CN104034454A - 一种用于多物理量测量的传感器芯片及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于多物理量测量的传感器芯片和制备方法，该芯片包括基片以及在基片上集成的温度传感器、湿度传感器和压力传感器中的至少两种传感器。压力传感器由电阻元件电连接构成，湿度传感器可为电容型或电阻型，在压力传感器、湿度传感器周围布有热敏电阻线来构成温度传感器，并且温度传感器上设有调阻电路，在基片背部对应压力传感器的位置处刻蚀有微腔，该微腔可以密封也可以不密封。本发明还公开了这种传感器芯片的制备工艺，即先在基片表面沉积弹性薄膜，然后通过磁控溅射、图形化(包括光刻、剥离、刻蚀)等工艺便可得到最终的传感器芯片。该传感器芯片具有成本低、功耗低、制作简单、适用性广、实现单芯片多物理量测量等优点。

Description

一种用于多物理量测量的传感器芯片及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种传感器芯片及其制备方法，尤其涉及一种用于多物理量测量的传感器芯片及其制备方法。
背景技术
温度、湿度和压力是环境和大气监测中的重要物理量，通常对这些物理量的测量采用的是分离传感器。分离传感器的缺陷是体积较大、功耗大，不能满足目前快速发展的微系统对传感器小体积、低功耗、集成度等方面的要求，为此需要能满足这些需求的集成传感器。
目前，传感器的集成化主要有以下三种途径：(1)将多个功能相同或相近的传感器集成为一维或二维传感器阵列；(2)将传感器与集成电路集成在同一块芯片上；(3)对不同类型的传感器进行集成，如集成压力、温度、湿度等敏感单元的传感器。目前国内也逐渐开始用第(3)种方法来集成温度、湿度和压力测量的传感器，如授权公告号为CN1217157C的专利公开了一种集成温/湿度、大气压力传感器芯片，在该传感器芯片的基片上制造出三个电阻和一个作为测压电容下电极的平板电极，其中两个电阻串联构成电桥的两个桥臂，用于测量绝对湿度，另一个电阻单独引线，用于测量温度，在基片上键合一硅片，在硅片上对应平板电极和一测湿电阻位置处刻蚀微腔，在对应平板电极位置处的微腔内镀膜来形成测压电容的上电极。其中测温/湿度的电阻和测压电容的下电极为铂金薄膜，而测压电容的上电极为240纳米厚的金薄膜或通过在腔内沉积氮化硅薄膜来形成。授权公告号为CN24420021C的专利也公开了一种基于聚合物材料的单片集成温度、湿度、压力传感器芯片，该传感器芯片也是在基片上制作出平行极板和三个电阻，其中平行极板是测量湿度的电容的一个电极，电阻是作为测量压力的应变电阻和测量温度的热敏电阻，在平行极板和电阻上制作一层聚合物，分别作为电容感湿电介质和弹性膜感知压力，在电容感湿电介质上设网格状极板来作为电容的另一电极，电阻为铂金薄膜，电极板则为金或铂金薄膜，聚合物材料为聚酰亚胺薄膜。上述两个专利公开的传感器芯片虽然能实现同时测量温度、湿度和压力，但制备工艺相对比较复杂，使用了不同的薄膜来制作测温湿度和压力的元件，并且薄膜厚度也不够薄。对于这些金属薄膜类电阻传感器，由于薄膜工艺等方面的限制，为了降低缺陷，膜一般做得比较厚(>1μm)，导致电阻变化率ΔR/R比较低，所以与其他类传感器相比，灵敏度相对较低，从而限制了它的应用。
发明内容
为克服现有技术中的以上缺陷，采用改良的薄膜工艺，大大降低了所沉积金属膜内杂质与缺陷数量，实现超薄敏感金属薄膜在传感器内的应用，具有高电阻、低功耗、快速响应等优点。
为实现上述目的，本发明提供了一种用于多物理量测量的传感器芯片，其包括一基片，所述基片上集成设置有位于不同位置的温度传感器、湿度传感器和压力传感器中的至少两种传感器，所述基片背部还开设有一微腔，所述微腔位于对应所述压力传感器的位置处；
所述压力传感器包含有一惠斯通电桥，所述电桥由偶数个第一电阻元件电连接构成；
所述温度传感器包含有多个电连接的第三电阻元件，其中部分第三电阻元件构成了调阻电路；
