CN111238714A - 一种微压传感器及其制作工艺方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微压传感器及其制作工艺方法，所述微压传感器包括SOI衬底，在所述SOI衬底上设置有弹性元件和敏感元件，以实现对外加微压的测量；其中，弹性元件包括弹性硅膜和四个梯形梁结构，敏感元件为梯形梁结构上四个压敏电阻构成的惠斯通电桥结构。本发明通过微电子机械加工技术在SOI晶圆上制作弹性硅膜、四个梯形梁结构和四个压敏电阻，具有集成化和小型化的特点，构成的微压传感器能够实现对外加压力的检测且能实现微压测量。

Description

一种微压传感器及其制作工艺方法

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，具体涉及一种微压传感器及其制作工艺方法。

背景技术

微压传感器，亦称微压压力传感器，是一种用于测量微小压力的传感器。这类传感器要求灵敏度很高，即在很小压力作用下就要有很大的电信号输出。在医疗(测眼内压，颅内压等)、汽车、智能家居、过程控制等领域均对此类传感器提出急切需求。

目前为了实现微压测量，采用的结构主要包括方形硅膜结构、矩形梁膜结构等，当传感器量程小到一定程度时，方形硅膜必须很薄，才能保证足够高的灵敏度，这时方形硅膜结构的大挠度效应成为突出的矛盾，使传感器的非线性增大，测量准确度迅速下降。矩形梁膜结构中的矩形梁可以实现应力集中，从而提高传感器的灵敏度，且有效地解决了在膜片很薄时线性度差的缺点，但是灵敏度并不能满足某些微压测量特殊需求，例如医疗等。

因此，目前亟需解决的技术问题是提供一种高灵敏度、线性度好且集成化程度高的微压传感器。

发明内容

为了克服上述问题，本发明人进行了锐意研究，设计出一种微压传感器，所述传感器利用绝缘层硅(SOI)晶圆器件层形成弹性硅膜，在硅膜上制作四个等腰梯形梁，且在四个梯形梁上分别制作四个压敏电阻构成惠斯通电桥结构，可以实现对微压的检测，从而完成了本发明。

