CN109341932B - 一种压力传感器芯片及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种压力传感器芯片及其制造方法，涉及传感器技术领域。所述压力传感器芯片包括：基底、设置于基底上的绝对气压检测单元和波动气压检测单元；其中，绝对气压检测单元包括第一弹性薄膜，第一弹性薄膜与基底的第一凹槽构成密闭的第一空腔，以及设置于第一弹性薄膜上的第一惠斯通电桥；波动气压检测单元包括第二弹性薄膜，第二弹性薄膜与基底的第二凹槽构成含有气隙的第二空腔，以及设置于第二弹性薄膜上的第二惠斯通电桥。本申请中的压力传感器芯片，测量精度高，扩展了应用范围。
Description
技术领域
本申请涉及传感器技术领域，更具体地，本申请涉及一种压力传感器芯片；本申请还涉及一种压力传感器芯片的制造方法。
背景技术
随着工业数字化、智能化发展，传感器在可穿戴设备、智能家居、智慧交通、工业制造等领域中得到了广泛的应用。当前，传感器正向着智能化、集成化、微型化的趋势发展。
气压是人们日常生活息息相关的一个物理量，气压数据可以用来探测垂直方向的高度变化，进而进行运动监测、室内导航及辅助气象预报，因而气压传感器的测量精度至关重要，而具有宽的测量广度，则在多中情况下测量气压时，可以减少传感器的数量，使得成本降低，部署容易。然而，当前的压力传感器通常仅能测量波动气压的变化，或者仅能测量垂直方向的高度变化引起的气压变化(也称绝对气压的变化)，不论是测量精度还是在测量广度均有待于提高。
发明内容
为解决现有技术的不足，本申请提出一种压力传感器芯片及其制造方法。
一方面，本申请提出一种压力传感器芯片，包括：基底、设置于所述基底上的绝对气压检测单元和波动气压检测单元；
所述绝对气压检测单元包括第一弹性薄膜，所述第一弹性薄膜设置于所述基底上，与所述基底的第一凹槽构成密闭的第一空腔；所述第一弹性薄膜上设有四个第一压敏电阻，所述第一压敏电阻通过第一金属导线连接成第一惠斯通电桥；
所述波动气压检测单元包括第二弹性薄膜，所述第二弹性薄膜设置于所述基底上，与所述基底的第二凹槽构成含有气隙的第二空腔；所述第二弹性薄膜上设有四个第二压敏电阻，所述第二压敏电阻通过第二金属导线连接成第二惠斯通电桥。
可选的，所述压力传感器芯片还包括：第一引脚、第二引脚、第一输出端和第二输出端；
所述第一引脚、所述第二引脚、所述第一输出端与所述第一惠斯通电桥相连；
所述第一引脚、所述第二引脚、所述第二输出端与所述第二惠斯通电桥相连。
可选的，所述第二弹性薄膜设置为两个，每个第二弹性薄膜上设置有两个所述第二压敏电阻。
可选的，所述第二弹性薄膜包括悬臂梁和质量块，所述第二压敏电阻置于所述悬臂梁上。
可选的，所述压力传感器芯片还包括：位于所述第一弹性薄膜和所述第二弹性薄膜上表面的钝化层。
可选的，所述第一凹槽的顶部为四边形，所述第一弹性薄膜与所述第一凹槽的顶部对应的部分构成四边形边缘区域，所述第一压敏电阻分别设置于所述四边形边缘区域各边的中央。
可选的，所述第一凹槽的顶部为圆形，所述第一弹性薄膜与所述第一凹槽的顶部对应的部分构成圆形边缘区域，所述第一压敏电阻对称设置于所述圆形边缘区域上。
可选的，所述第二凹槽的顶部为多边形，所述第二弹性薄膜与所述第二凹槽的顶部对应的部分构成多边形边缘区域；所述第二压敏电阻并列设置于所述多边形边缘区域的同一边上。
可选的，所述第一弹性薄膜与所述第二弹性薄膜相连或断开。
第二方面，本申请提出一种压力传感器芯片的制造方法，包括：
提供第一晶圆作为基底；
在所述基底上形成第一凹槽和第二凹槽；
在所述基底上形成薄膜，所述薄膜与所述第一凹槽构成第一空腔，与所述第二凹槽构成第二空腔；
在所述薄膜上形成与所述第一空腔和所述第二空腔分别对应的第一惠斯通电桥和第二惠斯通电桥；
刻蚀所述第二空腔对应的薄膜形成气隙。
可选的，所述在所述基底上形成薄膜，包括：
提供第二晶圆，将所述第二晶圆与所述基底的上表面键合；
对所述第二晶圆进行平坦化处理，形成薄膜。
可选的，所述在所述薄膜上形成与所述第一空腔和所述第二空腔分别对应的第一惠斯通电桥和第二惠斯通电桥，包括：
刻蚀所述薄膜形成第一弹性薄膜和第二弹性薄膜；
在所述第一弹性薄膜上形成四个第一压敏电阻，并在所述第二弹性薄膜上形成四个第二压敏电阻；