所述湿度传感器包含有偶数个构成插指结构的第二电阻元件，所述插指结构上覆盖有吸湿材料，或，
所述湿度传感器包含有上下两个电极板，所述电极板上开设有多个小孔，并在所述上下两个电极板之间填充有湿敏材料；
所述温度传感器位于所述压力传感器和/或所述湿度传感器的周围；
所述第一电阻元件、所述第二电阻元件、所述第三电阻元件以及所述电极板的制作材料相同。
优选的，所述惠斯通电桥为半桥或全桥。
优选的，所述全桥包含有四个第一电阻元件，其中两个第一电阻元件对应位于所述微腔的中心，另外两个第一电阻元件分别对应位于所述微腔的两个对称边缘。
优选的，所述半桥包含有两个第一电阻元件，所述两个第一电阻元件分别对应位于所述微腔的中心和边缘。
优选的，在所述基片上集成有ASIC芯片，所述温度传感器集成于所述ASIC芯片上。
优选的，所述第一电阻元件、所述第二电阻元件、所述第三电阻元件的形状为蛇形或螺旋形；或，所述第一电阻元件、所述第三电阻元件的形状为蛇形或螺旋形，所述电极板的形状为正方形、长方形或圆形。
优选的，所述第一电阻元件、所述第二电阻元件、所述第三电阻元件以及所述电极板的制作材料中包含有敏感电阻材料薄膜，所述敏感电阻材料薄膜的厚度为500～10000埃。
本发明另一实施例还提供了一种用于多物理量测量的传感器芯片的制备方法，包括以下步骤：
(1)对一基片进行表面清洁，然后在所述基片上沉积一层弹性薄膜；
(2)在所述弹性薄膜上溅射一层敏感电阻材料薄膜，将所述敏感电阻材料薄膜图形化形成压力传感器中的第一电阻元件、湿度传感器中的第二电阻元件以及温度传感器中的第三电阻元件；
(3)调整所述第三电阻元件的电阻至其规定值，然后在所有电阻元件上方沉积一保护层，将所述保护层开窗露出用于构建连接电极和涂覆吸湿材料的覆盖位；
(4)对所述基片的背部进行研磨，然后在所述基片背部对应所述压力传感器的位置处刻蚀出微腔；
(5)在所述基片上对应所述湿度传感器位置处涂覆吸湿材料；
(6)构建连接电极并在各元件之间进行布线。
优选地，将所述基片的背面键合有一玻璃片，将所述微腔密封。
优选地，在所述玻璃片上对应所述微腔的位置处进行开孔联通外界待测电压。
优选地，所述微腔真空密封，或在密封的所述微腔内充有一个大气压力的干燥空气。
优选地，所述基片的材质为硅、砷化镓、磷化铟、氧化铝、蓝宝石、氮化铝、碳化硅、氮化硅、马氏体沉淀硬化型不锈钢(型号17-4PH)、Ni-Span、镍铁铬合金(型号Ni-Span C alloy902)或高温不锈钢(型号X17U4)。
优选地，所述弹性薄膜的材料包括SiN(氮化硅),SiOx(氧化硅),SiOxNy(氮氧化硅),Al2O3(三氧化二铝),SiC(碳化硅),马氏体沉淀硬化型不锈钢(型号17-4PH)、Ni-Span、镍铁铬合金(型号Ni-Span C alloy902)、高温不锈钢(型号X17U4)或聚酰亚胺。
优选地，所述敏感电阻材料薄膜包括AMR,GMR,TMR,铂金、金、锰、镍、镍铬合金、镍金合金、镍铬硅合金、铅铬合金、铂铱合金、掺杂硅、多晶硅或掺杂多晶硅。
与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：
(1)一次成膜，制备工艺简单，能够实现单芯片多物理量测量；
(2)适用性广，能够多场合应用，可由用户定制；
(3)所使用的金属敏感材料超薄并具有优良的温度特性，从而使得传感器芯片的电阻更大，功耗更低，而且还能降低成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例技术中的技术方案，下面将对实施例技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。
图1为本发明的集成温度、湿度、压力测量的传感器芯片的结构示意图。
图2A-2B分别为集成温度、压力测量的传感器芯片以及集成温度、湿度测量的传感器芯片的结构示意图。