具体来说，本发明的目的在于提供以下方面：

第一方面，提供一种微压传感器，其中，所述微压传感器包括SOI衬底，在所述SOI衬底上设置有弹性元件和敏感元件，以实现对外加微压的测量。

第二方面，提供一种第一方面所述的微压传感器的制作工艺方法，其中，所述制作工艺方法包括以下步骤：

步骤1，零次光刻，干法刻蚀SOI晶圆对版标记；

步骤2，清洗SOI晶圆；

步骤3，一次氧化，在器件层3上生长薄氧层，厚度为30nm～50nm；

步骤4，一次光刻，刻蚀出P^-区窗口，注入硼离子形成P型压敏电阻；

步骤5，去胶，清洗SOI晶圆；

步骤6，二次光刻，刻蚀P⁺区窗口，注入硼离子，形成P⁺区，作为欧姆接触；

步骤7，离子注入工艺后，进行高温退火；

步骤8，BOE去除薄氧层，清洗SOI晶圆；

步骤9，二次氧化，在器件层3上PECVD法生长第二绝缘层，厚度为300nm～500nm；

步骤10，三次光刻，刻蚀第二绝缘层4形成压敏电阻的引线孔；

步骤11，清洗SOI晶圆，在第二绝缘层4上蒸镀金属铝；

步骤12，四次光刻，刻蚀金属铝形成金属铝互连线以及铝电极；

步骤13，清洗SOI晶圆，在器件层3上PECVD生长Si₃N₄钝化层，厚度为100nm～200nm；

步骤14，五次光刻，刻蚀钝化层，形成压焊点；

步骤15，清洗SOI晶圆，合金化工艺，温度为350～450℃，优选为420℃，时间为20～40min，形成欧姆接触；

步骤16，六次光刻，刻蚀器件层3形成梯形梁结构；

步骤17，七次光刻，刻蚀SOI晶圆的支撑衬底1，刻蚀至第一绝缘层2处，形成弹性硅膜；

步骤18，清洗SOI晶圆，SOI晶圆支撑衬底1与硼硅玻璃键合。

步骤19，在SOI晶圆表面旋涂划片保护胶，SOI晶圆划片后，采用丙酮溶液去除芯片表面保护胶；

步骤20，清洗，芯片封装，完成所述微压传感器工艺制作。

第三方面，提供了一种第二方面所述制作工艺方法制备得到的微压传感器。

本发明所具有的有益效果包括：

(1)本发明所提供的微压传感器，在绝缘层硅(SOI)晶圆上实现弹性硅膜、等腰梯形梁和压敏电阻有效结合，具有集成化和小型化的特点，同时利用等腰梯形梁应力集中效应，完成对外加微压的检测，可实现在0～3kPa范围内压力的测量；

(2)本发明所提供的微压传感器，利用绝缘硅(SOI)晶圆器件层作为弹性硅膜，其厚度容易控制，能够使微压传感器具有较好的灵敏度一致性；

(3)本发明所提供的微压传感器的制作工艺方法，与现有硅工艺兼容性高，操作简单，条件易控，适于规模化生产。

附图说明

图1示出本发明一种优选实施方式的微压传感器的整体结构示意图；

图2示出本发明一种优选实施方式的微压传感器的俯视示意图；

图3示出本发明一种优选实施方式的微压传感器的剖面示意图，其中，图3中的a示出沿AA'方向的剖面示意图，图3中的b示出沿BB'方向的剖面示意图；

图4示出本发明图1中微压传感器的电路图，其中，图4中的a示出图1的等效电路图，图4中的b示出本发明的电路原理图；

图5-1～图5-9示出本发明所述微压传感器制作工艺流程图；

图6示出本发明实验例1中的不同结构压力传感器的仿真应力分布图；其中，图6中的a示出方形硅膜结构的传感器的应力分布图，图6中的b示出具有矩形梁膜结构的传感器的应力分布图，图6中的c示出具有等腰梯形硅膜结构的传感器的应力分布图；

图7示出本发明实验例2中的不同结构压力传感器的输出电压与外加压力的变化曲线；

图8示出本发明实验例3中的具有不同长边与腰夹角的等腰梯形梁膜结构微压传感器的输出电压与外加压力变化曲线。

附图标号说明：

1-支撑衬底；

2-第一绝缘层；

3-器件层；

4-第二绝缘层；

5-P⁺区；

6-P^-区；

7-引线孔；

8-互连线；

9-钝化层；

10-薄氧层；

L-梯形梁结构；

α-长边与腰的夹角；

L₁-第一梯形梁；

L₂-第二梯形梁；

L₃-第三梯形梁；

L₄-第四梯形梁；

R₁-第一压敏电阻；

R₂-第二压敏电阻；

R₃-第三压敏电阻；

R₄-第四压敏电阻；

△R-电阻变化值；

V_DD-电源；

GND-地线；

V_OUT1-第一输出电压；

V_OUT2-第二输出电压。

具体实施方式

下面通过附图和实施例对本发明进一步详细说明。通过这些说明，本发明的特点和优点将变得更为清楚明确。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

