CN101738280B - Mems压力传感器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种MEMS压力传感器及其制作方法，MEMS压力传感器包括MEMS压力传感芯片，所述的MEMS压力传感芯片由四个多晶硅电阻设置在单晶硅薄膜的[110]晶向上构成的惠斯通电桥，单晶硅薄膜是由下硅圆片、上硅圆片和纯化层构成，下硅圆片上设置一腔体，下硅圆片和上硅圆片通过热熔硅-硅键合在一起，在上硅圆片表面设钝化层，在上硅圆片上用扩散工艺设置多晶硅电阻，在上硅圆片上刻蚀出金属薄膜导线和压焊块。本发明采采用了硅-硅键合结构的压力传感器尺寸可以做的很小，每个硅圆片上的芯片数目可以提高50％或者更高，硅-硅键合强度更高，气密性更好。传感器成本大幅度下降，性能更加稳定可靠。这种传感器属低成本高性能压力传感器，应用非常广泛。

Description

MEMS压力传感器及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种传感器，具体的说是涉及一种利用微机电系统MEMS技术的压力传感器，还涉及该传感器传感芯片的制作方法。

背景技术

压力传感器应用的范围非常广泛，包括石化、液压、食品、医药、机械、冶金、采矿、电器以及医疗仪器等等，几乎遍及各个行业。

各种内燃机车的发动机和电力机组的汽轮机都是靠机油来润滑的，一旦机油压力过低就会因缺油发生干摩擦，造成剧烈的磨损和发热，可能损坏发动机或汽轮机，影响内燃机车或汽轮机的正常运转，因此机油压力是发动机或汽轮机的重要参数之一。对汽车而言，需要在汽车的发动机上安装机油压力表，用来监测发动机的机油压力，当发动机的机油压力低于正常值时，油压表就会发出报警信号，安装在仪表盘内的报警灯闪亮，提醒司机更换和添加机油。目前应用在汽车上的压力传感器有好多种，一般都包括信号调理电路板，在信号调理电路板上设一压力敏感膜片，膜片直接承受机油的压力，然后将机油的压力信号传到信号调理电路板上，经信号调理电路板处理成电信号输出，但上述结构的压力敏感膜片一般都采用机械加工而成的厚膜压力敏感膜片，往往体积和重量大，成本高，精度低，它们在电力机组和汽车上的应用中受到很大的限制。也有用微机电技术的微型芯片，如申请人西安维纳信息测控有限公司申请的发明专利，公开日是2008年7月23日，公开号是CN101226092A，发明名称为：SOI全硅结构充硅油耐高温压力传感器，包括一配置有空腔的基座4-1，基座4-1空腔上依次配置有波纹膜片7-1和压环5-1，电极1-1通过玻璃绝缘子2-1与基座4-1相固接，基座4-1空腔内还配置一[100]晶面的全硅SOI压力芯片9-1，全硅SOI压力芯片9-1在真空环境下与PYREX7740玻璃6-1通过静电键合封接在一起，基座4-1空腔中充填有高温硅油13-1，全硅SOI压力芯片9-1上压焊块与电极1-1之间通过超声热压焊用金丝8-1连接，本发明的优点是一种适用于高温环境下测量大压力的传感器，芯片材料贵，工艺较复杂，成本高。适合于一些高温和高压等特殊场合使用。压力量程60-150MPa，工作温度可达+200℃。

发明内容

针对上述机电式压力传感器的一些缺点和不足，本发明的目的是提供一种结构紧凑、合理，性能稳定可靠的基于MEMS技术和专用集成电路芯片进行信号调理的常温压力传感器。

本发明的目的可通过以下技术方案来实现：

一种MEMS压力传感器，包括MEMS压力传感芯片，所述的MEMS压力传感芯片由四个多晶硅电阻设置在单晶硅薄膜的[110]晶向上构成的惠斯通电桥，单晶硅薄膜是由下硅圆片、上硅圆片和纯化层构成，下硅圆片上设置一腔体，下硅圆片和上硅圆片通过热熔硅-硅键合在一起，在上硅圆片表面设钝化层，在上硅圆片上用扩散工艺设置多晶硅电阻，在上硅圆片上刻蚀出金属薄膜导线和压焊块，其中晶向的定义是：晶体的一个基本特点是具有方向性，沿晶格的不同方向晶体性质不同，布拉伐格子的格点可以看成分裂在一系列相互平行的直线系上，这些直线系称为晶列，同一个格子可以形成方向不同的晶列，每一个晶列定义了一个反向，称为晶向。单晶硅的晶向有[111]、[100]、[110]等，所述的[110]晶向只是单晶硅晶向的一种。

