CN114487547B - 一种硅衬底反置键合玻璃结构的压电压阻型电场传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种硅衬底反置键合玻璃结构的压电压阻型电场传感器，包括设置在基底的上表面的玻璃层；设置在玻璃层上表面的硅衬底；以及设置在硅衬底上表面的半导体薄膜；硅衬底的中心区域开设有上小下大的圆台状的第一通孔；玻璃层的中心区域开设有沙漏状的第二通孔；第二通孔的顶部与第一通孔的底部连通，且连通后形成的空腔内安装有压电晶体；压电晶体的第一端与基底的上表面粘接；压电晶体的第二端通过第一氧化硅层与半导体薄膜的下表面耦合；压电晶体的外壁与第一通孔的内壁和第二通孔的内壁均存在间隙；将硅衬底反置到半导体薄膜和玻璃层之间，提高了电场传感器的测量精度和灵敏度。

Description

一种硅衬底反置键合玻璃结构的压电压阻型电场传感器
技术领域
本发明涉及电子元件技术领域，具体而言，涉及一种硅衬底反置键合玻璃结构的压电压阻型电场传感器。
背景技术
目前，基于MEMS技术的微电场传感器已部分应用于大气环境的电场监测中。其优点是体积小、重量轻、成本低、功耗低、集成度高、适应于大规模批量生产。但其测量范围有限，只能应用于电网低电压等级下的正常电场测量且输出响应信号小，且测量分辨率较低，测量具有不确定度，无法实现精确测量。因此，需要提供一种方案以提高电场传感器的测量精度和灵敏度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种硅衬底反置键合玻璃结构的压电压阻型电场传感器，用以实现提高电场传感器的测量精度和灵敏度的技术效果。
本发明提供了一种硅衬底反置键合玻璃结构的压电压阻型电场传感器，包括基底；设置在所述基底的上表面的玻璃层；设置在所述玻璃层上表面的硅衬底；以及设置在所述硅衬底上表面的半导体薄膜；所述硅衬底的上表面通过第一氧化硅层与所述半导体薄膜的下表面耦合；所述半导体薄膜的上表面设有第二氧化硅层；所述硅衬底的中心区域开设有上小下大的圆台状的第一通孔；所述玻璃层的中心区域开设有沙漏状的第二通孔；所述第二通孔的顶部与所述第一通孔的底部连通，且连通后形成的空腔内安装有压电晶体；所述压电晶体的第一端与所述基底的上表面粘接；所述压电晶体的第二端通过所述第一氧化硅层与所述半导体薄膜的下表面耦合；所述压电晶体的外壁与所述第一通孔的内壁和所述第二通孔的内壁均存在间隙；所述半导体薄膜的上侧开设有与所述半导体薄膜的上表面连通的两组离子掺杂区，且两组离子掺杂区呈十字型排布，每组离子掺杂区的形状对称；所述第二氧化硅层设有金属线路和四个电极；所述四个电极靠近所述第二氧化硅层的上表面的同一边缘设置，且所述四个电极通过所述金属线路与所述离子掺杂区连接并组成惠斯通电桥。
进一步地，所述玻璃层和所述压电晶体的厚度均为500-600μm。
进一步地，所述压电晶体的边长为1000μm或2500μm。
进一步地，所述玻璃层的材料为硼硅玻璃。
进一步地，所述基底为PCB板。
进一步地，所述基底为玻璃。
本发明能够实现的有益效果是：本发明提供的硅衬底反置键合玻璃结构的压电压阻型电场传感器可以将待测电场量转化为压电晶体的机械形变量，进而转化为电桥的输出电压量；同时将硅衬底反置到半导体薄膜和玻璃层之间，提高了电场传感器的测量精度和灵敏度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例提供的一种压电压阻型电场传感器剖面图；
图2为本发明实施例提供的一种惠斯通电桥的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种压电晶体边长对应变的影响实验结果示意图；
图4为本发明实施例提供的一种压电晶体厚度对应变的影响实验结果示意图。
图标：10-压电压阻型电场传感器；100-基底；200-玻璃层；210-第二通孔；300-硅衬底；310-第一通孔；400-第一氧化硅层；500-半导体薄膜；510-离子掺杂区；600-第二氧化硅层；610-金属线路；620-电极；700-压电晶体。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行描述。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
请参看图1，图1为本发明实施例提供的一种压电压阻型电场传感器剖面图。
在一种实施方式中，本发明实施例提供了一种硅衬底300反置键合玻璃结构的压电压阻型电场传感器10，该压电压阻型电场传感器10包括基底100；设置在基底100的上表面的玻璃层200；设置在玻璃层200上表面的硅衬底300；以及设置在硅衬底300上表面的半导体薄膜500；硅衬底300的上表面通过第一氧化硅层400与半导体薄膜500的下表面耦合；半导体薄膜500的上表面设有第二氧化硅层600；硅衬底300的中心区域开设有上小下大的圆台状的第一通孔310；玻璃层200的中心区域开设有沙漏状的第二通孔210；第二通孔210的顶部与第一通孔310的底部连通，且连通后形成的空腔内安装有压电晶体700；压电晶体700的第一端与基底100的上表面粘接；压电晶体700的第二端通过第一氧化硅层400与半导体薄膜500的下表面耦合；压电晶体700的外壁与第一通孔310的内壁和第二通孔210的内壁均存在间隙；半导体薄膜500的上侧开设有与半导体薄膜500的上表面连通的两组离子掺杂区510，且两组离子掺杂区510呈十字型排布，每组离子掺杂区510的形状对称；第二氧化硅层600设有金属线路610和四个电极620；四个电极620靠近第二氧化硅层600的上表面的同一边缘设置，且四个电极620通过金属线路610与离子掺杂区510连接并组成惠斯通电桥。
