CN103644985A

CN103644985A - 多量程cmos mems电容式压力传感器芯片

Info

Publication number: CN103644985A
Application number: CN201310676335.0A
Authority: CN
Inventors: 薛惠琼; 王玮冰; 田龙坤
Original assignee: Jiangsu IoT Research and Development Center
Current assignee: Jiangsu IoT Research and Development Center
Priority date: 2013-12-11
Filing date: 2013-12-11
Publication date: 2014-03-19

Abstract

本发明涉及一种多量程CMOS MEMS电容式压力传感器芯片，包括玻璃基座和硅基底，其特征是：在所述硅基底上设置第一压力传感器单元、第二压力传感器单元、第三压力传感器单元、第四压力传感器单元、第五压力传感器单元和第六压力传感器单元；所述第一压力传感器单元、第二压力传感器单元、第三压力传感器单元、第四压力传感器单元、第五压力传感器单元和第六压力传感器单元包括上电极、下电极和压力膜；所述第一压力传感器单元、第二压力传感器单元、第三压力传感器单元、第四压力传感器单元、第五压力传感器单元和第六压力传感器单元的下电极通过金属铝线合并连接。本发明采用多个不同尺寸的电容压力传感器单元实现多量程，灵敏度高，量程范围大。

Description

多量程CMOS MEMS电容式压力传感器芯片

技术领域

本发明涉及一种压力传感器芯片，尤其是一种多量程CMOS MEMS电容式压力传感器芯片，属于MEMS器件设计制造技术领域。

背景技术

压力测量是MEMS 技术的一个主要应用方面，压力传感器的应用主要有三个方面：压力监控、压力控制和物理量测量。压力传感器有着广泛的应用领域，包括汽车工程，航空导航，消费电子和军事运用等方面。

如今主流的压力检测技术有：电容压力检测技术、压阻压力检测技术以及热型压力检测技术等。电容式压力传感器是硅微压力传感器的一种主要类型，其基本原理是将压力变化转换为电容的变化。压力作用于弹性膜，膜发生形变，使得两个电极间介质介电常数发生变化，产生相应的电容值变化，电容值随着压力变化单调变化，电容值与压力值相互对应，形成由压力到电容的传感转换功能。多量程电容式压力传感器芯片具有多方面的优势，例如较大的测量范围、较高的灵敏度、较低的温度偏移系数、更加坚固的结构以及更低的功耗等等。传统电容式压力传感器芯片主要缺点如下：（1）无法使其与CMOS工艺兼容，传感器芯片的CMOS工艺集成化是传感器研究和发展的趋势；（2）单一的量程，只能针对某一特定的量程范围进行测试，使其不能得到最大限度的使用。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种多量程CMOS MEMS电容式压力传感器芯片，采用多个不同尺寸的电容压力传感器单元实现多量程，灵敏度高，量程范围大，并且提高了可制造性，制造成本低。

按照本发明提供的技术方案，所述多量程CMOS MEMS电容式压力传感器芯片，包括玻璃基座和设置在玻璃基座上的硅基底，其特征是：在所述硅基底上表面设置第一压力传感器单元、第二压力传感器单元、第三压力传感器单元、第四压力传感器单元、第五压力传感器单元和第六压力传感器单元；所述第一压力传感器单元、第二压力传感器单元、第三压力传感器单元、第四压力传感器单元、第五压力传感器单元和第六压力传感器单元分别包括上电极、下电极和压力膜；所述第一压力传感器单元、第二压力传感器单元、第三压力传感器单元、第四压力传感器单元、第五压力传感器单元和第六压力传感器单元的下电极分别通过金属铝线合并连接后输出。

在所述硅基底的上部设置由硅基底的上表面向下表面延伸的P阱，在P阱的上表面依次设置氧化硅层和多晶硅，在硅基底的下部设置真空密封腔；所述真空密封腔上部的P阱、氧化硅层和多晶硅构成压力膜；在所述P阱的一侧设置P+区，在氧化硅层上表面的两侧分别设置氮化硅层，在两侧的氮化硅层上表面分别设置第一金属层和第二金属层，在两侧的氮化硅层中设置第一钨塞和第二钨塞，第一钨塞依次穿过氮化硅层和氧化硅层连接第一金属层和P+区，第二钨塞穿过氮化硅层连接第二金属层和氮化硅层下部的多晶硅；所述第一钨塞和第一金属层构成了下电极，第二钨塞和第二金属层构成了上电极，下电极由第一钨塞与P+区欧姆接触引出。

