CN105181231A - 一种封装结构的压力传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种封装结构的压力传感器及其制备方法，硅片的正面通过掺杂制得淡硼掺杂区和浓硼掺杂区，硅片的背面通过刻蚀设有凹槽，凹槽的底部和淡硼掺杂区之间形成硅压力膜，绝缘层敷设在硅片的正面，金属引线设置在绝缘层的顶部，金属引线分别连接淡硼掺杂区和浓硼掺杂区，淡硼掺杂区形成四个压阻条，压阻条和金属引线构成惠斯通全桥结构，硅片的正面通过中间层与正面键合玻璃相键合；反面键合玻璃和硅片的背面键合，反面键合玻璃上正对硅压力膜的一面开设导气孔；正面键合玻璃上正对硅压力膜的部分开设空腔。本发明的封装结构简单、紧凑，可靠性高，且制造工艺简单，能够实现圆片级封装，便于低成本、批量化生产。

Description

一种封装结构的压力传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种MEMS压阻式压力传感器，尤其涉及的是一种封装结构的压力传感器及其制备方法。

背景技术

MEMS压力传感器以微薄膜结构作为压力敏感单元，基于微纳米加工技术进行制造，与传统各类压力传感器相比，具有积极小、重量轻、功耗低、成本低、适于批量生产等显著优点，在消费电子、汽车电子、医疗器械、工业控制等领域有着广泛的应用。MEMS压力传感器根据其原理可分为电容式和压阻式两种，MEMS电容式压力传感器以硅压力膜形变导致的电容变化作为输出信号，而MEMS压阻式压力传感器以硅压力膜表面的由压阻条构成的惠斯通电桥的电压变化作为输出信号，对比电容信号，电压信号的采集、处理更容易，相关电路结构更简单，因此MEMS压阻式压力传感器应用更广泛。

MEMS压阻式压力传感器芯片本身非常脆弱，极易在仓储、物流及使用的过程中受到损伤甚至破坏，尤其是当其工作在潮湿、粉尘、酸碱、高温等介质环境中时，更易被破坏，可靠的封装结构对于维持传感器的生命周期是十分必要的。目前普遍采用的压力变送的封装形式，压力传感器芯片被密封于充满硅油的结构中，外部压力通过不锈钢膜片或者直接通过硅油将压力传递到硅压力膜片上。这一封装形式虽然能够将外部工作介质与MEMS压力传感器芯片有效的隔离开，但是由于有机硅油的柔软性和可流动性，当用作振动或运动介质压力测量时，传感器本身也会有运动时，额外的加速度会使硅油变形、流动，对压力传感器芯片产生一个额外的压力，从而影响其精度和可靠性。典型的，这种封装形式不能用于转动的轮胎压力的监测。而且，这种封装本身也不可避免的会产生机械应力，影响传感器的稳定性及测量精度，充油工艺本身也较为复杂，难以控制。因此，研制一种更可靠、更简易的MEMS压力传感器封装形式是十分必要的。

中国发明专利申请：201010295903.9，一种气体压力传感器；中国发明专利CN101271029A，一种基于基板的硅压阻式压力传感器封装结构；这两个技术均采用压力变送的方法对压力传感器芯片进行封装，在芯片表面包覆了硅凝胶作为压力变送和保护隔离介质，但是这种封装方法亦如上述分析指出的那样，会带有残余应力，会因为惯性力产生多余应力，且工艺复杂不易大规模生产。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种封装结构的压力传感器及其制备方法，实现对整个传感器的有效保护。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括反面键合玻璃、硅片、正面键合玻璃、淡硼掺杂区、浓硼掺杂区、绝缘层、金属引线、中间层；所述硅片的正面通过掺杂制得淡硼掺杂区和浓硼掺杂区，所述硅片的背面通过刻蚀设有凹槽，所述凹槽的底部和淡硼掺杂区之间形成硅压力膜，所述绝缘层敷设在硅片的正面，所述金属引线设置在绝缘层的顶部，所述金属引线分别连接淡硼掺杂区和浓硼掺杂区，所述淡硼掺杂区形成四个压阻条，所述压阻条和金属引线构成惠斯通全桥结构，所述硅片的正面通过中间层与正面键合玻璃相键合；所述反面键合玻璃和硅片的背面键合，所述反面键合玻璃上正对硅压力膜的一面开设导气孔；所述正面键合玻璃上正对硅压力膜的部分开设空腔。

