专利名称：用于阳极粘接电容式传感器的电极结构和方法
技术领域：
本发明涉及电容式传感器，尤其涉及这样一种传感器，其环绕检测元件的框架阳极粘接到表面某部分带有检测电极的玻璃层上。
在许多不同的电容式传感器器件中，阳极粘接用于将玻璃晶片固定和密封到相邻的半导体层上，如压力传感器、流量传感器和加速度计。当在温度为几百度时给玻璃相对半导体加上一个大的负电压时，阳极粘接发生在含钠玻璃块和相邻的半导体之间。这将会将玻璃中的钠离子从玻璃/半导体交界面中吸引出来，留下一层薄耗尽区。耗尽区上的电场非常强烈，以致于它会打破玻璃中的分子连键并将产生的氧离子吸向半导体。因此接近交界面的半导体会被氧化并且将半导体化学粘接到玻璃上。
在这种类型的电容式传感器中，没有被阳极粘接的玻璃层部分被涂上一层薄膜检测电极。为了防止击穿，在粘接过程中这个电极通常与半导体保持相同的电压。因此，耗尽区在邻近检测电极以及邻近半导体本身的玻璃中形成，并且将氧吸引向电极。申请人发现这将导致至少一部分电极材料被氧化并且对完成的传感器的准确性和可靠性产生不利影响。在极端情况下，电极材料会被氧化过程完全损耗。
另外，申请人发现由于电极比玻璃通常保持较高电压，当传感器工作时氧化过程还在继续。这将其它的氧逐步地吸引向交界面并进一步氧化电极。在一个惯性传感器中，如玻璃硅片加速度计，这将引发在可移动检测元件某一面上的缝隙随时间而改变并影响了用来将检测元件伺服回零位的静电压力。这样会在器件的输出中引起严重的错误。
易受上述影响的电容式玻璃硅片加速度计的例子公开在O’Brien等人的美国5,205,171号专利和Warren，K.，航空学会杂志38卷1号，1991年4月的91-99页。
因此在许多应用中都期望提供一种能消除电容式传感器中阳极粘接的不利影响的结构和方法。
本发明在玻璃晶片和阳极粘接电容式传感器的检测电极之间插入了交界面阻挡层，如氮化膜，来消除氧从玻璃向电极材料的迁移。如果电容式传感器是玻璃硅片加速度计，那么氮化物最好是氮化硅(Si3N4)，它可以通过适当的薄膜淀积技术形成。这种技术包括等离子增强化学气相淀积技术和适当的成型步骤，在具体的实施方式中还有在含氮气氛中硅的活性溅射。
因此，本发明的传感器可以包括具有框架结构的检测元件；至少一层阳极粘接到这个框架结构中并具有相邻于检测元件的金属检测电极的玻璃层；放置在玻璃层与金属检测电极之间的交界面阻挡层。在一种实施方式中，本器件是一个惯性传感器，如加速度计，它具备铰合连接在框架结构上的大体为平面的检测体，这个检测体和框架结构由单片硅体构成；一对阳极粘接到框架结构相对方向表面的玻璃层，它有与检测体空间相对的金属检测电极；在玻璃层和金属检测电极之间的交界面氮化物膜。玻璃层可按在检测体和框架的任一面上，交界面膜可由氮化硅构成。
本发明的结构和方法用于在阳极粘接过程中保护检测电极的整体性而又不损害检测电极与相连的玻璃层之间的附着。另外，它们也用来减少阳极粘接电容式传感器在其使用寿命内工作特性的变化，并且消除电容式传感器中阳极粘接的失效。
通过下面详细的描述和与之相应的附图，可以更加透彻地理解本发明的上述和其它属性。全部附图中相同的标识符代表相同的元件，其中
图1是按本发明一个优选实施方式而构成的电容式传感器的分解透视图；图2是图1的电容式传感器沿线2-2的水平截面图；图3是图2的电容式传感器的概要表示，表示了阳极粘接过程中形成的耗尽区和在粘接电压的影响下玻璃中离子的运动；图4A是由图2的电容式传感器的一部分放大的断层截面图，说明了现有技术中电极的配置；
图4B是由图2的电容式传感器的一部分放大的截面图，表示了一个由本发明的优选实施方式而构成的交界面阻挡层。
