專利名稱：一種開關(guān)量或頻率輸出的新型敏感元件的結(jié)構(gòu)和制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于傳感技術(shù)領(lǐng)域。尤其涉及具有開關(guān)量或頻率脈沖輸出性能的傳感器。
目前國內(nèi)外敏感元件及其構(gòu)成的各類傳感器均屬模擬量輸出，其輸出幅值小，抗干擾能力差，必須附加放大、線性化、模/數(shù)轉(zhuǎn)換等輔助電路才能與數(shù)字儀表或計(jì)算機(jī)相連接，致使硬件系統(tǒng)復(fù)雜，可靠性降低，研制成本增加，為二次儀表制作帶來了困難，限制了傳感器在更廣闊的領(lǐng)域中應(yīng)用。
本發(fā)明的目的是提供一種具有開關(guān)量或頻率脈沖輸出性能的新型敏感元件的結(jié)構(gòu)和制造方法。該敏感元件地輸出信號(hào)不需附加任何處理即可與數(shù)字裝置直接構(gòu)成各類數(shù)字檢測(cè)與控制系統(tǒng)。
本發(fā)明的原理是基于半導(dǎo)體特殊的負(fù)阻效應(yīng)，通過特殊的結(jié)構(gòu)和特殊的工藝制造方法實(shí)現(xiàn)的。這種特殊結(jié)構(gòu)包括N型區(qū)，P型區(qū)，上電極和下電極四層結(jié)構(gòu)，其中，N型區(qū)由摻磷的N型高阻硅單晶作為襯底；P型區(qū)以鋁和硼作摻雜源經(jīng)擴(kuò)散而形成，并從N面擴(kuò)散金或鉑，且擴(kuò)透整個(gè)P型區(qū)從而形成一種特殊的PN結(jié)結(jié)構(gòu)。上電極和下電極可采用鎳、鋁、金或其它金屬用以形成歐姆接觸。為適應(yīng)不同物理量的測(cè)量要求，上電極和下電極可作成全覆蓋型電極、部分覆蓋型電極和圓點(diǎn)型電極三種型式。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是
1、測(cè)量參數(shù)廣泛，目前能制造出可直接或間接測(cè)量熱、磁、光、力等物理量的敏感元件。進(jìn)一步開發(fā)還可制造出能測(cè)量其它物理量的敏感元件。
2、應(yīng)用電路簡(jiǎn)單而規(guī)范，為用戶二次儀表研制開發(fā)帶來方便。
3、即可模擬量輸出也可數(shù)字量輸出。特別是不需放大和模/數(shù)轉(zhuǎn)換就可與計(jì)算機(jī)直接連接，可降低成本。
4、體積小、工作電壓低、工作電流小、輸出幅度大、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)、可進(jìn)行非接觸測(cè)量，特別適合研制微型、便攜式和本質(zhì)安全型儀器儀表和機(jī)電一體化產(chǎn)品。


圖1、為一種雙面全覆蓋型電極的元件結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2、為一種單面部分覆蓋型電極的元件結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3、為一種單面全覆蓋型電極，與圓點(diǎn)型電極的元件結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4、為敏感元件的生產(chǎn)工藝流程圖。
本發(fā)明的實(shí)施例如下
該敏感元件包括N型區(qū)，P型區(qū)，上電極和下電極四層結(jié)構(gòu)，其中，N型區(qū)1由摻磷的N型高阻硅單晶作為襯底；P型區(qū)2以鋁和硼作摻雜源經(jīng)擴(kuò)散而形成，并從N面擴(kuò)散金或鉑，且擴(kuò)透整個(gè)P型區(qū)從而形成一種特殊的PN結(jié)結(jié)構(gòu)。上電極3和下電極4可采用鎳、鋁、金或其它金屬用以形成歐姆接觸。為適應(yīng)不同物理量的測(cè)量要求，元件的上電極3和下電極4可作成全覆蓋型電極；或元件的上電極3采用部分覆蓋，下電極4采用全覆蓋型電極結(jié)構(gòu)，或者上電極3采用全覆蓋，下電極4采用部分覆蓋型電極結(jié)構(gòu)；或元件的上電極3采用全覆蓋，下電極4采用圓點(diǎn)型電極結(jié)構(gòu)，或上電極3采用圓點(diǎn)型電極，下電極4采用覆蓋型電極等三種結(jié)構(gòu)型式。
