CN107941407A - 一种微压高过载传感器芯片 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微压高过载传感器芯片，包括由下至上依次叠置的基底、器件层和氧化层，其中设有多个第一上凹槽和多个第二上凹槽，形成一个上部中心岛、多个上部辐射岛、多根敏感梁、多根引线梁、一个环形梁和一个上部衬底；器件层的下表面上形成有下凹槽，一个下部中心岛、多个下部辐射岛和一个下部衬底；基底中设有能够供下部中心岛和下部辐射岛下移时自由进入的通孔。本发明解决了现有技术中因应力敏感区与高应力区重叠在一起而导致的传感器的灵敏度与过载阻抗之间矛盾的问题，有利于灵敏度与过载阻抗的同步提升，并显著地改善传感器的动态特性。

Description

一种微压高过载传感器芯片

技术领域

本发明属于压阻式压力传感器技术领域，具体涉及一种微压高过载传感器芯片。

背景技术

随着我国对制造业重点发展领域的大力推进，传感器作为必不可少的基础技术和装备核心备受关注，尤其，基于MEMS技术的微压传感器在航空航天、先进轨道交通等制造业重点发展领域需求迫切，已成为国内外研究热点。

在航空航天领域，微压传感器具有高可靠性与隐蔽性的特点，在监测飞行器处于近真空环境下的高度、保障飞行轨道调整准确、确保飞行安全方面不可或缺。气压高度信息的精确测量对传感器灵敏度提出了较高要求。同时，由于地面和高空的气压差较大，用于高空微压测量的小量程传感器在承受地面大气压高过载时极易破碎。此外，飞行器的振动干扰也会对微压的测量精度产生影响。

在先进轨道交通方面，微压传感器对监测动车疲劳状态、保障行车安全具有重要意义。当列车高速通过隧道或两车交会时，列车尾部过渡区及底部裙板会产生一定负压。在交变气动载荷作用下，焊缝附近、结构不连续部位以及开孔接管等区域常常会产生很高的循环应力，导致车体发生疲劳断裂。为预防车体发生疲劳断裂事故，风压的准确监测尤为关键，这对传感器灵敏度提出了较高要求。同时，列车在高速通过隧道或两车交会时产生的瞬时高过载易导致传感器芯体结构发生破损失效。此外，列车振动干扰信号也会影响传感器测量精度。

综上，研制具备高灵敏度、高过载阻抗以及优异动态特性的微压传感器对促进制造业的快速发展意义重大。

压阻式压力传感器利用半导体材料的压阻效应制成，是目前研究最广泛、工艺最成熟的MEMS器件，已得到了广泛的应用。

典型的压阻式压力传感器的工作原理是通过在感压膜片的敏感区掺杂压敏电阻条的方式构成惠斯通电桥，当有外界压力施加在感压膜片上时，感压膜片会产生挠曲变形致使作用于压敏电阻条的应力发生改变，最后将因应力作用而改变的压敏电阻条的阻值经由惠斯通电桥转化为输出电压，根据输出电压与压力值间的标定关系实现对外界压力的测量。

为了获得较高的灵敏度，压阻式压力传感器通常需将压敏电阻条布置于感压膜片上的应力敏感区，而该区域在过载下往往会产生更高的应力，应力敏感区与过载所致高应力区的重叠导致了灵敏度与过载阻抗之间的矛盾。一方面，为了提升传感器的灵敏度需增大敏感区的应力，另一方面，为了提高传感器的过载阻抗又需抑制敏感结构上的应力峰值，如何解决灵敏度与过载阻抗之间的矛盾，是亟需突破的技术难题。此外，利用深刻蚀得到的质量块作为过载保护装置明显地加大了结构的等效质量，进而极大地制约了传感器动态特性的提升。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明提供一种微压高过载传感器芯片，致力于解决现有技术中存在的因应力敏感区与过载所致高应力区重叠而导致的灵敏度与过载阻抗间矛盾的问题。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

