專利名稱：接觸式壓力傳感器及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
總的來說，本發(fā)明涉及壓力傳感器，更具體地說，本發(fā)明涉及基于壓敏電阻的接觸式壓力傳感器，該傳感器用來監(jiān)控兩個表面之間的接觸壓力。
背景技術(shù)：
接觸式壓力傳感器是用來檢測兩個表面之間的接觸壓力的。在許多應(yīng)用場合知曉兩個表面之間存在的壓力可能是非常有益的。在管道的法蘭和墊圈的表面之間就存在對這種傳感器的應(yīng)用。螺栓緊固不均勻可能會使接頭變形，并導(dǎo)致泄漏。而且，由于多個作用在接頭上的力的存在，接頭松弛等現(xiàn)象的發(fā)生，所以獲取接頭配合表面處壓力分配的實時信息非常重要。
說到諸如AlGaAs這樣的外延層材料，使用的基體薄片材料為砷化鎵(GaAs)。接觸式壓力傳感器是基于門捷列夫表第IIIA列和第VA列中的半導(dǎo)體元素的固態(tài)物理性質(zhì)，即壓敏性而工作的。將不同列的元素組合在一起，使它們在單個基體上外延生長(晶格匹配)。一旦接觸壓力施加在該材料上，則可以測量電阻差。另外，通過直接接觸的方式，而非流體靜力的方式，可以檢測材料對壓力變化的線性響應(yīng)度。
迄今為止，通常采用具有壓敏電阻特性的鋁砷化鎵(AlGaAs)材料(外延層)來制造接觸式壓力傳感器。當(dāng)然，生長外延層的薄片基體和外延層具有相同的晶格結(jié)構(gòu)。
使用具有壓敏電阻特性的材料的接觸式壓力傳感器的例子是彎曲電阻器，這種電阻器是通過像影印石版技術(shù)、蝕刻技術(shù)和鍍金屬法這樣的常規(guī)制作工藝制造的。
美國第4965697號文獻(xiàn)公開了一種由AlGaAs構(gòu)成的固態(tài)壓力傳感器，但是，該傳感器是基于流體靜壓原理工作的，并且其限于應(yīng)用流體靜力用途的結(jié)構(gòu)。
為克服接觸狀態(tài)下可達(dá)到的壓力值有限的問題，人們做了許多嘗試。這些嘗試包括(a)使GaAs基體變薄，(b)將薄片封閉在硅膠材料內(nèi)，以保護(hù)上述裝置，和(c)減小薄片的尺寸。但是仍然出現(xiàn)有薄片在高壓下破裂的問題。從而，為監(jiān)控兩表面之間的壓力分布情況，存在對能夠承受直接接觸壓力的接觸式壓力傳感器的需要。
發(fā)明概述本發(fā)明一方面涉及一種接觸式壓力傳感器，該傳感器包括用來支撐該傳感器的基體；接觸式壓敏層，其包括具有壓敏電阻特性的材料，該材料對施加在接觸式壓力傳感器上的壓力敏感，該接觸式壓敏層具有與基體不同的晶格結(jié)構(gòu)；設(shè)置在基體和接觸式壓敏層之間的絕緣層，其用來支撐傳感器上的接觸式壓敏層；和設(shè)置在接觸式壓敏層上的導(dǎo)電層，該導(dǎo)電層用于導(dǎo)通所述傳感器。
在一個實施例中，接觸式壓敏層的材料可以為門捷列夫表第IIIA列和第VA列的半導(dǎo)體元素。
在另外一個實施例中，接觸式壓敏層的材料為門捷列夫表第IIIA列和第VA列的三元半導(dǎo)體元素。
在另外一個實施例中，接觸式壓敏層的材料包括多個層，這些層由門捷列夫表第IIIA列和第VA列的不同元素構(gòu)成。
在另外一個實施例中，接觸式壓敏層的材料為鋁砷化鎵(AlGaAs)。
在另外一個實施例中，所述的傳感器還包括設(shè)置在基體上的溫度敏感層，其包括具有壓敏電阻特性的材料，該材料對溫度敏感；和附加絕緣層，該層設(shè)置在溫度敏感層和壓敏層之間，其中該附加絕緣層的的電阻大于溫度敏感層和壓敏層任一者的電阻。