图3为压力传感器的结构示意图。
图4A-4B为湿度传感器的两种结构示意图。
图5为温度传感器的结构示意图。
图6为集成温度、湿度、压力测量的传感器芯片的剖面示意图。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。
实施例
图1为本发明的集成温度、湿度、压力测量的传感器芯片的结构示意图。该传感器芯片包括基片24以及集成在基片24不同部位上的压力传感器、湿度传感器和温度传感器，在基片24的背部对应于压力传感器的位置处刻蚀有微腔12，该微腔12可以真空密封，此时可用于测量绝压。也可以通过在其内部充有一个大气压的干燥空气来测量表压。此外微腔12也可以不密封，可以用来测量差压。压力传感器的结构如图3所示，其包括一惠斯通电桥，在本实例中，该惠斯通电桥为全桥结构，由四个第一电阻元件4—7电连接构成，其中第一电阻元件5-6对应位于微腔12的中心，第一电阻元件4,7对应位于微腔12的上下边缘，优选实施例中，该微腔12为一椭圆形。该全桥还包含有四个输入、输出电极8—11，与第一电阻元件4-7连接。此外，该惠斯通电桥也可为半桥结构，只需两个第一电阻元件和三个电极，这两个第一电阻元件分别对应位于微腔12的中心和边缘。
湿度传感器为插指结构，如图4A所示，由两个第二电阻元件18,19构成，在这两个电阻元件上方还覆盖有一层吸湿材料17。此外，湿度传感器还可以为上下电极板20和21构成的电容结构，在这两个电极板之间填充有吸湿材料17，电极22,23分别与上下电极板20,21连接，如图4B所示。
温度传感器由多个第三电阻元件13电连接构成，其中部分第三电阻元件13构成了调阻电路14，电极15,16与两端的第三电阻元件13连接，如图5所示。此外，温度传感器还可以位于集成在基片24的ASIC芯片上。
第一电阻元件4-7、第二电阻元件18-19、第三电阻元件13以及电极板20-21均可由同一种材料制成，可以为磁敏材料、金属、金属合金、半导体材料或压电材料，在本实施例中主要为铂金；第一电阻元件4-7、第二电阻元件18-19、第三电阻元件13的形状为蛇形或螺旋形，电极板20-21的形状为正方形、长方形或圆形，但不限于以上材料和形状。基片可以为硅、砷化镓、磷化铟、氧化铝、蓝宝石、氮化铝、碳化硅、氮化硅、17-4PH、Ni-Span、Ni-Span C alloy902或X17U4Steel等材料，在本实例中为硅基片。
在本实施例中，压力传感器、湿度传感器和温度传感器集成在同一个基片上，根据实际应用的需要，同一个基片上也可以只集成设置上述三种元件的两种或一种，例如，图2A-2B所示的集成温度、压力测量的传感器芯片以及集成温度、湿度测量的传感器芯片。
图1所示集成温度、湿度、压力测量的传感器芯片的制备工艺包括以下步骤：
(1)首先对基片24进行表面清洁，在基片24上沉积一层厚约2000埃的弹性薄膜27，该弹性薄膜27可为SiN,SiOx,SiOxNy,Al2O3,SiC,17-4PH,Ni-Span C alloy902,X17U4Steel或聚酰亚胺等材料。在本实施例中，该弹性薄膜27为氧化铝(Al2O3)，此氧化铝薄膜的作用有两个：一是在背部微腔刻蚀时作为阻挡层，二是为压力测量传感器提供压力敏感膜。
(2)使用磁控溅射方法在弹性薄膜27上溅射一层厚度为500—10000埃的敏感电阻材料薄膜，将敏感电阻材料薄膜图形化形成温度、压力、湿度测量用的各个电阻元件26，这里的图形化形成电阻元件等同于用光刻和粒子束刻蚀工艺来定义各个功能器件。这里的敏感电阻材料薄膜可以为磁敏材料，如AMR,GMR或GMR，也可以为金属及其合金，如铂金、金、锰、镍、镍铬合金、镍金合金、镍铬硅合金、铅铬合金或铂铱合金等，还可以为半导体材料，如掺杂硅、多晶硅或掺杂多晶硅等，在本实施例中为铂金。
