CN104748904B

CN104748904B - 一种分段质量块应力集中结构微压传感器芯片及制备方法

Info

Publication number: CN104748904B
Application number: CN201510131116.3A
Authority: CN
Inventors: 赵立波; 徐廷中; 蒋庄德; 彭年才; 王久洪; 郭鑫; 许煜; 苑国英; 赵玉龙
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2015-03-24
Filing date: 2015-03-24
Publication date: 2017-05-17
Anticipated expiration: 2035-03-24
Also published as: CN104748904A

Abstract

一种分段质量块应力集中结构微压传感器芯片及制备方法，传感器芯片包括基底上的薄膜，四条浅槽沿着薄膜上部边缘分布，四个压敏电阻条布置在相邻两条浅槽端部之间，金属引线将四个压敏电阻条连接成半开环惠斯通电桥，四个凸块沿薄膜下部的边缘分布，且与基底相连；四个质量块与凸块间隔有距离，凸块连接在薄膜上，质量块与凸块以及两者之间的间隙构成了分段质量块应力集中结构；制备方法是对清洗过的SOI硅片制作压敏电阻条，再获得P型重掺杂硅作为欧姆接触区，然后制作浅槽，制作传感器的背腔结构层，最后将基底与防过载玻璃键合，本发明传感器芯片具备高可靠性、高精度、高线性度、高动态特性等特点，且便于加工、成本低。

Description

一种分段质量块应力集中结构微压传感器芯片及制备方法

技术领域

本发明涉及MEMS压阻式微压传感器技术领域，具体涉及一种分段质量块应力集中结构微压传感器芯片及制备方法。

背景技术

随着微机械电子系统技术的发展，MEMS微压传感器已被广泛应用于风洞测试、生物医电等领域，尤其在航空航天领域，对传感器的体积、重量有严格要求，并要求传感器具有一定的灵敏度和固有频率。MEMS传感器无疑是十分理想的选择。例如在航空航天领域，对于飞行器深高空高度监测具有重要意义，而压力与高度有一定的比例关系，因而通过压力传感器就可反映出飞行器高度的变化。飞行器从发射到达到预定高度，大气压力从约100kPa变化到几百Pa，因而传感器除了能检测几百Pa的微压能力外，还必须具有高过载能力，以使其在地面大气作用下不会因大气压力造成破坏。又如在生物仪器领域，为了精确的进行移液工作，需要精密地检测液面高度的变化，可通过检测液体高度产生的微压变化来反应液面高度的变化，而毫米级液面高度对应的压力范围仅在几百Pa范围内。

不同敏感原理的压力传感器有着不同的优缺点。比如压电式压力传感器受其敏感原理的限制，不能测量静态压力，且输出的电荷信号需要后续复杂的辅助电路进行处理；电容式压力传感器具有灵敏度高、温漂小，功耗低等优点，但输入阻抗大，易受寄生电容的影响，对于周围环境的干扰较敏感；谐振式压力传感器具有较好的灵敏度以及较低的温漂，但与压阻式压力传感器相比其制作工艺更加复杂，成品率相对较低；压阻式压力传感器虽易受温度影响，但其测量范围广、可测量静态和动态信号，精度高，动态响应好，后处理电路简单。

压阻式压力传感器的关键结构是薄膜结构，四个压敏电阻条布置在薄膜边缘的应力集中位置，形成惠斯通全桥将应力转换为电学信号。随着薄膜结构厚度的减薄，传感器对压力的灵敏度会提高，但传感器的非线性也会增加，从而加大了信号处理的难度。