上述MEMS压力传感器，包括压力传感电路和信号调理电路，压力传感电路与信号调理电路相连接，信号电路由信号调理子电路和放大电路构成，信号调理子电路与放大电路连接，所述的压力传感电路由MEMS压力传感芯片构成，信号调理电路由信号调理电路板构成，所述的MEMS压力传感芯片的惠斯通电桥的桥臂与信号调理电路板连接。

上述MEMS压力传感器，包括传感器壳体、压力敏感芯体和接线端扭，接线端扭与传感器壳体装配形成腔体，压力敏感芯体封装在腔体内，所述的压力敏感芯体由MEMS压力传感芯片和信号调理电路板构成，MEMS压力传感芯片与信号调理电路板连接。

上述MEMS压力传感器，MEMS压力传感芯片粘接在基板上，基板粘接在金属底座上，MEMS压力传感芯片封装在管帽和金属底座形成的密封腔体内，所述的管帽是由金属压环、波纹片和金属管壁构成，波纹片边缘设在金属压环与金属管壁之间并与金属压环和金属管壁焊接，管帽中的金属管壁的下部焊在金属底座上形成密封腔体，在密封腔体内充満硅油，信号调理电路板由绝缘胶粘在金属底座上，MEMS压力传感芯片上的金丝引线与管腿相连接，管腿通过玻璃绝缘子焊接在金属底座上，MEMS压力传感芯片通过金丝引线经管腿与信号调理电路板相连接，管腿通过连接导线与外引线相连接。

上述MEMS压力传感器，所述的基板中部设凹槽，压力传感芯片粘在凹槽内。

上述MEMS压力传感器，所述基板是陶瓷基片或印刷电路板或玻璃基板中的任一种。

上述MEMS压力传感器，金属压环和波纹片用激光或氩弧或电子束中的一种方式焊接在金属管壁上。

上述MEMS压力传感器，压力敏感芯体粘接在传感器壳体上。

上述MEMS压力传感器MEMS压力传感芯片的制作方法，包括以下步骤：

a.在下硅圆片上刻蚀出方形开口腔体；

b.对两下硅圆片、上硅圆片表面进行亲水处理，采用热熔硅-硅键合将两晶圆键合在一起，形成真空的硅密封腔体，上硅圆片是淀积了一定厚度的N型外延层的P型晶圆；

c.对上硅圆片表面采用刻蚀并自停止于N型的外延层，然后将上硅圆片机械减薄至要求的厚度，此厚度就是压力传感器的敏感膜的厚度，厚度根据量程可以确定；

d.在上硅圆片表面通过氧化工艺，在表面制作很薄的钝化层；

e.在上硅圆片上采用扩散工艺制作多晶硅电阻；

f.在上硅圆片上刻蚀出接触孔，再溅射淀积一薄层金属薄膜，并刻蚀出金属薄膜导线和焊块。

本发明采采用了硅-硅键合结构的压力传感器尺寸可以做的很小，与相同规格的硅杯型压力传感器和与CN101226092A公开的专利相比，每个硅圆片上的芯片数目可以提高50％或者更高，硅-硅键合强度更高，气密性更好。传感器成本大幅度下降，性能更加稳定可靠。这种传感器属低成本高性能压力传感器，应用非常广泛。传感器量程通常为：0.1-6MPa左右，最高工作温度为+125℃，且多晶硅电阻电桥压力传感芯片对压力信号进行调理，使得传感器具有良好的温度稳定性和很高的测量精度，多晶硅电阻是本行业常用的材料，成本低，制作工艺简单，且结构紧凑、合理，并能与电磁性指示仪表配套使用，可广泛用于煤炭、电力和汽车等行业的压力测量。

