CN108507709A - 一种谐振式压力传感器的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种谐振式压力传感器及其制作方法，所涉及的谐振器采用基于SOI硅基的硅梳齿双端固定音叉结构的谐振器结构。谐振器内部通过两块压阻材料(经过工艺掺杂后的硅)和两个等效电阻(未掺杂的硅)形成惠斯通电桥，通过压力变化改变压阻材料的阻值变化从而检测谐振频率的变化。并基于硅岛结构，设计出压力传感器结构，将在压力敏感薄膜上的形变通过硅岛结构转化为谐振器方向上的平面振动，不仅降低了传感器的机械耦合，提高了品质因数，而且测量范围更广，可靠性更高。

Description

一种谐振式压力传感器的制备方法

技术领域

本发明属于微电子机械技术领域，涉及一种微惯性传感器，具体涉及一种基于静电激励/阻检测的谐振式压力传感器及其制备方法

背景技术

当今基于MEMS技术的硅微压力传感器在战机等军事领域的应用极为广泛，其中包括飞行数据系统、环境与舱压、机身中的液压系统、引擎与辅助电源设备，以及其它各种应用，比如舱门、氧气罩、飞行试验与结构监控。航空器、喷气飞机、螺旋桨飞机和直升机中使用的压力传感器数量也非常庞大。因此对传感器的性能指标(包括高精度、灵敏性等)以及在复杂环境下的可靠性的要求也越来越严格。针对现代军事对高精度压力传感器需求，设计发明一种复杂环境高性能高精度硅谐振式压力传感器。

相对传统的MEMS压力传感器，硅微谐振式压力传感器通过检测物体的固有频率间接测量压力，为准数字信号输出，既能与计算机直接接口，也容易组成直接显示数字的仪表。由于其精度主要受结构机械特性的影响，因此其抗干扰能力很强，性能稳定。除此之外，硅微谐振式压力传感器还具有响应快、频带宽、结构紧凑、功耗低、体积小、重量轻、可批量生产等众多优点。

针对现有的硅微谐振式压力传感器当压力敏感膜片受压变形时谐振器的高度会发生变化，而激励与检测梳齿位置不动，因此激励力和检测信号均会减小，这样不仅增加了闭环控制的难度，同时也会对传感器精度产生影响，因此存在着不稳定激励与检测的问题；以及传感器的谐振器振动方向垂直于压力敏感膜片因此精度受同振质量影响等问题。本发明将谐振器设计为双端固支梳齿与压敏电阻结合的结构，工作振型为两个质量块平行于压力敏感膜片的面内动平衡反向振动，谐振器的振动方向与压力敏感膜片的受压变形方向互相垂直，且二者具有足够大的频率间隔。抑制谐振器与压力敏感膜片的能量耦合，传感器精度基本上不受同振质量影响，为了检测谐振器的固有频率本发明采用静电激励/压阻检测的方式。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述技术缺陷，本发明提供一种基于静电激励/压阻检测谐振式压力传感器及其制备方法，该MEMS压力传感器基于静电激励和压阻检测的方式，设计基于硅梳齿双端固定音叉结构的谐振器结构。通过压力变化改变压阻材料的阻值变化从而检测谐振频率的变化。并基于硅岛结构，设计出压力传感器结构，将在压力敏感薄膜上的形变通过硅岛结构转化为谐振器方向上的平面振动，不仅降低了传感器的机械耦合，提高了品质因数，而且测量范围更广，可靠性更高。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种谐振式压力传感器，包括：矩形的底层SOI晶圆，所述底层SOI晶圆呈回字形，中部设有空腔；所述空腔的底部设有一层压力检测敏感薄膜；所述空腔内设有四个位置相互对称的硅岛，所述硅岛与所述压力检测敏感薄膜的顶面固定连接；四个硅岛的顶部悬有谐振器；所述底层SOI晶圆的四角均设有接触焊盘，每个接触焊盘依次通过L型轨道和S型弯曲轨道与所述谐振器连接。

