CN109708786A - 一种双重应力集中结构微压传感器芯体及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种双重应力集中结构微压传感器芯体及制备方法。芯体包括基底，以及基底中部设有的膜片，所述膜片上表面周向均匀设置有两段以上的不连续的沟槽，相邻沟槽端部之间形成肋板，所述肋板在所述膜片上表面对称设置；所述肋板的应力集中处设置有压敏电阻条，通过金属引线将所述压敏电阻条连接成惠斯通电桥；所述膜片下表面形成有凸起的刚性结构，所述刚性结构的中心通过所述芯体背面的中心处，以降低膜片中心的位移；所述刚性结构的外端面与所述沟槽的内沿重合且与所述基底不相连，以便于当压力作用在所述膜片时，在所述压敏电阻条所在位置处形成双应力集中，保证微压传感器进行可靠、精确测量。

Description

一种双重应力集中结构微压传感器芯体及制备方法

技术领域

本发明涉及MEMS硅压阻式微压传感器技术领域，具体涉及一种双重应力集中微压传感器芯体及制备方法。

背景技术

近年来，MEMS微压传感器因其具有体积小、重量轻、灵敏度和固有频率高等优点，被广泛应用于风洞测试、飞行器高度检测和生物医学等领域。例如，在监测飞行器高度过程中，压力与高度成线性变化关系，通过测量飞行器所在环境的压力便可以反映出飞行器的高度。在此过程中，大气压力将从数百千帕(kPa)变化到几千帕(Pa)，这就需要传感器具有很高的灵敏度来反映微小压力的变化，进而提供准确的高度变化。

MEMS微压力传感器按其工作原理主要分为压阻式、电容式和谐振式三种。电容式微压传感器利用电容极距变化将压力转换为电容的变化，从而实现压力监测。虽然电容式压力传感器具有灵敏度高、功耗低、稳定性好等优点，但其输入压力与输出电容线性度差，很难用于高精度压力测量。谐振式微压传感器通过谐振梁的固有频率随施加应力变化来实现压力的测量，尽管其测量精度、稳定性和灵敏度都优于上述两类传感器，但因其结构复杂、加工难度大、成本高，限制了其使用的范围。

压阻式压力传感器是以N型硅作为衬底材料，在敏感膜片上通过硼扩散或离子注入形成P型压敏电阻，通过硅膜片受压后膜内集成惠斯通电桥输出电压的变化，从而实现压力的测量。对于传统平板式硅压阻敏感膜片，传感器输出灵敏度与敏感膜片的厚度成反比，然而线性度却与敏感膜片的厚度成正比，因此很难通过优化敏感膜片的尺寸达到对微压力的精确测量。同时，由于敏感膜片中惠斯通电桥的集成，致使其薄膜厚度难以在保证测量精度条件下进一步减小来实现更小量程和更高灵敏度的压力测量。

微压传感器的关键结构为芯体敏感膜片，四个压敏电阻分布在膜片应力集中位置，形成惠斯通电桥将应力转换为电学信号输出。在相同的压力下，膜片局部应力集中程度越高，压敏电阻感受到的拉压应力越多，传感器的灵敏度指标就越高。同时，为避免传感器非线性误差随着灵敏度的增加而增加，需要降低敏感膜片中心的应变，这就需要增加膜片局部位置的刚性，限制膜片中心处的位移过大。

现有技术CN104729784B公开了一种梁槽结合台阶式岛膜微压传感器芯片及制备方法，其相对于传统的C型膜和E型岛膜结构，增加了质量块和凸块提高了薄膜的整体刚度，从而提高线性度，因此，该方案一定程度上平衡了微压传感器芯片的线性度和灵敏度。

但是，上述现有技术在线性度上仍然不能达到很理想的效果，其在压敏电阻的处压拉应力设计应力设计上，由于受到浮雕梁的本身结构限制，其二次应力集中效果一般，也就直接限制了灵敏度的提高。而且没有对膜片中心应变进行直接限制，灵敏度和限定度结构二者之间分别独立工作，直接影响到了线性度的有效控制，仍然没有解决好灵敏度与线性度、灵敏度与频响特性的固有矛盾。因此，如何确保微压传感器的高灵敏度、高线性度、高频响特性，是保证微压传感器进行可靠、精确测量的关键。