本发明提供一种微压高过载传感器芯片，包括由下至上依次叠置的基底、器件层和氧化层，设有从氧化层的上表面贯穿至所述器件层的上部的多个第一上凹槽和多个第二上凹槽，所有第二上凹槽整体呈围绕所有第一上凹槽的环形布置，在所述第二上凹槽的外侧形成相对于所述第二上凹槽的槽底向上凸出的一个上部衬底，所有所述第一上凹槽彼此间隔地环向分布，所有所述第二上凹槽彼此间隔设置，在每相邻两个所述第二上凹槽之间形成引线梁，所述第一上凹槽和所述第二上凹槽之间间隔设置且在两者之间形成环形梁，所有第一上凹槽组合后的形状构造为：使叠置在一起的氧化层和器件层中形成相对于所述第一上凹槽的槽底向上突出的一个上部中心岛、多个上部辐射岛和多根敏感梁，所有所述上部辐射岛环绕在所述上部中心岛周围，每个所述上部辐射岛通过一根所述敏感梁与所述上部中心岛连接；所述器件层的下表面上形成有下凹槽，所述下凹槽的形状构造为：使所述器件层的下部中形成相对于所述下凹槽的槽底向下凸出的一个下部中心岛、多个下部辐射岛和一个下部衬底，所述下部衬底包围所述下凹槽，所述下凹槽包围所述下部中心岛和所述下部辐射岛，所有所述下部辐射岛环绕在所述下部中心岛的周围，并且所述下部中心岛与所述上部中心岛上下对应，所有下部辐射岛和所有上部辐射岛上下一一对应；所述基底中设有能够供所述下部中心岛和所述下部辐射岛下移时自由进入的通孔，在平行于所述基底的平面的投影中，所述通孔的边缘的投影和所述第二上凹槽的投影全部位于所述下凹槽的投影内。

作为本发明的进一步改进，在平行于所述基底的平面的投影中，所述下部中心岛和所述下部辐射岛的边缘的投影距所述通孔的边缘的投影的最小距离为30-50μm；下凹槽的槽底与基底的上表面之间的间隙为10-30μm。

作为本发明的进一步改进，四个上部辐射岛和四根敏感梁均匀围绕上部中心岛。

作为本发明的进一步改进，四根引线梁围绕环形梁均匀布置，并且四根引线梁与四根敏感梁之间周向错开45°角。

作为本发明的进一步改进，按照每根敏感梁的应力分布规律在每根敏感梁上的应力敏感区布置一个压敏电阻条，氧化层上还设有金属引线及焊盘，四根敏感梁上的共四个压敏电阻条通过金属引线相互连接组成开环惠斯通电桥，开环惠斯通电桥的输出端与焊盘相连。

作为本发明的进一步改进，四根敏感梁沿着相互垂直的两晶向设置，四个压敏电阻条均由两折相同的压敏电阻组成且沿着剪切压阻系数最大的同一晶向布置。

作为本发明的进一步改进，上部中心岛和下部中心岛均为圆形；上部辐射岛和下部辐射岛均为扇形，同时上部辐射岛和下部辐射岛的短弧边均相应地朝向上部中心岛和下部中心岛；环形梁为圆环形；所有第二上凹槽和所有引线梁整体形成圆环形；下凹槽的内周面为圆周面。

作为本发明的进一步改进，上部中心岛和下部中心岛在平行于基底平面的投影中完全重合；上部辐射岛和下部辐射岛在平行于基底平面的投影中完全重合。

作为本发明的进一步改进，因第一上凹槽、第二上凹槽和下凹槽的设置，在氧化层和器件层中对应于下凹槽的垂直部分内形成的位于上凹槽与下凹槽之间的等厚薄片构成感压膜片，感压膜片的厚度为10-30μm。

作为本发明的进一步改进，敏感梁、引线梁和环形梁的厚度均为10-40μm。

作为本发明的进一步改进，敏感梁、引线梁和环形梁的厚度相同。

作为本发明的进一步改进，上部中心岛、上部辐射岛、敏感梁、环形梁、引线梁和上部衬底的上表面均位于同一平面内；下部中心岛、下部辐射岛和下部衬底的下表面均位于同一平面内。

(三)有益效果

本发明的有益效果是：

本发明的传感器芯片中的岛结构设置为辐射状，即包括一个上部中心岛、一个与上部中心岛对应的下部中心岛、多个上部辐射岛和多个与上部辐射岛对应的下部辐射岛，且上部辐射岛环绕在上部中心岛的周围，下部辐射岛环绕在下部中心岛的周围，这样通过辐射岛(上部辐射岛和下部辐射岛)与中心岛(上部中心岛和下部中心岛)间形成的对敏感梁的刚性约束，可提高敏感梁在外界压力作用下的应变，同时根据感压膜片的中心位置在外界压力作用下挠度最大的特点，通过将敏感梁设置于靠近感压膜片的中心位置，可进一步提高敏感梁的应变，从而可显著地提高传感器的灵敏度。并且，通过在基底上加工有通孔，加之下凹槽与基底之间形成带有间隙的腔体，基底可为岛结构产生向下的位移提供活动空间，同时在岛结构向下产生一定位移后，感压膜片(因第一上凹槽、第二上凹槽和下凹槽的设置，在氧化层和器件层中对应于下凹槽的垂直部分内形成的位于上凹槽与下凹槽之间的等厚薄片构成感压膜片)会抵靠在基底上，基底可对感压膜片起到限位保护的作用。