所述谐振器整体为对称结构，包括两个压敏电阻、两个感测压力变化的质量块、四块谐振器固定端、八根支撑梁以及两个梳状电容器；其中：两个压敏电阻对称设置于所述谐振器的正中位置；所述两个质量块分别设置在两个压敏电阻的两端；两个梳状电容器分别设置在两个质量块的两端；八根支撑梁分别对两个质量块进行支撑。

四块谐振器固定端分别固定在四个硅岛的顶部，且分别与八根支撑梁固定连接。

一种谐振式压力传感器的制备方法，包括如下步骤：

(1)备片：准备两块双面抛光SOI硅片，分别为厚度475um的第一SOI硅片和厚度380um的第二SOI硅片。

(2)刻蚀在所述第一SOI硅片上刻蚀1um厚晶片对准键位、325um高的硅岛和150um厚的压力检测敏薄膜区域，制得底层SOI晶圆。

(3)硅-硅键合：利用键合技术，将已刻蚀好的底层SOI晶圆与所述第二SOI硅片的顶层键合。

(4)去除所述第二SOI硅片以及中间埋氧层部分，剩下的顶层部分作为谐振器结构层硅片，厚度为40um。

(5)一次光刻：对底层SOI晶圆的底部进行光刻，显影暴露出所述压力检测敏薄膜区域，再对底层SOI晶圆进行刻蚀，制得25um的压力检测敏感薄膜。

(6)在所述谐振器结构层硅片上选择性掺杂固体硼扩散和氧化物掩膜以减小接触焊盘与传输路径的阻值，并选择性刻蚀绝缘槽。

(7)二次光刻：在上半结构硅片上旋涂光刻胶掩膜，刻蚀40um厚的谐振器、S型弯曲轨道、L型轨道以及接触焊盘。

本发明相对于现有技术的有益效果在于：

1.本发明采用侧向动态平衡振动器的静电激励硅微谐振器，谐振器与压力检测敏感薄膜的工作模态互相垂直，减小二者之间的能量耦合，而动态平衡振动模式下谐振器对外能量传递也大幅度减少，同时滑膜阻尼可以减小封装气体对Q值的影响。降低了传感器的机械耦合，提高了品质因数

2.本发明采用静电激励/压阻检测的方式，传感器结构为轴对称结构，通过两块压敏电阻以及体硅电阻形成惠斯通电桥，实现压力的测量。压敏电阻还起着将两个质量块耦合在一起的作用，保证即使在驱动力和谐振器结构存在微小不对称的情况下传感器在整个工作过程只有一个稳定的振荡模式和谐振频率

3.利用硅岛结构将在竖直方向上的压力的变化转化为在水平方向上的电阻的变化，设计时对硅岛进行凸角补偿，将谐振器固定端移到硅岛外侧，从而保证压力检测敏感薄膜受压形变时谐振器高度基本不变，最小化从谐振器到压力检测敏感薄膜的能量转移，避免不稳定激励与检测的问题，可靠性更高。

附图说明

图1为基于静电激励/压阻检测谐振式压力传感器的结构示意图。

图2为谐振器的结构示意图。

图3为基于静电激励/压阻检测谐振式压力传感器的结构顶视图。

图4为基于静电激励/压阻检测谐振式压力传感器的结构背视图。

图5为梳状电容器的结构示意图。

图6a至图6g为谐振式压力传感器制备方法的工艺流程图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，包括：

压力检测敏感薄膜101、硅岛104、底层SOI晶圆112、氮化硅层113、厚晶片对准键位122、谐振器固定端203、S型弯曲轨道205、L型轨道206、梳状电容器207、质量块208、压敏电阻209、谐振器211、第二SOI硅片214、真空封装密封环215、Ti吸气剂涂层316、硅通孔317、盖帽硅层318、电路芯片420、引线419。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1：