本发明的第一方面，提供了一种微压传感器，如图1所示，所述传感器包括SOI衬底，在所述SOI衬底上设置有弹性元件和敏感元件，以实现对外加微压的测量。

其中，所述SOI为绝缘层上的硅，其通过绝缘层实现器件层和衬底的介质隔离。

根据本发明一种优选的实施方式，所述SOI衬底包括由下到上依次设置的支撑衬底1、第一绝缘层2和器件层3。

在进一步优选的实施方式中，所述支撑衬底1为<100>晶向单晶硅片。

本发明人研究发现，选用<100>晶向单晶硅片作为支撑衬底，有利于提高传感器芯片硅膜工艺制作。

在更进一步优选的实施方式中，所述支撑衬底1的厚度为300～500μm，优选为350～450μm，更优选为400μm。

根据本发明一种优选的实施方式，所述第一绝缘层2为二氧化硅层，其厚度为500～800nm。

在进一步优选的实施方式中，所述第一绝缘层2的厚度为550～750nm，优选为650nm。

根据本发明一种优选的实施方式，所述器件层3为<100>晶向n型单晶硅，其电阻率为1～10Ω·cm，优选为3～5Ω·cm。

在进一步优选的实施方式中，所述器件层3的厚度为30～50μm。

在更进一步优选的实施方式中，在所述器件层3的上表面设置有第二绝缘层4，其为二氧化硅层，厚度为300～500nm，优选为400nm。

根据本发明一种优选的实施方式，如图1～3所示，所述弹性元件包括弹性硅膜，其位于SOI晶圆器件层上，与支撑衬底1下表面腐蚀窗口对应，具有一定厚度，

所述弹性硅膜的厚度为优选为30～40μm，更优选为35μm。

本发明人研究发现，利用绝缘层上硅(SOI)晶圆的器件层形成弹性硅膜，易于控制弹性硅膜的厚度。

在进一步优选的实施方式中，所述弹性硅膜的形状为矩形、方形或圆形，优选为方形。

本发明人研究发现，当圆形膜片的直径等于方形膜片的边长时，在硅膜厚度相等条件下，圆形膜片的固有频率大于正方形膜片，所述尺寸下的方形膜片可以得到更大的膜片变形和更大的横纵向应变差，有利于提高传感器的灵敏度。同时，从加工工艺上来说，方形膜片易于通过湿法刻蚀工艺形成，工艺较简单。因此，本发明中优选设置方形弹性硅膜。

根据本发明一种优选的实施方式，所述弹性元件还包括设置在弹性硅膜上表面的四个梯形梁结构L，

所述梯形梁结构包括第一梯形梁L₁、第二梯形梁L₂、第三梯形梁L₃和第四梯形梁L₄，所述四个梯形梁设置在弹性硅膜上表面的边缘中间位置。

本发明人发现，在弹性硅膜上表面增设梁结构，有利于应用应力集中效应。

在进一步优选的实施方式中，如图2所示，所述第一梯形梁L₁和第三梯形梁L₃沿传感器芯片的<011>晶向对称设置，

所述第二梯形梁L₂和第四梯形梁L₄沿传感器芯片的<01_1>晶向对称设置。

在更进一步优选的实施方式中，所述第一梯形梁L₁、第二梯形梁L₂、第三梯形梁L₃和第四梯形梁L₄均为等腰梯形梁，

优选地，所述等腰梯形梁的长边与腰的夹角为α，所述α的范围为80°～89°，优选为87°。

其中，将梁设置为等腰梯形梁，且将长边与腰的夹角设置为上述角度，有利于提高应力集中效应。

更优选地，所述四个等腰梯形梁的长边靠近传感器的中心位置。

在本发明中，优选采用方形弹性硅膜及其上的第一梯形梁L₁、第二梯形梁L₂、第三梯形梁L₃和第四梯形梁L₄构成的梁结构作为弹性元件，由于等腰梯形梁的存在，使得梁根部具有很好的应力集中效果，可以实现对微压的测量，提高了灵敏度。

根据本发明一种优选的实施方式，所述敏感元件包括依次设置的第一压敏电阻R₁、第二压敏电阻R₂、第三压敏电阻R₃和第四压敏电阻R₄，分别设置在第一梯形梁L₁、第二梯形梁L₂、第三梯形梁L₃和第四梯形梁L₄。