其中，当传感器芯片处于工作状态时，感压膜片在微压作用下会发生微小挠曲变形，基底上的通孔可为下部辐射岛和下部中心岛提供自由活动空间，此时感压膜片不与基底发生接触，应力敏感区分布在敏感梁附近。当传感器芯片处于过载状态时，感压膜片开始产生大挠度变形，基底上的通孔可为下部辐射岛和下部中心岛提供自由活动空间，感压膜片逐渐与基底发生接触，此时基底对感压膜片的充分支撑缓解了感压膜片中心区域附近对外界压力的承载，从而有效地降低了敏感梁所在区域的应力。因感压膜片的外边缘部分与基底不接触而继续承受外界压力，此时感压膜片的外边缘部分成为过载所致高应力区。由此实现了将高应力区由敏感梁所在区域转移至感压膜片的外边缘部分，避免了因敏感梁对过载所致高应力的进一步杠杆放大效应而导致的敏感结构破坏失效的问题，从而可明显地提高传感器的过载阻抗。

综上，本发明通过将应力敏感区与过载所致高应力区分离，解决了现有技术中因应力敏感区与高应力区重叠在一起而导致的传感器的灵敏度与过载阻抗之间矛盾的问题，实现了灵敏度与过载阻抗的同步提升。

附图说明

图1为如下具体实施方式提供的微压高过载传感器芯片的轴测示意图；

图2为图1中示出的微压高过载传感器芯片的俯视示意图；

图3为图2中示出的微压高过载传感器芯片在A-A截面的剖视示意图；

图4为图1中示出的微压高过载传感器芯片的一个结构示意图，其中未示出基底，并且主要以斜线示出了感压膜片；

图5为图1中示出的微压高过载传感器芯片的器件层的仰视示意图；

图6为图1中示出的微压高过载传感器芯片的基底的仰视示意图；

图7为图1中示出的微压高过载传感器芯片中形成的开环惠斯通电桥的连接方式示意图；

图8为图1中示出的微压高过载传感器芯片处于工作状态下的应力分布图；

图9为图1中示出的微压高过载传感器芯片处于过载状态下的应力分布图；

图10-图15为图1中示出的微压高过载传感器芯片的加工工艺流程示意图。

【附图标记说明】

1：氧化层；2：器件层；3：基底；4：第一上凹槽；5：第二上凹槽；6：上部衬底；7：引线梁；8：环形梁；9：上部中心岛；10：上部辐射岛；11：敏感梁；处于工作状态下的应力敏感区：11-1、11-2、11-3、11-4；12：下凹槽；下凹槽的一部分：12a、12b、12c、12d；处于过载状态下的高应力区：12-1、12-2、12-3、12-4；13：下部中心岛；14：下部辐射岛：15：下部衬底；16：通孔；16'：盲孔；17：压敏电阻条；17'：重掺杂剖面；18：金属引线；18'：金属引线剖面；19：焊盘；20：SOI基底层。

具体实施方式

为了更好地解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

参考图1至图6，本实施例中提供一种微压高过载传感器芯片。该传感器芯片包括由下至上依次叠置的基底3、器件层2和氧化层1，三者形成一体器件。需要说明的是，这里所指的微压的范围为0-500Pa；这里所指的高过载范围是200-500倍满量程。这里所指定的微压和高过载的范围可作参考，具体以本领域技术人员所公知的范围为准。

其中，氧化层1为二氧化硅绝缘层；器件层2的材料为单晶硅；基底3的材料优选为体硅。从氧化层1的上表面贯穿至器件层2的上部设有多个第一上凹槽4和多个第二上凹槽5，即每个第一上凹槽4穿过氧化层1进入到器件层2中，形成为位于氧化层1中的贯通槽和位于器件层2中的凹槽；类似地，每个第二上凹槽5穿过氧化层1进入到器件层2中，形成为位于氧化层1中的贯通槽和位于器件层2中的凹槽。所有第二上凹槽5整体呈围绕所有第一上凹槽4的环形布置，在第二上凹槽5的外侧形成相对于第二上凹槽5的槽底向上凸出的上部衬底6，上部衬底6环绕第二上凹槽5。所有第一上凹槽4彼此间隔地环向分布，所有第二上凹槽5彼此间隔地环向分布，在每相邻两个第二上凹槽5之间形成引线梁7，由此，引线梁7的两个相对的垂直侧壁分别构成其两侧第二上凹槽5的周向上的侧壁，第一上凹槽4和第二上凹槽5之间间隔设置，并且在第二上凹槽5和第一上凹槽4之间形成环形梁8，由此，环形梁8的径向排列的两侧壁分别构成其两侧的第一上凹槽4和第二上凹槽5的径向排列的侧壁，并且，引线梁7位于上部衬底6和环形梁8之间并与二者连接。

