CN109799026B - Mems压力传感器及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种MEMS压力传感器及制备方法，包括压力传感器敏感膜层、结构支撑层和电路板，压力传感器敏感膜层下表面与结构支撑层上表面键合连接，电路板上表面与结构支撑层下表面焊接相连；压力传感器敏感膜层下表面设有压敏电阻和金属引线，上表面设有波纹结构，压力传感器敏感膜层的厚度为2μm‑100μm；结构支撑层上表面设有硅槽，下表面设有环形隔离槽7和四个Pad点，硅槽内设有阵列分布的硅柱，硅柱的高度低于硅槽的深度，Pad点通过四个通孔实现与结构支撑层上表面的电连接。本发明提供的MEMS压力传感器，可以在腐蚀、流体、辐射、导电、动态测试等恶劣环境中应用，还能缩小传感器的体积、提高传感器的抗过载能力、实现低应力无引线封装。

Description

MEMS压力传感器及制备方法

技术领域

本发明属于传感器技术领域，更具体地说，是涉及一种MEMS压力传感器及其制备方法。

背景技术

MEMS传感器即微机电系统(Microelectro Mechanical Systems)，是在微电子技术基础上发展起来的多学科交叉的前沿研究领域。随着MEMS压力传感器在航空航天、军事、工业等领域的广泛应用，研制可用于高冲击、高过载、导电、腐蚀、辐射、动态测试等恶劣环境的小体积压力传感器已经成为压力传感器发展的重要趋势。现有的引线键合压力芯片已经不适用于所述恶劣环境，如现有充油传感器，虽然可以在导电、腐蚀环境下应用，当环境温度变化较剧烈时，硅油膨胀会给压力传感器测量带来较大误差，同时其相应频率极低，不能用于测试动态压力。目前已经报道的压力传感器，仍存在体积大、抗过载能力低、后期封装较复杂、应力影响大等问题；例如在设计中低量程压力传感器时，受到加工工艺的限制，采用普通硅片，利用干法或湿法刻蚀工艺加工压力膜，厚度一般不会低于20微米，极限抛磨加工压力膜，厚度不会低于12微米，而且厚度不均匀，芯片一致性差，因此需要增大传感器的尺寸，从而达到设计要求的灵敏度，使传感器不能达到极小体积的要求，无法应用于如小卫星、无人机、风洞试验等安装体积受到限制的领域。目前各种结构MEMS压力传感器过载不会超过3倍满量程，严重限制了其应用范围；在采用金属引线键合压力芯片时，其后期封装复杂，在采用倒装焊工艺芯片时，由于芯片与电路板直接焊接，必然会给传感器引入极大的应力影响。

此外，目前各种结构的MEMS薄膜压力传感器普遍存在破膜现象，致使传感器成品率无法提高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种MEMS压力传感器，以解决现有技术中压力传感器存在的体积大、量程小等技术问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种MEMS压力传感器，包括：

压力传感器敏感膜层，其下表面设有压敏电阻和金属引线，其上表面设有波纹结构，所述压力传感器敏感膜层的厚度为2μm-100μm；

结构支撑层，其上表面设有硅槽，其下表面设有环形隔离槽和四个Pad点，所述硅槽内设有阵列分布的硅柱，所述硅柱的高度低于所述硅槽的深度，还设有四个贯穿所述结构支撑层的通孔，四个所述Pad点和四个所述通孔分别均匀设置于所述环形隔离槽的外围，所述结构支撑层的上下表面和所述通孔内均布设有金属引线，实现上表面与下表面的Pad点电连接；以及

电路板，其上表面设有焊盘；

所述压力传感器敏感膜层的下表面与所述结构支撑层的上表面键合连接，所述压敏电阻和对应的金属引线密封在所述硅槽围成的范围之内，所述电路板的上表面与所述结构支撑层的下表面焊接相连。