一种封装结构的压力传感器的制备方法，包括以下步骤：

(1)准备衬底单晶硅片；

(2)在单晶硅片的正面进行淡硼掺杂、浓硼掺杂，形成压阻条结构和浓硼掺杂区；

(3)在硅片的正面和反面都沉积绝缘层，并且在硅片的正面刻蚀出压阻条、浓硼掺杂区的电学接触孔；

(4)在硅片正面的绝缘层上沉积金属薄膜，通过图形化和刻蚀工艺将金属薄膜图形化，制得金属引线；

(5)在硅片正面的绝缘层上进行图形化，并沉积中间层薄膜，通过图形化得到键合用的中间层；

(6)在硅片的反面利用图形化和刻蚀将绝缘层图形化，并以此为掩膜，对硅片进行湿法腐蚀形成凹槽结构从而得到硅压力膜；

(7)将带有空腔的正面键合玻璃键合在硅片正面；

(8)将带有导气孔的反面键合玻璃键合在硅片反面，制得压力传感器。

所述金属引线材料选自Al、Au、Cu、Ni、Ag、Pt或者合金膜中的任一种。

所述绝缘层选自二氧化硅膜、氮化硅膜、二氧化硅、氮化硅复合膜、有机薄膜中的任一种，厚度范围为1nm～100μm。

所述图形化工艺选自光刻工艺、聚焦离子束刻蚀、激光扫描刻蚀工艺中的任一种；所述掺杂工艺选自离子注入掺杂、涂源扩散掺杂中的任一种。

所述步骤(3)中，沉积工艺选自氧化、低压化学气相沉积、等离子增强化学气相沉积、溶胶凝胶工艺、有机材料涂覆固化工艺中的任一种；沉积厚度范围为1nm～100μm。

所述步骤(4)中，金属薄膜沉积工艺选自溅射沉积、电子束蒸发沉积、加热蒸发沉积、电镀沉积、化学镀沉积、化学反应中的任一种，沉积厚度范围为1nm～100μm。

所述刻蚀工艺选自干法离子刻蚀、XeF气体腐蚀、湿法各向异性腐蚀、湿法各向同性腐蚀、聚焦离子束刻蚀、激光刻蚀中的任一种。

所述步骤(5)中，中间层薄膜选自二氧化硅膜、氮化硅膜、二氧化硅、氮化硅复合膜、不定型硅薄膜、多晶硅薄膜、有机薄膜或玻璃浆料薄膜中的任一种。

所述步骤(6)中，湿法腐蚀工艺选自四甲基氢氧化铵腐蚀、KOH腐蚀、有机液腐蚀中的任一种。

本发明利用制备在硅薄膜表面的扩散硅半导体压阻条组成惠斯通电桥进行压力测量，并利用硅玻璃键合工艺实现压力敏感单元的三明治结构封装，从而得到具有高可靠封装的MEMS压阻式压力传感器。

本发明的压力传感器芯片是玻璃-硅-玻璃三明治封装结构，这种封装结构基于成熟且可靠的硅玻璃键合工艺。芯片正面键合有一个带空腔的正面键合玻璃作为硅压力膜的正面保护结构，其中空腔位于硅压力膜的正上方，芯片背面键合有一个带导气孔的反面键合玻璃作为硅压力膜的背面保护及支撑机构，其中导气孔位于硅压力膜的正下方。硅压力膜及其表面的电桥电路都得到了有效保护，有利于压力传感器的长期可靠性和稳定性。

本发明相比现有技术具有以下优点：本发明的封装结构简单、紧凑，可靠性高，且制造工艺简单，能够实现圆片级封装，便于低成本、批量化生产。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的惠斯通全桥电路的等效电路图；

图3是本发明的制备流程图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图3所示，本实施例包括以下步骤：