所有第一上凹槽4组合后的形状构造为：使叠置在一起的氧化层1和器件层2中形成相对于第一上凹槽4的槽底向上突出的一个上部中心岛9、多个上部辐射岛10和多根敏感梁11。所有上部辐射岛10环绕在上部中心岛9的周围，每个上部辐射岛10通过一根敏感梁11与上部中心岛9连接，即上述多个上部辐射岛10和多根敏感梁11是一一对应连接的。其中，需要说明的是，这里所说的辐射是指多个上部辐射岛10围绕上部中心岛9的分布状态，这里所说的中心并不是指严格意义上的几何中心，而是指上部中心岛9被多个上部辐射岛10所围绕。其中优选地，敏感梁11的长度为100-200μm。

器件层2的下表面上形成有下凹槽12，下凹槽12的形状构造为：使器件层2的下部中形成相对于下凹槽12的槽底向下凸出的一个下部中心岛13、多个下部辐射岛14和一个下部衬底15。下部衬底15包围下凹槽12，下凹槽12包围下部中心岛13和下部辐射岛14，所有下部辐射岛14环绕在下部中心岛13的周围，并且下部中心岛13与上部中心岛9上下对应，所有下部辐射岛14和所有上部辐射岛10上下一一对应。需要说明的是，这里所说的上下对应仅表示位置上的上下对应，并不局限于形状或大小上的对应。

进一步可选地，上部中心岛9和下部中心岛13在平行于基底3的平面的投影中完全重合，即上部中心岛9和下部中心岛13的形状和外周大小也相同；上部辐射岛11和下部辐射岛14在平行于基底3的平面的投影中完全重合，即上部辐射岛11和下部辐射岛14的形状和外周大小也相同。

通过上述描述，因上凹槽(第一上凹槽4和第二上凹槽5)和下凹槽12的设置，在氧化层1和器件层2中对应于下凹槽12的垂直部分内形成的位于上凹槽和下凹槽12之间的等厚薄片构成感压膜片。需要说明的是，上凹槽仅是限定了感压膜片的上表面的位置，即限制了感压膜片的高度，而并不限定感压膜片的周向边缘位置。可以理解，氧化层1和器件层2中因设有上凹槽和下凹槽12而形成具有厚度较薄的部分以及厚度较厚的部分，以氧化层1和器件层2中上凹槽的最低点和下凹槽12的最高点之间的部分为参照沿径向向外侧扩展至与下凹槽12的外边缘对齐的区域形成的等厚的膜片即构成感压膜片，其中，器件层2中位于感压膜片的上侧的部分为器件层2的上部，器件层2中位于感压膜片下侧的部分为器件层2的下部。感压膜片完全位于器件层2中，感压膜片的上表面与上凹槽的槽底所在的平面重合，感压膜片的下表面与下凹槽12的槽底所在的平面重合。该感压膜片连同其上表面的上部中心岛9、敏感梁11、上部辐射岛10、环形梁8、引线梁7以及第二上凹槽5的外边缘到下凹槽12的外边缘这部分的上表面区域一起用于感测外界作用的压力。具体地，参照图4，图4中所示意出的带有斜线的等厚的区域即为感压膜片，这里需要说明的是，图4仅是为了示意出感压膜片的区域，该图中的斜线仅仅是示意的作用，并不是剖面线，且与图3中的剖面线没有任何关联。同时需要说明的是，图3和图4中以标号示出的12a、12b、12c和12d均为下凹槽12的一部分，在此仅为了示意更加方便。

优选地，该感压膜片的厚度为10-30μm。本实施例中采用SOI晶圆，利用SOI晶圆的氧化层作为钝化层，可保证刻蚀的均匀性，从而有效地控制感压膜片的厚度，这有利于以较高的成品率获得厚度较薄的感压膜片，从而进一步提高应力敏感区的应变，以提高传感器的灵敏度。