进一步地，所述硅槽为矩形结构，其四个内角均为圆角。

进一步地，所述波纹结构为嵌设在所述压力传感器敏感膜层上表面的多个大小不同且层层嵌套的回字形凹槽。

进一步地，所述电路板上的所述焊盘的数量为四个，与四个所述Pad点的位置一一对应。

本发明的另一目的在于提供一种MEMS压力传感器的制备方法，包括如下步骤：

制作结构支撑层：

利用多层掩膜和干法刻蚀技术在单晶硅的上表面加工硅槽和硅柱；

加工贯穿所述单晶硅的四个通孔；

在所述单晶硅的下表面制作环形隔离槽；

在所述单晶硅的上下表面制作二氧化硅绝缘层；

利用溅射和电镀在上下两层所述二氧化硅绝缘层表面及四个所述通孔内布设金属引线，并在下层所述二氧化硅层的表面制作四个Pad点；

制备压力传感器敏感膜层；

准备SOI硅片，所述SOI硅片自下至上依次包括硅器件层、绝缘层和硅支撑层；

利用扩散或离子注入技术在所述硅器件层下表面制作压敏电阻；

利用溅射或电镀的方法在所述硅器件层下表面制作金属引线；

在所述硅器件层下表面沉积二氧化硅绝缘层，然后利用溅射或电镀的方法在所述二氧化硅绝缘层上制备粘附金属层；

将所述硅器件层下表面与所述结构支撑层的上表面进行低温无静电金属键合；

采用干法刻蚀或湿法腐蚀的方法，去除所述硅支撑层和所述绝缘层；

在所述硅器件层上表面制备波纹结构；

电路板焊接封装在所述结构支撑层下表面；

在焊接空隙填充低应力绝缘导热流体胶。

进一步地，所述低温无静电金属键合的温度为400℃以下。

与现有技术相比，本发明提供的MEMS压力传感器的有益效果在于：

其一，压力传感器敏感膜层采用SOI(silicon on insulator，简称：SOI)材料加工，SOI硅片包括硅器件层、绝缘层和硅支撑层，硅器件层为2-100微米，适合做小体积压力传感器薄膜，且其厚度比较均匀，传感器性能一致性较好，在将SOI材料硅器件层上表面与结构支撑层键合后，采用干法刻蚀与薄膜湿法腐蚀的方法，去掉SOI的硅支撑层与绝缘层，留下SOI材料硅器件层即为小体积压力传感器薄膜；

其二，在压力传感器敏感膜层上表面加工波纹结构，从而增加结构弹性，使传感器能够承受10倍以上过载；

其三，在压力传感器结构支撑层上表面的硅槽中制作分布均匀的硅柱阵列，其高度低于结构支撑层上表面，这种方法既可以使传感器能够承受100倍以上过载，又可以避免出现双层硅吸附现象，同时由于硅柱为多根阵列分布，给传感器真空腔引入的压膜阻尼可以忽略，不会对传感器的动态性能造成影响；

其四，压力传感器敏感膜层和结构支撑层采用低温无静电方式键合和在一起，将压敏电阻及金属引线密封在压力传感器真空腔中进行保护，从而使传感器可以应用到腐蚀、流体、辐射、导电、动态测试等恶劣环境中；

因此，本发明提供的压力传感器可以在腐蚀、流体、辐射、导电、动态测试等恶劣环境中应用，还能缩小传感器的体积、提高传感器的抗过载能力、实现低应力无引线封装及有效的提高了传感器的性能的成品率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的制备MEMS压力传感器中的结构支撑层的单晶硅的结构示意图

图2为本发明实施例提供的在单晶硅上表面制备硅槽和硅柱后的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的制备贯穿单晶硅的通孔的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的在单晶硅下表面制作环形隔离槽的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的结构支撑层的结构示意图；