本發(fā)明的另外一個方面涉及一種制造接觸式壓力傳感器的方法，該方法包括提供第一支撐基體和第二支撐基體，每個支撐基體都具有不同的晶格結(jié)構(gòu)；制造加工后結(jié)構(gòu)，該工序包括在第一支撐基體上沉積絕緣層；在絕緣層上沉積壓敏層，該壓敏層包括具有壓敏電阻特性的材料，該材料對施加在接觸式壓力傳感器上的壓力敏感，該接觸式壓敏層具有與第二基體不同的晶格結(jié)構(gòu)；和在接觸式壓敏層上沉積導(dǎo)電層，該導(dǎo)電層用于導(dǎo)通該傳感器；和將所述加工后結(jié)構(gòu)從第一基體上轉(zhuǎn)接到第二基體上。
在一個實施例中，制造加工后結(jié)構(gòu)的步驟還包括在第一支撐基體的的表面上沉積犧牲層，其中將所述犧牲層設(shè)置在第一基體和絕緣層之間。轉(zhuǎn)接加工后結(jié)構(gòu)的工序還包括將犧牲層從加工后結(jié)構(gòu)上除去的作業(yè)。
在另外一個實施例中，制造加工后結(jié)構(gòu)的步驟還包括也在基體上沉積溫度敏感層，該溫度敏感層包括具有壓敏電阻特性的材料，該材料對溫度敏感；和在溫度敏感層和壓敏層之間沉積附加絕緣層，其中該附加絕緣層的的電阻大于溫度敏感層和壓敏層任一者的電阻。


本領(lǐng)域的技術(shù)人員根據(jù)下面的說明并接合附圖會更好地理解并容易明白本發(fā)明實施例的上述這些和其它特點、目的和優(yōu)點。在附圖中附圖1示出根據(jù)本發(fā)明一個實施例所述的制造方法的一個步驟中的橫截面圖；附圖2示出根據(jù)本發(fā)明另外一個實施例所述的制造方法的一個步驟中的橫截面圖；附圖3A-C示出根據(jù)本發(fā)明另外一個實施例所述的制造方法的多個步驟中的多個橫截面圖；附圖4示出根據(jù)本發(fā)明實施例所述的制造方法(完成)之后，本發(fā)明的實施例的透視圖；和附圖5示出根據(jù)本發(fā)明實施例所述的方法的流程圖。
實施方式附圖3C和4示出傳感器10，附圖5示出制造傳感器的方法50，該傳感器用來監(jiān)控兩個接觸的表面之間的接觸壓力分布情況，例如，在管道中法蘭和墊圈的表面之間就存在對應(yīng)用這種傳感器的場合。另外，可以用多個傳感器監(jiān)控兩個表面之間的多個接觸點。在將傳感器應(yīng)用到管道中法蘭和墊圈的表面之間的場合，可以將一個或者多個傳感器安置在臨近任何一個表面的臨界區(qū)域，所述表面例如可以為沿管道的各個接頭螺栓。當(dāng)然，該傳感器還有許多應(yīng)用場合，在這些場合知曉兩接觸表面之間的直接接觸壓力是有益的。
接觸式壓力傳感器是基于固態(tài)物理性質(zhì)的知識而工作的，具體地說這種性質(zhì)是半導(dǎo)體元素，尤其是門捷列夫表第IIIA列和第VA列中的元素，構(gòu)成的結(jié)構(gòu)的壓敏性質(zhì)。將不同列的元素組合在一起，使它們在單個基體上外延生長(晶格匹配)。一旦接觸壓力施加在該材料上，則可以測量電阻差。另外，通過直接接觸的方式，而非流體靜力學(xué)的方式，可以檢測材料對壓力變化的線性響應(yīng)度。附圖4示出了根據(jù)本發(fā)明實施例所述的此中接觸式壓力傳感器。更具體地，該傳感器涉及對多種材料構(gòu)成的多個層的應(yīng)用，有代表性的但不是唯一的方式是采用n型(形成過剩電子)AlxGa1-xAs作為在非摻雜物質(zhì)或者半導(dǎo)體物質(zhì)上外延生長的壓力檢測材料，如附圖1和2所示。如附圖3A-C所示，外延分離一種材料，并使其沉積在一種更硬的材料上。例如，用來制造加工后結(jié)構(gòu)6、8的各個層可以是借助分子束外延(MBE)技術(shù)在處理支撐基體20上生成的外延層。
