工艺步骤为：

1)首先在洁净的碳化硅基底1表面溅射一层金属2，金属2作为后续干法刻蚀的掩膜材料，如图2(a)所示。

2)在金属2表面旋涂光刻胶3，光刻显影，形成法珀腔刻蚀窗口，如图2(b)所示。

3)以光刻胶3为刻蚀掩膜，湿法腐蚀金属2，如图2(c)所示。

4)以光刻胶3和金属2为刻蚀掩膜，采用高密度等离子体刻蚀技术干法刻蚀碳化硅基底1，如图2(d)所示。

5)将刻蚀好的碳化硅基底1表面进行表面处理，同时与另一片碳化硅晶片4在键合机中抽真空进行直接高温键合，图2(e)所示。

6)将上层碳化硅晶片4通过CMP化学机械抛光技术进行减薄抛光，如图2(f)所示。

本发明提出的传感器能够在0-650℃环境温度下工作。采用碳化硅-碳化硅高温直接键合，避免了不同材料键合产生的测量误差，如果敏感膜片与凹槽采用不同材料，由于它们热膨胀系数的差异，使得敏感膜片与凹槽键合处存在着较大的应力，从而使得光纤法珀腔压力传感器温漂系数大，线性度差；而且由于敏感膜片与凹槽键合处的热应力失配，使得敏感膜片随温度变化，产生附加形变，从而光纤法珀腔压力传感器重复性下降，时漂增加，进一步降低光纤法珀腔压力传感器的精度。而且在碳化硅-碳化硅高温键合工艺过程中，同时抽真空，光纤破坏碳化硅基底，使得法珀腔在工作时保持真空状态，相比于《CN 103234673 B》该专利中提到的传感器，大大提高了测量精度和稳定性。

(四)附图说明

图1是本发明的结构示意图

图2是本发明的制备工艺过程

图2(a)溅射金属掩膜

图2(b)光刻形成刻蚀区域

图2(c)刻蚀金属掩膜

图2(d)干法刻蚀碳化硅

图2(e)高温直接键合

图2(f)减薄抛光

(五)具体实施方法

如图1所示，本实施例中的基于法珀腔的碳化硅基MEMS高温压力传感器，主要包括碳化硅基底1，碳化硅敏感薄膜3及碳化硅光纤4；所述碳化硅基底1上有一置于中心位置的非贯通空腔，碳化硅基底1上有碳化硅敏感薄膜3，使得碳化硅基底1上的非贯通空腔形成一密闭真空腔，即法珀腔2；在碳化硅基底1下方中心，有位置与法珀腔2中心位置相应的光纤4，用传导信息。该实施例中的法珀腔2直径1.3mm，腔长20μm，碳化硅敏感薄膜厚度为50μm。

本实施例中的基于法珀腔的碳化硅基MEMS高温压力传感器的制备过程如下：

1)首先在洁净的碳化硅基底表面溅射200nm的金属镍，金属镍作为后续碳化硅干法刻蚀的掩膜材料；

2)在金属镍表面旋涂光刻胶，光刻显影，形成F-P腔刻蚀窗口；

3)以光刻胶为刻蚀掩膜，FeCl3:H20＝1:20湿法腐蚀金属镍；

4)以光刻胶和金属镍为刻蚀掩膜，采用高密度等离子体刻蚀技术干法刻蚀碳化硅基底。设置底板功率150W，线圈功率850W，刻蚀10s，钝化1s为一组循环，刻蚀速度350-400nm/min。刻蚀40mins后测量为腔深15μm，为了保证F-P腔侧壁的垂直度以及底部的表面粗糙度，将底板功率降低为100W，刻蚀速度200nm/min，刻蚀25min后结束该工艺。

5)将刻蚀好的碳化硅基底表面进行表面处理，同时与另一片碳化硅晶片4在键合机中抽真空进行直接高温键合，气压达到5×10^-3mbar后，两片碳化硅晶片进行高温键合；

6)将上层碳化硅材料通过CMP化学机械抛光技术进行减薄抛光，直至上层碳化硅的厚度达到设计要求，同时碳化硅表面的粗糙度达到要求。