附图说明

图1是公开号为CN101226092A发明专利的结构示意图；

图2是本发明结构示意图；

图3是本发明的电路框图；

图4是本发明的电路原理图；

图5是本发明压力传感器芯片图；

图6是本发明压阻电阻条结构；

图7是本发明压力传感器芯片剖面图。

具体实施方式

本发明以下结合附图和实施例作以详细的描述：

如图3、图4、图5、图6和图7所示的MEMS压力传感器，包括MEMS压力传感芯片，所述的MEMS压力传感芯片由四个多晶硅电阻18设置在单晶硅薄膜19的[110]晶向上构成的惠斯通电桥，单晶硅薄膜19是由下硅圆片20、上硅圆片21和纯化层22构成，下硅圆片20上设置一腔体23，下硅圆片20和上硅圆片21通过热熔硅-硅键合在一起，在上硅圆片21表面设钝化层22，在上硅圆片21上用扩散工艺设置多晶硅电阻18，在上硅圆片21上刻蚀出金属薄膜导线24和压焊块25。

如图3和图4所示，MEMS压力传感器包括压力传感电路和信号调理电路，压力传感电路与信号调理电路相连接，信号调理电路由信号调理子电路和放大电路构成，信号调理子电路与放大电路连接，所述的压力传感电路由MEMS压力传感芯片构成，信号调理电路由信号调理电路板构成，所述的MEMS压力传感芯片的惠斯通电桥的桥臂与信号调理电路板连接。

如图2所示的MEMS压力传感器包括传感器壳体1、压力敏感芯体和接线端扭8，接线端扭8与传感器壳体1装配形成腔体，压力敏感芯体封装在腔体内，所述的压力敏感芯体由MEMS压力传感芯片12和信号调理电路板14构成，MEMS压力传感芯片12与信号调理电路板14连接，MEMS压力传感芯片12粘接在基板5上，基板5粘接在金属底座13上，MEMS压力传感芯片12封装在管帽和金属底座13形成的密封腔体内，所述的管帽是由金属压环10、波纹片2和金属管壁11构成，波纹片2边缘设在金属压环10与金属管壁11之间并与金属压环10与金属管壁11焊接，管帽中的金属管壁11的下部焊在金属底座13上形成密封腔体，在密封腔体内充満硅油，信号调理电路板14由绝缘胶6粘在金属底座13上，信号调理电路板14的边缘通过绝缘胶层17粘贴在传感器的壳体1上，另一个信号调理电路板16通过绝缘胶层17粘贴在传感器壳体1上，MEMS压力传感芯片12上的金丝引线4与管腿7相连，管腿7通过玻璃绝缘子焊接在金属底座13上，MEMS压力传感芯片12通过金丝引线4和管腿7与信号调理电路板14、16相连接，管腿7通过连接导线15与外引线9相连，MEMS压力传感芯片12接收到压力信号经过处理后输入到信号调节电路板14、16，经信号调节电路板14和16处理放大后输出电信号，在基板中部设凹槽，压力传感芯片粘在凹槽内，基板是陶瓷基片，所述的金属压环、波纹片用激光焊接在金属管壁11上，压力敏感芯体通过第一绝缘胶层27粘接在传感器壳体1上，两个信号调理电路板的边缘通过第二绝缘胶层17粘在外传感器壳体上。