參照附圖1，其示出加工結(jié)構(gòu)6的一個實施例的橫截面圖，該處理結(jié)構(gòu)是在步驟52中制造的。在加工過程中，加工支撐基體20支撐形成的加工后結(jié)構(gòu)8的多個層。采用諸如砷化鎵(GaAs)薄片這樣的加工支撐結(jié)構(gòu)20作為基體。在加工支撐基體20的一個表面上形成或者沉積的第一層22為犧牲層，在將加工后結(jié)構(gòu)8轉(zhuǎn)接到傳感器支撐薄片20上的操作過程中會使該犧牲層犧牲。用于犧牲層的上述材料為砷化鋁(AlAs)，其厚度可以為800，但這不是唯一可選的厚度。
在犧牲層22上面沉積第二層24，該層用來支撐加工后結(jié)構(gòu)8中其它所有在后形成的多個層。上述支撐層24為諸如砷化鎵(GaAs)這樣的材料，其厚度可以為30,000，但這不是唯一可選的厚度。
在支撐層24上面沉積第三層26，該層用作接觸式壓力傳感器10的壓敏層。壓敏層26為諸如門捷列夫表第IIIA列和第VA列中的元素的半導(dǎo)體成分，該半導(dǎo)體成分例如可以為n型的鋁砷化鎵(AlxGa1-xAs或者n型的AlxGa1-xAs)，其厚度可以為10,000，但這不是唯一可選的厚度，并包括大約30％的Al，但該含量也不是唯一可選的Al含量。
在壓敏層26上面沉積第四層32，該層用作接觸式壓力傳感器10的導(dǎo)電或者歐姆接觸層。導(dǎo)電層32為諸如摻雜GaAs這樣的具有導(dǎo)電性質(zhì)的材料，其厚度可以為500，但這不是唯一可選的厚度。
參照附圖2，對于需要諸如在傳感器內(nèi)補償溫度這樣的其它監(jiān)控功能的傳感器，可以在加工過程中在加工結(jié)構(gòu)6內(nèi)沉積附加層28、30。只要用絕緣層24、28使靈敏傳感材料絕緣，則可以依照任意次序布置靈敏傳感材料26、30。但是，靈敏傳感層之間的絕緣層的絕緣電阻必須大于多個靈敏傳感層的組合電阻。例如，另外一個絕緣層28直接形成或者沉積在壓敏層26上。該絕緣層28為非摻雜GaAs，其厚度可以為30,000，但這不是唯一可選的厚度。溫度敏感層30形成或者沉積在絕緣層28上，其為AlxGa1-xAs，其厚度可以為10,000，但這不是唯一可選的厚度。通過選擇n型AlxGa1-xAs中合適的“x”值，就可以方便地使AlGaAs材料的敏感性要么是對壓力敏感要么是對溫度敏感。然后，采用上述相同的方式在溫度敏感層30上形成或者沉積導(dǎo)電層32。
可以理解上述實施例中選用的數(shù)值和材料是作為例子提供的。當(dāng)然，根據(jù)具體的應(yīng)用，材料的選擇、材料的具體含量、諸如層的厚度這樣的尺寸相應(yīng)地可以不同。
如上所述，一旦完成如附圖1或2所示主要的加工后結(jié)構(gòu)，則進(jìn)行附圖3A-C所示的第二加工處理步驟54。需要在該第二處理步驟使加工結(jié)構(gòu)6(層24、26、32或者層24、26、28、32)作為一個單元與原始的基體20分離。附圖3A-C示出了使附圖1中形成的加工結(jié)構(gòu)6形成附圖3A中的加工后結(jié)構(gòu)8和附圖3C中的傳感器10的上述工藝。但是，顯然可以將同樣的轉(zhuǎn)換工藝54應(yīng)用到加工結(jié)構(gòu)6的其它實施例和變體中，其中包括附圖2示出的實施例。這種處理工藝可以為被稱為外延分離(ELO)54，也被稱為剝離層技術(shù)。