在所述第一弹性薄膜上形成第一金属导线，并在所述第二弹性薄膜上形成二金属导线；所述第一金属导线连接所述第一压敏电阻构成第一惠斯通电桥，所述第二金属导线连接所述第二压敏电阻构成第二惠斯通电桥；
其中，所述第一惠斯通电桥对应的部分结构，构成绝对气压检测单元；所述第二惠斯通电桥对应的部分结构，构成波动气压检测单元。
可选的，所述在所述第一弹性薄膜上形成第一金属导线，并在所述第二弹性薄膜上形成二金属导线，包括：
在所述第一弹性薄膜上形成第一金属子导线，并在所述第二弹性薄膜上形成第二金属子导线；
形成覆盖所述第一弹性薄膜及第二弹性薄膜的钝化层；
在所述钝化层上形成与所述第一金属子导线相连的第三金属子导线及第一金属垫，得到第一金属导线；以及形成与所述第二金属子导线对应的第四金属子导线和第二金属垫，得到第二金属导线。
可选的，所述刻蚀所述第二空腔对应的薄膜形成气隙，包括：刻蚀所述第二空腔对应的薄膜和钝化层形成气隙。
可选的，方法还包括：在所述薄膜上形成电源模块、第一输出端和第二输出端；所述电源模块和所述第一输出端与所述第一惠斯通电桥相连，所述电源模块和所述第二输出端与所述第二惠斯通电桥相连。
本申请中的压力传感器芯片，通过集成绝对气压检测单元和波动气压检测单元，利用压敏电阻的压阻效应及惠斯通电桥，实现了绝对气压以及波动气压的测量，即通过一次封装，实现了两个功能；相较于当前具有单一测量功能的传感器芯片，不仅测量精度更高，而且扩展了压力传感器芯片的应用范围。
本申请的发明人发现，在现有技术中，压力传感器均为单一的测量功能，其测量精度和应用范围均有待于提高。因此，本申请所要实现的技术任务或所要解决的技术问题是本领域技术人员从未想到的或没有预期到的，故本申请是一种新的技术方案。
通过以下参照附图对本申请的示例性实施例的详细描述，本发明的其他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。
附图1为根据本申请实施方式的压力传感器芯片的顶视图；
附图2为沿图1中A1A2方向切割的绝对气压检测单元的侧视图；
附图3为沿图1中A1A2方向切割的波动气压检测单元的侧视图；
附图4为绝对气压检测单元的原理示意图；
附图5为波动气压检测单元的原理示意图；
附图6为根据本申请实施方式的压力传感器芯片的制造方法流程图；
附图7为步骤S4的细化流程图；
附图8为步骤S4-3的细化流程图；
附图9至附图17为沿图1中A1A2方向切割的压力传感器芯片制造过程的侧视结构变化示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本申请的示例性实施方式。虽然附图中显示了本申请的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本申请而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本申请，并且能够将本申请的范围完整的传达给本领域的技术人员。
对于相关领域的普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不做详细讨论，但在适当的情况下，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，而不是作为限定。因此，示例性实施例的其他例子可以具有不同的值。
应注意到：相似的符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1-3，本申请提出了一种压力传感器芯片，包括：基底1、设置于基底1上的绝对气压检测单元2和波动气压检测单元3，其中：
绝对气压检测单元2包括第一弹性薄膜21，第一弹性薄膜21设置于基底1上，与基底1的第一凹槽11-1构成密闭的第一空腔11-2；第一弹性薄膜21上设有四个第一压敏电阻R1、R2、R3、R4，第一压敏电阻R1、R2、R3、R4通过第一金属导线22(图1-3中未示出)连接成第一惠斯通电桥23(图1-3中未示出)；
