CN104897333B - 一种mems压力传感元件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种MEMS压力传感元件，包括：设有凹槽的基底；设置于基底上方的压力敏感膜，压力敏感膜密封凹槽的开口以形成密封腔体；悬置于密封腔体内的平行于压力敏感膜的压力敏感梁，其上设置有压敏电阻；压力敏感梁的中心与压力敏感膜的中心固定连接，外周与基底凹槽的底壁固定连接，以使压力敏感膜在外界压力作用下带动压力敏感梁弯曲变形。本发明还公开了一种MEMS压力传感元件的制造方法。本发明的MEMS压力传感元件，压力作用在压力敏感膜上时，压力敏感膜带动压力敏感梁运动引起压力敏感梁的弯曲，继而引起压力敏感梁上的压敏电阻的阻值的变化，这样既完成压力敏感的功能，又屏蔽了外界对压力传感元件的电学部分的电磁干扰。

Description

一种MEMS压力传感元件及其制造方法
技术领域
本发明涉及传感器领域，更具体地，涉及一种MEMS压力传感元件及其制造方法。
背景技术
目前的MEMS压力传感器，无论是压阻式还是电容式的，都需要把压力敏感薄膜暴露在空气中，否则压力敏感膜无法对外界的气压做出敏感的反应。该压力敏感膜通常作为电学电容极板或电阻应用，由于其必须暴露在空气中而不能设置于在封闭的电学腔体中，外界的电磁干扰会对MEMS压力传感器的输出造成影响。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够屏蔽外界对压力传感元件的电学部分的电磁干扰的MEMS压力传感元件及其制造方法。
根据本发明的第一方面，提出了一种MEMS压力传感元件，包括：设有凹槽的基底；设置于所述基底上方的压力敏感膜，所述压力敏感膜密封所述凹槽的开口以形成密封腔体；悬置于所述密封腔体内的平行于所述压力敏感膜的压力敏感梁，所述压力敏感梁上设置有压敏电阻；其中，所述压力敏感梁的中心通过第一锚点与压力敏感膜的中心固定连接，所述压力敏感梁的外周与基底凹槽的底壁固定连接，以使所述压力敏感膜在外界压力作用下带动所述压力敏感梁弯曲变形。
优选的，所述压力敏感梁的外周通过一锚定环与基底凹槽的底壁固定连接。
优选的，所述压力敏感梁为十字形，所述压力敏感梁的四条边的远离压力敏感梁的中心的一端分别通过所述锚定环与基底凹槽的底壁固定连接。
优选的，所述压力敏感梁为十字形，所述压力敏感梁的四条边的远离压力敏感梁的中心的一端分别通过锚点与基底凹槽的底壁固定连接。
优选的，所述压敏电阻为4个，对应设置在所述压力敏感梁的四条边上；所述4个压敏电阻构成惠斯通电桥。
优选的，所述密封腔体内还设置有限位凸起部，所述限位凸起部设置于基底凹槽的底壁并且位于所述压力敏感梁的中心的下方。
优选的，所述压力敏感膜为单晶硅材质。
优选的，所述压力敏感膜的厚度为10um-30um。
根据本发明的第二方面，提供了一种上述MEMS压力传感元件的制造方法，包括以下步骤：
S101、提供第一晶片；在所述第一晶片上沉积第一氧化层；对所述第一氧化层进行构图和刻蚀，以形成第一环状连接部和环绕第一环状连接部的第一外环支撑部；
S102、提供第二晶片；在所述第二晶片的正面沉积第二氧化层；对所述第二氧化层进行构图和刻蚀，以形成位于中心的第二连接部和环绕第二连接部的第二外环支撑部；
S103、以所述第二连接部和第二外环支撑部为掩膜对所述第二晶片进行刻蚀，以在所述第二晶片的正面形成环状凹槽；
S104、提供第三晶片；将所述第三晶片与所述第二连接部和第二外环支撑部键合；
S105、对所述第二晶片的背面进行减薄，以提高后续生成的压力敏感梁的灵敏度；
S106、从所述第二晶片的背面进行离子注入，形成压敏电阻；
S107、对所述第二晶片进行构图和刻蚀，形成压力敏感梁和环绕所述压力敏感梁的第三外环支撑部；
S108、将所述压力敏感梁和第一环状连接部键合，以及将所述第三外环支撑部和第一外环支撑部键合；
S109、对所述第三晶片进行减薄，以形成压力敏感膜。
本发明的MEMS压力传感元件，压力作用在压力敏感膜上时，压力敏感膜发生形变会带动压力敏感梁运动，进而引起压力敏感梁的弯曲，继而引起设置在压力敏感梁上的压敏电阻的阻值的变化，这样既完成压力敏感的功能，又屏蔽了外界对压力传感元件的电学部分的电磁干扰。