(3)用激光调阻的方法将温度传感器中的电阻元件的电阻调整至其规定值，用剥离(lift-off)工艺进行光刻，然后在所有电阻元件上方沉积一保护层29，将保护层29开窗露出用于构建连接电极和涂覆吸湿材料的覆盖位，保护层可为氧化铝、二氧化硅或氮化硅等材料。
(4)对基片24的背部进行研磨至合适的厚度，然后用光刻或湿法刻蚀工艺在基片24的背部对应压力传感器的位置处刻蚀出微腔28，微腔28的正上方为压力传感器中的氧化铝敏感膜。如果微腔28需要密封，可以在基片24的背部键合一玻璃片25，如果需要测量差压，可以在玻璃片25上对应微腔28的位置处进行开孔联通外界待测电压。
(5)在基片24的正面对应湿度传感器中电阻元件的位置处涂覆吸湿材料并用剥离(lift-off)工艺实现图形化；
(6)构建连接电极并在各元件之间进行布线，至此完成整个工艺。
下面对压力传感器、湿度传感器和温度传感器的工作原理进行介绍。
对于图3所示的压力传感器，其主要是利用电阻应变效应进行工作。电阻应变效应指的是外力作用于金属或半导体材料时会引发机械变形，此时金属或半导体材料的电阻值就会随之发生变化。例如，对于一根金属电阻丝，假设其电阻率为ρ、长度为l、横截面积为S，则在未受力时，金属电阻丝的原始电阻为R＝ρl/S。当金属电阻丝受到拉力作用时，引起的电阻变化为dR：
dR/R＝dl/l-ds/s+dρ/ρ＝dl/l-2dR/R+dρ/ρ≈(1+2μ)dl/l＝(1+2μ)ε
其中，μ为材料的泊松比，ε为应变，r为截面半径。从上式中可以看出金属丝的电阻变化随应变呈线性关系。在本实施例中，在微腔上方有压力敏感膜，在压力敏感膜的上方分布有4个应变电阻元件，构成全桥，其中两个电阻元件位于微腔正中央，另外两个分布于微腔边缘。当微腔所受到的内外压力不一致时，压力敏感膜就会发生弯曲，从而改变电阻的大小。位于微腔边缘的电阻元件由于形变大，电阻变化大，而位于空腔中心位置的电阻元件形变小，电阻变化小。这样桥路的平衡遭到破坏，产生不平衡电压，通过测量其值的大小，就可以确定压力的大小。此外，温度的变化也会引起电阻的变化，但由于这四个电阻元件相同，并且上下桥臂对称分布，所以温度变化引起的电阻变化就相互抵消，从而对最终测量结果不会产生影响。
对于图4A所示的湿度传感器，其主要是根据外界湿度变化时，吸湿材料所吸收到的水分不同从而引起电导变化来测量湿度的。当空气中的水蒸气吸附在吸湿材料上时，在水分子的作用下，吸湿材料内部离子迁移率会相应的发生变化，从而使得与吸湿材料相连的插指电阻的电导发生变化，由电导的变化可测知外界环境湿度。由于构成插指结构的电阻元件相同，从而温度变化引起的电阻变化，也可以相互抵消，从而也对测量结果不会产生影响。
对于图4B所示的湿度传感器，其主要是利用“环境湿度发生改变时，湿敏电容的介电常数就会发生变化，从而使其电容量也发生变化”这个特性来测量湿度的。温度变化对上下两个电极板所造成的影响相互抵消，所以对测量结果不产生影响。
对于图5所示的温度传感器，其主要是利用电阻温度传感器的理论原理来测量温度的，即在德拜温度附近，金属的电阻率与温度成正比。针对铂电阻，在常温附近，RT＝R0[1+AT+BT2]，其中R0,RT分别为铂电阻在0℃和T℃时的阻值，A,B为常数，所以通过测量RT就可得出温度的值。
对于利用AMR、GMR或TMR材料来制成的压力传感器、湿度传感器以及温度传感器，其也主要是利用这些材料的金属材料特性来测量压力、湿度和温度的变化。
上述温度、湿度、压力即为本发明的传感器芯片要测量的物理量。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种用于多物理量测量的传感器芯片，其特征在于，包括一基片，所述基片上集成设置有位于不同位置的温度传感器、湿度传感器和压力传感器中的至少两种传感器，所述基片背部还开设有一微腔，所述微腔位于对应所述压力传感器的位置处；
所述压力传感器包含有一惠斯通电桥，所述电桥由偶数个第一电阻元件电连接构成；
所述温度传感器包含有多个电连接的第三电阻元件，其中部分第三电阻元件构成了调阻电路；