波动气压检测单元3包括第二弹性薄膜31，第二弹性薄膜31设置于基底1上，与基底1的第二凹槽12-1构成含有气隙32的第二空腔12-2；第二弹性薄膜31上设有四个第二压敏电阻R5、R6、R7、R8，第二压敏电阻R5、R6、R7、R8通过第二金属导线33(图1-3中未示出)连接成第二惠斯通电桥34(图1-3中未示出)。
根据本申请的实施方式，压力传感器芯片还包括：第一引脚VDD、第二引脚GND、第一输出端P1_out+和P1_out-、第二输出端P2_out+和P2_out-，其中：
第一引脚VDD及第二引脚GND分别与第一惠斯通电桥23和第二惠斯通电桥34相连，用于为第一惠斯通电桥23和第二惠斯通电桥34提供直流激励；
第一输出端P1_out+和P1_out-与第一惠斯通电桥23相连，用于当气压发生变化时，输出第一惠斯通电桥23的差分电压；
第二输出端P2_out+和P2_out-与第二惠斯通电桥34相连，用于当气压发生变化时，输出第二惠斯通电桥34的差分电压。
根据本申请的实施方式，第二弹性薄膜31设置为两个，每个第二弹性薄膜31上设置有两个第二压敏电阻；例如，第二压敏电阻R5和R6设置在一个第二弹性薄膜31上，第二压敏电阻R7和R8设置在另一个第二弹性薄膜31上。
进一步的，第二弹性薄膜31包括悬臂梁31-1和质量块31-2，对应的，第二压敏电阻R5、R6、R7、R8设置于悬臂梁31-1的根部；以在环境气压作用于质量块31-2上，使悬臂梁31-1和质量块31-2发行形变时，形变产生的应力作用在第二压敏电阻R5、R6、R7、R8上而产生压阻效应，从而通过第二惠斯通电桥34的差分电压输出测量外界环境的气压波动。
更进一步的，第一弹性薄膜21与两个第二弹性薄膜31相连或断开，其可根据需求自行设定。
根据本申请的实施方式，压力传感器芯片还包括：位于第一弹性薄膜21和第二弹性薄膜31上表面的钝化层5(图1-3中未示出)，以对第一弹性薄膜21和第二弹性薄膜31进行保护。
进一步的，第一金属导线22包括设置于第一弹性薄膜21中的第一金属子导线22-1、设置于钝化层5中的第三金属子导线22-2、设置于钝化层5上表面的第一金属垫22-3；第二金属导线33包括设置于第二弹性薄膜31中的第二金属子导线33-1、设置于钝化层5中的第四金属子导线33-2、设置于钝化层5上表面的第二金属垫33-3。
根据本申请的实施方式，第一凹槽11-1的顶部优选为四边形，第一弹性薄膜21与第一凹槽11-1的顶部对应的部分构成四边形边缘区域，第一压敏电阻R1、R2、R3、R4分别设置于所述四边形边缘区域各边的中央；
进一步的，第一凹槽11-1的顶部还可以为圆形，第一弹性薄膜21与第一凹槽11的顶部对应的部分构成圆形边缘区域，第一压敏电阻R1、R2、R3、R4对称设置于所述圆形边缘区域上。
根据本申请的实施方式，第二凹槽12-1的顶部为多边形，第二弹性薄膜31与第二凹槽12的顶部对应的部分构成多边形边缘区域；第二压敏电阻R5、R6、R7、R8并列设置于所述多边形边缘区域的同一边上；优选的，第二凹槽12的顶部为四边形。
根据本申请的实施方式，第一凹槽11-1和第二凹槽12-1具有倾斜或竖直的侧壁，其由形成工艺所决定，具体的，当采用干法刻蚀工艺形成第一凹槽11-1和第二凹槽12-1时，其具有竖直的侧壁；当采用湿法刻蚀工艺形成第一凹槽11-1和第二凹槽12-1时，其具有倾斜的侧壁。
本申请中压力传感器芯片的绝对气压检测单元2和波动气压检测单元3分别实现了外界环境绝对气压的测量以及波动气压的测量；
进一步的，如图4所示，绝对气压检测单元2进行外界环境绝对气压测量的原理包括：第一惠斯通电桥23中的四个第一压敏电阻R1、R2、R3、R4的初始阻值相等，第一引脚VDD和第二引脚GND为第一惠斯通电桥23提供直流激励；当压力传感器芯片所处的高度不变，即外界环境的气压不变时，第一惠斯通电桥23的差分电压输出(第一输出端P1_out+与P1_out-的差值)为固定值；当压力传感器芯片所处的高度变化，即外界环境的气压变化(高度越高，气压越小)时，第一空腔11-2的内外的气压差发生改变，使第一弹性薄膜21发生形变，而形变产生的应力作用在第一压敏电阻R1、R2、R3、R4上，使第一压敏电阻R1、R2、R3、R4的阻值发生改变，进而第一惠斯通电桥23的差分电压输出为非零，从而根据第一惠斯通电桥23的差分电压输出测量外界环境的绝对气压。