本发明所述的基板还可以是印刷电路板，还可以是玻璃基板。

本发明所述所述金属压环、波纹片还可以用氩弧焊接在金属管壁上，还可以用电子束焊接在金属管壁上。

上述MEMS压力传感器MEMS压力传感芯片的制作方法，包括以下步骤：

a.在下硅圆片20上刻蚀出方形开口腔体23；

b.对下硅圆片、上硅圆片表面进行亲水处理，采用热熔硅-硅键合将两晶圆键合在一起，形成真空的硅密封腔体23，上硅圆片21是淀积了一定厚度的N型外延层的P型晶圆；

c.对上硅圆片表面采用刻蚀并自停止于N型的外延层，然后将上硅圆片机械减薄至要求的厚度，此厚度就是压力传感器的敏感膜的厚度，厚度根据量程可以确定；

d.在上硅圆片表面通过氧化等工艺，在表面制作很薄的钝化层22，作为对芯片的保护；

e.在上硅圆片上采用扩散工艺制作多晶硅电阻18；

f.在上硅圆片上刻蚀出接触孔，再溅射淀积一薄层金属薄膜，并刻蚀出金属导线24和焊块25，这样就制成了金属导线与压敏电阻的欧姆接触。

芯片的尺寸为1mm×1mm，厚度为0.3-0.5mm。

本发明的工作原理如下：本发明的压力传感芯片由四个多晶硅电阻构成一个电桥，桥臂的两端与AM417的②，③脚相连，桥臂的

端与AM417的⑤，④脚相连。AM417通过②，③脚给压力敏感芯片提供恒流供电。当有压力作用在压力敏感芯片时，压力敏感芯片将产生电信号，信号将从压力敏感芯片的

端输出，从AM417的⑤，④脚输入并放大，放大后电信号将从AM417的⑦脚输出，并再次通过放大器A放大后输出所要求的电信号。MEMS压力传感器是利用硅材料的压阻效应制成的，其芯片通常由变形薄膜和敏感电阻桥路结构组成，当膜片加上压力时，膜片将发生变形，并引起桥路电阻值发生变化，从而实现压力的测量。

压力敏感芯片结构：

如图5为硅压阻压力芯片结构图，4个多晶硅电阻R₁、R₂、R₃、R₄通过扩散工艺制备在单晶硅薄膜上，电阻制作在硅薄膜的边沿位置且沿着[110]晶向，这是因为在薄膜的边沿处，当薄膜受到作用力时，应变引起的电阻变化最大。图中电阻条的R₁的一端与压块25-3相连，电阻R₁和R₂通过公用压焊块25-2相连，电阻R₂和R₃通过公用压焊块25-1相连，电阻R₃和R₄通过公用压焊块25-5相连，电阻R4的另一端与压焊块4相连。这4个压阻R₁、R₂、R₃、R₄组成惠斯通电桥构成压力检测电路。电阻做好后，在硅芯片的背面腐蚀出一个硅杯，并真空条件下，采用阳极键合工艺焊接在玻璃片上，即可做成一个压力敏感芯片。使用时，压焊快1接电源正极，压焊块25-3和25-4通过补偿电路接电源负极，压焊块25-2和25-4为电桥检测电路的两个信号输出端。若电桥中工作电压为V_in，当压阻发生变化时，其输出电压信号的变化为：

$\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{out}}=\frac{\mathrm{\ΔR}}{R}{V}_{\mathrm{in}}=\frac{V_{\mathrm{in}}{\mathrm{\π}}_{44}}{2}({\mathrm{\σ}}_l-{\mathrm{\σ}}_t)$

式中π₄₄为压阻系数，σ₁为压阻处硅材料的纵向应力，σ_t为压阻处硅材料的横向应力。

如图6所示，电阻R₁、R₂、R₃、R₄由折线结构26组成，电阻的两端与金属薄膜导线24相连。

如图7所示为压力传感器芯片剖面结构图。其制造工艺是：

a.在下硅圆片20上刻蚀出方形开口腔体23；

b.对两下硅圆片、上硅圆片表面进行亲水处理，采用热熔硅-硅键合将两晶圆键合在一起，形成真空的硅密封腔体23，上硅圆片21是淀积了一定厚度的N型外延层的P型晶圆；

c.对上硅圆片表面采用刻蚀并自停止于N型的外延层，然后将上硅圆片机械减薄至要求的厚度，此厚度就是压力传感器的敏感膜的厚度，厚度根据量程可以确定；

d.在上硅圆片表面通过氧化等工艺，在表面制作很薄的钝化层22，作为对芯片的保护；

e.在上硅圆片上采用扩散工艺制作多晶硅电阻18；

f.在上硅圆片上刻蚀出接触孔，再溅射淀积一薄层金属薄膜，并刻蚀出金属导线24和焊块25，这样就制成了金属导线与压敏电阻的欧姆接触。

芯片的尺寸为1mm×1mm，厚度为0.3-0.5mm。

Claims (9)