发明内容

因此，为了克服上述现有技术的缺点，本发明提供一种双重应力集中微压传感器芯体及制备方法，以确保微压传感器的高灵敏度、高线性度、高频响特性，保证微压传感器进行可靠、精确测量。

为了实现上述目的，本发明提供一种双重应力集中结构微压传感器芯体，包括基底，以及基底中部设有的膜片，所述膜片上表面周向均匀设置有两段以上的不连续的沟槽，相邻沟槽端部之间形成肋板，所述肋板在所述膜片上表面对称设置；所述肋板的应力集中处设置有压敏电阻条，通过金属引线将所述压敏电阻条连接成惠斯通电桥；所述膜片下表面形成有凸起的刚性结构，所述刚性结构的中心通过所述芯体背面的中心处，以降低膜片中心的位移；所述刚性结构的外端面与所述沟槽的内沿重合且与所述基底不相连，以便于当压力作用在所述膜片时，在所述压敏电阻条所在位置处形成双应力集中。

优选地，所述刚性结构的宽度与所述肋板的宽度相同，且所述刚性结构的端面与基底之间的距离等于所述沟槽的宽度。

优选地，所述不连续的沟槽为四段，每段沟槽呈90°弯折，在所述膜片上表面周向均匀设置；所述肋板为四个，在所述膜片上表面对称设置；所述刚性结构为十字梁，所述十字梁的中心位于所述芯体背面的中心；所述十字梁的宽度与所述肋板的宽度相同；所述十字梁的端面与所述沟槽的内沿重合，且所述十字梁的端面与所述基底之间的距离等于所述沟槽的宽度。

优选地，十字梁的四个梁沿薄膜下部边缘均匀分布，且与基底不相连。

优选地，所述沟槽刻蚀在在所述膜片正面，所述十字梁刻蚀在所述膜片背面。

优选地，所述压敏电阻条包括第一压敏电阻条、第二压敏电阻条、第三压敏电阻条、第四压敏电阻条，其分别按应力分布规律均匀布置在所述四个肋板上，且第一压敏电阻条、第二压敏电阻条、第三压敏电阻条、第四压敏电阻条的有效长度方向沿着压阻系数最大的晶向；金属引线将第一压敏电阻条、第二压敏电阻条、第三压敏电阻条、第四压敏电阻条相互连接成惠斯通电桥。

优选地，所述膜片厚度为30μm，所述沟槽宽度为80μm，所述沟槽深度为10μm，所述肋板长度为200μm，所述十字梁厚度为35μm，所述十字梁宽度与肋板长度相同，均为200μm，所述十字梁端面与基底的距离等同于沟槽宽度，均为80μm。

根据本发明的另一方面，提供一种制备上述双重应力集中结构微压传感器芯体的方法，包括以下步骤：

a)选用SOI硅片作为芯体材料，所述SOI硅片从上到下分为单层Si、中间层SiO2和基底Si；硫酸和过氧化氢溶液清洗硅片表面后，将其置于1000℃高温炉中，时间为30min，形成300±20nm SiO2绝缘层；

b)通过离子注入工艺，制备压敏电阻条，离子注入浓度为4.86′1014atoms/cm2，离子注入能量为70keV，经1000℃、30min退火后，压敏电阻方阻阻值为210±10Ω/Sq；

c)利用低压力化学气相沉积工艺，在硅片正反面沉积200±20nm Si3N4保护层；

d)制备惠斯通电桥，在硅片正面测控溅射Cr-Au层，之后通过光刻工艺制备金属导线并同时制备焊盘，Cr层厚度为50nm，Au层厚度为200nm；

e)利用正面刻蚀版，对上层单晶硅进行光刻，然后采用刻蚀工艺制备所述沟槽，刻蚀速率为1.8μm/min，刻蚀时间为5min；

f)硅片背面采用刻蚀工艺制备所述刚性结构；

g)利用真空键合工艺，将硅片基底与BF33玻璃进行真空键合，形成密封真空腔体。

优选地，所述步骤e)中采用刻蚀工艺制备所述沟槽，进一步包括，采用反应离子刻蚀RIE制备所述沟槽；所述步骤f)中硅片背面采用刻蚀工艺制备所述刚性结构进一步包括，采用深硅刻蚀DRIE工艺刻蚀制备所述刚性结构。

