CN111498795B - 一种隔离槽阵列结构的压力传感器芯片及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种隔离槽阵列结构的压力传感器芯片及其制备方法，属于MEMS压阻式压力传感器领域，传感器芯片由浮雕薄膜结构层和背腔结构层组成，浮雕薄膜结构层分为浮雕层和薄膜层，浮雕层由位于薄膜内部带圆角的十字形结构组成，浮雕结构与薄膜边缘相接处布置有压敏电阻条，压敏电阻条的有效长度沿着压阻系数最大的晶向，且每个压敏电阻条内部间隙布置隔离槽阵列结构，使应力集中在制备压敏电阻条的位置上，提高了传感器的灵敏度。金属引线将四个压敏电阻条两两连接形成两个电阻，且将压敏电阻条与布置在基底上的四个焊盘连接，并与外置相同阻值的两个电阻连接组成惠斯通全桥实现电信号的输入输出。背腔是C型腔结构，制作工艺简单。

Description

一种隔离槽阵列结构的压力传感器芯片及其制备方法
技术领域
本发明属于MEMS压阻式微压传感器技术领域，具体涉及一种隔离槽阵列结构的压力传感器芯片及其制备方法。
背景技术
随着微机械电子系统技术的发展，微压传感器已被广泛应用于航空航天、生物医疗、石油化工等领域；随着各领域飞速的发展，对传感器的性能、体积等有着更加严格的要求，MEMS传感器无疑是十分理想的选择。例如在生物医疗领域，移液枪中药液量的准确控制具有重要意义，而压力的保持与药液量有一定的关系，因而通过压力传感器就可反映出移液枪中药液的变化，从而进行调节。药液量的变化很微小，这就要求传感器的量程低且灵敏度高，从而可以灵敏地反应移液枪中药液的变化，保证药液量的稳定性。
MEMS压力传感器采用的测量原理有很多，主要有压阻式、压电式、电容式、谐振式等，但是与其他原理的MEMS压力传感器相比，MEMS压阻式压力传感器具有测量范围广、可测静态和动态信号、动态响应好、后处理电路简单、加工成本低廉等优点，从而得到广泛的应用。
MEMS压阻式压力传感器的灵敏度和线性度是最重要的工作指标，因此在设计过程中常将灵敏度和线性度作为优化目标设计传感器的结构。但是灵敏度与线性度之间存在相互制约的关系，从而影响传感器性能的进一步提高。在MEMS压阻式压力传感器设计中，弱化传感器灵敏度与线性度相互制约关系，同时得到灵敏度和线性度的最优值尤为重要。
目前，MEMS压阻式微压传感器的最小量程大多是kPa量级，但是对于移液枪等生物医疗领域需在Pa量级进行压力测量，也不能适应深高空等领域微压精确测量的需求。因此，如何提高传感器的灵敏度、平衡灵敏度与线性度之间的矛盾是MEMS压阻式微压传感器进行可靠精确测量亟需突破的难点。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种隔离槽阵列结构的压力传感器芯片及其制备方法，能够对Pa级微压进行测量，具有高灵敏度和高动态性能等特点。
为达到上述目的，本发明所述一种隔离槽阵列结构的压力传感器芯片，包括自上至下依次设置的浮雕结构层、薄膜结构层和背腔结构层，所述浮雕结构层包括浮雕结构，所述浮雕结构的端部刻蚀有隔离槽阵列，所述隔离槽阵列包括多个依次设置的隔离槽，所述相邻的两个隔离槽之间设置有压敏电阻组件，设置在同一个隔离槽阵列处的压敏电阻组件连接形成一个压敏电阻，所有的压敏电阻通过金属引线连接，组成惠斯通电桥中电阻R1和电阻R3，电阻R1和电阻R3与外置的电阻R2和电阻R4连接组成惠斯通全桥实现电信号的输入和输出。
进一步的，浮雕结构为十字形。
进一步的，浮雕结构的根部具有倒角。
进一步的，浮雕结构的四个端部分别设置有第一阵列隔离槽、第二阵列隔离槽、第三阵列隔离槽和第四阵列隔离槽；所述第一阵列隔离槽处设置有第一压敏电阻条，所述第二阵列隔离槽处设置有第二压敏电阻条，所述第三阵列隔离槽处设置有第三压敏电阻条，所述第四阵列隔离槽处设置有第四压敏电阻条，所述第一压敏电阻条和第四压敏电阻条连接组成惠斯通电桥中的电阻R1，第二压敏电阻条和第三压敏电阻条连接组成惠斯通电桥中的电阻R3。