现在参考图1，它描述了本发明的一个优选实施方式。其中电容式传感器10由夹在玻璃基层14和玻璃顶层16之间的半导体12构成。半导体12有一个阳极粘接到基层14和顶层16的边缘框架部分18，和一个通过挠性部件或铰链接到框架部分18上的中心检测元件20。在基层14和顶层16的面对检测元件20的表面上分别放有检测电极24和26，用来检测在外力作用下检测元件的移动。如果电容式传感器20是加速度计或其它惯性传感器，检测电极24和26也用来施加足够的静电压力以使检测元件返回到它中间的位置上。因此，被支撑的检测元件20根据在电极24和26之间的自由空间中的铰链式运动，用作为压力平衡检测体。到检测电极24和26的电气连接分别通过连接盘24’和26’实现。这类加速度计在O’Brien等人的美国5,205,171号专利和Warren，K.，航空学会杂志38卷1号，1991年4月的91-99页中作了描述，其中所公开的内容全部并入至此以作参考。
根据本发明，交界面阻挡层46放置在检测电极24和26以及相应的玻璃层14和16中间，具体如图4B所示。这个交界面层的作用是阻挡玻璃层中氧的迁移并由此在传感器的制造和工作中防止电极材料被氧化。
尽管为了方便起见本发明参照惯性传感器来描述，特别是以玻璃硅片加速度计来说明，但本技术对将玻璃层阳极粘接到含有检测元件结构上的其它形式的电容式传感器同样有效。这些传感器包括压力传感器和流量传感器，其中的膜片由被测流体来起作用。它们具有与半导体12相应的结构，但检测元件20由一个膜片代替。这些膜片在流体压力和流量状态的影响下偏转，而这个偏转则可由检测电极测出。
参考图2，在电容式传感器10的玻璃基层14和玻璃顶层16的向外表面的边缘上有粘接电极28，用以提供阳极粘接所需的电压。这个电压通过粘接接头30(同见图2)来提供，同时，半导体12接地。
现在参考图3，在粘接过程中当器件保持在大约300℃的温度时，提供到接头30的电压为-400伏。这就将玻璃中带负电荷的钠离子32吸引向粘接电极28，并从半导体12的边缘框架部分18中出来。由于检测电极24和26与半导体12保持相同的电压，下方玻璃基层14和上方玻璃顶层16中钠原子均会被分别均匀向下和向上吸引，由此会损耗两个玻璃层中最深处表面的自由负电荷载体。因此，粘接电压在相邻于玻璃层14和16的向内表面36建立了一层薄耗尽区。在这种结构中，所提供的大部分电压会因耗尽区的高电阻而加在耗尽区上。耗尽区很薄(约1微米)，所以所得电场很强，其结果是在二氧化硅网络上键连的氧原子以图3中标为38的负电荷的形式被吸向玻璃/硅交界面。这些离子氧化在交界面上的硅原子，将硅和玻璃化学连在一起。
在阳极粘接过程中检测电极24和26与半导体12保持相同的电压，这样可以避免检测元件20的击穿和可能的与电极金属的粘贴。它会使氧离子移向电极并同时导致电极材料的阳极氧化。在极端情况下，电极材料会因氧化而损耗掉，导致与玻璃粘接的失效。在任何情况下，若未根据本发明提供阻挡层，至少部分电极会被损耗掉。
检测电极24和26的材料氧化的另一后果在图4A中加以说明，其中检测电极24的厚度增加了，它侵入到器件中电容间隙图4A中标为40线的地方。由于在不同元件之间的空隙极小，这将导致运行间隙的严重减小，即从图中初始间隙42的大小减到间隙44的大小。即使器件不会因附着的失效而失效，但检测元件和电极之间缝隙的减小会严重影响器件的精度。
如果不使用阻挡层，在检测器件10正常运行时氧化作用也会缓慢进行。这是由于电极通常比检测元件带有更高的正电压。在大约85℃及更高的工作温度下，这种电压足以将带负电荷的氧离子从玻璃中吸向电极，这会进一步减小器件的间隙。