需要说明的，为得到最大的差分电压输出，相邻的第一压敏电阻的压阻系数的符号相反；
进一步需要说明的，由于密闭的第一空腔11-2为真空腔，因此即使在压力传感器芯片所处的高度不变，即外界环境的气压没有变化时，第一空腔11-2的内外同样具有气压差；也就是说，绝对气压检测单元2的初始状态是有差分电压输出的，即所述固定值，在测量外界环境的绝对气压时，根据当前的差分电压输出与初始状态的差分电压输出，计算当前外界环境的绝对气压即可。
更进一步的，如图5所示，波动气压检测单元3测量外界环境气压波动的原理包括：第二惠斯通电桥34中的四个第一压敏电阻R5、R6、R7、R8的初始阻值相等，第一引脚VDD和第二引脚GND为第二惠斯通电桥34提供直流激励；当压力传感器芯片所在外界环境的气压没有波动时，第二空腔12-2的内外气压相等，此时悬梁臂31-1受力平衡，不会发生形变，第二惠斯通电桥34的差分电压输出(第二输出端P2_out+与P2_out-的差值)为0；当压力传感器芯片所在外界环境的气压发生波动时，由于第二空腔12-2的气隙32的尺寸仅为几微米，因此第二空腔12-2内的气压不会立即与外界气压达平衡，第二空腔12-2的内外存在瞬时气压差，使悬梁臂31-1和质量块31-2发生形变，而形变产生的应力作用在第二压敏电阻R5、R6、R7、R8上，使第二压敏电阻R5、R6、R7、R8的阻值发生改变，进而使第二惠斯通电桥34的差分电压输出为非零，从而根据第二惠斯通电桥34的差分电压输出测量外界环境的气压。
需要说明的，为得到最大的差分电压输出，相邻的第二压敏电阻的压阻系数的符号相反。
由此，本申请中的压力传感器芯片，通过集成绝对气压检测单元和波动气压检测单元，利用压敏电阻的压阻效应及惠斯通电桥，实现了绝对气压及波动气压的测量，即通过一次封装，实现了两个功能；相较于当前具有单一检测功能的传感器芯片，不仅测量精度更高，而且扩展了压力传感器芯片的应用范围。
参考图6，本申请还提出一种压力传感器芯片的制造方法，并以第一弹性薄膜21与第二弹性薄膜31相连为例进行说明，包括：
步骤S1：提供第一晶圆作为基底1；
参考图9，优选的，第一晶圆为硅晶圆。
步骤S2：在基底1上形成第一凹槽11-1和第二凹槽12-1；
参考图10，具体的，采用湿法刻蚀工艺刻蚀基底1形成第一凹槽11-1和第二凹槽12-1；优选的，在湿法刻蚀工艺过程中，采用KOH溶液。
本申请中，还可以干法刻蚀工艺刻蚀基底1形成第一凹槽11-1和第二凹槽12-1，在此不在详述。
步骤S3：在基底1上形成薄膜4，所述薄膜4与第一凹槽11-1构成第一空腔11-2，与第二凹槽12-1构成第二空腔12-2；
参考图11，具体的，提供第二晶圆，将第二晶圆与基底1的上表面键合，并对第二晶圆进行平坦化处理，形成薄膜4；其中，第二晶圆优选为硅晶圆，并将基底1的上表面完全覆盖。
进一步的，采用化学机械研磨工艺对第二晶圆进行平坦化处理，以将第二晶圆减薄和平坦化，形成薄膜4。
步骤S4：在薄膜4上形成与第一空腔11-2和第二空腔12-2分别对应的第一惠斯通电桥23和第二惠斯通电桥34；
根据本申请的实施方式，参考图7，步骤S4包括：
步骤S4-1：刻蚀薄膜4形成第一弹性薄膜21和第二弹性薄膜31；
参考图12，第一弹性薄膜21与第二弹性薄膜31相连。
步骤S4-2：在第一弹性薄膜21上形成四个第一压敏电阻，并在所述第二弹性薄膜31上形成四个第二压敏电阻；
参考图12，采用离子注入掺杂工艺，在第一弹性薄膜21上形成四个第一压敏电阻(图中仅示出R2和R4)，并在所述第二弹性薄膜31上形成四个第二压敏电阻(图中仅示出R7)；优选的，掺杂的离子为硼离子。
步骤S4-3：在第一弹性薄膜21上形成第一金属导线22，并在第二弹性薄膜31上形成二金属导线33；其中，第一金属导线22连接第一压敏电阻构成第一惠斯通电桥，第二金属导线33连接第二压敏电阻构成第二惠斯通电桥34；
根据本申请的实施方式，参考图8，步骤S4-3包括：
步骤S4-3-1：在第一弹性薄膜21上形成第一金属子导线22-1，并在第二弹性薄膜31上形成第二金属子导线33-1；
参考图13，在第一弹性薄膜21及第二弹性薄膜31上进行重掺杂，形成第一金属子导线22-1及第二金属子导线33-1；其中，重掺杂的离子优选为硼离子。
