CN103674355A - 一种消除封装应力的悬浮式力敏传感器芯片及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种消除封装应力的悬浮式力敏传感器芯片及其制作方法。该芯片包括一块单晶硅基片和均集成在该单晶硅基片上的悬臂梁和压力传感器；采用单硅片单面微加工方法把悬臂梁和传感器集成在该单晶硅基片的同一表面，其中，压力传感器集成在悬臂梁结构上，参考压力腔体直接嵌入在悬臂梁内部。这种悬浮式力敏传感器芯片结构充分依靠悬臂梁尾端活动自由结构的力学特性，使悬臂梁上的压力传感器能有效抑制芯片外部封装应力给力敏传感器检测性能带来的不利影响，实现了力敏传感器对不同材料封装基板的友好封装，提高了传感器的检测稳定性和封装环境适应可靠性。本发明构思新颖、结构简单且封装成本低，具有芯片尺寸小、成本低，满足大批量生产要求。

Description

一种消除封装应力的悬浮式力敏传感器芯片及其制作方法

技术领域

本发明属于硅微机械传感器技术领域。涉及力敏传感器芯片及其制作方法，特别是涉及一种消除封装应力的悬浮式力敏传感器芯片及其制作方法，可有效自行抑制封装应力对力敏传感器检测性能的不利影响，特别适于对不同材料封装基板的友好封装。

背景技术

近年来，随着微机电系统（MEMS）技术的迅猛发展，硅基压力传感器作为MEMS传感器传统力学检测器件之一被广泛应用于航空航天、生化医学、生命科学、汽车电子等领域。例如，力敏传感器中的压力传感器检测精度、线性度、重复性等性能不仅依赖于传感器芯片合理的传感器结构设计及其相关制作工艺的严格控制，而且传感器芯片在后续应用过程中的封装好坏也会很大程度影响到传感器的检测性能[H Krassow,D Heimlich,F Campabadal andLora-Tamayo.Novel Packaging Technique and its Application to a Wet/Wet DifferentialPressure Silicon Sensor.International Conference on Solid-State Sensors andActuators(Transducers’97),1997:275-278]。传感器芯片封装目的主要用来固定和保护传感器芯片在不同检测环境中能够保持正常作业并免受外部因素破坏。在这些封装中，由于传感器芯片通常被固定在不同材料的基板上，然后封装在金属管壳里[Bowei Li,G Q Zhang,Fengze Hou and Yang Hai.The Effect of Diaphragm on Performance of MEMS Pressure SensorPackaging.International Conference on Electronic Packaging Technology&HighDensity Packaging,2010:601-606]，由于力敏传感器不仅对需要检测的工作应力敏感，而且对热匹配失调以及机械封装所导入的应力也一样敏感。因此，封装过程机械管壳安装所引入的机械应力以及不同材料封装基板的热膨胀系数与传感器芯片衬底材料的热膨胀系数存在差异，在不同物理环境下两者之间由于热匹配失调而导致了内在应力，都会使得传感器压力敏检测单元（例如：压力敏感薄膜）发生不可预期的形变，从而影响力敏传感器的检测精度和稳定性。因此，力敏传感器芯片的封装越来越受到业界的广泛关注。

目前，为解决这些封装上的难题，通常从封装材料特性选择以及封装结构设计两方面入手。在封装材料选择方面，首先，选择柔性材料（即，杨氏模量较小的材料）作为外力缓冲中介来尽可能的降低封装过程中机械应力对传感器力敏检测单元造成的不利影响，同时还要求所选取的封装材料热膨胀系数尽可能与传感器芯片的材料相匹配，进一步降低热匹配失调所导致的内在封装应力；在封装结构设计方面，最常用的方法是在芯片封装过程中，采用细长导压管实现传感器芯片与金属封装管壳的连接，使芯片在垂直于封装基板方向上尽可能远离封装基板，这就使得封装应力所引起的封装基板形变很难传递到力敏传感器芯片，进而削弱了封装应力对传感器检测性能的影响。

虽然这些努力能够有效地减低了封装应力对力敏传感器芯片性能的影响，但是，这些封装方法工艺复杂、成本高，特别不适于时下在消费类电子产品中力敏器件的SMT（表面贴装封装）封装。