参考图4B，将根据本发明提供的交界面阻挡层46放在每个检测电极和相应的玻璃层14和16之间。在一个优选的实施方式中，电极24和26由淀积在钛附着层上的金导电层制成。具体地说，图4B中检测电极24由淀积在钛附着层224上的金导电层124构成。检测电极26图中没有单独详细说明，它则是检测电极24的镜像对称。阻挡层46以氮化物为好，最好是氮化硅。阻挡层46的厚度应该至少几百埃且最好在800至1000埃之间，它可以由任何适当的薄膜生产过程来制造，例如等离子增强化学气相淀积(PECVD)或活性溅射。这些生产过程中，活性溅射较好，特别是当使用离子束时，因为这样可以在较低温度下进行并且相对更加直接。
至于制造材料，基层14和顶层16可以是任何适于阳极粘接的含钠玻璃，比如这些具有适当钠含量的玻璃包括Corning以Pyrex商标生产的玻璃，这种玻璃Schott玻璃公司以商标Tempax生产，以及Hoya玻璃公司生产的类似玻璃。半导体12则可以是任一适合的晶体半导体，如单片硅，它通过硅晶片的异向腐蚀得到。技术上已众所周知的腐蚀过程用于制造图1和图2的结构中表示的检测元件20和挠性部件22。另一个选择是，半导体12可以由其它任何适合的半导体制造即有适当弹性和可腐蚀或者能以另外所需要的方法来配置。这种材料之一是锗。
玻璃层14和16的厚度最好约500微米，而半导体12在边缘框架部分18处以300微米厚为好。检测元件20则可以通过腐蚀减小厚度从而在检测电极的地方提供出约3微米的间隙42。每一个检测电极24和26最好约2500埃厚，在图4B的实施方式中相邻于阻挡层46的由钛附着层构成的复合膜(如层224)大约200埃厚，金导电层(如层124)大约2300埃厚。这些金属最好通过适当的薄膜技术不留真空地顺序附着，如溅射技术。如上所述，处于玻璃层和相应检测元件之间的交界面阻挡层46(见图4B)会从几百埃增加到约1000埃甚至到电极结构的全部厚度。然而在图1和图2结构中的这个厚度是用来在检测元件20的每一面上得到大约3微米的电容间隙的。
虽然阻挡层最好使用氮化硅，但其它材料只要能较好地粘接玻璃层14和16并且对电极24和26的金属有足够的附着力，也可以代替氮化硅。其中一种材料是氮化钛。
在制造电容式传感器10，尤其是交界面阻挡层46时，在淀积和成型步骤中要避免在高温和化学品环境中以使对玻璃基层14和玻璃顶层16的不利影响最小。淀积阻挡层46的一个生产过程是等离子增强化学气相淀积(PECVD)，其中氮化硅层在大约385℃的温度中从含有二氯甲硅烷和氨的等离子中完成淀积。以这种方法涂覆的玻璃晶片在生产过程中会有变形的趋势，但一般是可以接受的。随后它们通过腐蚀过程来成型，除了那些将在其上形成检测电极24和26的区域以外，所有地方的氮化硅都会被清除。在实际的技术中，氮化硅层往往被置于稍大于随后的电极金属喷镀的面积上，从而避免电极金属和玻璃之间的直接接触。尽管用等离子增强化学气相淀积过程得到了有用的器件，即没有表现出现有技术的迁移/氧化问题，但它却不希望地引起阳极粘接域的玻璃粗糙不平并且从被腐蚀的地方溶解钠。这两种影响致使随后的阳极粘接更加困难了。
淀积阻挡层46，尤其是淀积氮化硅阻挡层的优选方法是活性溅射。在这个过程中可以使用离子喷枪向含氮气氛中喷射硅目标。喷枪最好可以喷射硅或氩，并且基片能够被加热到约70℃。因此这样的低温过程不会对玻璃晶片有不利的影响并且相对更加直接。阻挡层46可以通过传统的“发射(lift-off)”光刻胶过程或者通过孔板淀积阻挡层的办法成型，这样就消除了腐蚀或其它破坏阳极粘接区玻璃表面的可能。这些成型方法每一种都可得到用于以后阳极粘接的没有破损的完整表面。通过活性溅射淀积的氮化硅分子比通过等离子增强化学气相淀积过程得到的分布更致密。这是由于被喷射的分子具有更高能量并且在附着环境中没有氢。
虽然我们描述和介绍了这样一个优选实施方法，但在本发明范围内还可以有不同的替换和改进。因此，这只是对本发明的介绍性描述，而并不是对本发明的限制。
权利要求