进一步的，每个阵列隔离槽包括五个依次沿着薄膜的边设置的隔离槽，分隔相邻的两个隔离槽的四个侧壁上方分别设置有一折压敏电阻条，总共四折压敏电阻条，通过欧姆接触区将四折压敏电阻条连接为一体，形成压敏电阻条。
进一步的，背腔结构层中刻蚀的背腔为C型腔。
上述的隔离槽阵列结构的压力传感器芯片的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、清洗SOI硅片，所述SOI硅片由上层单晶硅、二氧化硅埋层和下层单晶硅组成；
步骤2、对SOI硅片进行双面高温氧化，在SOI硅片的顶面形成第一二氧化硅层，在SOI硅片的底面形成第二二氧化硅层；
步骤3、使用压敏电阻版，采用离子刻蚀工艺去除第一二氧化硅层中敏电阻区域内的二氧化硅，并进行硼离子轻掺杂，形成压敏电阻条；然后进行退火，保证SOI片中杂质浓度均匀分布；
步骤4、在步骤3得的SOI片正面成一层第三二氧化硅层，然后利用欧姆接触版，进行光刻和反应离子刻蚀，去除第三二氧化硅层和第一二氧化硅层中欧姆接触区位置的二氧化硅，形成欧姆接触区限制离子重掺杂的区域，其余区域的二氧化硅层充当掩模，然后进行硼离子重掺杂，形成欧姆接触区；
步骤5、在欧姆接触区中，采用金属引线版去除金属引线和焊盘区域的第一二氧化硅层和第三二氧化硅层，溅射金属层，形成金属引线和焊盘，并进行合金化处理；
步骤6、使用正面浮雕结构版和阵列隔离槽版，对步骤5得到的SOI片正面进行光刻，采用离子刻蚀工艺在基底正面刻蚀形成浮雕结构和多个阵列隔离槽，所述阵列隔离槽刻蚀到SOI中二氧化硅层停止；
步骤7、使用背腔刻蚀版对步骤6得到的SOI片背面进行光刻，以SOI片中二氧化硅埋层作为刻蚀停止层干法刻蚀去除多余的硅，形成背腔；
步骤8、将步骤7得到的芯片结构与玻璃片进行真空键合，制作出超低压力传感器芯片。
进一步的，步骤4完成后，进行退火处理，使得欧姆接触区的杂质掺杂浓度进一步均匀。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：
本发明提出的传感器芯片结构合理，具备高可灵敏度、高线性度、高频响、低成本等特点，有利于实现批量化生产。
本发明采用十字浮雕结构使得应力集中在浮雕结构的端部，从而使得应力得到第一次集中。为使应力进一步集中从而达到提高传感器的灵敏度的目的，在浮雕结构端部布置了隔离槽阵列结构，利用应力突变原理将应力进一步集中在两个隔离槽之间的位置，并在此位置布置上压敏电阻条，使得集中的应力完全作用在压敏电阻条的位置，最终实现所设计的传感器具有高灵敏度的特点。
带有圆角的十字浮雕结构提高了应力膜的刚度，应力膜的刚度提高有利于提高线性度和固有频率，固有频率的提高使得传感器的动态性能得到提高。
进一步的，背腔结构层包括刻蚀的背腔，背腔为C型腔，结构简单，MEMS工艺成熟易实现。
所设计的传感器为超低压的传感器检测的压力范围为0～500Pa，因此能检测出Pa级的压力。
芯片的制作方法用到的离子注入、光刻等工艺都属于传统的工艺，加工工艺没有挑战，从而保证了传感器的成品率和可靠性，从而有利于批量化生产。
附图说明
图1为本发明结构分解示意图；
图2为本发明主视图；
图3为本发明轴测示意图；
图4a为图3中A处局部放大图；
图4b为图3中B处局部放大图；
图4c为图3中C处局部放大图；
图4d为图3中D处局部放大图；
图5为背腔结构示意图；
图6为本发明在压力作用下的示意图；
图7为本发明的惠斯通电桥示意图；
图8本发明的制作工艺示意图。
附图中：1、基底，2、薄膜，3、浮雕结构，4-1、第一压敏电阻条，4-2、第二压敏电阻条，4-3、第三压敏电阻条，4-4、第四压敏电阻条，5-1、第一隔离槽阵列，5-2、第二隔离槽阵列，5-3、第三隔离槽阵列，5-4，第四隔离槽阵列，6、金属引线，7、焊盘，8、玻璃片，9、上层单晶硅，10、二氧化硅埋层，11、下层单晶硅，12、第一二氧化硅层，13、欧姆接触区，14、背腔，15、第二二氧化硅层，100、浮雕结构层，200、薄膜结构层，300、背腔结构层。
具体实施方式
