CN106946211A - 一种梁膜机构的微机电系统压力传感器芯片及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种梁膜机构的微机电系统压力传感器芯片及其制备方法。包括玻璃衬底、n型单晶硅元件主体、隔离层、保护层；n型单晶硅元件主体的外缘支撑在玻璃衬底的上方，n型单晶硅元件主体的中部为镂空结构，使二者之间形成密闭空腔；密闭空腔的顶壁面设有膜片感压结构；膜片感压结构分成平模层和梁膜机构层；梁膜机构层由田字形谐振梁和半岛谐振梁构成，梁膜机构具有线性度好、灵敏度高等优点。压敏电阻采用单晶硅材料，同时感压膜与压敏电阻之间设有隔离层，进一步提高了灵敏度和温度特性，克服了现有技术中由于温度过高，而导致传感器失效等缺陷。本传感器制备工艺简便易行、成本低廉，易于集成化和小型化。

Description

一种梁膜机构的微机电系统压力传感器芯片及其制备方法
技术领域
本发明涉及压力传感器，尤其涉及一种梁膜机构的微机电系统压力传感器芯片及其制备方法。
背景技术
微机电系统(MEMS)压力传感器主要分为电容式和电阻式，电容式由于工艺复杂，成本高。现在MEMS压力传感器主要用来硅压阻式，压阻式传感器具有体积小，可靠性高，成本低，适合批量生产的特点。
MEMS压力传感器的电阻芯片是根据半导体材料硅的压阻效应。将半导体硅扩散到基片上，组成了惠斯通电桥，压敏电阻受机械应力的时候通过惠斯通电桥，将压力转换成电压输出。传感器压敏电桥采用p型扩散电阻，弹性膜用n型,电阻与弹性膜之间靠反偏p-n结隔离,当工作温度超过125℃时,p-n结漏电流加剧,使传感器特性严重失效。压敏电阻常用是单晶硅或者多晶硅材料，由于多晶硅高温压力传感器采用掺杂多晶硅做应变电阻,而多晶硅具有结构上的长程无序性,使得多晶硅的压阻系数要明显小于单晶硅的压阻系数,因而多晶硅电阻膜的灵敏度要小于单晶硅电阻膜的灵敏度。
通常，微压力传感器的膜片按机构分为平模机构和岛膜机构两种。
对于平模机构，如果减少膜片厚度可以提高灵敏度；然而，其挠度相对于膜片厚度大幅增加。
采用岛膜机构可以大幅降低传感器的挠度，通过增加膜片尺寸来补偿灵敏度的输出，但是传感器尺寸也相应增加。
针对以上两种膜片机构的不足，很多种梁膜机构样式被提出，但它们还有很多存在的问题：传感器体积小和感压膜薄，线性度稍差，温度特性好但是灵敏度比底，膜片的应力大但是挠度增加。
硅压电阻式压力传感器加工方法主要分为表面微机械加工和体微机械加工技术两种。表面微机械加工技术成本低，容易集成和小型化。体硅微机械加工技术特点是工艺成熟，但不容易集成化和小型化。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种梁膜机构的微机电系统压力传感器芯片及其制备方法。
本发明通过下述技术方案实现：
一种梁膜机构的微机电系统压力传感器芯片，包括如下部件：
玻璃衬底1；
n型单晶硅元件主体2；
隔离层5；
保护层6；
所述n型单晶硅元件主体2的外缘支撑在玻璃衬底1的上方，n型单晶硅元件主体2的中部为镂空结构3，使二者之间形成密闭空腔；密闭空腔的顶壁面4设有膜片感压结构；
所述隔离层5设置在n型单晶硅元件主体2与膜片感压结构之间；
所述保护层6设置在隔离层5上方；
所述膜片感压结构上设有四个p型单晶硅压敏电阻7，该四个p型单晶硅压敏电阻7通过金属导线连接成惠斯通电桥，用于将施加在其应变区域的机械压力转换成电压数据输出。
所述膜片感压结构分成平模层和梁膜机构层；
所述梁膜机构层由田字形谐振梁11和半岛谐振梁10构成；
所述四个p型单晶硅压敏电阻7分布在半岛谐振梁10上。
所述引线区分布在梁膜机构层的外围，它由五个金属接线端子9构成；
通过这五个金属接线端子9及金属引线8的组合，将p型单晶硅压敏电阻7连接成惠斯通电桥。
所述镂空结构3的剖面形状呈等腰梯形结构。
本发明梁膜机构的微机电系统压力传感器芯片的制备方法，如下：
对n型单晶硅元件主体2进行氧化处理；
然后用光刻腐蚀和离子注入的方法制备出p型单晶硅压敏电阻7；
在p型单晶硅压敏电阻7上覆盖保护层6；
接着对n型单晶硅元件主体2的背面进行深硅刻蚀，以获得镂空结构3；
然后对n型单晶硅元件主体2的正面光刻腐蚀出p型单晶硅压敏电阻7的引线区；
再通过金属溅射的方法布好金属引线8，并对梁膜机构层进行刻蚀；
将n型单晶硅元件主体2与(Pyrex)玻璃衬底1键合形成密闭参考压力腔，即使二者之间形成密闭空腔；
最后通过键合方法将金属引线8与金属接线端子9之间连接；
完成梁膜机构的微机电系统压力传感器芯片的制备。
本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果：
本发明梁膜机构的微机电系统压力传感器芯片，采用了梁膜机构，线性度好、灵敏度高。
压敏电阻采用单晶硅材料，同时感压膜与压敏电阻之间设有隔离层，进一步提高了灵敏度和温度特性，克服了现有技术中由于温度过高，而导致传感器失效等缺陷。