其中，所述四个压敏电阻构成惠斯通电桥结构，以实现对外加压力的检测。

在进一步优选的实施方式中，所述第一压敏电阻R₁、第二压敏电阻R₂、第三压敏电阻R₃和第四压敏电阻R₄分别位于相应的等腰梯形梁的应力区域。

在更进一步优选的实施方式中，所述第一压敏电阻R₁和第三压敏电阻R₃沿传感器芯片的<011>晶向对称设置，

所述第二压敏电阻R₂和第四压敏电阻R₄沿传感器芯片的<01_1>晶向对称设置。

根据本发明一种优选的实施方式，如图2和图4所示，所述第一压敏电阻R₁的一端与第四压敏电阻R₄的一端相连，其连接端与电源V_DD相连；所述第二压敏电阻R₂的一端与第三压敏电阻R₃的一端相连，其连接端与地线GND相连。

在进一步优选的实施方式中，所述第一压敏电阻R₁的另一端与第二压敏电阻R₂的另一端相连，连接端为第一输出电压V_OUT1；

所述第三压敏电阻R₃的另一端与第四压敏电阻R₄的另一端相连，连接端为第二输出电压V_OUT2。

在本发明中，通过测量第一输出电压V_OUT1与第二输出电压V_OUT2的差值实现对外加压力的检测。具体地，在外加压力作用下，弹性硅膜发生弹性形变，使得压敏电阻的阻值改变，电阻变化值为△R，输出电压也随之改变，从而实现压力的检测。

本发明人研究发现，与传统的硅器件层相比，本发明中采用SOI晶圆作为衬底，并将压敏电阻制作在等腰梯形梁的应力集中区域，能够显著提高所述微压传感器的灵敏度。

根据本发明一种优选的实施方式，在所述第二绝缘层4的上表面还制作有互连线8，其通过真空蒸镀技术得到。

本发明的第二方面，提供了一种第一方面所述微压传感器的制作工艺方法，如图5-1～5-9所示，所述制作工艺方法包括以下步骤：

步骤1，对版标记光刻(零次光刻)，采用干法刻蚀对版标记。

其中，所述干法刻蚀指的是利用气态中产生的等离子体，与暴露于等离子体中的硅片产生物理和化学反应，刻蚀掉硅片上暴露的表面材料的一种工艺技术法。

步骤2，清洗SOI晶圆。

在本发明中，采用RCA标准清洗法对硅衬底进行清洗，所述清洗如下进行：将单晶硅衬底用浓硫酸煮至冒白烟，冷却后用大量去离子水冲洗，再分别采用电子清洗液1号、2号(1号液的主要成分及体积配比为：氨水:双氧水:水＝1:1:5，其中，氨水的浓度为27％，双氧水的浓度为30％；2号液的主要成分及体积配比为：盐酸:双氧水:水＝1:1:5，其中，盐酸的浓度为37％，双氧水的浓度为30％)各清洗两次，然后用大量去离子水冲洗，最后放入甩干机中甩干。