为了使本发明的目的和技术方案更加清晰和便于理解。以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步的详细说明，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并非用于限定本发明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，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”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。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”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，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。
参照图1，一种隔离槽阵列结构的压力传感器芯片，从几何结构上可以包括自上至下依次设置的——浮雕结构层100、薄膜结构层200、背腔结构层300和玻璃片8。
参照图2，浮雕结构层100包括：带圆角的十字形的浮雕结构3；第一压敏电阻条4-1、第二压敏电阻条4-2、第三压敏电阻条4-3和第四压敏电阻条4-4；浮雕端部刻蚀的第一隔离槽阵列5-1、第二隔离槽阵列5-2、第三隔离槽阵列5-3和第四隔离槽阵列5-4；金属引线6以及焊盘7。
带圆角的十字形的浮雕结构3端部与基底1相连接。在浮雕结构根部的应力集中区域刻蚀第一隔离槽阵列5-1、第二隔离槽阵列5-2、第三隔离槽阵列5-3和第四隔离槽阵列5-4，使应力进一步集中在压敏电阻条上。在第一隔离槽阵列5-1中，两个相邻的隔离槽之间均匀布置压敏电阻条4-1，在第二隔离槽阵列5-2中两个相邻的隔离槽之间均匀布置压敏电阻条4-2，第三隔离槽阵列5-3中两个相邻的隔离槽之间均匀布置压敏电阻条4-3，第四隔离槽阵列5-4中个相邻的两隔离槽之间均匀布置压敏电阻条4-4。所有压敏电阻条的有效长度沿着压阻系数最大的晶向。金属引线6将第一压敏电阻条4-1和压敏电阻条4-4连接组成惠斯通电桥中的电阻R1，金属引线6将压敏电阻条4-2和压敏电阻条4-3连接组成惠斯通电桥中的电阻R3，且压敏电阻条与布置在基底上的四个焊盘7电连接，并与外置相同阻值的电阻R2和电阻R4连接组成惠斯通全桥实现电信号的输入和输出。
薄膜结构层200包括薄膜2；浮雕结构层100中的第一隔离槽阵列5-1、第二隔离槽阵列5-2、第三隔离槽阵列5-3和第四隔离槽阵列5-4延伸至薄膜2。
背腔结构层300包括刻蚀的背腔14，背腔14为“C”型腔，结构简单，MEMS工艺成熟易实现。
电阻条和隔离槽阵列的分布如图4a至图4d所示，所述的第一压敏电阻条4-1、第二压敏电阻条4-2、第三压敏电阻条4-3和第四压敏电阻条4-4均为四折电阻条结构；每一折电阻条分布在隔离槽阵列中相邻的两个隔离槽之间的位置，四个电阻条的初始电阻值相同，并且其有效长度方向均沿着最大压阻系数的晶向。
第一隔离槽阵列5-1、第二隔离槽阵列5-2、第三隔离槽阵列5-3和第四隔离槽阵列5-4的结构完全相同，第一隔离槽阵列5-1和第三隔离槽阵列5-3相对设置，第二隔离槽阵列5-2和第四隔离槽阵列5-4相对设置。第一隔离槽阵列5-1包括五个依次设置的隔离槽，分隔相邻的两个隔离槽的四个侧壁上方分别设置有一折压敏电阻条，总共四折压敏电阻条，通过欧姆接触区13将四折压敏电阻条连接为一体，形成压敏电阻条。
作为本发明的优选实施例，薄膜2为正方形，沿薄膜2边缘分布的隔离槽阵列，每个隔离槽阵列包括五个依次沿着薄膜的边设置的隔离槽，两个相邻的隔离槽阵列结构之间为压敏电阻条的位置，隔离槽结构使得应力突变进而应力集中在压敏电阻条位置，应力集中效果好。
本发明的工作原理如下：