优选地，所述刚性结构为十字梁结构，所述步骤f),进一步包括：第一步，利用第一张掩膜版刻蚀十字梁结构，刻蚀深度为35μm；第二步，利用另一张掩膜版，深刻蚀敏感膜片应变腔体，刻蚀深度为300μm。与现有技术相比，本发明通过将自清洁装置设置于洗衣机内滚筒上，能够在洗衣机滚筒进行自清洁时，在内滚筒外壁和外滚筒内壁之间形成溅射清洁，对内滚筒和外滚筒间的残留物进行有效清理。

与现有技术相比，本发明传感器芯片的结构合理，增大了压敏电阻的应力变化量，有利于传感器灵敏度的提高。此外，增大了结构整体的刚度，降低了敏感膜片中心的位移，明显改善了传感器的线性度，同时有利于提高传感器的动态响应特性，确保微压芯体的灵敏度、线性度、精度及动态特性得到了同步提高，保证了微压传感器可靠和精确的测量。且便于加工、成本低，有利于实现批量化生产。

附图说明

图1(a)为本发明传感器芯片的正面轴测示意图。

图1(b)为本发明传感器芯片背腔轴测示意图。

图1(c)为图1(a)中A位置放大图。

图2为本发明传感器芯片正面结构尺寸示意图。

图2(a)为图2中A-A截面处的剖视图尺寸示意图。

图3(a)微压芯体等效应力分析仿真图。

图3(b)微压芯体等效应变分析仿真图。

图4(a)无加载状态下微压芯体截面结构应力分析图。

图4(b)一次应力集中状态下微压芯体截面结构应力分析图。

图4(c)二次应力集中状态下微压芯体截面结构应力分析图。

图5(a)为制备工艺中所使用SOI片结构示意图。

图5(b)为压敏电阻条制作示意图。

图5(c)为保护层制作示意图。

图5(d)为金属引线制作示意图。

图5(e)为正面沟槽刻蚀示意图。

图5(f)为背面刻蚀示意图。

图5(g)为玻璃片真空键合示意图。

具体实施方式

一种双重应力集中结构微压传感器芯体，包括基底6，芯体选用N型100晶向SOI作为基底6材料。以及基底6中部设有的膜片，所述膜片上表面周向均匀设置有两段以上的不连续的沟槽1，相邻沟槽1端部之间形成肋板2，所述肋板2在所述膜片上表面对称设置。所述肋板2的应力集中处设置有压敏电阻条3，通过金属引线将所述压敏电阻条3连接成惠斯通电桥。所述膜片下表面形成有凸起的刚性结构5，所述刚性结构5的中心通过所述芯体背面的中心处，以降低膜片中心的位移；所述刚性结构5的外端面与所述沟槽1的内沿重合且与所述基底6不相连，以便于当压力作用在所述膜片时，在所述压敏电阻条3所在位置处形成双应力集中。芯体上表面的沟槽1，以及芯体背面的刚性结构5外端面与基地的空隙，对肋板2形成双应力集中，从而大幅度提高了敏感度。同时，由于刚性结构5通过背面重心设置，从而提高膜片形变的刚性，防止因局部形变过大而引起的线性度下降，从而大幅提高了线性度，因此在促进敏感度的同时，也提高了线性度，从而大幅提高芯体性能。

在一个实施例中，如图1(a)和1(b)所示，采用正方形芯体结构，采用四段不连续沟槽1。所述不连续的沟槽1为四段，每段沟槽1呈90°弯折，呈L形状，在所述膜片上表面周向均匀设置；在相邻沟槽1的端部不连续处，形成肋板2，此实施例中所述肋板2为四个，在所述膜片上表面对称设置；所述压敏电阻条3包括第一压敏电阻条、第二压敏电阻条、第三压敏电阻条、第四压敏电阻条，其分别按应力分布规律均匀布置在所述四个肋板2上，且第一压敏电阻条、第二压敏电阻条、第三压敏电阻条、第四压敏电阻条的有效长度方向沿着压阻系数最大的晶向；金属引线将第一压敏电阻条、第二压敏电阻条、第三压敏电阻条、第四压敏电阻条相互连接成惠斯通电桥，如图1(c)所示。