所述第一压力传感器单元、第二压力传感器单元、第三压力传感器单元、第四压力传感器单元、第五压力传感器单元和第六压力传感器单元的压力膜的尺寸不同。

所述压力膜为正方形；所述第一压力传感器单元的压力膜边长为400μm，第二传感器单元的压力膜边长为600μm，第三传感器单元的压力膜边长为800μm，第四传感器单元的压力膜边长为1000μm，第五传感器单元的压力膜边长为1500μm，第六传感器单元的压力膜边长为2000μm。

所述真空密封腔由硅基底的下表面延伸至P阱的下表面。

所述第一金属层、第二金属层和金属连线采用金属铝。

本发明在传统电容式压力传感器芯片结构的基础上设计了一种由多个基本传感器单元构成，并与CMOS工艺兼容的多量程电容压力传感器芯片；本发明采用了多个不同压力膜尺寸的电容压力传感器单元实现多量程，电容压力传感器芯片灵敏度高，量程范围大，并且提高了可制造性，制造成本低。

附图说明

图1为本发明所述压力传感器的俯视图。

图2为本发明所述传感器单元的俯视图。

图3为本发明所述传感器单元的剖视图。

图中的序号为：第一金属层101、第二金属层102、第一钨塞103、P+区104、真空密封腔105、玻璃基座106、氮化硅层107、多晶硅108、氧化硅层109、P阱110、硅基底111、第二钨塞112、第一压力传感器单元201、第二压力传感器单元202、第三压力传感器单元203、第四压力传感器单元204、第五压力传感器单元205、第六压力传感器单元206、金属连线207、第一上电极211、第二上电极212、第三上电极213、第四上电极214、第五上电极215、第六上电极216、上电极301、下电极302、压力膜303。

具体实施方式

下面结合具体附图对本发明作进一步说明。

如图1、图2所示：所述多量程CMOS MEMS电容式压力传感器芯片包括玻璃基座106和设置在玻璃基座106上的硅基底111，在硅基底111的上表面分别设置有第一压力传感器单元201、第二压力传感器单元202、第三压力传感器单元203、第四压力传感器单元204、第五压力传感器单元205和第六压力传感器单元206；

如图2所示，所述第一压力传感器单元201、第二压力传感器单元202、第三压力传感器单元203、第四压力传感器单元204、第五压力传感器单元205和第六压力传感器单元206分别包括上电极301（第一压力传感器单元201、第二压力传感器单元202、第三压力传感器单元203、第四压力传感器单元204、第五压力传感器单元205和第六压力传感器单元206的上电极分别为第一上电极211、第二上电极212、第三上电极213、第四上电极214、第五上电极215和第六上电极216）、下电极302和压力膜303；

如图1所示，在所述硅基底111的上部设置由硅基底111的上表面向下表面延伸的P阱110，在P阱110的上表面依次设置氧化硅层109和多晶硅108，在硅基底111的下部设置真空密封腔105，真空密封腔105由硅基底111的下表面延伸至P阱110的下表面；所述真空密封腔105上部的P阱110、氧化硅层109和多晶硅108构成压力膜303；在所述P阱110的一侧设置P+区104，在所述氧化硅层109上表面的两侧分别设置氮化硅层107，在两侧的氮化硅层107上表面分别设置第一金属层101和第二金属层102，在两侧的氮化硅层107中设置第一钨塞103和第二钨塞112，第一钨塞103依次穿过氮化硅层107和氧化硅层109连接第一金属层101和P+区104，第二钨塞112穿过氮化硅层107连接第二金属层102和氮化硅层107下部的多晶硅108；所述第一钨塞103和第一金属层101构成了下电极302，第二钨塞112和第二金属层102构成了上电极301，下电极302由第一钨塞103与P+区104欧姆接触引出；

所述第一压力传感器单元201、第二压力传感器单元202、第三压力传感器单元203、第四压力传感器单元204、第五压力传感器单元205和第六压力传感器单元206的下电极302分别通过金属铝线207合并连接后输出（如图1所示，各个传感器单元的下电极合并连接后输出，形成共同的输出端217）；

所述第一压力传感器单元201、第二压力传感器单元202、第三压力传感器单元203、第四压力传感器单元204、第五压力传感器单元205和第六压力传感器单元206的压力膜303的尺寸不同，压力膜303为正方形；其中，所述第一压力传感器单元201的压力膜边长为400μm，第二传感器单元202的压力膜边长为600μm，第三传感器单元203的压力膜边长为800μm，第四传感器单元204的压力膜边长为1000μm，第五传感器单元205的压力膜边长为1500μm，第六传感器单元206的压力膜边长为2000μm；