(1)准备衬底单晶硅片；

(2)在单晶硅片的正面进行淡硼掺杂、浓硼掺杂，形成压阻条结构和浓硼掺杂区；

(3)在硅片的正面和反面都沉积绝缘层，并且在硅片的正面刻蚀出压阻条、浓硼掺杂区的电学接触孔；

(4)在硅片正面的绝缘层上沉积金属薄膜，通过图形化和刻蚀工艺将金属薄膜图形化，制得金属引线；

(5)在硅片正面的绝缘层上进行图形化，并沉积中间层薄膜，再图形化得到键合用的中间层；

(6)在硅片的反面利用图形化刻蚀将绝缘层图形化，并以此为掩膜，对硅片进行湿法腐蚀形成凹槽结构从而得到硅压力膜；

(7)将带有空腔的正面键合玻璃键合在硅片正面；

(8)将带有导气孔的反面键合玻璃键合在硅片反面，制得压力传感器。

本实施例的金属引线材料为Al，其他实施例中选用Au、Cu、Ni、Ag、Pt或者合金膜中的任一种。

本实施例的绝缘层为二氧化硅膜，其他实施例中选用氮化硅膜、二氧化硅、氮化硅复合膜、有机薄膜中的任一种，厚度范围为1nm～100μm。

本实施例的图形化工艺为光刻工艺，其他实施例中选用聚焦离子束刻蚀、激光扫描刻蚀工艺中的任一种；所述掺杂工艺选自离子注入掺杂、涂源扩散掺杂中的任一种。

步骤(3)中，沉积工艺为低压化学气相沉积，其他实施例中选用等离子增强化学气相沉积、溶胶凝胶工艺、有机材料涂覆固化工艺中的任一种；沉积厚度范围为1nm～100μm。

步骤(4)中，金属薄膜沉积工艺为溅射沉积，其他实施例中选用电子束蒸发沉积、加热蒸发沉积、电镀沉积、化学镀沉积、化学反应中的任一种，沉积厚度范围为1nm～100μm。

本实施例中刻蚀工艺为干法离子刻蚀，其他实施例中选用XeF气体腐蚀、湿法各向异性腐蚀、湿法各向同性腐蚀、聚焦离子束刻蚀、激光刻蚀中的任一种。

步骤(5)中，中间层薄膜为多晶硅薄膜，其他实施例中选用二氧化硅膜、氮化硅膜、二氧化硅、氮化硅复合膜、不定型硅薄膜、有机薄膜或玻璃浆料薄膜中的任一种。

步骤(6)中，湿法腐蚀工艺为四甲基氢氧化铵腐蚀，其他实施例中选用KOH腐蚀、有机液腐蚀中的任一种。

如图1所示，本实施例制得的传感器包括反面键合玻璃1、硅片2、正面键合玻璃4、淡硼掺杂区5、浓硼掺杂区9、绝缘层3、金属引线8、中间层7；所述硅片2的正面通过掺杂制得淡硼掺杂区5和浓硼掺杂区9，所述硅片2的背面通过刻蚀设有凹槽，所述凹槽的底部和淡硼掺杂区5之间形成硅压力膜，所述绝缘层3敷设在硅片2的正面，所述金属引线8设置在绝缘层3的顶部，所述金属引线8分别连接淡硼掺杂区5和浓硼掺杂区9，所述淡硼掺杂区5形成四个压阻条，所述压阻条和金属引线8构成惠斯通全桥结构，所述硅片2的正面通过中间层7与正面键合玻璃4相键合；所述反面键合玻璃1和硅片2的背面键合，所述反面键合玻璃1上正对硅压力膜的一面开设导气孔10；所述正面键合玻璃4上正对硅压力膜的部分开设空腔6。