在一个实施例中，所述刚性结构为十字梁5，所述十字梁5的中心位于所述芯体背面的中心；所述十字梁5的宽度与所述肋板2的宽度相同，这样能保证膜片的中心刚度，防止线性度的降低；所述十字梁5的端面与所述沟槽1的内沿重合，且所述十字梁5的端面与所述基底6之间的距离等于所述沟槽1的宽度，这样能保证肋板2在形变时上下表面处均形成剪切力，两个剪切力形成双应力集中，从而提高了敏感度。

以量程1psi(6895Pa)、边长L为3600m正方形芯体为例，其结构尺寸如图2所示。通过仿真分析并结合曲线拟合方法优化敏感膜片尺寸，最终确定敏感膜片厚度H为30m，沟槽1宽度b为80m，沟槽1深度g为10m，肋板2长度a为200m，十字梁5厚度h为35m，十字梁5宽度与肋板2长度相同均为200m，十字梁5端面与深硅刻蚀壁(基底6)的距离等同于沟槽1宽度，均为80m。

根据上述敏感膜片的尺寸，利用MEMS工艺，对芯体进行加工。选用SOI硅片作为芯体材料，使用4H2SO4:1H2O2清洗硅片表面后，将其置于高温炉中制备绝缘层；之后，通过离子注入工艺制备压敏电阻，为提高芯体的绝缘性能，低压力化学沉积Si3N4薄膜对压敏电阻进行保护；接下来利用磁控溅射工艺制备Cr-Au导线连接压敏电阻形成惠斯通电桥，利用刻蚀工艺加工敏感膜片正面沟槽1图形和背面十字梁5图形，利用真空键合工艺制备应变腔体。最后，将本发明所涉及的压力芯体装配成压力传感器并进行性能测试。

在承受1psi载荷作用下，敏感膜片的等效应力情况如图3(a)所示，可见布置压敏电阻条3处的等效应力约为65MPa，约为400个微应变，从而使传感器具有高灵敏度的线性输出；敏感膜片的等效应变情况如图3(b)所示，膜片中心最大应变为2.81m，约为膜片自身厚度的1/10，满足小变形理论形变要求，使得传感器具有高的线性度和精度；经仿真分析，其一阶固有频率为34.18kHz。相较与传统“C-type”敏感膜片及“E-type”敏感膜片，本文中微压芯体具有较高的灵敏度、线性度及稳定性。

本发明所涉及的芯片结构之所以会获得高灵敏度线性输出，源于其膜片的双重应力集中结构。图4(a)所示为在无加载状态时，压力芯体的截面结构图。假设芯体只有沟槽1结构，当压力作用在敏感膜片时，由于肋板2上方左右结构厚度不一致，导致刚度不同，因此在肋板2上下产生两个作用力，肋板2处发生第一次应力集中，如图4(b)所示。假设芯体只有十字梁5结构，肋板2下方同样出现刚度不一致，在肋板2上下仍然产生两个作用力，肋板2处发生第二次应力集中，如图4(c)所示。正是由于敏感膜片的特殊结构，使得肋板2处发生两次应力集中过程，从而增大了压敏电阻的应力变化量，有利于传感器灵敏度的提高。此外，十字梁5增大了结构整体的刚度，降低了敏感膜片中心的位移，明显改善了传感器的线性度，同时有利于提高传感器的动态响应特性。通过正面沟槽1结合背面十字梁5双重应力集中结构，本发明微压芯体的灵敏度、线性度、精度及动态特性得到了同步提高，保证了微压传感器可靠和精确的测量。