我国目前的MEMS微压传感器主要还停留在kPa级上，不能满足航天领域对Pa级微压测量的要求，也不能适应诸如对深高空微压精确测量技术、生物医疗器械中的精确微压测量等领域的需求。因此，如何实现Pa级的超低微压测量，解决灵敏度与频响特性、灵敏度与非线性度之间的矛盾，保证微压传感器的高灵敏度、高频响特性以及高过载能力，是保障微压传感器进行可靠、精确测量而亟待突破的关键技术难点。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种分段质量块应力集中结构微压传感器芯片及制备方法，能够对Pa级微压进行测量，具有灵敏度高、线性度好、精度高、动态性能好等特点，同时能够承受相当于满量程若干倍的高过载，该芯片结构制作方法简单，可靠性高，易于批量化生产。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种分段质量块应力集中结构微压传感器芯片，包括基底1中部设有的薄膜2，四条浅槽3-1、3-2、3-3、3-4沿着薄膜2上部边缘均匀分布，四条浅槽3-1、3-2、3-3、3-4的深度为薄膜2厚度的5％～90％；四个压敏电阻条6-1、6-2、6-3、6-4分别按应力分布规律均匀布置在相邻两条浅槽端部之间的区域，且压敏电阻条6-1、6-2、6-3、6-4的有效长度方向沿着压阻系数最大的晶向；焊盘8布置在基底1上表面；金属引线7将四个压敏电阻条6-1、6-2、6-3、6-4相互连接成半开环惠斯通电桥，并且将电桥的输出端与焊盘8连接；

四个凸块5-1、5-2、5-3、5-4沿薄膜2下部的边缘均匀分布，且与基底1相连；四个质量块4-1、4-2、4-3、4-4与凸块5-1、5-2、5-3、5-4图形的对称轴相重合且与凸块5-1、5-2、5-3、5-4在沿对称轴方向上间隔有距离，凸块5-1、5-2、5-3、5-4连接在薄膜2上，质量块4-1、4-2、4-3、4-4与凸块5-1、5-2、5-3、5-4以及两者之间的间隙构成了分段质量块应力集中结构；

基底1背面与防过载玻璃9键合在一起。

所述的薄膜2的膜宽厚比为70～700：1。

所述的防过载玻璃9上制作有台阶结构；台阶结构由顶面12、底面10和两者之间设有的台阶面11组成，底面10与台阶面11的深度以及尺寸的设计保证传感器在正常工作情况下，质量块4-1、4-2、4-3、4-4与顶面12、台阶面11、底面10之间不发生干涉，在过载状态下,台阶面11与底面10能够将质量块4-1、4-2、4-3、4-4进行限位，当基底1和防过载玻璃9之间形成的腔体为真空时，则实现绝对微压测量；当防过载玻璃结构9带有孔时，则实现相对微压测量。

所述的薄膜2选用正四边形薄膜，四条浅槽3-1、3-2、3-3、3-4均成L形，四个质量块4-1、4-2、4-3、4-4采用中空楔形结构。

所述的压敏电阻条6-1、6-3为四折或多折电阻条结构；压敏电阻条6-2、6-4为单根或多折电阻条结构，压敏电阻条6-1、6-3与6-2、6-4的初始总电阻值相同，并且其有效长度方向均沿着压阻系数最大的晶向。

所述的一种分段质量块应力集中结构微压传感器芯片的制备方法，包括以下步骤：

1)使用HF溶液清洗的SOI硅片，SOI硅片为N型(100)晶面；所述SOI硅片从上到下分为三层，分别是：上层单晶硅13、二氧化硅埋层14和下层单晶硅15；

2)对SOI硅片进行高温氧化，在上层单晶硅13正面形成二氧化硅层16，然后用P-压敏电阻版，对上层单晶硅13表面形成的二氧化硅层16光刻出压敏电阻区域，去除压敏电阻区域的二氧化硅层16，裸露出上层单晶硅13，对上层单晶硅13顶部的压敏电阻区域注入硼离子，获得压敏电阻条6-1、6-2、6-3、6-4；

3)利用P+欧姆接触版，去除部分的二氧化硅层16后，在上层单晶硅13表面光刻形成硼离子重掺杂区17，获得低阻的P型重掺杂硅作为欧姆接触区，保证压敏电阻条6-1、6-2、6-3、6-4的欧姆连接；