通过上述实施方式提供的压电压阻型电场传感器可以将待测电场量转化为压电晶体700的机械形变量，进而转化为电桥的输出电压量；同时将硅衬底300反置到半导体薄膜500和玻璃层200之间，提高了电场传感器的测量精度和灵敏度。
示例性地，基底100的形状可以设为圆形、正方形、长方形等，基底100上方各种的边缘轮廓也与基底100的形状相匹配。离子掺杂区510可以选用硼离子掺杂(B+)，掺杂B+剂量为5×1014cm-2。
在一种实施方式中，玻璃层200的材料可以为硼硅玻璃。需要说明的是玻璃层200也可以选择其他类型的玻璃；甚至玻璃层200可以选择其他绝缘材料进行替换。
在一种实施方式中，为了选择合适的压电晶体700，本发明实施例还对压电晶体700的边长进行了多组实验，从而确定了压电晶体700的最优尺寸。实验结果如图3所示。图3中保持压电晶体700高度h＝300μm和半导体薄膜500厚度d＝10μm不变，压电晶体700的边长分别取500μm、1000μm、1500μm、2000μm和2500μm，图中虚线为压电晶体700边缘位置，可以看出，随着压电晶体700尺寸的增加，薄膜表面应变张量先减小后增加，考虑压电晶体700尺寸过小将导致装配难度增加，故压电材料边长b的最优尺寸在1000μm或2500μm。
在一种实施方式中，为了选择合适的压电晶体700，本发明实施例还对压电晶体700的厚度进行了多组实验，从而确定了压电晶体700的最优尺寸。实验结果如图4所示。图4中保持压电晶体700的边长b＝500μm和半导体薄膜500的厚度d＝10μm，压电晶体700的厚度分别取300μm，500μm，600μm，900μm和1000μm时，半导体薄膜500与压电晶体700交界处附近的应变分布，可以看出，随着压电晶体700高度的增加；半导体薄膜500表面的最大应变张量随之增大，且均在交界处附近取得应变最大值，结合支撑材料玻璃的实际厚度，可选择500μm-600μm厚的压电晶体700作为传感器的驱动材料。
在一种实施方式中，半导体薄膜500的厚度可以为10-20μm。具体地厚度可以根据实际需求进行设置。例如用户可以根据实际需要将半导体薄膜500的厚度设为10μm、11μm、12μm等10-20μm之间的任意数值。
在一种实施方式中，基底100可以选择PCB板或者玻璃。
综上所述，本发明实施例提供一种硅衬底反置键合玻璃结构的压电压阻型电场传感器，通过上述实施方式提供的压电压阻型电场传感器可以将待测电场量转化为压电晶体的机械形变量，进而转化为电桥的输出电压量；同时将硅衬底反置到半导体薄膜和玻璃层之间，提高了电场传感器的测量精度和灵敏度。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种硅衬底反置键合玻璃结构的压电压阻型电场传感器，其特征在于，包括基底；设置在所述基底的上表面的玻璃层；设置在所述玻璃层上表面的硅衬底；以及设置在所述硅衬底上表面的半导体薄膜；所述硅衬底的上表面通过第一氧化硅层与所述半导体薄膜的下表面耦合；所述半导体薄膜的上表面设有第二氧化硅层；所述硅衬底的中心区域开设有上小下大的圆台状的第一通孔；所述玻璃层的中心区域开设有沙漏状的第二通孔；所述第二通孔的顶部与所述第一通孔的底部连通，且连通后形成的空腔内安装有压电晶体；所述压电晶体的第一端与所述基底的上表面粘接；所述压电晶体的第二端通过所述第一氧化硅层与所述半导体薄膜的下表面耦合；所述压电晶体的外壁与所述第一通孔的内壁和所述第二通孔的内壁均存在间隙；所述半导体薄膜的上侧开设有与所述半导体薄膜的上表面连通的两组离子掺杂区，且两组离子掺杂区呈十字型排布，每组离子掺杂区的形状对称；所述第二氧化硅层设有金属线路和四个电极；所述四个电极靠近所述第二氧化硅层的上表面的同一边缘设置，且所述四个电极通过所述金属线路与所述离子掺杂区连接并组成惠斯通电桥；所述玻璃层和所述压电晶体的厚度均为500-600μm；所述压电晶体的边长为1000μm或2500μm。
2.根据权利要求1所述的硅衬底反置键合玻璃结构的压电压阻型电场传感器，其特征在于，所述玻璃层的材料为硼硅玻璃。
3.根据权利要求1所述的硅衬底反置键合玻璃结构的压电压阻型电场传感器，其特征在于，所述基底为PCB板。
4.根据权利要求1所述的硅衬底反置键合玻璃结构的压电压阻型电场传感器，其特征在于，所述基底为玻璃。
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