根据本发明一种优选的实施方式，所述SOI衬底包括由下到上依次设置的支撑衬底1、第一绝缘层2和器件层3。

在进一步优选的实施方式中，所述支撑衬底1为n型<100>晶向单晶硅片。

在更进一步优选的实施方式中，所述支撑衬底1的厚度为300～500μm，优选为350～450μm，更优选为400μm。

根据本发明一种优选的实施方式，所述第一绝缘层2为二氧化硅层，其厚度为500～800nm，优选为550～750nm，更优选为650nm。

根据本发明一种优选的实施方式，所述器件层3为n型<100>晶向单晶硅，其电阻率为1～10Ω·cm，优选为3～5Ω·cm。

在进一步优选的实施方式中，所述器件层3的厚度为30～50μm。

步骤3，一次氧化，在器件层3上生长薄氧层10，厚度30nm～50nm(如图5-1所示)。

其中，采用热氧化法生长薄氧层，即将清洗后的SOI晶圆放入高温氧化炉中进行氧化，以氧气为气源，氧化生长薄氧层(即二氧化硅层)。

根据本发明一种优选的实施方式，所述薄氧层的厚度为30～50nm，优选为40nm。

步骤4，一次光刻，刻蚀出P^-区窗口6，注入硼离子形成P型压敏电阻(如图5-2所示)。

其中，通过离子注入机进行硼B离子注入。

根据本发明一种优选的实施方式，所述硼离子的注入能量为40～80keV，优选为50～70keV，如60keV。

在进一步优选的实施方式中，所述硼离子的注入剂量为1×10¹²cm^-2～1.5×10¹⁴cm^-2，优选为1×10¹³cm^-2～1×10¹⁴cm^-2。

在本发明中，光刻工艺过程为现有技术中常用的方法，包括匀胶、前烘、曝光、显影、坚膜、腐蚀和去胶。

其中，匀胶过程中采用的底胶型号优选为LOR10B，采用的正性光刻胶的型号优选为AZ1500。

步骤5，去胶，清洗SOI晶圆。

步骤6，二次光刻，刻蚀P⁺区窗口5，注入硼离子，形成P⁺型区，形成欧姆接触(如图5-3所示)。

根据本发明一种优选的实施方式，所述硼离子的注入能量为40～80keV，优选为50～70keV，如60keV。

在进一步优选的实施方式中，所述硼离子的注入剂量为1×10¹⁵cm^-2～8×10¹⁵cm^-2，优选为5×10¹⁵cm^-2。

其中，经过上述工艺，形成四个压敏电阻。

步骤7，离子注入工艺后，进行高温退火。

其中，所述退火温度为800～1200℃，优选为900℃，退火时间为15～40min，优选为30min。

步骤8，BOE去除薄氧层，清洗SOI晶圆。

在本发明中，优选采用BOE(Buffered Oxide Etch)溶液去掉薄氧层，其中，BOE为缓冲氧化物刻蚀液，由浓度为49％的氢氟酸与水按体积比为1：6混合而成。