4)在欧姆接触区，利用金属引线版，光刻出金属引线的形状，溅射金属层或者其他复合结构金属层，形成传感器芯片的金属引线7和焊盘8；

5)利用浅槽结构版，对上层单晶硅13正面进行光刻，将薄膜2正面去除相应深度的硅,形成浅槽3-1、3-2、3-3、3-4；

6)利用背腔刻蚀版，对下层单晶硅15背面进行光刻，以二氧化硅层14作为刻蚀停止层去除背腔的单晶硅材料，形成传感器的背腔结构层；

7)将基底1背面与防过载玻璃9的顶面12键合。

所述步骤5)、步骤6)均采用深反应离子刻蚀去除硅材料，从而保证了刻蚀边沿的垂直度和深宽比。

本发明采用由质量块4-1、4-2、4-3、4-4与凸块5-1、5-2、5-3、5-4以及两者之间的间隙构成的分段质量块应力集中结构作为MEMS微压传感器的芯片结构，并与防过载玻璃9键合制成微压传感器芯片，可以承受由大气压带来的相当于几百倍满量程的高过载。四个压敏电阻条6-1、6-2、6-3、6-4的分布位置是根据有限元计算结果确定的，通过充分利用了分段质量块应力集中结构所产生的应力集中效果来提高惠斯通电桥的输出电压，提高了传感器的灵敏度。质量块4-1、4-2、4-3、4-4以及凸块5-1、5-2、5-3、5-4提高了薄膜2的刚度。因此，可以有效提高传感器芯片的固有频率，并保证传感器的非线性指标。

与现有技术相比，本发明传感器芯片的结构合理，能够抗高过载，同时又具备高可靠性、高精度、高线性度、高动态特性等特点，且便于加工、成本低，有利于实现批量化生产。

附图说明

图1(a)为本发明传感器芯片的正面轴测示意图；图1(b)为图1(a)中A位置放大图；图1(c)为图1(a)中B位置放大图。

图2为本发明传感器芯片正面示意图。

图3为本发明传感器芯片背腔轴测示意图。

图4为本发明传感器芯片的防过载玻璃9轴测示意图。

图5本发明传感器芯片的带孔防过载玻璃9轴测示意图。

图6(a)为本发明传感器芯片的防过载玻璃9正面示意图；图6(b)为图6(a)中C-C截面处的剖视示意图。

图7(a)为本发明传感器芯片的带孔防过载玻璃9正面示意图；图7(b)为图7(a)中D-D截面处的剖视示意图。

图8为本发明在微压作用下薄膜表面的等效应力图。

图9为本发明一阶固有频率振型图。

图10为本发明传感器芯片制备方法示意图；图10(a)为制备工艺中所使用SOI片结构示意图；图10(b)为压敏电阻条制作示意图；图10(c)为欧姆接触区域制作示意图；图10(d)为金属引线制作示意图；图10(e)为正面浅槽结构刻蚀示意图；图10(f)为背腔刻蚀示意图；图10(g)为防过载玻璃片键合示意图。

图11本发明传感器芯片在无加载状态时，图2中B-B截面处的剖视示意图。

图12本发明传感器芯片在正常工作状态时，图2中B-B截面处的剖视示意图。

图13本发明传感器芯片在过载状态时，图2中B-B截面处的剖视示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细描述。

一种分段质量块应力集中结构微压传感器芯片，包括基底1中部设有的薄膜2，参照图1(a)、图1(b)、图1(c)、图2，四条浅槽3-1、3-2、3-3、3-4沿着薄膜2上部边缘均匀分布，四条浅槽3-1、3-2、3-3、3-4的深度为薄膜2厚度的5％～90％；四个压敏电阻条6-1、6-2、6-3、6-4分别按应力分布规律均匀布置在相邻两条浅槽端部之间的区域，且压敏电阻条6-1、6-2、6-3、6-4的有效长度方向沿着压阻系数最大的晶向；焊盘8布置在基底1上表面；金属引线7将四个压敏电阻条6-1、6-2、6-3、6-4相互连接成半开环惠斯通电桥，并且将电桥的输出端与焊盘8连接；