参照图5所示，上述双重应力集中结构微压芯体的制备方法包括如下步骤：

a)选用SOI(从上到下分别为单层Si、中间层SiO2和基底Si)硅片作为芯体材料，使用4H2SO4:1H2O2清洗硅片表面后，将其置于1000℃高温炉中，时间为30min，形成30020nmSiO2绝缘层，如图5(a)所示；

b)通过离子注入工艺，制备P型压敏电阻条3，离子注入浓度为4.861014atoms/cm2，离子注入能量为70keV，经1000℃、30min退火后，压敏电阻方阻阻值为210±10Ω/Sq，如图5(b)所示；

c)利用低压力化学气相沉积工艺，在硅片正反面沉积20020nm Si3N4保护层，如图5(c)所示；

d)制备惠斯通电桥，需要在硅片正面测控溅射Cr-Au层，之后通过光刻工艺制备金属导线并同时制备焊盘，Cr层厚度为50nm，Au层厚度为200nm，如图5(d)所示；

e)利用正面刻蚀版，对上层单晶硅进行光刻，然后采用刻蚀工艺制备所述沟槽1，刻蚀速率为1.8μm/min，刻蚀时间为5min，如图5(e)所示；

f)硅片背面采用刻蚀工艺制备所述刚性结构5，如图5(f)所示；

g)利用真空键合工艺，将硅片基底与BF33玻璃进行真空键合，形成密封真空腔体，如图5(g)所示。

在一个实施例中，所述步骤e)中采用刻蚀工艺制备所述沟槽1，进一步包括，采用反应离子刻蚀RIE制备所述沟槽1；所述步骤f)中硅片背面采用刻蚀工艺制备所述刚性结构5进一步包括，采用深硅刻蚀DRIE工艺刻蚀制备所述刚性结构5。

当所述刚性结构5为十字梁5结构时，所述步骤f),进一步包括：第一步，利用第一张掩膜版刻蚀十字梁5结构，刻蚀深度为35μm；第二步，利用另一张掩膜版，深刻蚀敏感膜片应变腔体，刻蚀深度为300μm。

与现有技术相比，本发明通过在膜片上表面形成沟槽1，在膜片下表面形成刚性结构5(十字梁5)，可以：第一，形成双应力集中。当膜片在外界压力下发生形变时，由于肋板2左右两侧均为沟槽1，因此结构上形成的梯度会在肋板2上产生第一应力；而且，刚性结构5，例如十字梁5形成在膜片下表面，且十字梁5的端面与所述沟槽1的内沿对齐，且与基底壁的距离等于所述沟槽1的距离，因此，在膜片形变时，在肋板2处形成第二应力。因此，只要膜片发生形变，肋板2上就发生双应力集中，从而产生应变信号，提高了敏感度。第二，由于十字梁5通过膜片的下表面中心处，因此，提高了下表面中心区域的刚度，使得膜片不易发生较大的形变从而导致线性度降低，从而确保了线性度。因此，本发明在提高敏感度的同时，又确保了线性度，极大地提高了微压力传感器的整体性能。

本发明的微压传感器主要性能指标如下：

1、测量范围：01psi；

2、满量程输出：169.1mV；

3、灵敏度：30.9mV/V；

4、线性度：0.25％FS；

5、重复度：0.19％FS；

6、迟滞：0.14％FS；

7、综合精度：0.34％FS；

8、一阶固有频率：34.18kHz；

9、芯体外形尺寸：3.6mm×3.6mm；

10、重量：45g。

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。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种双重应力集中结构微压传感器芯体，包括基底，以及基底中部设有的膜片，其特征在于：所述膜片上表面周向均匀设置有两段以上的不连续的沟槽，相邻沟槽端部之间形成肋板，所述肋板在所述膜片上表面对称设置；所述肋板的应力集中处设置有压敏电阻条，通过金属引线将所述压敏电阻条连接成惠斯通电桥；所述膜片下表面形成有凸起的刚性结构，所述刚性结构的中心通过所述芯体背面的中心处，以降低膜片中心的位移；所述刚性结构的外端面与所述沟槽的内沿重合且与所述基底不相连，以便于当压力作用在所述膜片时，在所述压敏电阻条所在位置处形成双应力集中。