图6为图5的俯视结构示意图；

图7为图5的仰视结构图；

图8为本发明实施例提供的SOI硅片的结构示意图；

图9为本发明实施例提供的在SOI硅片上制备压敏电阻的结构示意图；

图10为本发明实施例提供的SOI硅片与结构支撑层键合的结构示意图；

图11为本发明实施例提供的去除硅支撑层和绝缘层后的结构示意图；

图12为本发明实施例提供的在硅器件层上制备波纹结构后形成压力传感器敏感层后的结构示意图；

图13为图12的俯视结构示意图；

图14为本发明实施例提供的电路板的结构示意图；

图15为本发明实施例提供的电路板与结构支撑层焊接后的结构示意图。

其中，图中标记：

1-单晶硅；2-单晶硅上表面；3-硅槽；4-硅柱；5-通孔；6-单晶硅下表面；7-环形隔离槽；8-Pad点；9-结构支撑层；10-SOI硅片；11-硅器件层；12-绝缘层；13-硅支撑层；14-硅器件层下表面；15-压敏电阻；16-压力传感器敏感膜层；17-压力传感器敏感膜上表面；18-波纹结构；19-电路板；20-电路板上表面；21-焊盘；22-绝缘导热流体胶。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，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例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请一并参阅图1至图15，现对本发明提供的MEMS压力传感器进行说明。所述MEMS压力传感器，包括压力传感器敏感膜层16、结构支撑层9和电路板19，压力传感器敏感膜层16下表面设有连接成惠斯通电桥的压敏电阻15和金属引线，上表面设有波纹结构18，压力传感器敏感膜层16的厚度为2μm-100μm；结构支撑层9上表面设有硅槽3，其下表面设有环形隔离槽7和四个Pad点8，硅槽3内设有阵列分布的硅柱4，硅柱4的高度低于硅槽3的深度，还设有四个贯穿结构支撑层9的通孔5，四个Pad点8和四个通孔5分别均匀设置于环形隔离槽7的外围，结构支撑层9的上下表面和通孔5内均布设有金属引线，实现上表面与下表面的Pad点8电连接；电路板19上表面设有焊盘21；压力传感器敏感膜层16的下表面与结构支撑层9的上表面键合连接，压敏电阻15和对应的金属引线密封在硅槽3围成的范围之内，电路板19的上表面与结构支撑层9的下表面焊接相连。

本发明提供的MEMS压力传感器，与现有技术相比，硅压力敏感膜采用SOI(siliconon insulator，简称：SOI)材料加工，参见图8，SOI硅片包括硅器件层、二氧化硅绝缘层和硅支撑层，硅器件层可以做到2-100微米，适合做小体积压力传感器薄膜，且其厚度比较均匀，传感器性能一致性较好，因此本发明将SOI材料硅器件层下表面与结构支撑层键合后，采用干法刻蚀与薄膜湿法腐蚀的方法，去掉SOI的硅支撑层与二氧化硅绝缘层，留下SOI材料硅器件层作为小体积压力传感器薄膜，解决了现有传感器体积大的问题。

由于受到硅脆性材质的限制，目前各种结构压力传感器最大能承受3倍满量程的过载压力，当超过3倍满量程压力后，传感器性能会受到不可恢复的影响。为了解决这一问题，在不影响应力分布的情况下，在压力传感器敏感膜层上表面(也即硅器件层上表面)加工波纹结构，参见图12、图13，从而增加结构弹性，使传感器能够承受10倍以上过载。

其中，压力传感器敏感膜层16的下表面与结构支撑层9的上表面通过低温无静电键合、低温硅硅键合、金属共晶键合等键合连接。

参见图2-图6所示，在结构支撑层上表面的硅槽中制作分布均匀的硅柱阵列，其高度低于结构支撑层上表面，这种方法既可以使传感器能够承受100倍以上过载，又可以避免出现双层硅吸附现象，同时由于硅柱为多根阵列分布，给传感器真空腔引入的压膜阻尼可以忽略，不会对传感器的动态性能造成影响。

参见图7所示，结构支撑层下表面加工用于应力隔离的环形隔离槽，并将Pad点制作于环形隔离槽范围外。在环形隔离槽范围外有四个用于无引线回流焊的Pad点；Pad点通过四个通孔实现了与结构支撑层上表面的电连接，这种结构可以实现芯片无引线焊接。当采用无引线封装方法，将传感器Pad点直接焊接在电路板上时，同时用低应力绝缘导热流体胶填充环形隔离槽围成的范围内部，焊接应力被环形隔离槽与低应力软胶隔开，无法传递到压力传感器敏感膜上，达到传感器低应力封装的目标，同时使传感器可以在高冲击环境中应用。