如图2所示，当外部压力通过导气孔传递至硅压力膜致使其发生形变时，惠斯通电桥产生不平衡电压，并由金属引线8输出，从而实现压力传感。四个压阻条由导线相互连接构成惠斯通电桥，-V_DD及+V_DD为输入电压源，+V_out及-V_out即为输出电压信号。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种封装结构的压力传感器，其特征在于，包括反面键合玻璃、硅片、正面键合玻璃、淡硼掺杂区、浓硼掺杂区、绝缘层、金属引线、中间层；所述硅片的正面通过掺杂制得淡硼掺杂区和浓硼掺杂区，所述硅片的背面通过刻蚀设有凹槽，所述凹槽的底部和淡硼掺杂区之间形成硅压力膜，所述绝缘层敷设在硅片的正面，所述金属引线设置在绝缘层的顶部，所述金属引线分别连接淡硼掺杂区和浓硼掺杂区，所述淡硼掺杂区形成四个压阻条，所述压阻条和金属引线构成惠斯通全桥结构，所述硅片的正面通过中间层与正面键合玻璃相键合；所述反面键合玻璃和硅片的背面键合，所述反面键合玻璃上正对硅压力膜的一面开设导气孔；所述正面键合玻璃上正对硅压力膜的部分开设空腔。

2.一种如权利要求1所述的封装结构的压力传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)准备衬底单晶硅片；

(2)在单晶硅片的正面进行淡硼掺杂、浓硼掺杂，形成压阻条结构和浓硼掺杂区；

(3)在硅片的正面和反面都沉积绝缘层，并且在硅片的正面刻蚀出压阻条、浓硼掺杂区的电学接触孔；

(4)在硅片正面的绝缘层上沉积金属薄膜，通过图形化和刻蚀工艺将金属薄膜图形化，制得金属引线；

(5)在硅片正面的绝缘层上进行图形化，并沉积中间层薄膜，再图形化得到键合用的中间层；

(6)在硅片的反面利用图形化刻蚀将绝缘层图形化，并以此为掩膜，对硅片进行湿法腐蚀形成凹槽结构从而得到硅压力膜；

(7)将带有空腔的正面键合玻璃键合在硅片正面；

(8)将带有导气孔的反面键合玻璃键合在硅片反面，制得压力传感器。

3.根据权利要求1所述的一种封装结构的压力传感器的制备方法，其特征在于，所述金属引线材料选自Al、Au、Cu、Ni、Ag、Pt或者合金膜中的任一种。

4.根据权利要求1所述的一种封装结构的压力传感器的制备方法，其特征在于，所述绝缘层选自二氧化硅膜、氮化硅膜、二氧化硅、氮化硅复合膜、有机薄膜中的任一种，厚度范围为1nm～100μm。

5.根据权利要求1所述的一种封装结构的压力传感器的制备方法，其特征在于，所述图形化工艺选自光刻工艺、聚焦离子束刻蚀、激光扫描刻蚀工艺中的任一种；所述掺杂工艺选自离子注入掺杂、涂源扩散掺杂中的任一种。

6.根据权利要求1所述的一种封装结构的压力传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，沉积工艺选自氧化、低压化学气相沉积、等离子增强化学气相沉积、溶胶凝胶工艺、有机材料涂覆固化工艺中的任一种；沉积厚度范围为1nm～100μm。

7.根据权利要求1所述的一种封装结构的压力传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中，金属薄膜沉积工艺选自溅射沉积、电子束蒸发沉积、加热蒸发沉积、电镀沉积、化学镀沉积、化学反应中的任一种，沉积厚度范围为1nm～100μm。

8.根据权利要求1所述的一种封装结构的压力传感器的制备方法，其特征在于，所述刻蚀工艺选自干法离子刻蚀、XeF气体腐蚀、湿法各向异性腐蚀、湿法各向同性腐蚀、聚焦离子束刻蚀、激光刻蚀中的任一种。

9.根据权利要求1所述的一种封装结构的压力传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤(5)中，中间层薄膜选自二氧化硅膜、氮化硅膜、二氧化硅、氮化硅复合膜、不定型硅薄膜、多晶硅薄膜、有机薄膜或玻璃浆料薄膜中的任一种。

10.根据权利要求1所述的一种封装结构的压力传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤(6)中，湿法腐蚀工艺选自四甲基氢氧化铵腐蚀、KOH腐蚀、有机液腐蚀中的任一种。