基底3中设有能够供下部中心岛13和下部辐射岛14下移时进入的通孔16，在平行于基底3的平面的投影中，通孔16的边缘的投影全部位于下凹槽12的投影内，第二上凹槽5的投影全部位于下凹槽12的投影内。由此，基底3可为岛结构的下移提供活动空间，同时便于引入参考压力。

优选地，通孔16的形状与下部中心岛13和下部辐射岛14组成的外部轮廓相匹配。需要说明的是，这里所说的相匹配是指在平行于基底3的平面的投影中，下部中心岛13和下部辐射岛14的边缘的投影需位于通孔16的边缘的投影的范围内，且距通孔16的边缘的投影的最小距离为30-50μm，以便于下部辐射岛14自由地进入到通孔16中，通孔16的形状并不局限于此。在平行于基底3的平面的投影中，通孔16的边缘的投影需全部位于下凹槽12的投影内。

可以理解，在本实施例的传感器芯片中，岛结构设置为辐射状，即包括一个上部中心岛9、一个与上部中心岛9对应的下部中心岛13、多个上部辐射岛10和多个与上部辐射岛10对应的下部辐射岛14，且上部辐射岛10环绕在上部中心岛9的周围，下部辐射岛14环绕在下部中心岛13的周围，这样通过辐射岛(上部辐射岛10和下部辐射岛14)与中心岛(上部中心岛9和下部中心岛13)间形成的对敏感梁11的刚性约束，可提高敏感梁11在外界压力作用下的应变，同时根据感压膜片的中心位置在外界压力作用下挠度最大的特点，通过将敏感梁11设置于靠近感压膜片的中心位置，可进一步提高敏感梁的应变，从而可显著地提高传感器的灵敏度。通过在基底3上加工有通孔16，加之下凹槽12与基底3之间形成有间隙的腔体，基底3可为岛结构(下部中心岛13和下部辐射岛14)产生向下的位移提供活动空间，同时在岛结构向下产生一定位移后，感压膜片(因上凹槽和下凹槽12的设置，在氧化层1和器件层2中对应于下凹槽12的垂直部分内形成的位于上凹槽和下凹槽12之间的等厚薄片构成感压膜片)会抵靠在基底上，基底可对感压膜片起到限位保护的作用。

因此，当传感器芯片处于工作状态时，感压膜片在微压作用下会发生微小挠曲变形，基底3上的通孔16可为岛结构提供自由活动空间，此时感压膜片不发生与基底3的接触，应力敏感区分布在敏感梁11附近。当传感器芯片处于过载状态时，感压膜片开始产生大挠度变形，基底3上的通孔16可为岛结构提供自由活动空间，感压膜片逐渐与基底3发生接触，此时基底3对感压膜片的支撑缓解了感压膜片中心区域附近对外界压力的承载，从而有效地降低了敏感梁11所在区域的应力。因感压膜片的外边缘部分与基底3不接触而继续承受外界压力，此时感压膜片的外边缘部分成为过载所致高应力区。由此实现了将高应力区由敏感梁11所在区域转移至感压膜片的外边缘部分，避免了因敏感梁11对过载所致高应力的进一步杠杆放大效应而导致的敏感结构破坏失效的问题，从而可明显地提高传感器的过载阻抗。

综上，本实施例通过将应力敏感区与过载所致高应力区分离，解决了现有技术中因应力敏感区与高应力区重叠在一起而导致的传感器的灵敏度与过载阻抗之间矛盾的问题，实现了灵敏度与过载阻抗的同步提升。

进一步地，器件层2的下表面与基底3的上表面通过键合形成由下凹槽12和基底3的上表面围合形成的腔体，此时下凹槽12的槽底与基底3的上表面之间形成有间隙。优选地，该间隙为10-30μm。本实施例采用基底3的上表面作为限位保护装置，可有效地承托感压膜片，降低感压膜片在高过载下的挠度，减小感压膜片边缘的应变，从而可提高传感器的抗过载能力。与现有技术相比，如现有技术CN102636298B一种梁膜四岛结构微压高过载传感器芯片，该专利中采用较厚的质量块作为限位保护装置，对感压膜片支撑不充分，质量块未支撑到的感压膜片部分在高过载下会发生较大挠曲变形(因深刻蚀，质量块较厚，腔体较深，该基底无法对这部分感压膜片进行有效承托)，尤其，感压膜片边缘的敏感梁会产生应力集中，进一步放大感压膜片在这一区域的应力，从而制约了传感器过载阻抗的进一步提升。同时，厚质量块的引入明显地加大了结构的等效质量，从而严重地制约了结构谐振频率的提升，并致使结构易受振动加速度干扰，影响压力测量精度。本实施例有利于提高过载阻抗，抑制振动加速度干扰，并提升谐振频率，从而全面地改善传感器的性能。与此同时，由于敏感梁11、环形梁8、引线梁7、上部辐射岛10、下部辐射岛14、上部中心岛9和下部中心岛13的存在，增大了结构整体刚度，进而改善了传感器的线性。