如图1和图3所示，一种谐振式压力传感器，包括：矩形的底层SOI晶圆112，底层SOI晶圆112呈回字形，中部设有空腔。空腔的底部设有一层压力检测敏感薄膜101；空腔内设有四个位置相互对称的硅岛104，硅岛104与压力检测敏感薄膜101的顶面固定连接。本发明通过四个硅岛104进行应力的传递，具体的，四个硅岛104对称分布在压力敏感薄膜101对角线上。四个硅岛104的顶部悬有谐振器211；底层SOI晶圆112的四角均设有接触焊盘202，每个接触焊盘202依次通过L型轨道206和S型弯曲轨道205与谐振器211连接。

在本实施例中，各部件的具体尺寸如下：底层SOI晶圆112的厚度为475um，压力检测敏感薄膜101的厚度为25um，硅岛104的高度为325um，谐振器211的厚度为40um。为更好的控制硅岛104以及压力检测敏感薄膜101的尺寸，选择475um厚的SOI硅片(100晶向)底层SOI晶圆112，以SOI硅片的底层硅制作硅岛104，SOI硅片的顶层硅和二氧化硅层制作厚度为25um的压力检测敏感薄膜101。利用硅岛结构将在竖直方向上的压力的变化转化为在水平方向上的电阻的变化，设计时对硅岛104进行凸角补偿，将谐振器固定端203移到硅岛104外侧，从而保证压力检测敏感薄膜101受压形变时谐振器211高度基本不变，最小化从谐振器211到压力检测敏感薄膜101的能量转移，避免不稳定激励与检测的问题。

如图2所示，谐振器211整体为对称结构，包括两个压敏电阻209、两个感测压力变化的质量块208、四块谐振器固定端203、八根支撑梁210以及两个梳状电容器207；其中：两个压敏电阻209对称设置于谐振器211的正中位置；两个质量块208分别设置在两个压敏电阻209的两端；两个梳状电容器207分别设置在两个质量块208的两端；八根支撑梁210分别对两个质量块208进行支撑；四块谐振器固定端203分别固定在四个硅岛104的顶部，且分别与八根支撑梁210固定连接。

本发明所述硅梳齿双端固定音叉结构，由固定梳齿和可动梳齿两部分构成，其中固定梳齿作为固定电极，而可动梳齿与器件的质量块相连。具有线性驱动力，位移范围大且基本无拉入电压限制，滑膜阻尼小Q值大等优点。40um厚的谐振器211包括两个惯性质量块208和八根支撑梁210。谐振器211在一对梳齿电容器207上通过静电激励使其工作在平衡模式，硅梳齿双端固定音叉结构制作于SOI硅(底层SOI晶圆112)上，在音叉臂上设计40um厚度的双面梳齿结构，用来驱动和检测音叉振动。

本发明采用的静电激励硅微谐振器。在静电力作用下，该谐振器工作于机械谐振状态，振动模式为两个质量块平行于压力敏感膜片的面内动平衡侧向振动,谐振器的振动方向与压力敏感膜片的受压变形传递方向互相垂直。如图所示，其谐振器211与压力检测敏感薄膜101的工作模态互相垂直，减小二者之间的能量耦合，而动态平衡振动模式下谐振器211对外能量传递也大幅度减少，同时滑膜阻尼可以减小封装气体对Q值的影响。

本实施例提供的谐振式压力传感器的工作原理如下：

谐振器211内部通过两块40um厚的拾振压敏电阻209(经过工艺掺杂后的硅)和两个等效电阻(即质量块、谐振器固定端、支撑梁形成的等效电阻)形成惠斯通电桥，频率通过与质量块连接在一起的一对拾振压敏电阻209来检测。当有外界压力，压力检测敏感薄膜101发生形变，该形变通过硅岛104后会有轴向作用力传递到谐振器固定端203，引起支撑梁210的应力分布情况发生变化，梁的弹性系数会发生改变，谐振固有频率改变；与此同时惯性质量块208随着压力检测敏感薄膜101的变形发生位移，压敏电阻209的阻值发生变化，此时通过惠斯通电桥输入输出通路205与206以及接触焊盘202的输出电压频率和固有频率不一致，当梳状电容器207所接反馈时的激励电流频率几乎为谐振频率时，谐振器再次处于平衡振荡模式，此时输出电压频率为谐振器211固有频率。