鉴于此，本发明从力敏传感器芯片自身结构设计入手，提出了一种消除封装应力的悬浮式力敏传感器芯片及其制作方法。

发明内容

本发明主要解决的技术问题在于提供一种消除封装应力的悬浮式力敏传感器芯片及制作方法，用于解决现有力敏传感器芯片在后道封装应用过程中，由于不同材料的封装基板在不同物理环境下形变所产生的封装应力给力敏传感器检测性能带来了不利影响，进而实现力敏压力传感器芯片低成本、高效率、与不同材料封装基板的友好且便捷式封装。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种消除封装应力的悬浮式力敏传感器芯片，其特征在于，所述悬浮式力敏传感器芯片包括：

单晶硅基片；

集成在所述单晶硅基片同一表面上的悬臂梁及压力传感器；

所述压力传感器集成在所述悬臂梁上且远离悬臂梁根部位置；

其中，所述悬臂梁根部与单晶硅基片连接，且在悬臂梁根部两侧分别制作一个用于释放悬臂梁受到横向封装应力的应力释放凹槽；

所述压力传感器包括单晶硅压力敏感薄膜、位于所述单晶硅压力敏感薄膜上的四个压敏电阻以及位于所述单晶硅压力敏感薄膜之下嵌入在所述悬臂梁结构内的参考压力腔体；所述四个压敏电阻组成惠斯顿全桥检测电路。

优选地，所述单晶硅基片为（111）晶面的单晶硅基片。

优选地，所述悬臂梁为六边形，任意相邻两条边的夹角为120°；且该悬臂梁轴线沿<211>晶向排布。

优选地，所述单晶硅压力敏感薄膜为规则六边形结构，参考压力腔体为顺应该压力敏感薄膜形状的六边形腔体。

优选地，所述单晶硅压力敏感薄膜上的压敏电阻为四个注入式单晶硅压敏电阻，且分别两两相对以单晶硅压力敏感薄膜的中心呈中心对称分布，分别位于单晶硅压力敏感薄膜的两条相互垂直的对称轴上，即分布在其上下左右位置。

本发明还提供一种消除封装应力的悬浮式力敏传感器芯片的制作方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、提供一单晶硅基片，通过向该单晶硅基片进行离子注入的方法制作压敏电阻；

步骤二、在上述单晶硅基片的上表面依次沉积氮化硅层和正硅酸乙酯TEOS钝化保护层；

步骤三、在单晶硅基片上制作两条系列微型释放窗口，所述两条系列微型释放窗口勾勒出单晶硅压力薄膜的轮廓，该释放窗口的深度与所述单晶硅压力薄膜的厚度一致；然后再次顺序沉积第二氮化硅层和第二正硅酸乙酯TEOS钝化保护层；

步骤四、利用反应离子刻蚀技术剥离释放窗口底部的钝化保护层，保留释放窗口侧壁的钝化保护层，然后再利用DRIE继续沿释放窗口向下刻蚀，刻蚀深度为所需参考压力腔体的深度；

步骤五、在释放窗口的侧壁底部利用KOH溶液或者TMAH溶液横向腐蚀单晶硅基片，制作嵌入在单晶硅基片内的参考压力腔体，释放单晶硅压力敏感薄膜；

步骤六、通过在释放窗口内沉积多晶硅缝合该释放窗口，完成压力传感器中参考压力腔体的密封，然后，采用硅深度反应离子刻蚀技术去除上表面多余的多晶硅；

步骤七、继续在上述制作工艺基础上依次沉积第三氮化硅层和第三正硅酸乙酯TEOS钝化保护层；

步骤八、刻蚀出悬臂梁结构图形，所述悬臂梁结构图形包括压力传感器的压力敏感薄膜以及参考压力腔体区域；刻蚀深度要远大于单晶硅压力敏感薄膜的深度加上参考压力腔体的深度；然后依次沉积第四氮化硅层和第四正硅酸乙酯TEOS钝化保护层对已刻蚀出的悬臂梁结构侧壁提供钝化保护；再利用反应离子刻蚀技术剥离悬臂梁结构图形底部的钝化保护层，保留悬臂梁侧壁的钝化保护层，然后再利用DRIE沿悬臂梁结构图形继续向下刻蚀；