进一步优选地，上部辐射岛10和敏感梁11均设四个，且四个上部辐射岛10和四根敏感梁11围绕上部中心岛9均匀布置。

进一步优选地，引线梁7共设四个，且四根引线梁7围绕环形梁8均匀布置。

进一步地，按照每根敏感梁11的应力分布规律，在每根敏感梁11上的应力敏感区(传感器芯片处于工作状态时应力较大的区域)布置一个压敏电阻条17，氧化层1上设有金属引线18及焊盘19，四根敏感梁11上的共四个压敏电阻条17通过金属引线18相互连接组成开环惠斯通电桥，开环惠斯通电桥的输出端与焊盘19相连，具体的开环惠斯通电桥的连接方式如图7所示，其中，输出电压在图7中以V_out示出，输入电流以I示出。优选地，开环惠斯通电桥采用恒流源供电，以降低温度漂移的影响，从而提高传感器的稳定性。

进一步更优选地，四根敏感梁11沿着相互垂直的两晶向设置，四个压敏电阻条17均由两折相同的压敏电阻组成且沿着剪切压阻系数最大的同一晶向布置。(在本实施例中沿着(100)晶面的<110>晶向)布置，以提高输出电压，从而提高灵敏度。本实施例的压敏电阻条17的形式并不局限于两折。

进一步优选地，四根引线梁7与四根敏感梁11之间周向错开45°角布置。可以理解，引线梁7的作用是为了引线而设置的，并不需要获得高灵敏度，与敏感梁11错开45°布置可避开剪切压阻系数最大的晶向，以提高引线梁7承受过载的能力。

进一步优选地，上部中心岛9和下部中心岛13均为圆形，上部辐射岛10和下部辐射岛14均为扇形，并且上部辐射岛10的短弧边朝向上部中心岛9，下部辐射岛14的短弧边朝向下部中心岛13，环形梁8为圆环形，所有第二上凹槽5和所有引线梁7整体形成圆环形围绕环形梁8，下凹槽12的内周面(即形成下部衬底15的侧壁的闭合侧面)为圆周面。可以理解，下凹槽12采用圆形凹槽，相比于方形而言，避免了方形尖角引起的应力集中，进而有利于过载阻抗的提高。

进一步优选地，上部中心岛9、上部辐射岛10、敏感梁11、环形梁8、引线梁7和上部衬底6的上表面均位于同一平面内，下部中心岛13、下部辐射岛14和下部衬底15的下表面均位于同一平面内，以便于微加工工艺一次刻蚀成形。更优选地，敏感梁11、引线梁7和环形梁8的厚度均为10-40μm。

进一步优选地，金属引线18及焊盘19采用Ti-Pt-Au多层引线技术。具体地，将Ti置于底层与四个压敏电阻条17连接，以降低接触电阻，并提高金属引线18与氧化层1的粘附可靠性性；Pt置于中间作为阻挡层，以隔离Ti与Au；Au置于上层作为引线键合层，以提高金属引线18的稳定性并有利于金属引线18的键合。采用Ti-Pt-Au多层引线技术可保证在恶劣环境下，引线键合的可靠性。

进一步地，结合传感器敏感结构应力分布图(图8和图9)进一步地描述本实施例中由四个上部辐射岛10、四个下部辐射岛14、四根引线梁7、四根敏感梁11等元件构成的辐射对称岛结构微压高过载传感器芯片的工作原理。

当传感器芯片处于工作状态时，感压膜片在微压作用下会发生微小挠曲变形，基底3上的通孔16可为四个下部辐射岛14和一个下部中心岛13提供自由活动空间，此时感压膜片不与基底3发生接触，由有限元分析结果可知，此时应力敏感区分布在敏感梁11附近，具体如图8所示。其中，标号11-1、11-2、11-3、11-4示出处于工作状态下的应力敏感区，MX表示最大应力区域，MN表示最小应力区域。

