CN102944339A

CN102944339A - 一种mems压阻式压力传感器及其制备方法

Info

Publication number: CN102944339A
Application number: CN2012104048566A
Authority: CN
Inventors: 黄贤; 张大成; 赵丹淇; 何军; 杨芳; 田大宇; 刘鹏; 王玮; 李婷; 罗葵
Original assignee: Peking University
Current assignee: Peking University
Priority date: 2012-10-22
Filing date: 2012-10-22
Publication date: 2013-02-27

Abstract

本发明涉及一种MEMS压阻式压力传感器及其制备方法，该MEMS压阻式压力传感器包括应变膜和压敏电阻，应变膜的正面边缘分布有岛结构，压敏电阻位于所述岛结构上。在制备时基片正面岛结构的制作在背腔各向异性腐蚀之前，避免正面制作岛结构时应变膜出现崩裂。本发明的压力传感器同时具有高灵敏度和高线性度，其制备方法与传统工艺兼容，成品率高。

Description

一种MEMS压阻式压力传感器及其制备方法

技术领域

本发明属于微电子机械系统（MEMS）传感器设计领域，涉及一种MEMS压阻式压力传感器，以及采用MEMS加工工艺方法在单个圆片上制作该压力传感器的方法。

背景技术

MEMS（Micro Electro Mechanical System）即微电子机械系统，是新兴的跨学科的高新技术研究领域。基于MEMS技术制造压阻式压力传感器由于其出色的精准度和可靠度以及相对便宜的制造成本在现代的市场中得到广泛的应用。自从20世纪50年代中期发现了硅材料的压阻特性，硅基的压阻式压力传感器就被广泛的应用。典型的压阻式压力传感器工作原理是在一个方形或者圆形的硅应变薄膜上通过扩散或者离子注入的方式在应力集中区制作四个压力敏感电阻，四个电阻互联构成惠斯顿电桥。当有外界压力施加在硅应变膜上，压敏电阻区域由于应变膜弯曲产生应力，通过压敏电阻的压阻特性，将应力转换为电阻值的变化，最后通过惠斯顿电桥将电阻值的变化转换为输出电压，通过对输出电压与压力值进行标定可以实现对压力的测量。

压阻式压力传感器测量压力的量程及灵敏度在加工工艺条件相同的情况下与传感器应变膜的厚度和尺寸等有关。为了提高压力传感器的灵敏度，需要增大应变膜的尺寸或者减小膜的厚度。考虑到集成度的提高和减少成本，减小应变膜的厚度成了必然的选择。但减小应变膜的厚度同时会降低压力传感器的线性度。微压压力传感器一般需要很高的灵敏度，在满足灵敏度设计要求时也要保证线性度。目前微压压力传感器通常采用梁膜岛结构，通过在应变膜的正面增加固定梁或者在膜背面中心保留岛结构增大线性度，但是这些方法有缺点，就是在保证线性度的同时也降低了器件的灵敏度。

发明内容

本发明的目的在于针对上述方法，提出一种新的MEMS压阻式微压压力传感器及其制备方法。该结构的压力传感器相比典型器件结构具有高灵敏度、高线性度的优点，降低了传感器的芯片尺寸；同时该设计加工方法与标准体硅压阻式压力传感器的加工工艺兼容，器件加工成本低，具有较高的成品率。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种MEMS压阻式压力传感器，包括应变膜和压敏电阻，其特征在于，所述应变膜的正面边缘分布有岛结构，所述压敏电阻位于所述岛结构上。

进一步地，所述应变膜和所述岛结构的材质为硅。

进一步地，所述岛结构在靠近应变膜边缘位置处尺寸小，在远离应变膜边缘位置处尺寸大。优选地，所述岛结构可以为“凸”字形或梯形。

优选地，所述应变膜为方形，其边线中点处各分布一个所述岛结构，每个岛结构上分布一组压敏电阻；优选地，每组压敏电阻包含4个压敏电阻条，并对称分布于岛结构上靠近应变膜边缘位置处。

一种制备上述MEMS压阻式压力传感器的方法，其步骤包括：

1)在基片正面的边缘通过离子注入的方式制作压敏电阻以及重掺杂接触区；

2)在基片正面制作引线孔和金属引线；

3)在基片正面通过光刻定义岛结构的形状，然后制作应力集中的岛结构；

4)在基片正面涂胶进行保护，在基片背面光刻背腔区域并刻蚀出背腔腐蚀窗口，然后通过各向异性腐蚀制作应变膜；

5）将基片与玻璃片键合，然后划片，制成压力传感器芯片。

上述步骤3）可以通过干法刻蚀或者湿法腐蚀的方式制作所述岛结构。干法刻蚀优选采用RIE刻蚀，湿法腐蚀优选为KOH溶液各向异性腐蚀或者HNA溶液各向同性腐蚀。采用干法刻蚀时，岛结构的制作在步骤4）前面进行，可以避免正面刻蚀岛结构时出现的应变膜崩裂的问题。