取N型高阻(一般電阻率大于150歐姆厘米以上，電阻率也可低一些，但必須調(diào)整工藝參數(shù)與之適應(yīng))無位錯(cuò)或少位錯(cuò)硅單晶，按<111>晶向切片①切成厚度為0.5-0.6毫米的硅片作為N型區(qū)1 。再用金剛砂經(jīng)雙面研磨②成規(guī)格要求的厚度。用熱去離子水經(jīng)超聲清洗③，并用熱空氣吹干，可進(jìn)行P區(qū)擴(kuò)散④，形成P型區(qū)2。P區(qū)擴(kuò)散可采用某種受主擴(kuò)散源，如含鋁化合物或含硼化合物或含鋁化合物與含硼化合物的復(fù)合。擴(kuò)散溫度為1150-1280℃，擴(kuò)散時(shí)間為8-12小時(shí)，控制結(jié)深在40-150微米范圍之內(nèi)。擴(kuò)散后的硅片經(jīng)N型區(qū)研磨⑤為深能級(jí)擴(kuò)散作好準(zhǔn)備。N型區(qū)研磨的硅片用熱去離子水經(jīng)超聲清洗⑥后可進(jìn)行深能級(jí)擴(kuò)散⑦。作為深能級(jí)雜質(zhì)的擴(kuò)散源可以是氯金酸或氯鉑酸或其它含金化合物或含鉑化合物。擴(kuò)散溫度為800-950℃，擴(kuò)散時(shí)間為10-60分鐘，控制工藝條件使深能級(jí)雜質(zhì)“擴(kuò)透”整個(gè)硅片。經(jīng)深能級(jí)雜質(zhì)擴(kuò)散后的硅片，經(jīng)常規(guī)化學(xué)處理后進(jìn)行化學(xué)鍍鎳⑧，用以制作上電極3和下電極4，并用光刻的方法按測(cè)量物理量的要求形成相應(yīng)的電極結(jié)構(gòu)。不同的電極結(jié)構(gòu)也可采用真空蒸鋁配合光刻的方法或者其它工藝方法來完成。鍍鎳后的硅片在真空或氫保護(hù)條件下，進(jìn)行燒結(jié)⑨，燒結(jié)溫度為500-600℃，熱處理時(shí)間為10-15分鐘，使鎳層與硅片合金化。為增加鎳層厚度再進(jìn)行二次鍍鎳⑩，經(jīng)兩次鍍鎳的硅片使電極與硅片之間形成良好的歐姆接觸。用以形成歐姆接觸電極的材料，該材料除鎳外還可以是鋁、金，或者其它金屬。歐姆接觸電極的制造方法可采用化學(xué)鍍鎳配合光刻，或者采用真空蒸鋁、蒸金配合光刻等方法來實(shí)現(xiàn)。再按不同特性要求用劃片機(jī)經(jīng)劃片劃成不同規(guī)格尺寸的管芯。用20％的NaOH經(jīng)腐蝕后，用去離子水超聲清洗在恒溫箱中烘干后可進(jìn)行敏感元件的篩選。在篩選中選出合格管芯并按產(chǎn)品規(guī)格系列分檔后可進(jìn)行引線焊接。焊有引線的管芯用有機(jī)硅漆或其它具有導(dǎo)熱絕緣特性的有機(jī)化合物刷涂在管芯周圍，形成長(zhǎng)期的硅漆保護(hù)層
。
本發(fā)明也可以從P型硅材料出發(fā)來制造該敏感元件，參照從N型硅單晶材料出發(fā)制造該敏感元件相應(yīng)的結(jié)構(gòu)和制造方法，但必須根據(jù)半導(dǎo)體器件物理的原理，進(jìn)行擴(kuò)散源和工藝條件的調(diào)整來實(shí)施。
權(quán)利要求
1、一種具有開關(guān)量或頻率脈沖輸出性能的新型敏感元件，其結(jié)構(gòu)由N型區(qū)、P型區(qū)、上電極和下電極四層結(jié)構(gòu)構(gòu)成，其特征是N型區(qū)(1)由摻磷的N型高阻硅單晶作為襯底，P區(qū)(2)以鋁和硼作摻雜源經(jīng)擴(kuò)散而形成，并從N型區(qū)擴(kuò)散金或鉑，且擴(kuò)透整個(gè)P型區(qū)(2)，上電極(3)和下電極(4)可采用鎳、鋁、金或其它金屬用以形成歐姆接觸。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的敏感元件結(jié)構(gòu)，其特征是元件的上電極(3)和下電極(4)采用全覆蓋型電極結(jié)構(gòu)。
3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的敏感元件結(jié)構(gòu)，其特征是元件的上電極(3)采用部分覆蓋，下電極(4)采用全覆蓋型電極結(jié)構(gòu)，或者上電極(3)采用全覆蓋，下電極(4)采用部分覆蓋型電極結(jié)構(gòu)。
4、根據(jù)權(quán)利要求1所述的敏感元件結(jié)構(gòu)，其特征是元件的上電極(3)采用全覆蓋，下電極(4)采用圓點(diǎn)型電極結(jié)構(gòu)，或上電極(3)采用圓點(diǎn)型電極，下電極(4)采用覆蓋型電極結(jié)構(gòu)。