当传感器芯片处于过载状态时，感压膜片开始产生大挠度变形，基底3上的通孔16可为四个下部辐射岛14和一个下部中心岛13提供活动空间，感压膜片逐渐与基底3发生接触，由有限元分析结果可知，此时基底3对感压膜片的充分支撑缓解了感压膜片中心区域附近对外界压力的承载，从而有效地降低了敏感梁11所在区域的应力，因感压膜片的外边缘部分与基底3不接触而继续承受外界压力，此时感压膜片的外边缘部分成为过载所致高应力区，具体如图9所示。其中，标号12-1、12-2、12-3、12-4示出处于过载状态下的高应力区，MX表示最大应力区域，MN表示最小应力区域。由此实现了将高应力区由敏感梁所在区域转移至感压膜片的外边缘部分，避免了因敏感梁11对过载所致高应力的进一步杠杆放大效应而导致的敏感结构破坏失效的问题，从而可明显地提高传感器的过载阻抗。试验表明，本实施例的传感器芯片可承受高于500倍满量程的高过载。

当外界过载消失时，感压膜片可重新从基底3上弹起，使得传感器恢复工作模式。

进一步地，参照图10至图15以及图1，该传感器芯片制备的主要步骤如下：

步骤一、参照图10，选取SOI晶圆，从下至上依次包括器件层2、氧化层1和基底层20。将器件层2的下表面朝上，利用深反应离子刻蚀(DRIE)工艺在器件层2的下表面制作形成下凹槽12，使器件层2的下表面形成一个下部中心岛13、四个下部辐射岛14和下部衬底15，其中，下凹槽12、下部中心岛13、下部辐射岛14和下部衬底15的形状和位置关系已在上面详细描述，在此不再赘述。在这里需要说明的是，本实施例中的传感器芯片的制备方法中也不局限于仅用SOI晶圆，单晶硅材料亦可适用。

步骤二、参照图11，采用深反应离子刻蚀(DRIE)对基底3进行刻蚀形成盲孔16'。

步骤三、参照图12，将器件层2的下表面与基底3的上表面通过硅-硅熔融键合形成腔体，此时盲孔16'包含在腔体中。可以理解，此时基底层20位于最下面。

步骤四、参照图13，将从步骤三中获得的四层结构翻转，使基底层20朝上，采用深反应离子刻蚀(DRIE)或化学机械(CMP)抛光去除基底层20。可以理解，基底层20已全部被移除，此时表面为氧化层1。利用离子注入技术向器件层2中掺杂压敏电阻条，注入剂量为3×10¹⁴cm^-2，并通过重掺杂形成欧姆接触，最终形成两折压敏电阻条17。

步骤五、参照图14，使用反应离子刻蚀制作引线孔，并采用溅射镀膜技术分别淀积Ti/Pt/Au，厚度依次为以形成金属引线18及焊盘19。同时需要说明，图3和图4中示出的重掺杂剖面17'和金属引线剖面18'用于连接两压敏电阻以构成两折压敏电阻条17。

步骤六、参照图1，利用电感耦合等离子体(ICP)刻蚀形成从氧化层1的上表面贯穿至器件层2的上部的四个第一上凹槽4和四个第二上凹槽5，使叠置在一起的氧化层1和器件层2中形成一个上部中心岛9、四个上部辐射岛10、四根敏感梁11、一个环形梁8、四根引线梁7和上部衬底6。其中，第一上凹槽4、第二上凹槽5、上部中心岛9、上部辐射岛10、敏感梁11、环形梁8、引线梁7和上部衬底6的形状和位置已在上面详细描述，在此不再赘述。

步骤七、参照图15，将从步骤六中获得的三层结构翻转，使基底3朝上，采用深反应离子刻蚀(DRIE)工艺将基底3刻蚀穿透形成通孔16。其中，通孔16的形状和位置已在上面详细描述，在此不再赘述。

以上，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对发明做其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种微压高过载传感器芯片，包括由下至上依次叠置的基底(3)、器件层(2)和氧化层(1)，其特征在于：

设有从所述氧化层(1)的上表面贯穿至所述器件层(2)的上部的多个第一上凹槽(4)和多个第二上凹槽(5)，所有第二上凹槽(5)整体呈围绕所有第一上凹槽(4)的环形布置，在所述第二上凹槽(5)的外侧形成相对于所述第二上凹槽(5)的槽底向上凸出的一个上部衬底(6)，所有所述第一上凹槽(4)彼此间隔地环向分布，所有所述第二上凹槽(5)彼此间隔设置，在每相邻两个所述第二上凹槽(5)之间形成引线梁(7)，所述第一上凹槽(4)和所述第二上凹槽(5)之间间隔设置且在两者之间形成环形梁(8)，所有第一上凹槽(4)组合后的形状构造为：使叠置在一起的氧化层(1)和器件层(2)中形成相对于所述第一上凹槽(4)的槽底向上突出的一个上部中心岛(9)、多个上部辐射岛(10)和多根敏感梁(11)，所有所述上部辐射岛(10)环绕在所述上部中心岛(9)周围，每个所述上部辐射岛(10)通过一根所述敏感梁(11)与所述上部中心岛(9)连接；