参见图12，压力传感器敏感膜下表面(也即硅器件层下表面)及结构支撑层上表面采用低温无静电方式键合在一起，将压敏电阻及金属引线密封在压力传感器真空腔中进行保护，从而使传感器可以应用到腐蚀、流体、辐射、导电、动态测试等恶劣环境中。

综上所述，本发明提供的压力传感器不但可以在腐蚀、流体、辐射、导电、动态测试等恶劣环境中应用，还能缩小传感器的体积、提高传感器的抗过载能力、实现低应力无引线封装及有效的提高了传感器的成品率。

进一步地，请参阅图6，作为本发明提供的MEMS压力传感器的一种具体实施方式，硅槽3为矩形结构，其四个内角均为圆角。结构支撑层上表面的的硅槽四角采用圆角结构，在不影响压力传感器应力分布的情况下，消除了压力膜四角应力集中现象，解决了压力传感器破膜问题，极大的提高传感器芯片的成品率，同时使传感器达到15倍满量程过载能力。

进一步地，请参阅图4、图5及图7，作为本发明提供的MEMS压力传感器的一种具体实施方式，环形隔离槽7为回字形结构。

进一步地，请参阅图13，作为本发明提供的MEMS压力传感器的一种具体实施方式，波纹结构18为嵌设在压力传感器敏感膜层上表面17的多个大小不同且层层嵌套的回字形凹槽，上表面为直接压力承载面，能有效提高芯片的抗过载能力。

进一步地，请参阅图14，作为本发明提供的MEMS压力传感器的一种具体实施方式，电路板19上的焊盘21的数量为四个，与四个Pad点8的位置一一对应。

本发明的另一目的在于提供一种MEMS压力传感器的制备方法，包括如下步骤：

制作结构支撑层9，参见图1至图7：

准备一片双面抛光的6英寸、300微米厚、100面的单晶硅，如图1所示；

采用多层掩膜及干法刻蚀技术在单晶硅上表面2上加工30微米深的圆角硅槽3及25微米高阵列硅柱4，硅柱顶部距离支撑结构上表面约5微米，如图2及图6所示；

采用DRIE(Deep Reactive Ion Etching System)深法刻蚀技术加工贯穿单晶硅1的四个通孔5，通孔直径小于50微米，如图3所示；

在单晶硅下表面6加工一回字形应力环形隔离槽7，采用DRIE深法刻蚀技术加工，如图4及图7所示；

在单晶硅1的上下表面制作二氧化硅绝缘层；

利用溅射和电镀在上下两层二氧化硅绝缘层表面及四个通孔5内布设金属引线，并在下层二氧化硅层的表面制作四个用于无引线回流焊的Pad点8，形成结构支撑层，Pad点通过四个通孔实现了与结构支撑层上表面的电连接，这种结构可以实现芯片无引线焊接，参阅图5；

制备压力传感器敏感膜层16，参见图8至图13；

准备一片双面抛光的6英寸，311微米厚SOI硅片10，如图8所示，SOI硅片包括10微米的硅器件层11，加工压力敏感膜；1微米的二氧化硅绝缘层，用于深刻蚀止挡层；及300微米的硅支撑层组成13，用于形成压力背腔；

利用扩散或离子注入技术在硅器件层下表面14制作连接成惠斯通电桥的压敏电阻15，作为压力传感器敏感单元；其中，硅器件层上表面为直接压力承载面，下表面嵌设压敏电阻及金属引线，参见图9；

利用溅射或电镀的方法在硅器件层下表面14制作金属引线；

在硅器件层下表面14沉积二氧化硅绝缘层，然后利用溅射或电镀的方法在二氧化硅绝缘层上制备粘附金属层；在结构支撑层上表面制作二氧化硅绝缘层及金属粘附层，其中对应的二氧化硅绝缘层及金属层覆盖除敏感膜压力膜及Pad点所有区域；