步骤九、利用KOH溶液或者TMAH溶液通过横向各向异性湿法腐蚀释放悬臂梁结构，释放的悬臂梁结构包括单晶硅压力敏感薄膜以及参考压力腔体，然后利用缓冲氧化硅刻蚀(BOE)溶液腐蚀掉单晶硅基片表面残余的钝化保护层；

步骤十、制作压力传感器上压敏电阻区域的欧姆接触区和引线孔，溅射铝薄膜并形成引线和焊盘，完成整个消除封装应力的悬浮式力敏传感器芯片的制作。

优选地，所述步骤一中采用n型（111）晶面的单晶硅基片。

优选地，所述步骤一中的离子注入注入倾斜角为9°，制备的压敏电阻的阻值为89±2Ω。

优选地，所述步骤八中悬臂梁结构图形为六边形，任意相邻两条边的夹角为120°；且该悬臂梁轴线沿<211>晶向排布。

相较于现有技术，本发明的有益效果在于：本发明的压力传感器采用悬浮式结构，通过一套单硅片单面体硅微机械加工技术将压力传感器和悬臂梁集成在同一颗单晶硅芯片的同一表面上，其中，压力传感器被巧妙集成在悬臂梁上，压力传感器的参考压力腔体直接嵌入到悬臂梁结构内部，该悬浮式力敏传感器结构充分利用悬臂梁尾端活动自由结构的力学特性能有效抑制了封装应力给压力传感器检测性能所带来了不利影响，结构简单，构思巧妙。本发明不仅解决了压力传感器芯片在实际应用中封装的难题、大大降低了封装成本，实现了芯片友好且便捷式封装，而且还具有表面微机械加工所特有的优势，尺寸小、成本低、灵敏度高、稳定性好、精度佳等特点，适合于大批量生产。

附图说明

图1显示为本发明一种消除封装应力的悬浮式力敏传感器芯片三维结构示意图。

图2显示为本发明一种消除封装应力的悬浮式力敏传感器芯片沿A-A方向的三维结构截面示意图。

图3a和图3b显示为本发明一种消除封装应力的悬浮式力敏传感器与传统非悬浮式力敏传感器封装在同一材料（可伐合金）基板上后，在环境温度为120度条件下的传感器芯片在外部封装应力作用下压力敏感薄膜应变分布仿真结果对比截面图（沿压力敏感薄膜两条对称轴中长轴方向截取横截面）。其中，图3a为本发明压力传感器封装应变分布图；图3b为传统压力传感器封装应变分布图。

图4a-图4b显示为本发明一种消除封装应力的悬浮式力敏传感器与传统非悬浮式压力传感器封装在同一材料（可伐合金）基板上后，在环境温度为120度条件下的传感器芯片在外部封装应力作用下压敏敏感薄膜上表面的应力分布曲线对比图。

其中，图4a为本发明传感器压力薄膜上沿X方向（即，规则六边形薄膜两条对称轴中的长轴）应力分布曲线和传统传感器压力薄膜上沿X方向（即，规则六边形薄膜两条对称轴中的长轴）应力分布曲线；图4b为本发明传感器压力薄膜上沿Y方向（即，规则六边形薄膜两条对称轴中的短轴）应力分布曲线和传统传感器压力薄膜上沿Y方向（即，规则六边形薄膜两条对称轴中的短轴）应力分布曲线。

图5（a）-5（j）显示为本发明一种消除封装应力的悬浮式力敏传感器的制作方法在实施例中的工艺流程图。

其中，图5（a）为制作应力敏感电阻示意图；图5（b）LPCVD沉积氮化硅和TEOS钝化层；图5（c）DRIE刻蚀释放窗口并LPCVD沉积钝化保护层；图5（d）DRIE刻蚀释放窗口牺牲间隙；图5（e）刻蚀压力传感器腔体及其形成薄膜图；5（f）多晶硅缝合压力传感器释放窗口；图5（g）LPCVD沉积氮化硅和TEOS钝化层；图5（h）刻蚀悬臂梁释放槽；图5（i）腐蚀释放悬臂梁；图5（j）制作金属互联。