所述第一金属层101、第二金属层102和金属连线207采用金属铝。

本发明所述多量程CMOS MEMS电容式压力传感器芯片包含五个不同压力膜大小的传感器单元（第一压力传感器单元201、第二传感器单元202、第三传感器单元203、第五传感器单元205和第六传感器单元206）和一个不随压力变化的参考传感器单元（第四传感器单元204），每个传感器单元的压力膜面积大小不同，分别用于不同范围的压力测量。在工作时，在某一压力情况下，第一压力传感器单元201已经饱和，而第二传感器单元202在此压力情况下变形很小，这时就可以选择第三传感器单元203作为测量单元，以实现一定的灵敏度；采用这种方法设计的传感器芯片可以在测量范围和灵敏度之间选择，实现了传感器的智能化，提高了电容式压力传感器的灵敏度和测量范围。本发明采用了不同压力膜面积的六个压力传感器单元进行分段压力测量的方式，从而通过一个传感器阵列来提高测量范围，弥补了单个传感器测量范围的不足。

Claims

1.一种多量程CMOS MEMS电容式压力传感器芯片，包括玻璃基座（106）和设置在玻璃基座（106）上的硅基底（111），其特征是：在所述硅基底（111）上表面设置第一压力传感器单元（201）、第二压力传感器单元（202）、第三压力传感器单元（203）、第四压力传感器单元（204）、第五压力传感器单元（205）和第六压力传感器单元（206）；所述第一压力传感器单元（201）、第二压力传感器单元（202）、第三压力传感器单元（203）、第四压力传感器单元（204）、第五压力传感器单元（205）和第六压力传感器单元（206）分别包括上电极（301）、下电极（302）和压力膜（303）；所述第一压力传感器单元（201）、第二压力传感器单元（202）、第三压力传感器单元（203）、第四压力传感器单元（204）、第五压力传感器单元（205）和第六压力传感器单元（206）的下电极（302）分别通过金属铝线（207）合并连接后输出。

2.如权利要求1所述的多量程CMOS MEMS电容式压力传感器芯片，其特征是：在所述硅基底（111）的上部设置由硅基底（111）的上表面向下表面延伸的P阱（110），在P阱（110）的上表面依次设置氧化硅层（109）和多晶硅（108），在硅基底（111）的下部设置真空密封腔（105）；所述真空密封腔（105）上部的P阱（110）、氧化硅层（109）和多晶硅（108）构成压力膜（303）；在所述P阱（110）的一侧设置P+区（104），在氧化硅层（109）上表面的两侧分别设置氮化硅层（107），在两侧的氮化硅层（107）上表面分别设置第一金属层（101）和第二金属层（102），在两侧的氮化硅层（107）中设置第一钨塞（103）和第二钨塞（112），第一钨塞（103）依次穿过氮化硅层（107）和氧化硅层（109）连接第一金属层（101）和P+区（104），第二钨塞（112）穿过氮化硅层（107）连接第二金属层（102）和氮化硅层（107）下部的多晶硅（108）；所述第一钨塞（103）和第一金属层（101）构成了下电极（302），第二钨塞（112）和第二金属层（102）构成了上电极（301），下电极（302）由第一钨塞（103）与P+区（104）欧姆接触引出。

3.如权利要求1所述的多量程CMOS MEMS电容式压力传感器芯片，其特征是：所述第一压力传感器单元（201）、第二压力传感器单元（202）、第三压力传感器单元（203）、第四压力传感器单元（204）、第五压力传感器单元（205）和第六压力传感器单元（206）的压力膜（303）的尺寸不同。

4.如权利要求1所述的多量程CMOS MEMS电容式压力传感器芯片，其特征是：所述压力膜（303）为正方形；所述第一压力传感器单元（201）的压力膜边长为400μm，第二传感器单元（202）的压力膜边长为600μm，第三传感器单元（203）的压力膜边长为800μm，第四传感器单元（204）的压力膜边长为1000μm，第五传感器单元（205）的压力膜边长为1500μm，第六传感器单元（206）的压力膜边长为2000μm。

5.如权利要求2所述的多量程CMOS MEMS电容式压力传感器芯片，其特征是：所述真空密封腔（105）由硅基底（111）的下表面延伸至P阱（110）的下表面。

6.如权利要求2所述的多量程CMOS MEMS电容式压力传感器芯片，其特征是：所述第一金属层（101）、第二金属层（102）和金属连线（207）采用金属铝。