实施例2

一种谐振式压力传感器的制备方法，包括如下步骤：

(1)备片：准备两块双面抛光SOI硅片，分别为厚度475um的第一SOI硅片和厚度380um的第二SOI硅片214。

(2)刻蚀：在第一SOI硅片上刻蚀1um厚晶片对准键位122、325um高的硅岛104和150um厚的压力检测敏薄膜区域，制得底层SOI晶圆112。本步骤中的刻蚀可采用传统KOH刻蚀(湿法刻蚀)。如图6a所示。

(3)硅-硅键合：利用键合技术，将已刻蚀好的底层SOI晶圆112与第二SOI硅片214的顶层键合。先采用硅-硅键合标准清洗方法对底层SOI晶圆112与第二SOI硅片进行工艺清洗，紧接着在纯氧环境中键合，并在氮气环境下1000℃时退火三个小时。退火工艺后，在键合后的两块硅片(底层SOI晶圆112与第二SOI硅片的顶层键合后形成的新的结构)背部，采用LPCVD(低压力化学气相沉积法)形成一层100nm厚的氮化硅层113以保护减薄工艺中的新结构底部，如图6b所示。

(4)去除第二SOI硅片214以及中间埋氧层部分，剩下的顶层部分作为谐振器结构层硅片，厚度为40um。如图6c所示。

(5)一次光刻：对底层SOI晶圆112的底部进行光刻，显影暴露出压力检测敏薄膜101区域，再将底层SOI晶圆112置入腐蚀槽中进行刻蚀。将压力检测敏薄膜区域的厚度刻蚀至厚度为25um，制得厚度为25um的压力检测敏感薄膜101。

(6)在谐振器结构层硅片上选择性掺杂固体硼扩散和氧化物掩膜以减小接触焊盘与传输路径的阻值，并在传输路径以及接触焊盘周围刻蚀绝缘槽。如图6d所示。

(7)二次光刻：在上半结构硅片(即谐振器211结构层)上旋涂2um厚的光刻胶掩膜，光照图形转移至硅片上已获得谐振器、传输路线和接触焊盘区域，通过硅表面微加工技术刻蚀40um厚的谐振器211、S型弯曲轨道205、L型轨道206以及接触焊盘202。并在真空封装密封环215处刻蚀微槽，刻蚀完毕生长一层100nm热氧化层以保护谐振器211表面，如图6e所示。

(8)硅硅键合：利用键合技术，将一盖帽硅层318与谐振器211、S型弯曲轨道205、L型轨道206以及接触焊盘202的结构层键合，实现谐振器211的真空封装；盖帽硅层318底部设有与谐振器211相匹配的盖帽硅凹槽，盖帽硅凹槽可以是方形深槽，盖帽硅凹槽表面附有Ti吸气剂涂层316；在接触焊盘202相应位置的盖帽硅层318上作硅通孔317，引出电信号。

具体的，对完成加工的硅晶圆进行清洗，以去除加工过程产生的污染物残留，利用键合技术，将谐振器结构层与500um厚的盖帽硅层318键合，通过玻璃浆料完成硅-硅键合实现真空封装，并在接触焊盘202所在位置作硅通孔317，引出电信号，如图6f所示。

(9)顶部封装由电路芯片引线键合在封装衬底上，通过硅通孔317实现信号传输。

具体的电路芯片420采取倒装焊技术，热压焊法采用焊锡凸点通过加热加压或超声的方法焊接最后也采用Underfill(底部填充)工艺进行填充缓解热应力失配，模片面朝下并且电路的焊盘与衬底相连接进行键合，键合后引线419用环氧材料密封进行保护，并通过硅通孔421实现与传感器之间的信号传输，完成三维混合集成封装。如图6g所示。

本领域的技术人员容易理解，以上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 (7)