步骤9，二次氧化，在器件层3上PECVD法生长第二绝缘层4(如图5-4所示)。

其中，采用等离子增强化学气相层积法(PECVD)生长第二绝缘层，其为二氧化硅绝缘层，厚度为300～500nm，优选为400nm。

步骤10，三次光刻，刻蚀第二绝缘层4形成压敏电阻的引线孔(7)(如图5-5所示)。

步骤11，清洗SOI晶圆，在第二绝缘层4上采用真空蒸发技术蒸镀金属铝。

其中，所述蒸镀的金属铝的厚度为0.5～1.0μm。

步骤12，四次光刻，刻蚀金属铝形成金属铝互连线8以及铝电极(如图5-6所示)。

步骤13，清洗SOI晶圆，在器件层3上PECVD生长钝化层9(如图5-7所示)；

其中，所述钝化层为Si₃N₄，其厚度为100～200nm，优选为150nm。

步骤14，五次光刻，刻蚀钝化层，形成压焊点；

步骤15，清洗SOI晶圆，合金化工艺形成欧姆接触；

根据本发明一种优选的实施方式，所述合金化处理在真空环境下进行，处理温度为350～450℃，优选为420℃。

在进一步优选的实施方式中，所述合金化处理的时间为20～40min，优选为30min。

其中，采用上述合金化处理的温度和时间，能够增强铝电极的附着力，消除肖特基势垒，形成欧姆接触。

步骤16，六次光刻，刻蚀器件层3形成梯形梁结构L(如图5-8所示)；

根据本发明一种优选的实施方式，所述第一梯形梁L₁、第二梯形梁L₂、第三梯形梁L₃和第四梯形梁L₄均采用ICP技术刻蚀形成。

其中，所述ICP是指感应耦合等离子体技术，该技术是微机电系统器件加工中的关键技术之一。

在进一步优选的实施方式中，所述刻蚀厚度为3～7μm，优选为5μm。

其中，采用ICP技术刻蚀芯片正面，形成的第一梯形梁L₁、第二梯形梁L₂、第三梯形梁L₃和第四梯形梁L₄均为等腰梯形梁，

优选地，所述等腰梯形梁的长边与腰的夹角为α，所述α的范围为80°～89°，优选为87°。

步骤17，七次光刻，刻蚀SOI晶圆的支撑衬底1，刻蚀至第一绝缘层2处，形成弹性硅膜(如图5-9所示)；

其中，通过双面光刻对准工艺，采用ICP刻蚀技术刻蚀SOI晶圆的支撑衬底1，刻蚀至第一绝缘层2处，形成弹性硅膜。

在本发明中，利用SOI器件层形成弹性硅膜，具有集成化和小型化的特点，而且易于控制弹性硅膜的厚度，能够显著提高微压传感器的灵敏度。

根据本发明一种优选的实施方式，所述弹性硅膜的厚度优选为30～40μm，更优选为35μm。

在进一步优选的实施方式中，所述弹性硅膜的形状为矩形、方形或圆形，优选为方形。

步骤18，清洗SOI晶圆，SOI晶圆支撑衬底1与硼硅玻璃键合。

步骤19，在SOI晶圆表面旋涂划片保护胶，SOI晶圆划片后，采用丙酮溶液去除芯片表面保护胶；

步骤20，清洗，芯片封装，完成所述微压传感器工艺制作。

本发明通过微电子机械加工技术(MEMS)，在SOI晶圆上加工制作出弹性硅膜、四个等腰梯形梁和四个压敏电阻，具有集成化和小型化的特点，同时由于等腰梯形梁的存在，使等腰梯形梁根部产生很好的应力集中效果，基于压阻效应，可实现对外加微压的测量。

本发明的第三方面，提供了一种第二方面所述制作工艺方法制备的微压传感器。

实验例

实验例1

采用ANSYS15.0软件分别对具有方形硅膜的压力传感器、具有矩形梁膜结构的压力传感器以及本发明所述的具有等腰梯形梁膜结构的微压传感器进行特性仿真。

对上述传感器进行应力分析，按照以下步骤进行：

(1)通过ANSYS15.0软件构建三种结构传感器的实体模型，其中，三种传感器的芯片尺寸均为5000μm×5000μm，弹性硅膜尺寸为4000μm×4000μm；

方形硅膜结构中膜厚为35μm，矩形梁膜结构和等腰梯形梁膜结构中膜厚为30μm、梁厚5μm，矩形梁膜结构中梁长580μm、梁宽340μm，等腰梯形梁膜结构中梁的长边长340μm、高580μm、长边与腰的夹角为87°。

(2)进行材料参数设置，Si的杨氏模量设定为1.33×10⁵MPa，膨胀系数设定为2.8×10^-6K^-1，泊松比设定为0.35。

(3)slice模块切割(为了网格划分均匀)，之后进行整体组合，进行网格划分，网格划分时Element Size尺寸为80μm，设定边界条件，把芯片所有侧面自由度(即x、y和z方向)设为固定值0，施加压力，芯片表面施加压力3kPa，进行应力仿真。

仿真结果分别如图6中的a、b和c所示，由三种结构的应力分布图可以看出，方形硅膜结构压力传感器中硅膜的应力极值为9.4MPa且分布在硅膜四边边缘的中心处且对称分布；矩形梁膜结构压力传感器中弹性元件的应力极值为14.8MPa且分布在四个短梁末端且对称分布；本发明中所述的等腰梯形梁膜结构微压传感器中弹性元件的应力极值为15.6MPa且分布在四个等腰梯形梁末端且对称分布。

很明显，与方形硅膜结构和矩形梁膜结构相比，本发明所述的设置有等腰梯形梁膜结构的微压传感器弹性元件具有较好应力集中。

实验例2

采用ANSYS15.0软件分别对具有方形硅膜的压力传感器、具有矩形梁膜结构的压力传感器以及本发明所述的具有等腰梯形梁膜结构的微压传感器的压敏特性进行仿真，按照以下步骤进行：

(1)设置三种传感器的芯片尺寸为5000μm×5000μm，硅膜尺寸为4000μm×4000μm，其中，方形硅膜结构中膜厚为35μm；矩形梁膜结构和等腰梯形梁膜结构中膜厚为30μm、梁厚5μm，矩形梁膜结构中梁长580μm、梁宽340μm；等腰梯形梁膜结构中梁的长边长340μm、高580μm、长边与腰的夹角为87°；电阻条尺寸为100μm×20μm。