图6显示为本发明一种消除封装应力的悬浮式力敏传感器芯片SEM实物图片。

图7显示为本发明一种消除封装应力的悬浮式力敏传感器的截面SEM实物图片。

图8显示为本发明一种消除封装应力的悬浮式力敏传感器的红外电镜实物图片。

图9显示为本发明一种消除封装应力的悬浮式力敏传感器与传统非悬浮式力敏传感器关于压强与输出电压关系曲线对比图。

图10显示为本发明一种消除封装应力的悬浮式力敏传感器与传统非悬浮式力敏传感器关于零点温漂输出对比曲线。

元件标号说明：

1    单晶硅；

2    悬臂梁；

3    压力传感器；

31   压敏电阻；

32   铝引线；

33   铝焊盘；

34   参考压力腔体；

35   单晶硅压力敏感薄膜；

4    悬臂梁横向应力释放凹槽；

5    薄膜系列微型释放窗口；

6    悬臂梁侧向可动间隙；

7    悬臂梁下表面可动间隙；

8    封装基板。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1至图2。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

以下将结合附图对本发明作进一步详细说明。

本实施例制作一种消除封装应力的悬浮式力敏传感器芯片，如图1和图2所示，该芯片包括：一块（111）单晶硅基片和均集成在所述单晶硅基片上的悬臂梁2及压力传感器3；所述悬臂梁2与压力传感器3均集成于所述单晶硅基片的同一表面；所述的压力传感器3集成在所述的悬臂梁2的上且远离悬臂梁根部位置，所述压力传感器3的参考压力腔体34嵌入在所述悬臂梁2内部。

其中，所述的悬臂梁2采用六边形结构，所述悬臂梁2通过所述悬臂梁侧向可动间隙6和所述悬臂梁下表面间隙7可实现所述悬臂梁2沿左右方向和上下方向自由运动，在所述悬臂梁2的根部两侧分别制作有凹型应力释放槽4，所述的应力释放凹槽4主要用来自释放悬臂梁所感受来至横向的封装应力。

所述的压力传感器3包括：单晶硅压力敏感薄膜（即图2、图3a-图3b、图5（a）-图5（j）以及图7和图8中的规则六边形压力薄膜35，四个位于所述单晶硅压力薄膜35上的压敏电阻31，以及位于所述单晶硅压力薄膜35之下嵌入在所述悬臂梁2内部的参考压力腔体34；所述四个压敏电阻31通过所述铝引线32和所述铝焊盘33互连组成惠斯顿全桥压力检测电路。

在本实施例中，优选地，采用n型（111）晶面硅片作为单晶硅基片进行单硅片单面微机械制作，通过单晶硅侧壁根部横向湿法刻蚀形成所述压力传感器3的单晶硅薄膜35、嵌入式参考压力腔体34以及所述悬臂梁2。所述四个压敏电阻31均为单晶硅应力敏感电阻；单晶硅压力敏感薄膜为规则六边形结构，相邻两边的夹角均为120°，所述压力传感器3的参考压力腔体34为顺应该压力敏感薄膜形状的六边形腔体。

在本实施例中，悬臂梁优选地采用规则六边形结构，相邻两条边的夹角均为120°，悬臂梁的根部由六边形其中一个短边与所示单晶硅基片1相连接，并在悬臂梁根部两侧分别制作一个应力释放凹槽4。当悬臂梁受到外在封装应力作用时，悬臂梁所感受到的轴向封装应力可以通过悬臂梁自身沿z方向（即，垂直单晶硅基片1表面方向，沿所述悬臂梁下表面间隙7）弯曲变形得以释放；悬臂梁所感受到的横向封装应力则可通过应力释放凹槽4以及悬臂梁在横向封装应力作用下沿悬臂梁侧向可动间隙6形变，在悬臂梁根部便得以释放，这就使得外在封装应力不会传递到远离悬臂梁根部的其它悬臂梁位置，确保了集成在悬臂梁末端位置的压力传感器不会受到封装应力的不利影响，如图3a-图3b以及图4a-图4b所示，实现了本发明所述压力传感器芯片对不同材料封装基板的友好封装。

压力传感器根据单晶硅压力薄膜区的应力分布，充分利用电阻条的纵向压阻效应设计压阻排布方式，优选地，采用了四个压敏电阻31，分别两两相对的以规则六边形压力薄膜35的中心呈中心对称分布，且分别位于规则六边形压力薄膜35的两条相互垂直的对称轴上，即分布在其上下左右位置。其中，上下位置两个电阻由于受到拉应力，阻值增大，左右两个电阻受到压应力，阻值减小，这四个所述压敏电阻31通过铝引线32和铝焊盘33互连组成全桥检测电路。