本发明制备工艺简便易行、成本低廉，易于集成化和小型化。
附图说明
图1是本发明梁膜机构的微机电系统压力传感器芯片的结构示意图。
图2是本发明膜片感压结构的示意图。
图3是本发明p型单晶硅压敏电阻的电路接线图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述。
如图1至3所示。本发明公开了一种梁膜机构的微机电系统压力传感器芯片，包括如下部件：
玻璃衬底1；
n型单晶硅元件主体2；
隔离层5(SiO2)；
保护层6(Si3N4)；
所述n型单晶硅元件主体2的外缘支撑在玻璃衬底1的上方，n型单晶硅元件主体2的中部为镂空结构3，使二者之间形成密闭空腔；密闭空腔的顶壁面4设有膜片感压结构；
所述隔离层5设置在n型单晶硅元件主体2与膜片感压结构之间；
所述保护层6设置在隔离层5上方；
所述膜片感压结构上设有四个p型单晶硅压敏电阻7，该四个p型单晶硅压敏电阻7通过金属导线连接成惠斯通电桥，用于将施加在其应变区域的机械压力转换成电压数据输出。
所述膜片感压结构分成平模层和梁膜机构层；
所述梁膜机构层由田字形谐振梁11和半岛谐振梁10构成；
所述四个p型单晶硅压敏电阻7分布在半岛谐振梁10上。
所述引线区分布在梁膜机构层的外围，它由五个金属接线端子9构成；
通过这五个金属接线端子9及金属引线8的组合，将p型单晶硅压敏电阻7连接成惠斯通电桥。
所述镂空结构3的剖面形状呈等腰梯形结构。
本发明梁膜机构的微机电系统压力传感器芯片的制备方法，如下：
对n型单晶硅元件主体2进行氧化处理；
然后用光刻腐蚀和离子注入的方法制备出p型单晶硅压敏电阻7；
在p型单晶硅压敏电阻7上覆盖保护层6；
接着对n型单晶硅元件主体2的背面进行深硅刻蚀，以获得镂空结构3；
然后对n型单晶硅元件主体2的正面光刻腐蚀出p型单晶硅压敏电阻7的引线区；
再通过金属溅射的方法布好金属引线8，并对梁膜机构层进行刻蚀；
将n型单晶硅元件主体2与(Pyrex)玻璃衬底1键合形成密闭参考压力腔，即使二者之间形成密闭空腔；
最后通过键合方法将金属引线8与金属接线端子9之间连接；
完成梁膜机构的微机电系统压力传感器芯片的制备。
当压力作用在0-10kPa范围内变化时，密闭空腔的顶壁面4发生弯曲，膜片应作用于压敏电阻效应，惠斯通电桥出差动电压信号与压力值对应。
当测量时通过隔离层的绝缘作用，实现p型单晶硅压敏电阻7间的电气隔离，解决了p-n结隔离压力传感器温度高于125℃时的失效问题。
如上所述，便可较好地实现本发明。
本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种梁膜机构的微机电系统压力传感器芯片，其特征在于：包括如下部件：
玻璃衬底(1)；
n型单晶硅元件主体(2)；
隔离层(5)；
保护层(6)；
所述n型单晶硅元件主体(2)的外缘支撑在玻璃衬底(1)的上方，n型单晶硅元件主体(2)的中部为镂空结构(3)，使二者之间形成密闭空腔；密闭空腔的顶壁面(4)设有膜片感压结构；
所述隔离层(5)设置在n型单晶硅元件主体(2)与膜片感压结构之间；
所述保护层(6)设置在隔离层(5)上方；
所述膜片感压结构上设有四个p型单晶硅压敏电阻(7)，该四个p型单晶硅压敏电阻(7)通过金属导线连接成惠斯通电桥，用于将施加在其应变区域的机械压力转换成电压数据输出。
2.根据权利要求1所述梁膜机构的微机电系统压力传感器芯片，其特征在于：
所述膜片感压结构分成平模层和梁膜机构层；
所述梁膜机构层由田字形谐振梁(11)和半岛谐振梁(10)构成；
所述四个p型单晶硅压敏电阻(7)分布在半岛谐振梁(10)上。
3.根据权利要求2所述梁膜机构的微机电系统压力传感器芯片，其特征在于：引线区分布在梁膜机构层的外围，它由五个金属接线端子(9)构成；
通过这五个金属接线端子(9)及金属引线(8)的组合，将p型单晶硅压敏电阻(7)连接成惠斯通电桥。
4.根据权利要求3所述梁膜机构的微机电系统压力传感器芯片，其特征在于：所述镂空结构(3)的剖面形状呈等腰梯形结构。
5.权利要求4所述梁膜机构的微机电系统压力传感器芯片的制备方法，其特征在于：
步骤一：对n型单晶硅元件主体(2)进行氧化处理；
步骤二：然后用光刻腐蚀和离子注入的方法制备出p型单晶硅压敏电阻(7)；
步骤三：在p型单晶硅压敏电阻(7)上覆盖保护层(6)；
步骤四：接着对n型单晶硅元件主体(2)的背面进行深硅刻蚀，以获得镂空结构(3)；
步骤五：然后对n型单晶硅元件主体(2)的正面光刻腐蚀出p型单晶硅压敏电阻(7)的引线区；
步骤六：再通过金属溅射的方法布好金属引线(8)，并对梁膜机构层进行刻蚀；
步骤七：将n型单晶硅元件主体(2)与玻璃衬底(1)键合形成密闭参考压力腔，即使二者之间形成密闭空腔；
步骤八：最后通过键合方法将金属引线(8)与金属接线端子(9)之间连接；完成梁膜机构的微机电系统压力传感器芯片的制备。
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