步骤S4-3-2：形成覆盖第一弹性薄膜21及第二弹性薄膜31的钝化层5；
参考图14，在第一弹性薄膜21及第二弹性薄膜31上沉积氮化硅，形成钝化层5。
步骤S4-3-3：在钝化层4上形成与第一金属子导线22-1相连的第三金属子导线22-2及第一金属垫22-3，得到第一金属导线22；以及形成与第二金属子导线33-1对应的第四金属子导线33-2和第二金属垫33-3，得到第二金属导线33。
参考图15和16，刻蚀第一弹性薄膜21和第二弹性薄膜31，形成第三金属子导线22-2的引脚窗口22-2-1及第四金属子导线33-2的引脚窗口33-2-1；对引脚窗口进行金属填充，形成第三金属子导线22-2及第四金属子导线33-2，以及形成覆盖钝化层4的金属层(图中未示出)，刻蚀所述金属层，得到第一金属垫22-3和第二金属垫33-3。
进一步的，第一惠斯通电桥23对应的部分结构，构成绝对气压检测单元2；第二惠斯通电桥34对应的部分结构，构成波动气压检测单元3。
步骤S5：刻蚀第二空腔12-2对应的薄膜形成气隙32。
参考图17，刻蚀第二空腔12-2对应的第二弹性薄膜31和钝化层5形成气隙32。
根据本申请的实施方式，方法还包括：在薄膜4上形成第一引脚VDD、第二引脚GND、第一输出端和第二输出端；其中，第一引脚VDD、第二引脚GND和第一输出端与所述第一惠斯通电桥23相连，第一引脚VDD、第二引脚GND和第二输出端与第二惠斯通电桥34相连。
以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (5)
1.一种压力传感器芯片的制造方法，其特征在于，包括：
提供第一晶圆作为基底；
在所述基底上形成第一凹槽和第二凹槽；
在所述基底上形成薄膜，所述薄膜与所述第一凹槽构成第一空腔，与所述第二凹槽构成第二空腔；
在所述薄膜上形成与所述第一空腔和所述第二空腔分别对应的第一惠斯通电桥和第二惠斯通电桥；
刻蚀所述第二空腔对应的薄膜形成气隙；
所述在所述薄膜上形成与所述第一空腔和所述第二空腔分别对应的第一惠斯通电桥和第二惠斯通电桥，包括：
刻蚀所述薄膜形成第一弹性薄膜和第二弹性薄膜；
在所述第一弹性薄膜上形成四个第一压敏电阻，并在所述第二弹性薄膜上形成四个第二压敏电阻；
在所述第一弹性薄膜上形成第一金属导线，并在所述第二弹性薄膜上形成第二金属导线；所述第一金属导线连接所述第一压敏电阻构成第一惠斯通电桥，所述第二金属导线连接所述第二压敏电阻构成第二惠斯通电桥；
其中，所述第一惠斯通电桥对应的部分结构，构成绝对气压检测单元；所述第二惠斯通电桥对应的部分结构，构成波动气压检测单元。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在所述基底上形成薄膜，包括：
提供第二晶圆，将所述第二晶圆与所述基底的上表面键合；
对所述第二晶圆进行平坦化处理，形成薄膜。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在所述第一弹性薄膜上形成第一金属导线，并在所述第二弹性薄膜上形成第二金属导线，包括：
在所述第一弹性薄膜上形成第一金属子导线，并在所述第二弹性薄膜上形成第二金属子导线；
形成覆盖所述第一弹性薄膜及第二弹性薄膜的钝化层；
在所述钝化层上形成与所述第一金属子导线相连的第三金属子导线及第一金属垫，得到第一金属导线；以及形成与所述第二金属子导线对应的第四金属子导线和第二金属垫，得到第二金属导线。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述刻蚀所述第二空腔对应的薄膜形成气隙，包括：刻蚀所述第二空腔对应的薄膜和钝化层形成气隙。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，方法还包括：在所述薄膜上形成第一引脚、第二引脚、第一输出端和第二输出端；所述第一引脚、第二引脚、第一输出端与所述第一惠斯通电桥相连，所述第一引脚、第二引脚、第二输出端与所述第二惠斯通电桥相连。
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