将硅器件层下表面14与结构支撑层9的上表面在400℃以下进行低温无静电金属键合，在键合之前，形成压力传感器真空密封腔及电连接，参见图10；

采用干法刻蚀或湿法腐蚀的方法，去除硅支撑层13和绝缘层12，参见图11；

在硅器件层上表面(也即压力传感器敏感膜上表面17)制备数条距离相同，深度、宽度均相同的回字形凹槽，参见图12、图13；

压力传感器无引线焊接电路板19，在电路板上表面20分布有4个带有锡焊膏的焊盘21，参见图14。将结构支撑层下表面6与电路板上表面20的焊盘对准，进行回流焊，并在焊接空隙填充低应力绝缘导热流体胶22，完成传感器无引线初步封装，如图15所示。

其中，本发明中压力传感器敏感膜层、结构支撑层和电路板的制备顺序不予限定。

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。

Claims (4)

1.MEMS压力传感器，其特征在于，包括：

压力传感器敏感膜层（16），其下表面设有压敏电阻（15）和金属引线，其上表面设有波纹结构（18），所述压力传感器敏感膜层（16）的厚度为2μm-100μm；

结构支撑层（9），其上表面设有硅槽（3），其下表面设有环形隔离槽（7）和四个Pad点（8），所述硅槽（3）内设有阵列分布的硅柱（4），所述硅柱（4）的高度低于所述硅槽（3）的深度，还设有四个贯穿所述结构支撑层（9）的通孔（5），四个所述Pad点（8）和四个所述通孔（5）分别均匀设置于所述环形隔离槽（7）的外围，所述结构支撑层（9）的上下表面和所述通孔（5）内均布设有金属引线，实现上表面与下表面的Pad点（8）电连接；以及

电路板（19），其上表面设有焊盘（21）；

所述压力传感器敏感膜层（16）的下表面与所述结构支撑层（9）的上表面键合连接，所述压敏电阻（15）和对应的金属引线密封在所述硅槽（3）围成的范围之内，所述电路板（19）的上表面与所述结构支撑层（9）的下表面焊接相连；

MEMS压力传感器的制备方法，包括如下步骤：

制作结构支撑层（9）：

利用多层掩膜和干法刻蚀技术在单晶硅（1）的上表面加工硅槽（3）和硅柱（4）；

加工贯穿所述单晶硅（1）的四个通孔（5）；

在所述单晶硅（1）的下表面制作环形隔离槽（7）；

在所述单晶硅（1）的上下表面制作二氧化硅绝缘层；

利用溅射和电镀在上下两层所述二氧化硅绝缘层表面及四个所述通孔（5）内布设金属引线，并在下层所述二氧化硅层的表面制作四个Pad点（8）；

制备压力传感器敏感膜层（16）；

准备SOI硅片（10），所述SOI硅片自下至上依次包括硅器件层（11）、绝缘层（12）和硅支撑层（13）；利用扩散或离子注入技术在所述硅器件层（11）下表面制作压敏电阻（15）；

利用溅射或电镀的方法在所述硅器件层（11）下表面制作金属引线；

在所述硅器件层（11）下表面沉积二氧化硅绝缘层，然后利用溅射或电镀的方法在所述二氧化硅绝缘层上制备粘附金属层；在结构支撑层（9）上表面制作二氧化硅绝缘层及金属粘附层；

将所述硅器件层（11）下表面与所述结构支撑层（9）的上表面进行低温无静电金属键合；

采用干法刻蚀或湿法腐蚀的方法，去除所述硅支撑层（13）和所述绝缘层（12）；

在所述硅器件层（11）上表面制备波纹结构（18）；所述波纹结构（18）为嵌设在所述压力传感器敏感膜层（16）上表面的多个大小不同且层层嵌套的回字形凹槽；

电路板（19）焊接封装在所述结构支撑层（9）下表面；

在焊接空隙填充低应力绝缘导热流体胶（22）。

2.如权利要求1所述的MEMS压力传感器，其特征在于，所述硅槽（3）为矩形结构，其四个内角均为圆角。

3.如权利要求1所述的MEMS压力传感器，其特征在于，所述电路板（19）上的所述焊盘（21）的数量为四个，与四个所述Pad点（8）的位置一一对应。

4.如权利要求1所述的MEMS压力传感器，其特征在于，所述低温无静电金属键合的温度为400℃以下。

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