本发明的发明人发现，在现有技术中，还没有一种能够将外界电磁干扰屏蔽在电学部分外部的MEMS压力传感元件。因此，本发明所要实现的技术任务或者所要解决的技术问题是本领域技术人员从未想到的或者没有预期到的，故本发明是一种新的技术方案。
通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且连同其说明一起用于解释本发明的原理。
图1是本发明MEMS压力传感元件实施例的结构示意图。
图2是图1中的压力敏感梁的平面示意图。
图3-13是本发明实施例的MEMS压力传感元件的制造过程示意图。
具体实施方式
现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。
以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
参考图1-2介绍本发明MEMS压力传感元件的实施例，包括：
设有凹槽的基底1，设置于基底1上方的压力敏感膜100，压力敏感膜100密封凹槽的开口以形成密封腔体700。
悬置于密封腔体700内的平行于压力敏感膜100的压力敏感梁200，压力敏感梁200上设置有压敏电阻300。
压力敏感梁200为十字形，压力敏感梁200的中心通过第一锚点400与压力敏感膜100的中心固定连接，压力敏感梁200的四条边的远离压力敏感梁200的中心的一端分别通过锚定环500与基底1凹槽的底壁固定连接。
在另一个实施例中，可以令压力敏感梁200的四条边的远离压力敏感梁200的中心的一端分别通过锚点与基底1凹槽的底壁固定连接。在其它实施例中，压力敏感梁200还可以为其它形状，压力敏感梁200的外周与基底1凹槽的底壁固定连接。
本实施例中，压敏电阻300为4个，对应设置在压力敏感梁200的四条边上，4个压敏电阻300构成惠斯通电桥。
密封腔体700内还设置有限位凸起部600，限位凸起部600设置于基底1凹槽的底壁并且位于压力敏感梁200的中心的下方。限位凸起部600用于限定压力敏感梁200的位移，避免压力敏感梁200位移过大造成压力敏感梁200损坏功能失效。
其中，第一锚点400和锚定环500优选为氧化物。压力敏感膜100优选为单晶硅材质，厚度优选为10um-30um。
压力作用在压力敏感膜100上时，压力敏感膜100发生形变会带动压力敏感梁200运动，进而引起压力敏感梁200的弯曲，继而引起设置在压力敏感梁200上的压敏电阻300的阻值的变化，从而在压力传感元件的内部就可以读到外界压力的变化。将压力敏感膜接到地电位，既实现了对外界压力的检测，又将外界电磁干扰屏蔽在电学部分之外，达到提高MEMS压力传感器精度的目的。
参考图3-13介绍上述实施例的MEMS压力传感元件的制造过程：
S101、参考图3所示，提供第一晶片11；参考图4所示，在第一晶片11上沉积第一氧化层12；对第一氧化层12进行构图和刻蚀，通过两步刻蚀后形成位于中心的限位凸起部600、环绕限位凸起部600的第一环状连接部501、以及环绕第一环状连接部501的第一外环支撑部121；其中限位凸起部600较低，第一环状连接部501和第一外环支撑部121较高；第一环状连接部501作为后续过程中压力敏感梁的外周固定在基底上的锚点。
S102、参考图5所示，提供第二晶片13；参考图6所示，在第二晶片13的正面沉积第二氧化层14；对第二氧化层14进行构图和刻蚀，以形成位于中心的第二连接部401和环绕第二连接部401的第二外环支撑部141；第二连接部401作为后续过程中压力敏感梁与压力敏感膜之间的固定锚点。
S103、参考图7所示，以第二连接部401和第二外环支撑部141为掩膜对第二晶片13进行刻蚀，以在第二晶片13的正面形成环状凹槽132，以免后续过程中压力敏感膜和压力敏感膜粘结在一起。这里的刻蚀可以是深反应离子刻蚀(DRIE，Deep Reactive IonEtching)；
S104、参考图8所示，提供第三晶片15，将第三晶片15与第二连接部401和第二外环支撑部141键合；
S105、参考图9所示，翻转图8所示的结构，从第二晶片13的背面对第二晶片13进行减薄以提高后续生成的压力敏感梁的灵敏度；
S106、参考图10所示，从第二晶片13的背面进行离子注入，形成压敏电阻条300；