参照图6，当传感器受到压力作用时，带有浮雕结构的薄膜2开始向下凹，浮雕结构层100中的十字形浮雕结构3使应力集中在浮雕结构3的根部，第一隔离槽阵列5-1、第二隔离槽阵列5-2、第三隔离槽阵列5-3和第四隔离槽阵列5-4隔离槽阵列通过应力突变的原理对应力进一步集中，增大了压敏电阻条的阻值变化量，从而提高了传感器的灵敏度。
参照图7，将阻值相同的四个电阻连成惠斯通电桥，其中，电阻R1为传感器芯片中第一压敏电阻条4-1和第四压敏电阻条4-4的阻值总和，电阻R3为芯片中第二压敏电阻条4-2和第三压敏电阻条4-3的阻值总和，电阻R2和电阻R4为外置固定电阻；Vin为外加电压，当被测压力作用在传感器芯片上时，基于硅的压阻效应，压敏电阻条的阻值发生改变，则惠斯通电桥的输出电压Vo为：
Figure BDA0002516745800000081
上式中，R1为电阻R1的阻值，R2为电阻R2的阻值，R3为电阻R3的阻值，R4为电阻R4的阻值。
当传感器芯片不受力时，电阻值满足关系式R1R3＝R2R4，电路的输出为零，因此在设计时四个电阻完全相同，无外力时电桥处于平衡状态。
当传感器芯片受到压力时，其压敏电阻条的阻值基于压阻效应发生变化，使得电阻R1和电阻R3阻值均变为R+ΔR，惠斯通电桥是去平衡，产生输出：
Figure BDA0002516745800000082
又因为四个电阻初始电阻都为R则：
Figure BDA0002516745800000083
参照图8所示，本发明提出一种隔离槽阵列结构的压力传感器芯片的制备方法，包括顺序进行的以下步骤：
(a)、使用N型(100)晶面双面抛光SOI硅片和BF33玻璃，用HF溶液清洗SOI硅片，所述SOI硅片由上层单晶硅9、二氧化硅埋层10和下层单晶硅11组成，其中二氧化硅埋层10将上层单晶硅9和下层单晶硅11隔离开；
(b)、在900℃～1200℃温度下对SOI硅片进行双面高温氧化形成第一二氧化硅层12和第二二氧化硅层15；
(c)、使用压敏电阻版，采用离子刻蚀(Reactive Ion Etching，RIE)工艺去除第一二氧化硅层12中压敏电阻区域内的热氧二氧化硅，进行硼离子轻掺杂，形成第一压敏电阻条4-1、第二压敏电阻条4-2、第三压敏电阻条4-3和第四压敏电阻条4-4；然后进行退火，保证SOI片中杂质浓度均匀分布；
(d)、采用等离子增强化学气相沉积(Plasma Enhanced Chemical VaporDeposition，PECVD)工艺在(c)制得的SOI片正面形成一层第三二氧化硅层，用于保证压敏电阻区在重掺杂中不受到影响；利用欧姆接触版，进行光刻和反应离子刻蚀工艺，去除欧姆接触区位置的第一二氧化硅和PECVD产生的第三二氧化硅层，形成欧姆接触区限制离子重掺杂的区域，其余区域的二氧化硅层充当掩模，然后进行硼离子重掺杂，形成低阻值的欧姆接触区13；然后进行退火处理，使得欧姆接触区13的杂质掺杂浓度进一步均匀，保证形成稳定接触；
(e)、在欧姆接触区13，采用金属引线版去除金属引线和焊盘区域的第一二氧化硅层12和第三二氧化硅层，溅射金属层，形成金属引线6和焊盘7，并在高温下进行合金化处理；
(f)、使用正面浮雕结构版和隔离槽阵列版，对SOI片正面进行光刻，采用离子刻蚀工艺在基底1正面刻蚀形成浮雕结构3、第一隔离槽阵列5-1、第二隔离槽阵列5-2、第三隔离槽阵列5-3和第四隔离槽阵列5-4隔离槽阵列，其中，第一隔离槽阵列5-1、第二隔离槽阵列5-2、第三隔离槽阵列5-3和第四隔离槽阵列5-4刻蚀到SOI中二氧化硅层10自停止；
(g)、使用背腔刻蚀版对SOI片背面进行光刻，以SOI片中二氧化硅埋层10作为刻蚀停止层干法刻蚀去除多余的硅，形成背腔14，背腔14的底面即为薄膜2；
(h)、将(g)制作的芯片结构与玻璃片8进行真空键合，制作出绝压超低压力传感器芯片。
本发明所达到的主要技术指标如下：
1、测量范围：0～500Pa；
2、测量精度：优于0.5％FS；
3、灵敏度：大于30μV/V/Pa；
4、工作温度：-50～120℃；