制作该种消除封装应力的悬浮式的力敏传感器芯片的整个工艺过程采用同一套光刻版通过微机械工艺加工。参看图5（a）至5（j）所示，其优选实施步骤如下：

步骤一、采用n型（111）晶面的单晶硅基片，通过向该单晶硅基片进行硼离子注入的方法制作压敏电阻，注入倾斜角为9°，压敏电阻的方块电阻值为89±2Ω。如图5（a）表示制作应力敏感电阻的步骤。

步骤二、单晶硅基片表面利用LPCVD依次沉积低应力氮化硅和TEOS钝化保护层，用来保护加工后的压敏电阻及其后续湿法腐蚀工艺的钝化保护层。如图5（b）表示LPCVD沉积氮化硅和TEOS钝化层的步骤。

步骤三、利用DRIE技术在单晶硅基片上沿着n型（111）晶面的单晶硅基片的<211>晶向制作两条所述薄膜系列微型释放窗口5，所述两条系列微型释放窗口5勾勒出单晶硅压力薄膜的规则六边形轮廓，释放窗口的深度与所设计单晶硅压力薄膜的厚度一致。然后利用LPCVD顺序沉积低应力氮化硅和TEOS（或者直接利用LPCVD沉积低应力氮化硅）来制作系列微型释放窗口侧壁钝化保护层。如图5（c）表示DRIE刻蚀释放窗口并LPCVD沉积钝化保护层的步骤。

步骤四、利用RIE技术剥离释放窗口底部的钝化保护层，保留释放窗口侧壁的钝化保护层，然后再利用硅深度反应离子刻蚀工艺继续沿释放窗口向下刻蚀，刻蚀深度为所需参考压力腔体的深度。如图5（d）表示DRIE刻蚀释放窗口牺牲间隙的步骤。

步骤五、在释放窗口的侧壁根部利用KOH溶液或者TMAH溶液横向腐蚀单晶硅基片，制作嵌入在单晶硅基片内的参考压力腔体，释放单晶硅压力敏感薄膜。如图5（e）表示刻蚀压力传感器腔体及其形成薄膜的步骤。

步骤六、通过在释放窗口内LPCVD沉积多晶硅缝合释放窗口，完成压力传感器中参考压力腔体的密封，然后，采用DRIE刻蚀技术去除硅表面多余的多晶硅。如图5（f）表示多晶硅缝合压力传感器释放窗口的步骤。

步骤七、继续在上述制作工艺基础上利用LPCVD依次沉积低应力氮化硅和TEOS钝化材料，用于保护已加工完毕的单晶硅压力敏感薄膜及其参考压力腔体。如图5（g）表示LPCVD沉积氮化硅和TEOS钝化层的步骤。

步骤八、利用DIRE技术刻蚀出悬臂梁结构图形（注：悬臂梁结构图形包括压力传感器的压力敏感薄膜以及参考压力腔体区域），DRIE刻蚀深度要远大于单晶硅压力敏感薄膜的深度+参考压力腔体的深度，然后LPCVD依次沉积低应力氮化硅和TEOS钝化材料对已刻蚀出的悬臂梁结构侧壁提供钝化保护。再利用反应离子刻蚀技术剥离悬臂梁结构图形底部的钝化保护层，保留悬臂梁侧壁的钝化保护层，然后再利用DRIE沿悬臂梁结构图形继续向下刻蚀，刻蚀深度为10微米。如图5（h）表示刻蚀悬臂梁释放槽的步骤。

步骤九、利用KOH溶液或者TMAH溶液通过横向各向异性湿法腐蚀释放悬臂梁结构（释放的悬臂梁结构应包括单晶硅压力敏感薄膜以及参考压力腔体），然后利用BOE溶液腐蚀掉单晶硅基片表面残余的TEOS钝化材料。如图5（i）表示腐蚀释放悬臂梁的步骤。

步骤十、制作压力传感器压敏电阻区域的欧姆接触区和引线孔，溅射铝薄膜并形成引线和焊盘，完成整个消除封装应力的悬浮式的力敏传感器芯片的制作。最后进行划片及测试。如图5（j）表示制作金属互联的步骤。