所述器件层(2)的下表面上形成有下凹槽(12)，所述下凹槽(12)的形状构造为：使所述器件层(2)的下部中形成相对于所述下凹槽(12)的槽底向下凸出的一个下部中心岛(13)、多个下部辐射岛(14)和一个下部衬底(15)，所述下部衬底(15)包围所述下凹槽(12)，所述下凹槽(12)包围所述下部中心岛(13)和所述下部辐射岛(14)，所有所述下部辐射岛(14)环绕在所述下部中心岛(13)的周围，并且所述下部中心岛(13)与所述上部中心岛(9)上下对应，所有下部辐射岛(14)和所有上部辐射岛(10)上下一一对应；

所述基底(3)中设有能够供所述下部中心岛(13)和所述下部辐射岛(14)下移时自由进入的通孔(16)，在平行于所述基底(3)的平面的投影中，所述通孔(16)的边缘的投影和所述第二上凹槽(5)的投影全部位于所述下凹槽(12)的投影内。

2.如权利要求1所述的微压高过载传感器芯片，其特征在于，

在平行于所述基底(3)的平面的投影中，所述下部中心岛(13)和所述下部辐射岛(14)的边缘的投影距所述通孔(16)的边缘的投影的最小距离为30-50μm；

所述下凹槽(12)的槽底与所述基底(3)的上表面之间的间隙为10-30μm。

3.如权利要求1所述的微压高过载传感器芯片，其特征在于，

四个所述上部辐射岛(10)和四根所述敏感梁(11)均匀围绕所述上部中心岛(9)。

4.如权利要求3所述的微压高过载传感器芯片，其特征在于，

四根所述引线梁(7)围绕所述环形梁(8)均匀布置，并且四根所述引线梁(7)与四根所述敏感梁(11)之间周向错开45°角。

5.如权利要求3所述的微压高过载传感器芯片，其特征在于，

按照每根敏感梁(11)的应力分布规律，在每根敏感梁(11)与所述上部中心岛(9)连接的端部上设置一个压敏电阻条(17)，所述氧化层(1)上还设有金属引线及焊盘(19)，四根所述敏感梁(11)上的共四个压敏电阻条(17)通过所述金属引线相互连接组成开环惠斯通电桥，所述开环惠斯通电桥的输出端与所述焊盘(19)相连。

6.如权利要求5所述的微压高过载传感器芯片，其特征在于，

所述四根敏感梁(11)沿着相互垂直的两晶向设置；

所述四个压敏电阻条(17)均由两折相同的压敏电阻组成且沿着剪切压阻系数最大的同一晶向布置。

7.权利要求1-6任一项所述的微压高过载传感器芯片，其特征在于，

所述上部中心岛(9)和所述下部中心岛(13)均为圆形；

所述上部辐射岛(10)和所述下部辐射岛(14)均为扇形，并且所述上部辐射岛(10)和所述下部辐射岛(14)的短弧边均相应地朝向所述上部中心岛(9)和所述下部中心岛(13)；

所述环形梁(8)为圆环形；

所有所述第二上凹槽(5)和所有所述引线梁(7)整体形成圆环形；

所述下凹槽(12)的内周面为圆周面。

8.如权利要求1所述的微压高过载传感器芯片，其特征在于，

因第一上凹槽(4)、第二上凹槽(5)和下凹槽(12)的设置，在所述氧化层(1)和所述器件层(2)中对应于下凹槽(12)的垂直部分内形成的位于上凹槽与下凹槽(12)之间的等厚薄片构成感压膜片，所述感压膜片的厚度为10-30μm。

9.如权利要求1所述的微压高过载传感器芯片，其特征在于，

所述敏感梁(11)、所述引线梁(7)和所述环形梁(8)的厚度相同，均为10-40μm。

10.如权利要求1所述的微压高过载传感器芯片，其特征在于，

所述上部中心岛(9)、所述上部辐射岛(10)、所述敏感梁(11)、所述环形梁(8)、所述引线梁(7)和所述上部衬底(6)的上表面均位于同一平面内；

所述下部中心岛(13)、所述下部辐射岛(14)和所述下部衬底(15)的下表面均位于同一平面内。