在上述那些工序中的任一工序中使?fàn)奚鼘?2(例如由砷化鋁AlAs構(gòu)成的犧牲層)犧牲。該犧牲層是借助下述工藝溶解的，所述工藝?yán)缈梢詾樵跉浞崛芤褐械幕瘜W(xué)蝕刻加工工藝，從而剩下作為一個整體的多個層24、26、32。附圖3A示出了加工后結(jié)構(gòu)8。
然后在工序56中將在工序54中一體分離的上述多層結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)接或者接合到另外一個更硬的基體40上，以形成最終的底層結(jié)構(gòu)。新基體40可以為比第一基體20硬的任意類型的材料，這樣的材料例如可以為金屬、絕緣體、半導(dǎo)體或者類似成分。如果該新基體層8的表面質(zhì)地或者平面度在需要的一定范圍內(nèi)，則可以采用被稱為“范德瓦爾斯”(vdw)的接合工藝。由Demeester等撰寫的發(fā)表在1993年的《半導(dǎo)體科學(xué)技術(shù)》第8期第1124-1135頁的文章“外延分離技術(shù)及其應(yīng)用”(Epitaxial lift-off and itsApplications)中論述了上述范圍和轉(zhuǎn)接工藝，這里以引用的方式包括該文章的內(nèi)容。如果傳感器支撐基體40的表面質(zhì)地不適宜，或者其具有導(dǎo)電性，則如附圖3B所示，需要在沉積加工后結(jié)構(gòu)8的分離材料層之前，在新基體40上沉積中間絕緣層42以形成絕緣層，該絕緣層例如可以為聚酰亞胺，但這不是該絕緣層的唯一可選材料。通常，大多數(shù)絕緣材料都比導(dǎo)電金屬脆，如果選擇金屬作為新基體，則必須在所述金屬表面上沉積諸如聚酰亞胺這樣的絕緣材料涂層，從而在金屬和傳感器之間形成絕緣層。在分離工序中，還采用光刻膠層作為支撐層，該光刻膠層有助于從主基體用反光標(biāo)記(delineation)均勻顯示。當(dāng)選擇具有更硬性質(zhì)的新基體40以承受更大的接觸壓力時，新基體40的晶格結(jié)構(gòu)，即原子、離子或者分子的周期排列或者規(guī)則排列，就與去除的或者替換掉的較脆第一加工基體20的晶格結(jié)構(gòu)不同。
在形成上述多個層并完成轉(zhuǎn)接作業(yè)之后，接下來的處理步驟58可以包括可以利用影印石版技術(shù)在導(dǎo)電層32的表面上形成遮蔽材料58。該遮蔽材料為由諸如光刻膠聚酰亞胺34這樣的材料形成的圖形，執(zhí)行這道工序以形成臺面(mesa)。該彎曲圖案34是為了提高傳感器的靈敏度。在處理步驟58中，應(yīng)將臺面蝕刻至低于壓敏層26AlxGa1-xAs的水平面、達(dá)到絕緣層24內(nèi)的深度，該深度大約達(dá)到1,000，但這不是唯一可選的深度。一完成蝕刻工序就將遮蔽材料34去除。當(dāng)然，臺面的深度由導(dǎo)電層32、壓敏層26和絕緣層24的厚度確定。附圖4中示出的彎曲圖案34是作為示例提供的，人們知曉可以根據(jù)具體的應(yīng)用，選擇彎曲設(shè)計的不同光掩層，以滿足所需的不同阻值、不同敏感度，并將其定位在層32的表面上。所述彎曲圖案可以以歐姆接觸墊36的形式終止，該接觸墊還可以用作進(jìn)一步連接電線的連接墊。連接所述彎曲圖案的各端，以測量由接觸壓力的變化引起的壓力傳感層26的電阻變化，并且如果有溫度傳感層30，則可以監(jiān)控溫度的變化。
傳感器的多種應(yīng)用場合對接觸部件36的類型和尺寸有要求。接觸部件36是在步驟60中設(shè)置在彎曲圖案的各端的部件。當(dāng)然，附圖4中示出的接觸部件36是作為示例提供的。人們知曉可以制造其它形式的電聯(lián)接件60。例如，如果將加工后結(jié)構(gòu)8轉(zhuǎn)接到另外一種上面具有電路的基體上，或者在加工后結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)接之后，在基體上面形成電路時，則無需任何類型的電線連接工序。