参照图3，四个凸块5-1、5-2、5-3、5-4沿薄膜2下部的边缘均匀分布，且与基底1相连；四个质量块4-1、4-2、4-3、4-4与凸块5-1、5-2、5-3、5-4图形的对称轴相重合且与凸块5-1、5-2、5-3、5-4在沿对称轴方向上间隔有距离，凸块5-1、5-2、5-3、5-4连接在薄膜2上，质量块4-1、4-2、4-3、4-4与凸块5-1、5-2、5-3、5-4以及两者之间的间隙构成了分段质量块应力集中结构；

基底1背面与防过载玻璃9键合在一起。

所述的薄膜2的膜宽厚比为70～700：1。

如图4、图5、图6(a)、图6(b)、图7(a)、图7(b)所示，所述的防过载玻璃9上制作有台阶结构；台阶结构由顶面12、底面10和两者之间设有的台阶面11组成，底面10与台阶面11的深度以及尺寸的设计保证传感器在正常工作情况下，质量块4-1、4-2、4-3、4-4与顶面12、台阶面11、底面10之间不发生干涉，在过载状态下,台阶面11与底面10能够将质量块4-1、4-2、4-3、4-4进行限位，当基底1和防过载玻璃9之间形成的腔体为真空时，则实现绝对微压测量；当防过载玻璃结构9带有孔时，则实现相对微压测量。

以量程为500Pa、芯片最长边尺寸小于6000μm为例，其结构尺寸如下：浅槽3-1、3-2、3-3、3-4的宽度为100μm、深度为5μm；薄膜2厚度为10μm，薄膜2的长宽均为3500μm；基底1厚度为200μm，凸块5-1、5-2、5-3、5-4的端部距离基底1距离为190μm；质量块4-1、4-2、4-3、4-4上相距最远的两个端点的距离为1000μm，质量块4-1、4-2、4-3、4-4与凸块5-1、5-2、5-3、5-4之间的间距为35μm，在承受500Pa载荷作用下，薄膜表面等效应力情况如图8所示，可见布置压敏电阻条6-1、6-2、6-3、6-4处的等效应力约为65MPa，约为500个微应变，从而使传感器具有最高灵敏度的线性输出，传感器一阶振型图如图9所示，其一阶固有频率约为12.83kHz。

参照图10所示，所述的一种分段质量块应力集中结构微压传感器芯片的制备方法，包括以下步骤：

1)参照图10(a)，使用HF溶液清洗的SOI硅片，SOI硅片为N型(100)晶面；所述SOI硅片从上到下分为三层，分别是：上层单晶硅13、二氧化硅埋层14和下层单晶硅15；

2)参照图10(b)，在900℃-1200℃下进行高温氧化，在上层单晶硅13表面形成二氧化硅层16，然后用P-压敏电阻版，对上层单晶硅13表面形成的二氧化硅层16光刻压敏电阻区域，去除压敏电阻区域的二氧化硅层16，裸露出上层单晶硅13，对上层单晶硅13顶部的压敏电阻区域注入硼离子，获得压敏电阻条6-1、6-2、6-3、6-4；

3)参照图10(c)，利用P+欧姆接触版，去除部分二氧化硅层16后，在上层单晶硅13表面光刻形成硼离子重掺杂区17，进行硼离子重掺杂时的硼离子注入剂量为1.5×10¹⁶cm^-2，获得低阻的P型重掺杂硅作为欧姆接触区，保证压敏电阻条6-1、6-2、6-3、6-4的欧姆连接；

4)参照图10(d)，在欧姆接触区，利用金属引线版，光刻形成金属引线的形状，溅射一定厚度的Au金属层或其他结构的金属层，形成传感器芯片的金属引线7和焊盘8；

5)参照图10(e)，利用浅槽结构版，对SOI硅片的上层单晶硅13进行光刻，采用深反应离子刻蚀薄膜2上表面，刻蚀相应深度形成浅槽3-1、3-2、3-3、3-4结构；