(2)进行slice模块切割，网格划分，定义边界条件，最后在电源电压5V，外加压力为0kPa-3kPa，步长为0.5kPa。

对输出电压与外加压力的关系曲线进行仿真，仿真结果如图7所示。

由图7的仿真结果可知，三种结构传感器输出电压随着外加压力的增大而增大，其中，方形硅膜结构压力传感器在外加压力为3kPa时具有最大的输出电压，最大的输出电压为15.9mV；矩形梁膜结构压力传感器在外加压力为3kPa时具有最大输出电压，最大输出电压为33.8mV；本发明所述的设置有等腰梯形梁膜结构的微压传感器在外加压力为3kPa时具有最大输出电压，最大输出电压为69.1mV。

由上述可知，在三种结构压力传感器中，方形硅膜结构压力传感器的满量程输出电压最小，本发明所述的设置有等腰梯形梁膜结构的微压传感器的满量程输出电压最大，为方形硅膜结构压力传感器的满量程输出电压的2倍。因此，与方形硅膜结构、矩形梁膜结构压力传感器相比，本发明所述的设置有等腰梯形梁膜结构的微压传感器具有最高的灵敏度。

实验例3

采用ANSYS15.0软件对设置有等腰梯形梁膜结构(长边与腰的夹角不同)的微压传感器的电压输出特性进行仿真，按照以下步骤进行：

(1)构建实体模型，等腰梯形梁膜结构压力传感器的芯片尺寸为5000μm×5000μm，硅膜尺寸为4000μm×4000μm，膜厚为30μm，梁厚5μm，等腰梯形梁膜结构中梁的长边长340μm、高580μm、长边与腰的夹角α分别为87°、88°、89°、90°，电阻条尺寸为100μm×20μm。

(2)进行slice模块切割，网格划分，定义边界条件，最后在电源电压5V，外加压力为0kPa-3kPa，步长为0.5kPa。

对传感器的输出电压与外加压力的关系曲线进行仿真，仿真结果如图8所示。

由图8可知，设置有等腰梯形梁膜结构(长边与腰的夹角不同)的微压传感器的满量程输出电压均随着外加压力的增大而增大，随着长边与腰的夹角α的减小，满量程输出电压值逐渐增大。其中，当夹角为α＝90°，在外加压力为3kPa时，传感器的满量程输出电压为33.8mV；当夹角α＝89°，在外加压力为3kPa时，传感器的满量程输出电压为66.5mV；当夹角α＝88°，在外加压力为3kPa时，传感器的输出电压为64.2mV；当夹角α＝87°，在外加压力为3kPa时，传感器的满量程输出电压为69.1mV。

因此，当夹角α＝87°时具有最大的满量程输出电压69.1mV，此时等腰梯形梁膜结构的压力传感器具有最大的灵敏度23.0mV/kPa。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于本发明工作状态下的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”“相连”“连接”应作广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体的连接普通；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以上结合了优选的实施方式对本发明进行了说明，不过这些实施方式仅是范例性的，仅起到说明性的作用。在此基础上，可以对本发明进行多种替换和改进，这些均落入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种微压传感器，其特征在于，所述微压传感器包括SOI衬底，在所述SOI衬底上设置有弹性元件和敏感元件，以实现对外加微压的测量。