1.一种MEMS压力传感器，包括MEMS压力传感芯片，其特征在于：所述的MEMS压力传感芯片包括四个多晶硅电阻(18)设置在单晶硅薄膜(19)的[110]晶向上构成的惠斯通电桥，单晶硅薄膜(19)是由下硅圆片(20)、上硅圆片(21)和钝化层(22)构成，下硅圆片(20)上设置一腔体(23)，下硅圆片(20)和上硅圆片(21)通过热熔硅-硅键合在一起，在上硅圆片(21)表面设钝化层(22)，在上硅圆片(21)上用扩散工艺设置多晶硅电阻(18)，在上硅圆片(21)上刻蚀出金属薄膜导线(24)和压焊块(25)，还包括压力传感电路和信号调理电路，压力传感电路与信号调理电路相连接，信号调理电路由信号调理子电路和放大电路构成，信号调理子电路与放大电路连接，所述的压力传感电路由MEMS压力传感芯片构成，信号调理电路由信号调理电路板构成，所述的MEMS压力传感芯片的惠斯通电桥的桥臂与信号调理电路板连接。

2.根据权利要求1所述的MEMS压力传感器，其特征在于：所述MEMS压力传感器的量程为0.1-6Mpa。

3.根据权利要求2所述的MEMS压力传感器，其特征在于：包括传感器壳体(1)、压力敏感芯体和接线端扭(8)，接线端扭(8)与传感器壳体(1)装配形成腔体，压力敏感芯体封装在腔体内，所述的压力敏感芯体由MEMS压力传感芯片(12)和信号调理电路板(14、16)构成，MEMS压力传感芯片(12)与信号调理电路板连接。

4.根据权利要求3所述的MEMS压力传感器，其特征在于：MEMS压力传感芯片(12)粘接在基板(5)上，基板(5)粘接在金属底座(13)上，MEMS压力传感芯片(12)封装在管帽和金属底座(13)形成的密封腔体内，所述的管帽是由金属压环(10)、波纹片(2)和金属管壁(11)构成，波纹片(2)边缘设在金属压环(10)与金属管壁(11)之间并与金属压环(10)和金属管壁(11)焊接，管帽中的金属管壁(11)的下部焊在金属底座(13)上形成密封腔体，在密封腔体内充満硅油，信号调理电路板(14)由绝缘胶粘在金属底座(13)上，MEMS压力传感芯片(12)上的金丝引线(4)与管腿(7)相连接，管腿(7)通过玻璃绝缘子焊接在金属底座(13)上，MEMS压力传感芯片(12)通过金丝引线(4)经管腿(7)与信号调理电路板相连接，管腿(7)通过连接导线(15)与外引线(9)相连接。

5.根据权利要求4所述的MEMS压力传感器，其特征是：所述的基板(5)中部设凹槽，压力传感芯片(12)粘在凹槽内。

6.根据权利要求5所述的MEMS压力传感器，其特征是：所述基板是陶瓷基片或印刷电路板或玻璃基板中的任一种。

7.根据权利要求6所述的MEMS压力传感器，其特征是：金属压环和波纹片用激光或氩弧或电子束中任一方式焊接在金属管壁上。

8.根据权利要求7所述的MEMS压力传感器，其特征是：压力敏感芯体粘接在传感器壳体(1)上。

9.如权利要求1所述的MEMS压力传感器的压力传感芯片的制作方法，包括以下步骤：a.在下硅圆片(20)上刻蚀出方形开口腔体(23)；

b.对下硅圆片(20)、上硅圆片(21)表面进行亲水处理，采用热熔硅-硅键合将两晶圆键合在一起，形成真空的硅密封腔体(23)，上硅圆片(21)是淀积了一定厚度的N型外延层的P型晶圆；

c.对上硅圆片(21)表面采用刻蚀并自停止于N型的外延层，然后将上硅圆片(21)机械减薄至要求的厚度，此厚度就是压力传感器的敏感膜的厚度，厚度根据量程可以确定；

d.在上硅圆片(21)表面通过氧化工艺，在表面制作很薄的钝化层(22)；

e.在上硅圆片(20)上采用扩散工艺制作多晶硅电阻(18)；

f.在上硅圆片(21)上刻蚀出接触孔，再溅射淀积一薄层金属薄膜，并刻蚀出金属薄膜导线(24)和焊块(25)。

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