2.如权利要求1所述的双重应力集中结构微压传感器芯体，其特征在于，所述刚性结构的宽度与所述肋板的宽度相同，且所述刚性结构的端面与基底之间的距离等于所述沟槽的宽度。

3.如权利要求1所述的双重应力集中结构微压传感器芯体，其特征在于，所述不连续的沟槽为四段，每段沟槽呈90°弯折，在所述膜片上表面周向均匀设置；所述肋板为四个，在所述膜片上表面对称设置；所述刚性结构为十字梁，所述十字梁的中心位于所述芯体背面的中心；所述十字梁的宽度与所述肋板的宽度相同；所述十字梁的端面与所述沟槽的内沿重合，且所述十字梁的端面与所述基底之间的距离等于所述沟槽的宽度。

4.如权利要求3所述的双重应力集中结构微压传感器芯体，其特征在于，十字梁的四个梁沿薄膜下部边缘均匀分布，且与基底不相连。

5.如权利要求4所述的双重应力集中结构微压传感器芯体，其特征在于，所述沟槽刻蚀在在所述膜片正面，所述十字梁刻蚀在所述膜片背面。

6.如权利要求4所述的双重应力集中结构微压传感器芯体，其特征在于，所述压敏电阻条包括第一压敏电阻条、第二压敏电阻条、第三压敏电阻条、第四压敏电阻条，其分别按应力分布规律均匀布置在所述四个肋板上，且第一压敏电阻条、第二压敏电阻条、第三压敏电阻条、第四压敏电阻条的有效长度方向沿着压阻系数最大的晶向；金属引线将第一压敏电阻条、第二压敏电阻条、第三压敏电阻条、第四压敏电阻条相互连接成惠斯通电桥。

7.如权利要求4所述的双重应力集中结构微压传感器芯体，其特征在于，所述膜片厚度为30μm，所述沟槽宽度为80μm，所述沟槽深度为10μm，所述肋板长度为200μm，所述十字梁厚度为35μm，所述十字梁宽度与肋板长度相同，均为200μm，所述十字梁端面与基底的距离等同于沟槽宽度，均为80μm。

8.一种制备如权利要求1所述的双重应力集中结构微压传感器芯体的方法，其特征在于：包括以下步骤：

a)选用SOI硅片作为芯体材料，所述SOI硅片从上到下分为单层Si、中间层SiO2和基底Si；硫酸和过氧化氢溶液清洗硅片表面后，将其置于1000℃高温炉中，时间为30min，形成300±20nm SiO2绝缘层；

b)通过离子注入工艺，制备压敏电阻条，离子注入浓度为4.86′1014atoms/cm2，离子注入能量为70keV，经1000℃、30min退火后，压敏电阻(2)方阻阻值为210±10Ω/Sq；

c)利用低压力化学气相沉积工艺，在硅片正反面沉积200±20nm Si3N4保护层；

d)制备惠斯通电桥，在硅片正面测控溅射Cr-Au层，之后通过光刻工艺制备金属导线并同时制备焊盘，Cr层厚度为50nm，Au层厚度为200nm；

e)利用正面刻蚀版，对上层单晶硅进行光刻，然后采用刻蚀工艺制备所述沟槽，刻蚀速率为1.8μm/min，刻蚀时间为5min；

f)硅片背面采用刻蚀工艺制备所述刚性结构；

g)利用真空键合工艺，将硅片基底与BF33玻璃进行真空键合，形成密封真空腔体。

9.如权利要求8所述的双重应力集中结构微压传感器芯体的制备方法，其特征在于，所述步骤e)中采用刻蚀工艺制备所述沟槽，进一步包括，采用反应离子刻蚀RIE制备所述沟槽；所述步骤f)中硅片背面采用刻蚀工艺制备所述刚性结构进一步包括，采用深硅刻蚀DRIE工艺刻蚀制备所述刚性结构。

10.如权利要求9所述的双重应力集中结构微压传感器芯体的制备方法，其特征在于，所述刚性结构为十字梁结构，所述步骤f),进一步包括：第一步，利用第一张掩膜版刻蚀十字梁结构，刻蚀深度为35μm；第二步，利用另一张掩膜版，深刻蚀敏感膜片应变腔体，刻蚀深度为300μm。