采用上述工艺能够完成正面带有应力集中硅岛的压力传感器的制作，由于压敏电阻处于应力更加集中的岛结构（硅岛）上，在相同的外力条件下，压敏电阻能够获得更大的应力，器件有更好的灵敏度；同时岛结构分布于应变膜的边缘，在应变膜承受压力时有抗弯曲作用，应变膜有更小的挠度，因此器件有更好的线性度。

本发明为MEMS领域的工艺人员提供了一种微压压力传感器及其制作方法，这种方法加工的压力传感器（压力计）具有更好的性能和较高的工艺可靠性。具体来说，本发明具有以下优势：

1）本发明的MEMS压阻式压力传感器同时具有高灵敏度和高线性度；

2）本发明的压力传感器制备方法，其工艺流程在传统的加工方式的基础上仅仅增加了一次光刻和正面刻蚀工艺，与传统工艺兼容；工艺难度比较低，易获得较高的成品率；

3）本发明压力传感器其机构设计合理，制备过程中减少了不必要的台阶，降低了光刻的难度；

4）本发明设计的工艺流程中将正面岛结构的刻蚀放在了背腔各向异性腐蚀的前面，避免了正面刻蚀岛结构时可能出现的应变膜崩裂的情况，提高了工艺的可靠性。

附图说明

图1为具体实施例中微压压力计工艺流程示意图，其中：

图1(a)为芯片基片的示意图；

图1(b)为离子注入方式制作压敏电阻的示意图；

图1(c)为制作重掺杂接触区的示意图；

图1(d)为制作接触孔和金属引线的示意图；

图1(e)为正面刻蚀硅岛的示意图；

图1(f)为正面涂胶保护的示意图；

图1(g)为背面刻蚀应变膜的示意图；

图1(h)为制作完成的压力计的示意图。

图2为硅岛结构处的版图和压敏电阻分布示意图。

图中：1—基片；2—氧化硅；3—压敏电阻；4—重掺杂接触区；5—金属接触孔及金属引线；6—氮化硅；7—正面刻蚀出的硅岛；8—保护胶；9—背腔；10—玻璃。

具体实施方式

下面通过具体实施例，并配合附图，对本发明做进一步的说明。

本实施例的MEMS压阻式压力传感器的制备方法，在方形基片的边线中点处（其它实施例也可以采用圆形基片）通过离子注入方式制作四组沿着基片的<110>晶向对称分布的压敏电阻，每组压敏电阻的个数可以是任意的（一般是1到5个），本实施例为4个；在传感器背面进行各向异性腐蚀前，在正面增加一次光刻，在正面压敏电阻周围刻蚀出应力集中的硅岛，完成该刻蚀后压敏电阻分布在应力集中的硅岛上。具体来说，该方法的步骤包括：

1)选择（100）晶面的单晶硅片或者（100）晶面的SOI（silicon on insulator）硅片作为芯片基片；

2)在基片正面的边缘通过离子注入的方式制作4组压敏电阻以及重掺杂接触区；

3)在基片正面制作引线孔和金属引线；

4)在基片正面通过光刻定义硅岛的形状，然后通过刻蚀制作应力集中的硅岛；

5)在基片正面涂胶进行保护，在基片背面光刻背腔区域并刻蚀出背腔腐蚀窗口，然后通过各向异性腐蚀制作出应变膜；

6）将基片与玻璃片键合，然后划片，制成压力传感器芯片。

下面提供一个具体制备实例，如图1所示，该MEMS压阻式微压压力传感器的制造工艺为：

a）备片：单晶硅基片作为芯片的基片1，基片厚度为400μm，基片表面有氧化硅2，氧化硅厚度为

如图1(a)所示；

b）采用标准压阻工艺在硅片上制作压敏电阻3和重掺杂接触区4，如图1(b)、(c)所示，包括：光刻淡硼区；RIE（反应离子刻蚀）SiO₂ 离子注入B^＋；硼推进；光刻浓硼区，RIE SiO₂；离子注入B^＋；硼推进；

c）制作引线孔（即接触孔）和金属引线5，如图1(d)所示，包括：LPCVD（低压化学气相淀积）SiO₂

LPCVD Si₃N₄

RIE正面Si₃N₄

正面光刻引线孔；RIE SiO₂；溅射Al，0.8-1.0μm；光刻金属引线；湿法腐蚀Al；MEMSAl合金；

d）正面制作应力集中硅岛7，如图1(e)所示，包括：光刻硅岛区域；刻蚀SiO₂

反应离子刻蚀Si9μm；硅岛的高度由器件的量程和灵敏度决定可以有不同的高度；

e）正面涂保护胶8，本实例采用Primer（一种耐腐蚀的保护胶）进行保护，如图1(f)所示；背面KOH各向异性腐蚀制作压力计应变膜，如图1(g)所示，包括：

正面涂Primer保护；背面光刻背腔区域9；RIE刻蚀背面Si₃N₄

RiE刻蚀SiO₂

去胶；KOH腐蚀背面Si，腐蚀深度为380μm；

f）Si-玻璃键合；划片，如图1(h)所示。该步骤将整个硅片切割成小片，每个小片是一个完整的压力计，每个硅片根据设计的压力计的大小不同可以分割出100到200个压力计小片。