5、一阶固有频率：大于10kHz。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种隔离槽阵列结构的压力传感器芯片，其特征在于，包括自上至下依次设置的浮雕结构层(100)、薄膜结构层(200)和背腔结构层(300)，所述浮雕结构层(100)包括浮雕结构(3)，所述浮雕结构(3)的端部刻蚀有隔离槽阵列，所述隔离槽阵列包括多个依次设置的隔离槽，所述相邻的两个隔离槽之间设置有压敏电阻组件，设置在同一个隔离槽阵列处的压敏电阻组件连接形成一个压敏电阻，所有的压敏电阻通过金属引线(6)连接，组成惠斯通电桥中电阻R1和电阻R3，电阻R1和电阻R3与外置的电阻R2和电阻R4连接组成惠斯通全桥实现电信号的输入和输出；
所述浮雕结构(3)为十字形；
每个阵列隔离槽包括五个依次沿着薄膜的边设置的隔离槽，分隔相邻的两个隔离槽的四个侧壁上方分别设置有一折压敏电阻条，总共四折压敏电阻条，通过欧姆接触区(13)将四折压敏电阻条连接为一体，形成压敏电阻条。
2.根据权利要求1所述的一种隔离槽阵列结构的压力传感器芯片，其特征在于，所述浮雕结构(3)的根部具有倒角。
3.根据权利要求1所述的一种隔离槽阵列结构的压力传感器芯片，其特征在于，所述浮雕结构(3)的四个端部分别设置有第一阵列隔离槽(5-1)、第二阵列隔离槽(5-2)、第三阵列隔离槽(5-3)和第四阵列隔离槽(5-4)；所述第一阵列隔离槽(5-1)处设置有第一压敏电阻条(4-1)，所述第二阵列隔离槽(5-2)处设置有第二压敏电阻条(4-2)，所述第三阵列隔离槽(5-3)处设置有第三压敏电阻条(4-3)，所述第四阵列隔离槽(5-4)处设置有第四压敏电阻条(4-4)，所述第一压敏电阻条(4-1)和第四压敏电阻条(4-4)连接组成惠斯通电桥中的电阻R1，第二压敏电阻条(4-2)和第三压敏电阻条(4-3)连接组成惠斯通电桥中的电阻R3。
4.根据权利要求1所述的一种隔离槽阵列结构的压力传感器芯片，其特征在于，所述背腔结构层(300)中刻蚀的背腔(14)为C型腔。
5.一种权利要求1所述的隔离槽阵列结构的压力传感器芯片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、清洗SOI硅片，所述SOI硅片由上层单晶硅(9)、二氧化硅埋层(10)和下层单晶硅(11)组成；
步骤2、对SOI硅片进行双面高温氧化，在SOI硅片的顶面形成第一二氧化硅层(12)，在SOI硅片的底面形成第二二氧化硅层(15)；
步骤3、使用压敏电阻版，采用离子刻蚀工艺去除第一二氧化硅层(12)中压 敏电阻区域内的二氧化硅，并进行硼离子轻掺杂，形成压敏电阻条；然后进行退火，保证SOI片中杂质浓度均匀分布；
步骤4、在步骤3得的SOI片正面成一层第三二氧化硅层，然后利用欧姆接触版，进行光刻和反应离子刻蚀，去除第三二氧化硅层和第一二氧化硅层(12)中欧姆接触区位置的二氧化硅，形成欧姆接触区限制离子重掺杂的区域，其余区域的二氧化硅层充当掩模，然后进行硼离子重掺杂，形成欧姆接触区(13)；
步骤5、在欧姆接触区(13)中，采用金属引线版去除金属引线和焊盘区域的第一二氧化硅层(12)和第三二氧化硅层，溅射金属层，形成金属引线(6)和焊盘(7)，并进行合金化处理；
步骤6、使用正面浮雕结构版和阵列隔离槽版，对步骤5得到的SOI片正面进行光刻，采用离子刻蚀工艺在基底(1)正面刻蚀形成浮雕结构(3)和多个阵列隔离槽，所述阵列隔离槽刻蚀到SOI中二氧化硅埋 层(10)停止；
步骤7、使用背腔刻蚀版对步骤6得到的SOI片背面进行光刻，以SOI片中二氧化硅埋层(10)作为刻蚀停止层干法刻蚀去除多余的硅，形成背腔(14)；
步骤8、将步骤7得到的芯片结构与玻璃片(8)进行真空键合，制作出超低压力传感器芯片。
6.根据权利要求5所述的一种隔离槽阵列结构的压力传感器芯片的制备方法，其特征在于，所述步骤4完成后，进行退火处理，使得欧姆接触区(13)的杂质掺杂浓度进一步均匀。
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