6)参照图10(f)，利用背腔刻蚀版，对下层单晶硅15背面进行光刻，为保证凸块5-1、5-2、5-3、5-4和质量块4-1、4-2、4-3、4-4边沿垂直度和深宽比，采用深反应离子刻蚀形成位于薄膜2下部的结构；

7)参照图10(g)，最后，将基底1背面与防过载玻璃9的顶面12键合。

本发明工作原理为：

图11为在无加载状态时，本发明的截面结构关系示意图。参照图12，传感器在微压P₁作用下，薄膜2开始向下凹，位于每两条浅槽3-1、3-2、3-3、3-4的端部之间的区域诱导应力进行二次集中，从而增大了四个压敏电阻条6-1、6-2、6-3、6-4的应力变化量，有利于提高传感器的灵敏度，同时质量块4-1、4-2、4-3、4-4和凸块5-1、5-2、5-3、5-4增大了结构整体的刚度，明显改善了传感器的线性度，并有利于提高传感器的动态响应特性。

参照图13，当传感器封装为绝压传感器时，要承受大气压力P₀的作用，在承受大气压力的作用，对于500Pa量程的传感器而言，需承受相当于200倍满量程的高过载压力，质量块4-1、4-2、4-3、4-4已压在防过载玻璃9上，起到了限位保护的作用，防止薄膜2因挠度过大而破坏。过载保护时，防过载玻璃9的台阶面11、底面10形成的台阶减小了质量块4-1、4-2、4-3、4-4与防过载玻璃9之间的接触面积，从而解决了质量块4-1、4-2、4-3、4-4的防吸附问题，当芯片由过载状态转入工作模式时，质量块4-1、4-2、4-3、4-4能够顺利弹起，而不会被底面9吸附，从而保证传感器稳定可靠地工作。

本发明的分段质量块应力集中结构微压传感器芯片，相对于传统的C型平膜和E型岛膜结构，由于四个质量块4-1、4-2、4-3、4-4与四个凸块5-1、5-2、5-3、5-4组成的分段质量块结构提高了薄膜2整体刚度。每两条浅槽3-1、3-2、3-3、3-4的端部之间的区域诱导应力再次集中以及具有台阶结构的防过载玻璃9有效解决了传感器在过载状态下的防吸附问题。因此，该结构具有线性好、灵敏度高、动态频响特性好、过载能力强等特点。

本发明的主要性能技术指标如下：

1、测量范围：0～500Pa

2、测量精度：优于0.5％FS

3、灵敏度：≥25mV/V

4、工作温度：-50℃～120℃

5、一阶固有频率：≥12kHz

6、过载能力：100kPa

7、芯片外形：4.1mm×4.1mm

以上所述仅为本发明的一种实施方式，不是全部或唯一的实施方式，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。

Claims

1.一种分段质量块应力集中结构微压传感器芯片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)使用HF溶液清洗的SOI硅片，SOI硅片为N型(100)晶面；所述SOI硅片从上到下分为三层，分别是：上层单晶硅(13)、二氧化硅埋层(14)和下层单晶硅(15)；

2)对SOI硅片进行高温氧化，在上层单晶硅(13)正面形成二氧化硅层(16)，然后用P-压敏电阻版，对上层单晶硅(13)表面形成的二氧化硅层(16)光刻出压敏电阻区域，去除压敏电阻区域的二氧化硅层(16)，裸露出上层单晶硅(13)，对上层单晶硅(13)顶部的压敏电阻区域注入硼离子，获得压敏电阻条(6-1、6-2、6-3、6-4)；

3)利用P+欧姆接触版，去除部分的二氧化硅层(16)后，在上层单晶硅(13)表面光刻形成硼离子重掺杂区(17)，获得低阻的P型重掺杂硅作为欧姆接触区，保证压敏电阻条(6-1、6-2、6-3、6-4)的欧姆连接；