上述制备工艺中，采取先在正面制作应力集中硅岛后进行背腔各向异性腐蚀的方式，能够避免背腔腐蚀完成以后再进行正面刻蚀时可能造成的压力计应变膜崩裂的危险。其中，LPCVD Si₃N₄的温度范围是750到800℃，LPCVD SiO₂的温度为680℃到700℃，而金属铝的熔点是660℃，因此在完成了Al金属引线的制作后不能进行LPCVD Si₃N₄或者SiO₂。为了完成KOH各向异性腐蚀时对硅片正面区域的保护，采用了涂Primer的方式。

图2为硅岛结构处的版图和压敏电阻分布示意图，其中(a)和（b）表示压敏电阻在硅岛中的两种分布方式。该硅岛的几何形状呈“凸”字型，靠近应变膜边缘位置处尺寸小，远离边缘位置处尺寸大，在两者之前的过度区域通过一定角度直线连接，也可以采用弧线连接。4个压敏电阻条对称分布于硅岛上小尺寸区域中靠近边缘的位置。

本发明的压力传感器中，压阻条的数目不限于图2中的数目，压阻条的连接方式不限于图2中的连接方式；硅岛的几何形状也可以是其它形状，比如为梯形，仍然使靠近应变膜边缘位置处尺寸小，远离边缘位置处尺寸大。

本发明的突出特点是压敏电阻尽量靠近了岛结构与外部连接梁的边缘，可以最大限度的增加灵敏度，灵敏度增加幅度在20%到30%左右。下面表1是上述实例中的压力传感器（压力计）与传统梁结构压力计在相同压力计尺寸下的性能对比数据（ANASYS仿真软件的仿真结果）：其中，挠度是在应变膜在压力作用下垂直方向上的位移，同样压力作用下挠度越大意味着器件的线性度会越差。由该表可以看出，本发明的MEMS压阻式压力传感器同时具有高灵敏度和高线性度。

表1.本发明的压力传感器与传统梁结构压力计的性能数据对比

上述实施例中的硅岛制作工艺仅是选择了一种典型硅岛结构作例子说明，本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明实质的范围内，可以针对本发明中硅岛的结构和尺寸选择做一定的变化和修改。其制备方法也不限于实施例中所公开的内容，比如正面硅岛也可以采用KOH溶液各向异性腐蚀的方式或者HNA溶液（氢氟酸加上硝酸加上冰醋酸三种酸的混合溶液，能够对单晶硅产生各向同性的腐蚀效果）各向同性腐蚀的方式制备。本发明的保护范围应以权利要求书所述为准。

Claims

1.一种MEMS压阻式压力传感器，包括应变膜和压敏电阻，其特征在于，所述应变膜的正面边缘分布有岛结构，所述压敏电阻位于所述岛结构上。

2.如权利要求1所述的MEMS压阻式压力传感器，其特征在于：所述应变膜和所述岛结构的材质为硅。

3.如权利要求1或2所述的MEMS压阻式压力传感器，其特征在于：所述岛结构在靠近应变膜边缘位置处尺寸小，在远离应变膜边缘位置处尺寸大。

4.如权利要求3所述的MEMS压阻式压力传感器，其特征在于：所述岛结构为“凸”字形或梯形。

5.如权利要求1或2所述的MEMS压阻式压力传感器，其特征在于：所述应变膜为方形，其边线中点处各分布一个岛结构，每个岛结构上分布一组压敏电阻。

6.如权利要求5所述的MEMS压阻式压力传感器，其特征在于：每组压敏电阻包含4个压敏电阻条，并对称分布于岛结构上靠近应变膜边缘位置处。

7.一种MEMS压阻式压力传感器的制备方法，其步骤包括：

2)在基片正面制作引线孔和金属引线；

5）将基片与玻璃片键合，然后划片，制成压力传感器芯片。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于：所述晶片为单晶硅片或SOI硅片。

9.如权利要求7所述的方法，其特征在于：通过干法刻蚀或者湿法腐蚀的方法制作所述岛结构。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于：所述干法刻蚀为RIE刻蚀，所述湿法腐蚀为KOH溶液各向异性腐蚀或者HNA溶液各向同性腐蚀。