5、一種具有開關(guān)量或頻率脈沖輸出性能的新型敏感元件的制方法，其特征是采用N型高阻無位錯(cuò)或少位錯(cuò)硅單晶，電阻率至少為150歐姆.厘米以上，采用如下工藝制造，
①硅材料切片按<111>晶向切成厚度為0.5-0.6毫米的硅片作為N型區(qū)；
②雙面研磨用金剛砂經(jīng)雙面研磨，磨到規(guī)格要求的尺寸；
③清洗用熱去離子水經(jīng)超聲清洗，并用熱空氣吹干
④P區(qū)擴(kuò)散其擴(kuò)散源可采用含鋁化合物，擴(kuò)散可采用固態(tài)或液態(tài)或離子注入方法，擴(kuò)散溫度為1150-1280℃，擴(kuò)散時(shí)間為8-12小時(shí)，控制結(jié)深在40-150微米；
⑤N型區(qū)研磨為深能級(jí)擴(kuò)散作準(zhǔn)備
⑥清洗將研磨后的硅片用熱去離子水經(jīng)超聲清洗；
⑦深能級(jí)擴(kuò)散采用金或鉑作擴(kuò)散源，擴(kuò)散源可采用固態(tài)或液態(tài)或離子注入方法，擴(kuò)散溫度為800-950℃，擴(kuò)散時(shí)間為10-60分鐘；
⑧化學(xué)鍍鎳經(jīng)化學(xué)處理后進(jìn)行化學(xué)鍍鎳，并按電極結(jié)構(gòu)要求進(jìn)行光刻；
⑨燒結(jié)鍍鎳后的硅片在真空或氫保護(hù)條件下，進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為500-600℃，熱處理時(shí)間為10-15分鐘，使鎳層與硅片合金化；
⑩二次鍍鎳進(jìn)行二次鍍鎳以增加鎳層厚度，并經(jīng)光刻后形成歐姆接觸電極；
劃片用劃片機(jī)根據(jù)要求劃成不同規(guī)格尺寸的管芯；
腐蝕用20％的NaOH進(jìn)行腐蝕；
清洗腐蝕后用去離子水超聲清洗；
烘干清洗后進(jìn)行烘干；
篩選將烘干后的敏感元件進(jìn)行篩選；
引線焊接將篩選后的合格管芯進(jìn)行引線焊接；
硅漆保護(hù)將焊有引線的管芯用有機(jī)硅漆或其它具有導(dǎo)熱絕緣特性的有機(jī)化合物刷涂在管芯周圍。
6、根據(jù)權(quán)利要求5所述的敏感元件制造方法，其特征是P區(qū)擴(kuò)散④可使用含硼化合物或使用含硼化合物與含鋁化合的復(fù)合物或鎵、銦等化合物作擴(kuò)散源。
7、根據(jù)權(quán)利要求5所述的敏感元件制造方法，其特征是深能級(jí)擴(kuò)散⑦還可以采用氯金酸或含金化合物或氯鉑酸或含鉑化合物作擴(kuò)散源。
8、根據(jù)權(quán)利要求5所述的敏感元件制造方法，其特征是化學(xué)鍍鎳⑧的工序中還可以采用鋁或金用真空蒸發(fā)法形成歐姆接觸電極。
9、根據(jù)權(quán)利要求5所述的敏感元件制造方法，其特征是二次鍍鎳⑩工序中還可以采用鋁或金用真空蒸發(fā)法形成歐姆接觸電極。
10、根據(jù)權(quán)利要求5所述的敏感元件制造方法，其特征是本發(fā)明還可以從P型硅單晶材料出發(fā)來制造該敏感元件。參照從N型硅單晶材料出發(fā)制造該敏感元件相應(yīng)的結(jié)構(gòu)及制造方法，但必須根據(jù)半導(dǎo)體器件物理的原理，進(jìn)行擴(kuò)散源和工藝條件的調(diào)整來實(shí)施。
全文摘要
一種具有開關(guān)量或頻率脈沖輸出性能的新型敏感元件屬于具有數(shù)字量輸出性能的傳感器領(lǐng)域。它克服了傳統(tǒng)敏感元件只能輸出低幅值模擬信號(hào)、應(yīng)用電路復(fù)雜等不足,為新一代數(shù)字量輸出傳感器的研制創(chuàng)造了條件。本發(fā)明基于半導(dǎo)體特殊的負(fù)阻效應(yīng)研制出的半導(dǎo)體敏感元件,體積小、功耗低,動(dòng)態(tài)響應(yīng)快,由它構(gòu)成的傳感器輸出幅值大,電路簡(jiǎn)單而規(guī)范,既可輸出模擬信號(hào)又可輸出數(shù)字信號(hào),可廣泛應(yīng)用于多種物理參數(shù)的監(jiān)控與檢測(cè)領(lǐng)域。
文檔編號(hào)G01D5/12GK1186949SQ9711337
公開日1998年7月8日 申請(qǐng)日期1997年8月7日 優(yōu)先權(quán)日1997年8月7日
發(fā)明者威·卓托夫, 孫英達(dá) 申請(qǐng)人:哈爾濱諾威克傳感技術(shù)有限公司