图1-图2分别为本实施例制作的一种消除封装应力的悬浮式力敏传感器芯片三维结构示意图及其沿A-A方向截面示意图。

图3a和图3b为本实施例制作的一种消除封装应力的悬浮式力敏传感器和传统非悬浮式力敏传感器芯片封装到所述封装基板8后的单晶硅压力敏感薄膜在外部封装应力作用下的压力敏感薄膜应变分布仿真结果截面对比图（沿压力敏感薄膜对称轴中的长轴方向截取横截面），图3a中，由于悬臂梁具有尾端活动自由结构力学特性的缘故，悬臂梁上的压力敏感薄膜几乎没有发生任何形变，而图3b中传统非悬浮式传感器的压力敏感薄膜发生明显下凹形变。

图4a-4b为本实施例制作的一种消除封装应力的悬浮式力敏传感器和传统非悬浮式力敏传感器芯片封装到所述封装基板8后的单晶硅压力敏感薄膜在外部封装应力作用下的压力敏感薄膜上表面应力分布曲线对比图（应力数据从图3a和图3b的仿真结果中提取所得），从对比曲线可知，本实施例制作的一种消除封装应力的悬浮式力敏传感器不论在X方向还是在Y方向上，由于外部封装而导入的封装应力均比传统非悬浮式力敏传感器小1-3数量级。

图6-图8分别是本实施例制作的一种消除封装应力的悬浮式力敏传感器芯片的SEM和红外实物图片。由图可见，本发明传感器芯片上所有功能部件均位于单芯片一面，单芯片另一面不参与工艺制作，其中，压力传感器集成在悬臂梁远离悬臂梁根部的位置上，压力传感器的参考压力腔体直接嵌入到悬臂梁的内部。

图9、图10分别是本实施例制作的一种消除封装应力的悬浮式力敏传感器和传统非悬浮式力敏传感器的压强和输出电压曲线对比图以及传感器零点漂移输出曲线对比图。从图9曲线对比结果来看，本发明所述的压力传感器在保持压强和电压输出特性与传统压力传感器一致外，本发明的传感器零点漂移特性得到很大的提高（见图10），这主要得益于本发明的传感器结构具有对不同材料封装基板给传感器所带来的封装应力具有自抑制功能。本发明不仅解决了压力传感器在实际封装应用中封装难、成本高的问题，实现了传感器芯片友好且便捷式SMT封装，而且还具有表面微机械加工所特有的优势，具有尺寸小、成本低、灵敏度高、稳定性好、精度佳等特点，适合于大批量生产。

综上所述，本发明通过把力敏传感器集成在悬臂梁上（见图1），充分依靠悬臂梁尾端活动自由结构的力学特性（见图3a），使悬臂梁上的压力传感器能有效抑制芯片外部封装应力给力敏传感器检测性能带来的不利影响，实现了力敏传感器对不同材料封装基板的友好封装（见图3a和图4a-图4b）。本发明力敏传感器芯片不仅封装友好、便捷，大大降低了传统传感器封装的难度和节省了封装成本，而且芯片尺寸小、检测精度高、适合大批量生产的要求。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种消除封装应力的悬浮式力敏传感器芯片，其特征在于，所述悬浮式力敏传感器芯片包括：

单晶硅基片；

集成在所述单晶硅基片同一表面上的悬臂梁及压力传感器；

所述压力传感器集成在所述悬臂梁上且远离悬臂梁根部位置；

其中，所述悬臂梁根部与单晶硅基片连接，且在悬臂梁根部两侧分别制作一个用于释放悬臂梁受到横向封装应力的应力释放凹槽；

所述压力传感器包括单晶硅压力敏感薄膜、位于所述单晶硅压力敏感薄膜上的四个压敏电阻以及位于所述单晶硅压力敏感薄膜之下嵌入在所述悬臂梁结构内的参考压力腔体；所述四个压敏电阻组成惠斯顿全桥检测电路。