S107、参考图11所示，对第二晶片13进行构图和刻蚀，形成十字形的压力敏感梁200和环绕压力敏感梁200的第三外环支撑部131；这里的刻蚀可以是深反应离子刻蚀(DRIE，Deep Reactive Ion Etching)；
S108、参考图12所示，将压力敏感梁200和第一环状连接部501键合，以及将第三外环支撑部131和第一外环支撑部121键合；这一步键合完成后，第一晶片11、第三晶片15、以及第一晶片11和第三晶片15之间的各层共同围成密封腔体700，将压力敏感梁200板封装在内；
S109、参考图13所示，对第三晶片15进行减薄，以形成对压力敏感的压力敏感膜100。
已经通过例子对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。

Claims (8)

1.一种MEMS压力传感元件，其特征在于，包括：
设有凹槽的基底(1)；
设置于所述基底(1)上方的压力敏感膜(100)，所述压力敏感膜(100)密封所述凹槽的开口以形成密封腔体(700)；
悬置于所述密封腔体(700)内的平行于所述压力敏感膜(100)的压力敏感梁(200)，所述压力敏感梁(200)上设置有压敏电阻(300)；
其中，所述压力敏感梁(200)为十字形，所述压力敏感梁(200)的中心通过第一锚点(400)与压力敏感膜(100)的中心固定连接，所述压力敏感梁(200)的外周与基底(1)凹槽的底壁固定连接，以使所述压力敏感膜(100)在外界压力作用下带动所述压力敏感梁(200)弯曲变形。
2.根据权利要求1所述的元件，其特征在于，所述压力敏感梁(200)的四条边的远离压力敏感梁(200)的中心的一端分别通过锚定环(500)与基底(1)凹槽的底壁固定连接。
3.根据权利要求1所述的元件，其特征在于，所述压力敏感梁(200)的四条边的远离压力敏感梁(200)的中心的一端分别通过锚点与基底(1)凹槽的底壁固定连接。
4.根据权利要求2或3任一项所述的元件，其特征在于，所述压敏电阻(300)为4个，对应设置在所述压力敏感梁(200)的四条边上；所述4个压敏电阻(300)构成惠斯通电桥。
5.根据权利要求1所述的元件，其特征在于，所述密封腔体(700)内还设置有限位凸起部(600)，所述限位凸起部(600)设置于基底(1)凹槽的底壁并且位于所述压力敏感梁(200)的中心的下方。
6.根据权利要求1所述的元件，其特征在于，所述压力敏感膜(100)为单晶硅材质。
7.根据权利要求1所述的元件，其特征在于，所述压力敏感膜(100)的厚度为10um-30um。
8.一种权利要求1的MEMS压力传感元件的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
S101、提供第一晶片(11)；在所述第一晶片(11)上沉积第一氧化层(12)；对所述第一氧化层(12)进行构图和刻蚀，以形成第一环状连接部(501)和环绕第一环状连接部(501)的第一外环支撑部(121)；
S102、提供第二晶片(13)；在所述第二晶片(13)的正面沉积第二氧化层(14)；对所述第二氧化层(14)进行构图和刻蚀，以形成位于中心的第二连接部(401)和环绕第二连接部(401)的第二外环支撑部(141)；
S103、以所述第二连接部(401)和第二外环支撑部(141)为掩膜对所述第二晶片(13)进行刻蚀，以在所述第二晶片(13)的正面形成环状凹槽(132)；
S104、提供第三晶片(15)；将所述第三晶片(15)与所述第二连接部(401)和第二外环支撑部(141)键合；
S105、对所述第二晶片(13)的背面进行减薄，以提高后续生成的压力敏感梁(200)的灵敏度；
S106、从所述第二晶片(13)的背面进行离子注入，形成压敏电阻(300)；
S107、对所述第二晶片(13)进行构图和刻蚀，形成压力敏感梁(200)和环绕所述压力敏感梁(200)的第三外环支撑部(131)；
S108、将所述压力敏感梁(200)和第一环状连接部(501)键合，以及将所述第三外环支撑部(131)和第一外环支撑部(121)键合；
S109、对所述第三晶片(15)进行减薄，以形成压力敏感膜(100)。
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