所述湿度传感器包含有偶数个构成插指结构的第二电阻元件，所述插指结构上覆盖有吸湿材料，或，
所述湿度传感器包含有上下两个电极板，所述电极板上开设有多个小孔，并在所述上下两个电极板之间填充有湿敏材料；
所述温度传感器位于所述压力传感器和/或所述湿度传感器的周围；
所述第一电阻元件、所述第二电阻元件、所述第三电阻元件以及所述电极板的制作材料相同。
2.根据权利要求1所述的用于多物理量测量的传感器芯片，其特征在于，所述惠斯通电桥为半桥或全桥。
3.根据权利要求2所述的用于多物理量测量的传感器芯片，其特征在于，所述全桥包含有四个第一电阻元件，其中两个第一电阻元件对应位于所述微腔的中心，另外两个第一电阻元件分别对应位于所述微腔的两个对称边缘。
4.根据权利要求2所述的用于多物理量测量的传感器芯片，其特征在于，所述半桥包含有两个第一电阻元件，所述两个第一电阻元件分别对应位于所述微腔的中心和边缘。
5.根据权利要求1所述的用于多物理量测量的传感器芯片，其特征在于，在所述基片上集成有ASIC芯片，所述温度传感器集成于所述ASIC芯片上。
6.根据权利要求1所述的用于多物理量测量的传感器芯片，其特征在于，所述第一电阻元件、所述第二电阻元件、所述第三电阻元件的形状为蛇形或螺旋形；或，所述第一电阻元件、所述第三电阻元件的形状为蛇形或螺旋形，所述电极板的形状为正方形、长方形或圆形。
7.根据权利要求1所述的用于多物理量测量的传感器芯片，其特征在于,所述第一电阻元件、所述第二电阻元件、所述第三电阻元件以及所述电极板的制作材料中包含有敏感电阻材料薄膜，所述敏感电阻材料薄膜的厚度为500～10000埃。
8.一种用于多物理量测量的传感器芯片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)对一基片进行表面清洁，然后在所述基片上沉积一层弹性薄膜；
(2)在所述弹性薄膜上溅射一层敏感电阻材料薄膜，将所述敏感电阻材料薄膜图形化形成压力传感器中的第一电阻元件、湿度传感器中的第二电阻元件以及温度传感器中的第三电阻元件；
(3)调整所述第三电阻元件的电阻至其规定值，然后在所有电阻元件上方沉积一保护层，将所述保护层开窗露出用于构建连接电极和涂覆吸湿材料的覆盖位；
(4)对所述基片的背部进行研磨，然后在所述基片背部对应所述压力传感器的位置处刻蚀出微腔；
(5)在所述基片上对应所述湿度传感器位置处涂覆吸湿材料；
(6)构建连接电极并在各元件之间进行布线。
9.根据权利要求8所述的用于多物理量测量的传感器芯片的制备方法，其特征在于，将所述基片的背面键合有一玻璃片，将所述微腔密封。
10.根据权利要求9所述的用于多物理量测量的传感器芯片的制备方法，其特征在于，在所述玻璃片上对应所述微腔的位置处进行开孔联通外界待测电压。
11.根据权利要求9所述的用于多物理量测量的传感器芯片的制备方法，其特征在于，所述微腔真空密封，或在密封的所述微腔内充有一个大气压力的干燥空气。
12.根据权利要求8-10任一项所述的用于多物理量测量的传感器芯片的制备方法，其特征在于，所述基片的材质为硅、砷化镓、磷化铟、氧化铝、蓝宝石、氮化铝、碳化硅、氮化硅、17-4PH、Ni-Span、Ni-Span C alloy902或X17U4Steel。
13.根据权利要求8-10任一项所述的用于多物理量测量的传感器芯片的制备方法，其特征在于，所述弹性薄膜的材料包括SiN,SiOx,SiOxNy,Al2O3,SiC,17-4PH,Ni-Span C alloy902,X17U4Steel或聚酰亚胺。
14.根据权利要求8-10任一项所述的用于多物理量测量的传感器芯片的制备方法，其特征在于，所述敏感电阻材料薄膜包括AMR,GMR,TMR,铂金、金、锰、镍、镍铬合金、镍金合金、镍铬硅合金、铅铬合金、铂铱合金、掺杂硅、多晶硅或掺杂多晶硅。
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