2.根据权利要求1所述的消除封装应力的悬浮式力敏传感器芯片，其特征在于：所述单晶硅基片为（111）晶面的单晶硅基片。

3.根据权利要求1所述的消除封装应力的悬浮式力敏传感器芯片，其特征在于：所述悬臂梁为六边形，任意相邻两条边的夹角为120°；且该悬臂梁轴线沿<211>晶向排布。

4.根据权利要求1所述的消除封装应力的悬浮式力敏传感器芯片，其特征在于：所述单晶硅压力敏感薄膜为规则六边形结构，参考压力腔体为顺应该压力敏感薄膜形状的六边形腔体。

5.根据权利要求1所述的消除封装应力的悬浮式力敏传感器芯片，其特征在于：所述单晶硅压力敏感薄膜上的压敏电阻为四个注入式单晶硅压敏电阻，且分别两两相对以单晶硅压力敏感薄膜的中心呈中心对称分布，分别位于单晶硅压力敏感薄膜的两条相互垂直的对称轴上，即分布在其上下左右位置。

6.一种消除封装应力的悬浮式力敏传感器芯片的制作方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、提供一单晶硅基片，通过向该单晶硅基片进行离子注入的方法制作压敏电阻；

步骤二、在上述单晶硅基片的上表面依次沉积氮化硅层和正硅酸乙酯TEOS钝化保护层；

步骤三、在单晶硅基片上制作两条系列微型释放窗口，所述两条系列微型释放窗口勾勒出单晶硅压力薄膜的轮廓，该释放窗口的深度与所述单晶硅压力薄膜的厚度一致；然后再次顺序沉积第二氮化硅层和第二正硅酸乙酯TEOS钝化保护层；

步骤四、利用反应离子刻蚀技术剥离释放窗口底部的钝化保护层，保留释放窗口侧壁的钝化保护层，然后再利用硅深度反应离子刻蚀DRIE工艺继续沿释放窗口向下刻蚀，刻蚀深度为所需参考压力腔体的深度；

步骤五、在释放窗口的侧壁底部利用KOH溶液或者TMAH溶液横向腐蚀单晶硅基片，制作嵌入在单晶硅基片内的参考压力腔体，释放单晶硅压力敏感薄膜；

步骤六、通过在释放窗口内沉积多晶硅缝合该释放窗口，完成压力传感器中参考压力腔体的密封，然后，采用硅深度反应离子刻蚀DRIE刻蚀技术去除上表面多余的多晶硅；

步骤七、继续在上述制作工艺基础上依次沉积第三氮化硅层和第三正硅酸乙酯TEOS钝化保护层；

步骤八、刻蚀出悬臂梁结构图形，所述悬臂梁结构图形包括压力传感器的压力敏感薄膜以及参考压力腔体区域；刻蚀深度要远大于单晶硅压力敏感薄膜的深度加上参考压力腔体的深度；然后依次沉积第四氮化硅层和第四正硅酸乙酯TEOS钝化保护层对已刻蚀出的悬臂梁结构侧壁提供钝化保护；再利用反应离子刻蚀技术剥离悬臂梁结构图形底部的钝化保护层，保留悬臂梁侧壁的钝化保护层，然后再利用DRIE沿悬臂梁结构图形继续向下刻蚀；

步骤九、利用KOH溶液或者TMAH溶液通过横向各向异性湿法腐蚀释放悬臂梁结构，释放的悬臂梁结构包括单晶硅压力敏感薄膜以及参考压力腔体，然后利用缓冲氧化硅刻蚀(BOE)溶液腐蚀掉单晶硅基片表面残余的钝化保护层；

步骤十、制作压力传感器上压敏电阻区域的欧姆接触区和引线孔，溅射铝薄膜并形成引线和焊盘，完成整个消除封装应力的悬浮式力敏传感器芯片的制作。

7.根据权利要求6所述的消除封装应力的悬浮式力敏传感器芯片的制作方法，其特征在于，所述步骤一中采用n型（111）晶面的单晶硅基片。

8.根据权利要求6所述的消除封装应力的悬浮式力敏传感器芯片的制作方法，其特征在于，所述步骤一中的离子注入注入倾斜角为9°，制备的压敏电阻的阻值为89±2Ω。

9.根据权利要求6所述的消除封装应力的悬浮式力敏传感器芯片的制作方法，其特征在于，所述步骤八中悬臂梁结构图形为六边形，任意相邻两条边的夹角为120°；且该悬臂梁轴线沿<211>晶向排布。

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