1.一种阳极粘接电容式传感器，它包括具有框架结构的检测元件；至少一层阳极粘接到这个框架结构并且具有一个在检测元件附近的金属检测电极的玻璃层；以及一层位于玻璃层和金属检测电极之间的交界面阻挡层。
2.权利要求1的阳极粘接电容式传感器，其中所述的交界面阻挡层含有氮化物。
3.权利要求1的阳极粘接电容式传感器，其中所述的交界面阻挡层由氮化硅薄膜构成。
4.权利要求3的阳极粘接电容式传感器，其中金属检测电极包含钛。
5.权利要求3的阳极粘接电容式传感器，其中金属检测电极是一个多层结构，其中导电材料层淀积在含钛层上。
6.权利要求1的阳极粘接电容式传感器，其中所述的交界面阻挡层由通过在含氮气氛中喷射硅而制成的氮化硅构成。
7.权利要求6的阳极粘接电容式传感器，其中所述的交界面阻挡层是使用离子喷枪溅射的。
8.权利要求1的阳极粘接电容式传感器，其中检测元件和框架结构由半导体材料构成。
9.权利要求1的阳极粘接电容式传感器，其中检测元件和框架结构由硅构成。
10.权利要求1的阳极粘接电容式传感器，其中检测元件和框架结构由单片硅体构成。
11.权利要求1的阳极粘接电容式传感器，其中所述至少一层玻璃层是由在检测元件和框架结构的每一面上的独立玻璃层构成。
12.一种阳极粘接电容式传感器，它包括由半导体材料制成的大体是平面的检测元件和框架结构；一对阳极粘接到框架结构相对表面上的玻璃层，每个所述玻璃层都具有空间相对于检测元件的金属检测电极；以及位于每个玻璃层和它的金属检测电极之间的包含氮化物的交界面阻挡层。
13.一种阳极粘接电容式传感器，它包括铰合连接在框架结构上的大体为平面的检测体，这个检测体和框架结构由单片硅体构成；一对阳极粘接到框架结构相对方向表面的玻璃层，每个所述玻璃层有与检测体空间相对的金属检测电极；位于每个玻璃层和它的金属检测电极之间的交界面氮化物膜。
14.一种制造电容式传感器的方法，它包括的步骤有提供连接到框架结构上的检测元件；根据检测元件提供至少一块具有预选面积的玻璃；在这块玻璃预定的面积上形成阻挡层；在所述的阻挡层上淀积金属检测电极；将玻璃层阳极粘接到框架结构上，使检测元件与金属检测电极空间相对。
15.权利要求14的制造方法，其中检测元件和框架结构由半导体构成。
16.权利要求14的制造方法，其中检测元件和框架结构由硅构成。
17.权利要求15的制造方法，其中阻挡层基本上由氮化硅组成。
18.权利要求14的制造方法，其中阻挡层通过在含氮气氛中喷射硅而形成。
19.权利要求14的制造方法，其中使用电子喷枪喷射硅。
20.权利要求14的制造方法，其中阻挡层通过孔板淀积。
21.权利要求14的制造方法，其中阻挡层通过发射(lift-off)光刻胶过程成型。
22.一种制造惯性传感器的方法，它包括的步骤有提供连接到框架结构上的检测体；根据检测体提供至少一块具有预选面积的玻璃；在这块玻璃的预选面积上形成的氮化层；在所述成型的氮化层上淀积金属检测电极；将玻璃层阳极粘接到框架结构上，使检测体与金属检测电极空间相对。
全文摘要
阳极粘接电容式传感器(10)的玻璃层(14，16)上的检测电极(24，26)在电极(24，26)和玻璃层(14，16)之间还具有一层含氮化物的交界面阻挡层(46)。在一个实施方式中，电容式传感器(10)是一个惯性传感器，其检测元件(20)铰连到与玻璃层(14，16)阳极粘接的框架结构(18)上。检测电极(24，26)则位于玻璃层(14，16)面对检测元件(20)的表面。检测元件(20)和框架结构(18)最好由硅构成，交界面薄膜(46)最好由氮化硅构成。
文档编号G01D5/12GK1146823SQ9519234
公开日1997年4月2日 申请日期1995年3月24日 优先权日1994年3月28日
发明者基思·O·沃伦 申请人:利顿系统公司