2.根据权利要求1所述的微压传感器，其特征在于，所述SOI衬底包括由下到上依次设置的支撑衬底(1)、第一绝缘层(2)和器件层(3)；

所述支撑衬底(1)为<100>晶向单晶硅片，

所述器件层(3)为<100>晶向n型单晶硅，电阻率为1～10Ω·cm，厚度为30～50μm。

3.根据权利要求1所述的微压传感器，其特征在于，所述弹性元件包括弹性硅膜，其位于器件层(3)上，与支撑衬底(1)下表面腐蚀窗口对应，

所述器件层厚度为弹性硅膜厚度，

优选地，所述弹性硅膜的厚度30～40μm。

4.根据权利要求1所述的微压传感器，其特征在于，所述弹性元件还包括设置在弹性硅膜上表面的四个梯形梁结构(L)，

所述梯形梁结构(L)包括第一梯形梁(L₁)、第二梯形梁(L₂)、第三梯形梁(L₃)和第四梯形梁(L₄)，所述四个梯形梁设置在弹性硅膜上表面的边缘中间位置，

所述第一梯形梁(L₁)、第二梯形梁(L₂)、第三梯形梁(L₃)和第四梯形梁(L₄)均为等腰梯形梁，

优选地，所述等腰梯形梁的长边与腰的夹角为α，所述α的范围为80°～89°，

所述四个等腰梯形梁的长边靠近传感器的中心位置。

5.根据权利要求4所述的微压传感器，其特征在于，所述第一梯形梁(L₁)和第三梯形梁(L₃)沿传感器芯片的<011>晶向对称设置，

所述第二梯形梁(L₂)和第四梯形梁(L₄)沿传感器芯片的

晶向对称设置。

6.根据权利要求3所述的微压传感器，其特征在于，所述敏感元件包括第一压敏电阻(R₁)、第二压敏电阻(R₂)、第三压敏电阻(R₃)和第四压敏电阻(R₄)，分别设置在第一梯形梁(L₁)、第二梯形梁(L₂)、第三梯形梁(L₃)和第四梯形梁(L₄)上。

7.根据权利要求6所述的微压传感器，其特征在于，所述第一压敏电阻(R₁)和第三压敏电阻(R₃)沿传感器芯片的<011>晶向对称设置，

所述第二压敏电阻(R₂)和第四压敏电阻(R₄)沿传感器芯片的

晶向对称设置。

8.一种权利要求1至7之一所述的微压传感器的制作工艺方法，其特征在于，所述制作工艺方法包括以下步骤：

步骤1，零次光刻，干法刻蚀SOI晶圆对版标记；

步骤2，清洗SOI晶圆；

步骤3，一次氧化，在器件层(3)上生长薄氧层，厚度为30nm～50nm；

步骤4，一次光刻，刻蚀出P^-区窗口，注入硼离子形成P型压敏电阻；

步骤5，去胶，清洗SOI晶圆；

步骤6，二次光刻，刻蚀P⁺区窗口，注入硼离子，形成P⁺区，作为欧姆接触；

步骤7，离子注入工艺后，进行高温退火；

步骤8，BOE去除薄氧层，清洗SOI晶圆；

步骤9，二次氧化，在器件层(3)上PECVD法生长第二绝缘层，厚度为300nm～500nm；

步骤10，三次光刻，刻蚀第二绝缘层(4)形成压敏电阻的引线孔；

步骤11，清洗SOI晶圆，在第二绝缘层(4)上蒸镀金属铝；

步骤12，四次光刻，刻蚀金属铝形成金属铝互连线以及铝电极；

步骤13，清洗SOI晶圆，在器件层(3)上PECVD生长Si₃N₄钝化层，厚度为100nm～200nm；

步骤14，五次光刻，刻蚀钝化层，形成压焊点；

步骤15，清洗SOI晶圆，合金化工艺，温度为350～450℃，优选为420℃，时间为20min～40min，形成欧姆接触；

步骤16，六次光刻，刻蚀器件层(3)形成梯形梁结构；

步骤17，七次光刻，刻蚀SOI晶圆的支撑衬底(1)，刻蚀至第一绝缘层(2)处，形成弹性硅膜；

步骤18，清洗SOI晶圆，SOI晶圆支撑衬底(1)与硼硅玻璃键合。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在步骤18之后，还包括以下步骤：

步骤19，在SOI晶圆表面旋涂划片保护胶，SOI晶圆划片后，采用丙酮溶液去除芯片表面保护胶；

步骤20，清洗，芯片封装，完成所述微压传感器工艺制作。

10.一种权利要求8或9所述制作工艺方法制备得到微压传感器。

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