附圖中沒有示出用來連接并驅(qū)動接觸式壓力傳感器的電路，但是這樣的電路眾所周知。例如，該電路可以包括電源，這樣的電源例如可以為恒壓電源，其正極端子與傳感器的一個接觸部件相連，其負(fù)極端子與另外一個接觸部件，或者負(fù)極端子和接地的其它接觸部件相連。另外，人們知曉可以在電路中使用其它部件，例如可以使用電流檢測器和類似部件。
為達(dá)到保護(hù)傳感器的目的，例如為了防潮，可以把其它的保護(hù)層施加在整個傳感器上。這樣的保護(hù)層例如可以為聚酰亞胺層或者鈍化層或者類似的層。根據(jù)各個傳感器的應(yīng)用場合將其切割成所需的尺寸。在形成整個傳感器裝置之后，在步驟62中將樣品切割成較小的部件，并借助石蠟保護(hù)該傳部件使其免受傳感器裝置側(cè)面的影響。然后在傳感器薄片上執(zhí)行連接和測量工序。
人們知曉雖然這里為達(dá)到說明的目的描述了本發(fā)明的具體實施例，但是在不脫離本發(fā)明范圍的情況下，可以對實施例做出多種修改。因此，除了在后的權(quán)利要求之外，本發(fā)明不受實施例的限制。
權(quán)利要求
1.一種接觸式壓力傳感器，其包括用來支撐該傳感器的基體；接觸式壓敏層，其包括具有壓敏電阻特性的材料，該材料對施加在接觸式壓力傳感器上的壓力敏感，該接觸式壓敏層具有與基體不同的晶格結(jié)構(gòu)；設(shè)置在基體和接觸式壓敏層之間的絕緣層，其用來支撐傳感器上的接觸式壓敏層；和設(shè)置在接觸式壓敏層上的導(dǎo)電層，該導(dǎo)電層用于導(dǎo)通所述傳感器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其中接觸式壓敏層的材料為門捷列夫表第IIIA列和第VA列的半導(dǎo)體元素。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的傳感器，其中接觸式壓敏層的材料為門捷列夫表第IIIA列和第VA列的三元半導(dǎo)體元素。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項所述的傳感器，其中接觸式壓敏層的材料包括多個層，這些層由門捷列夫表第IIIA列和第VA列的不同元素構(gòu)成。
5.根據(jù)在前的任一項權(quán)利要求所述的傳感器，其中接觸式壓敏層的材料為鋁砷化鎵(AlGaAs)。
6.根據(jù)在前的任一項權(quán)利要求所述的傳感器，其中絕緣層的材料為砷化鎵(GaAs)，導(dǎo)電層的材料為摻雜砷化鎵(GaAs)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其中基體的材料為硅。
8.根據(jù)在前的任一項權(quán)利要求所述的傳感器，其還包括溫度敏感層，其包括具有壓敏電阻特性的材料，該材料對溫度敏感，該溫度敏感層具有與基體不同的晶格結(jié)構(gòu)；和附加絕緣層，該層設(shè)置在溫度敏感層和壓敏層之間，其中該附加絕緣層的的電阻大于溫度敏感層和壓敏層任一者的電阻。
9.根據(jù)在前的任一項權(quán)利要求所述的傳感器，其中在導(dǎo)電材料上蝕刻出彎曲結(jié)構(gòu)，以提高接觸式壓力傳感器的靈敏度。