1.一种谐振式压力传感器，其特征在于，包括：矩形的底层SOI晶圆(112)，所述底层SOI晶圆(112)呈回字形，中部设有空腔；所述空腔的底部设有一层压力检测敏感薄膜(101)；所述空腔内设有四个位置相互对称的硅岛(104)，所述硅岛(104)与所述压力检测敏感薄膜(101)的顶面固定连接；四个硅岛(104)的顶部悬有谐振器(211)；所述底层SOI晶圆(112)的四角均设有接触焊盘(202)，每个接触焊盘(202)依次通过L型轨道(206)和S型弯曲轨道(205)与所述谐振器(211)连接；

所述谐振器(211)整体为对称结构，包括两个压敏电阻(209)、两个感测压力变化的质量块(208)、四块谐振器固定端(203)、八根支撑梁(210)以及两个梳状电容器(207)；其中：

两个压敏电阻(209)对称设置于所述谐振器(211)的正中位置；

所述两个质量块(208)分别设置在两个压敏电阻(209)的两端；

两个梳状电容器(207)分别设置在两个质量块(208)的两端；

八根支撑梁(210)分别对两个质量块(208)进行支撑；

四块谐振器固定端(203)分别固定在四个硅岛(104)的顶部，且分别与八根支撑梁(210)固定连接。

2.根据权利要求1所述的谐振式压力传感器，其特征在于：

所述底层SOI晶圆(112)的厚度为475um，所述压力检测敏感薄膜(101)的厚度为25um，所述硅岛(104)的高度为325um，所述谐振器211的厚度为40um。

3.一种谐振式压力传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)备片：准备两块双面抛光SOI硅片，分别为厚度475um的第一SOI硅片和厚度380um的第二SOI硅片；

(2)刻蚀在所述第一SOI硅片上刻蚀1um厚晶片对准键位(122)、325um高的硅岛(104)和150um厚的压力检测敏薄膜区域，制得底层SOI晶圆(112)；

(3)硅-硅键合：利用键合技术，将已刻蚀好的底层SOI晶圆(112)与所述第二SOI硅片的顶层键合；

(4)去除所述第二SOI硅片以及中间埋氧层部分，剩下的顶层部分作为谐振器(211)结构层硅片，厚度为40um；

(5)一次光刻：对底层SOI晶圆(112)的底部进行光刻，显影暴露出所述压力检测敏薄膜区域，再对底层SOI晶圆(112)进行刻蚀，制得25um的压力检测敏感薄膜(101)；

(6)在所述谐振器(211)结构层硅片上选择性掺杂固体硼扩散和氧化物掩膜以减小接触焊盘与传输路径的阻值，并选择性刻蚀绝缘槽；

(7)二次光刻：在上半结构硅片上旋涂光刻胶掩膜，刻蚀40um厚的谐振器(211)、S型弯曲轨道(205)、L型轨道(206)以及接触焊盘(202)。

4.根据权利要求3所述的一种谐振式压力传感器的制备方法，其特征在于，还包括如下步骤：

(8)硅硅键合：利用键合技术，将一盖帽硅层(318)与谐振器(211)、S型弯曲轨道(205)、L型轨道(206)以及接触焊盘(202)的结构层键合，实现谐振器(211)的真空封装；所述盖帽硅层(318)底部设有与所述谐振器(211)相匹配的盖帽硅凹槽，盖帽硅凹槽表面附有Ti吸气剂涂层(316)；在接触焊盘(202)相应位置的所述盖帽硅层(318)上作硅通孔(317)，引出电信号。

5.根据权利要求4所述的一种谐振式压力传感器的制备方法，其特征在于，还包括如下步骤：

(9)顶部封装由电路芯片(420)引线(419)键合在封装衬底上，通过TSV通孔(421)实现信号传输。

6.根据权利要求3所述的一种谐振式压力传感器的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)和步骤(6)中的刻蚀均采用湿法刻蚀。

7.根据权利要求3所述的一种谐振式压力传感器的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中的键合方法具体为：对所述底层SOI晶圆(112)和所述第二SOI硅片晶片按照硅硅键合标准清洗工艺进行清洗，紧接着在纯氧环境中键合。