4)在欧姆接触区，利用金属引线版，光刻出金属引线的形状，溅射金属层或者其他复合结构金属层，形成传感器芯片的金属引线(7)和焊盘(8)；

5)利用浅槽结构版，对上层单晶硅(13)正面进行光刻，将薄膜(2)正面去除相应深度的硅,形成浅槽(3-1、3-2、3-3、3-4)；

6)利用背腔刻蚀版，对下层单晶硅(15)背面进行光刻，以二氧化硅层(14)作为刻蚀停止层去除背腔的单晶硅材料，形成传感器的背腔结构层；

7)将基底(1)背面与防过载玻璃(9)的顶面(12)键合；

上述方法制备的一种分段质量块应力集中结构微压传感器芯片，包括基底(1)中部设有的薄膜(2)，四条浅槽(3-1、3-2、3-3、3-4)沿着薄膜(2)上部边缘均匀分布，四条浅槽(3-1、3-2、3-3、3-4)的深度为薄膜(2)厚度的5％～90％；四个压敏电阻条(6-1、6-2、6-3、6-4)分别按应力分布规律均匀布置在相邻两条浅槽端部之间的区域，且压敏电阻条(6-1、6-2、6-3、6-4)的有效长度方向沿着压阻系数最大的晶向；焊盘(8)布置在基底(1)上表面；金属引线(7)将四个压敏电阻条(6-1、6-2、6-3、6-4)相互连接成半开环惠斯通电桥，并且将电桥的输出端与焊盘(8)连接；

四个凸块(5-1、5-2、5-3、5-4)沿薄膜(2)下部的边缘均匀分布，且与基底(1)相连；四个质量块(4-1、4-2、4-3、4-4)与凸块(5-1、5-2、5-3、5-4)图形的对称轴相重合且与凸块(5-1、5-2、5-3、5-4)在沿对称轴方向上间隔有距离，凸块(5-1、5-2、5-3、5-4)连接在薄膜(2)上，质量块(4-1、4-2、4-3、4-4)与凸块(5-1、5-2、5-3、5-4)以及两者之间的间隙构成了分段质量块应力集中结构；

基底(1)背面与防过载玻璃(9)键合在一起。

2.根据权利要求1所述的一种分段质量块应力集中结构微压传感器芯片的制备方法，其特征在于：所述的薄膜(2)的膜宽厚比为70～700：1。

3.根据权利要求1所述的一种分段质量块应力集中结构微压传感器芯片的制备方法，其特征在于：所述的防过载玻璃(9)上制作有台阶结构；台阶结构由顶面(12)、底面(10)和两者之间设有的台阶面(11)组成，底面(10)与台阶面(11)的深度以及尺寸的设计保证传感器在正常工作情况下，质量块(4-1、4-2、4-3、4-4)与顶面(12)、台阶面(11)、底面(10)之间不发生干涉，在过载状态下,台阶面(11)与底面(10)能够将质量块(4-1、4-2、4-3、4-4)进行限位，当基底(1)和防过载玻璃(9)之间形成的腔体为真空时，则实现绝对微压测量；当防过载玻璃结构(9)带有孔时，则实现相对微压测量。

4.根据权利要求1所述的一种分段质量块应力集中结构微压传感器芯片的制备方法，其特征在于：所述的薄膜(2)选用正四边形薄膜，四条浅槽(3-1、3-2、3-3、3-4)均成L形。

5.根据权利要求1所述的一种分段质量块应力集中结构微压传感器芯片的制备方法，其特征在于：第一压敏电阻条(6-1)、第三压敏电阻条(6-3)为四折或多折电阻条结构；第二压敏电阻条(6-2)、第四压敏电阻条(6-4)为单根或多折电阻条结构，第一压敏电阻条(6-1)、第三压敏电阻条(6-3)与第二压敏电阻条(6-2)、第四压敏电阻条(6-4)的初始总电阻值相同，并且其有效长度方向均沿着压阻系数最大的晶向。

6.根据权利要求1所述的一种分段质量块应力集中结构微压传感器芯片的制备方法，其特征在于，所述步骤5)、步骤6)均采用深反应离子刻蚀去除硅材料，从而保证了刻蚀边沿的垂直度和深宽比。