10.根據(jù)在前的任一項權(quán)利要求所述的傳感器，其中將傳感器設(shè)置成可以承受大于40Mpa的接觸壓力。
11.一種制造接觸式壓力傳感器的方法，該方法包括提供第一支撐基體和第二支撐基體，每個支撐基體都具有不同的晶格結(jié)構(gòu)；制造加工后結(jié)構(gòu)，該工序包括在第一支撐基體上沉積絕緣層；在絕緣層上沉積壓敏層，該壓敏層包括具有壓敏電阻特性的材料，該材料對施加在接觸式壓力傳感器上的壓力敏感，該接觸式壓敏層具有與第二基體不同的晶格結(jié)構(gòu)；和在接觸式壓敏層上沉積導(dǎo)電層，該導(dǎo)電層用于導(dǎo)通傳感器；和將所述加工后結(jié)構(gòu)從第一基體上轉(zhuǎn)接到第二基體上。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中制造加工后結(jié)構(gòu)的步驟還包括在第一支撐基體的表面上沉積犧牲層，其中將所述犧牲層設(shè)置在第一基體和絕緣層之間。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中轉(zhuǎn)接加工后結(jié)構(gòu)的工序還包括將犧牲層從加工后結(jié)構(gòu)上除去。
14.根據(jù)權(quán)利要求11至13任一項所述的方法，其中制造加工后結(jié)構(gòu)的步驟還包括在第一基體上沉積溫度敏感層，該溫度敏感層包括具有壓敏電阻特性的材料，該材料對溫度敏感；和在溫度敏感層和壓敏層之間沉積附加絕緣層，其中該附加絕緣層的的電阻大于溫度敏感層和壓敏層任一者的電阻。
15.根據(jù)權(quán)利要求11至14任一項所述的方法，其中該方法還包括在導(dǎo)電材料上蝕刻出彎曲結(jié)構(gòu)，以提高接觸式壓力傳感器的靈敏度。
16.根據(jù)權(quán)利要求11至15任一項所述的方法，其中接觸式壓敏層的材料為來自門捷列夫表第IIIA列和第VA列的半導(dǎo)體元素。
17.根據(jù)權(quán)利要求11至16任一項所述的方法，其中接觸式壓敏層的材料為鋁砷化鎵(AlGaAs)。
18.根據(jù)權(quán)利要求11至17任一項所述的方法，其中第二基體的材料與原始基體的材料不同。
19.根據(jù)權(quán)利要求11至18任一項所述的方法，其中第一基體、絕緣層和導(dǎo)電層的材料為砷化鎵(GaAs)。
20.根據(jù)權(quán)利要求11至19任一項所述的方法，其中將傳感器設(shè)置成可以承受大于40Mpa的接觸壓力。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種接觸式壓力傳感器(10)和一種制造接觸式壓力傳感器的方法，該壓力傳感器用來檢測兩表面之間的接觸壓力。本發(fā)明公開的接觸式壓力傳感器包括用來支撐該傳感器的基體(40)和接觸式壓敏層(26)，該壓敏層對施加在接觸式壓力傳感器上的壓力非常敏感。本發(fā)明公開的方法還包括將在第一處理支撐基體(20)上制造的加工后結(jié)構(gòu)(8)從該第一處理支撐基體轉(zhuǎn)接到接觸式壓力傳感器的第二支撐基體(40)上。
文檔編號G01L1/20GK1839298SQ200480023823
公開日2006年9月27日 申請日期2004年7月6日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月8日
發(fā)明者拉曼·阿基佩迪, 克里斯托弗·菲利浦·斯佩里, 杜壽祿, 鄭楚維, 慕斯達(dá)菲瑟·拉曼, 蔡樹仁 申請人:新加坡國立大學(xué)