CN111521304A - 一种微压传感器芯片及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种微压传感器芯片及其制备方法，传感器芯片主要构成包括应力膜、基底、压阻条、金属引线、防过载保护组件等。具体结构为在芯片结构基底上制作具有应力调节槽和应力集中槽的应力膜。应力膜边缘均匀分布四条应力集中槽，四个压敏电阻条布置在相邻两条应力集中槽端部之间，金属引线将压敏电阻条连接成半开环惠斯通电桥。芯片背腔的十字支撑梁和凸块两者之间的间隙进一步提高压敏电阻条处的应力集中效果；主要制备流程包括：对经清洗后的SOI硅片制作压敏电阻条，再采用P型重掺杂制作欧姆接触区，然后制作金属引线和焊盘，再干法刻蚀应力集中槽和应力调节槽，接着制作芯片的背腔结构，最后将制作的芯片结构基底与防过载玻璃进行键合。

Description

一种微压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，具体涉及一种微压传感器芯片及其制备方法。
背景技术
当前MEMS微压传感器已经广泛的应用于生物医疗、航空航天、风洞测试等领域，尤其在对传感器的体积、重量以及灵敏度和固有频率有着严格要求的航空航天领域。MEMS传感器因其体积小、精度高等特点应用广泛，比如在医疗器械领域中，心血管自动测试仪是用微压传感器作为测量敏感元件测桡动脉信息，为了保证诊断准确率对于微压传感器的准确性和重复性提出了较高的要求。在无人机领域，对于飞行器飞行高度监测具有重要意义，通过测量当前高度下的大气压来监测飞行器高度的变化。微压传感器结合加速度计和陀螺仪，可以计算角度变化，以确定飞行高度和飞行姿态。
不同敏感原理的压力传感器各有优缺点：比如压电式传感器受其敏感原理的限制，不能测量静态压力，且输出的电荷信号需要后续复杂的辅助电路进行处理；电容式压力传感器具有灵敏度高、温漂小、功耗低等优点，但输入阻抗大，易受寄生电容的影响，对于周围环境的干扰较敏感；谐振式压力传感器具有较好的灵敏度以及较低的温漂，但工艺复杂、成品率低是它的缺点；压阻式压力传感器虽然受温度影响较大，但其测量范围广、可测量静态和动态信号，精度较高，动态响应好，后处理电路简单。
压阻式传感器的结构关键是应力膜结构，压敏电阻条布置在应力膜边缘的应力集中区域，形成惠斯通全桥将应力信号转换为电信号。随着应力膜结构厚度的减薄，传感器对压力的灵敏度会提高，但传感器的非线性也会增加，从而加大了信号处理的难度。
目前在航空飞行高度精确测量、生物医疗器械等领域的精确微压测量需求主要集中在百帕级、帕级的微压范围，这也对MEMS微压传感器产品的灵敏度、频响特性、抑制过载能力提出了更高的要求。因此，解决灵敏度与频率响应特性、灵敏度与非线性度之间的矛盾，是保障微压传感器进行精确可靠测量需突破的关键技术难点。
发明内容
基于现有技术对微压测量的弊端，本发明的目的在于提供一种微压传感器芯片及其制备方法，可以对帕级微压进行精确测量，使其具有灵敏度高、线性度好、动态性能好等特点，同时也能够承受相当于满量程若干倍的高过载，且该芯片结构制作方法简单，可靠性高，易于批量化生产。
为达到上述目的，本发明所述一种微压传感器芯片，包括基底，所述基底中部设置有应力膜，所述应力膜的边缘内侧开设有依次沿着应力膜设置的多个的应力集中槽，相邻的两个应力集中槽之间具有间隙，所述间隙中设置有压敏电阻条，金属引线将两个相邻的压敏电阻条连接，组成一个半开惠斯通全桥结构，并将开惠斯通全桥的输出端与焊盘连接；所述基底背面与防过载玻璃键合，所述基底背面开设有背腔槽，背腔槽中设置有支撑梁，背腔槽的侧壁设置有多个凸块，所述每个凸块和支撑梁的一个端部相对设置，凸块和支撑梁的端部之间具有间隙。
进一步的，支撑梁为十字形，所述支撑梁包括相互垂直的横杆和竖杆。
进一步的，支撑梁的横杆和竖杆以及所有凸块的宽度相同。
进一步的，应力膜上分布有阵列，所述阵列由N*N个应力调节槽20组成，2≤N≤5。
进一步的，N＝4。
进一步的，防过载玻璃上开设有凹槽；传感器在正常工作状态下，支撑梁与防过载玻璃的顶面，以及支撑梁与凹槽之间均不发生干涉；在过载状态下，凹槽12的底面对支撑梁进行限位。
进一步的，应力集中槽共有四个，相邻的应力集中槽之间的压敏电阻条共有四个，两两相对设置；其中，两个相对设置的压敏电阻条为四折电阻条结构；另外两个压敏电阻条为单根电阻条结构。
一种上述的微压传感器芯片的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、将SOI硅片清洗，所述SOI硅片分为三层，自上至下依次位：上层单晶硅、二氧化硅埋层和下层单晶硅；
步骤2、在上层单晶硅正面形成二氧化硅层，然后用P-压敏电阻版在二氧化硅层上光刻出压敏电阻区域，去除压敏区域内的二氧化硅层，裸露出上层单晶硅，对上层单晶硅顶部的压敏电阻区域注入硼离子，获得压敏电阻条；
步骤3、用P+欧姆接触版去除欧姆接触区部分的二氧化硅层后，在上层单晶硅表面光刻进行硼离子重掺杂，获得低阻的P型重掺杂硅作为欧姆接触区，使所有压敏电阻条欧姆连接；
步骤4、在欧姆接触区利用金属引线版光刻出金属引线的形状，溅射金属层，形成传感器芯片的金属引线和焊盘；
步骤5、利用浅槽结构版对上层单晶硅正面进行光刻，形成阵列和应力集中槽，；
步骤6、利用背腔刻蚀版对下层单晶硅背面进行光刻，以二氧化硅埋层作为刻蚀停止层，干法刻蚀去除背腔的单晶硅材料，形成应力膜和基底；
步骤7、将基底背面与防过载玻璃的顶面键合，得到微压传感器芯片。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：
本发明由支撑梁与凸块以及两者之间的间隙构成的应力再集中结构，来提高MEMS微压传感器的芯片的灵敏度输出；支撑梁以及凸块的结构方式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的和传感器芯片的固有频率，固有频率的提高则使得动态性能得到提高。与防过载玻璃键合制成微压传感器芯片，可以承受由大气压带来的相当于几百倍满量程的高过载。压敏电阻条以及应力膜上的应力调节槽的分布位置根据有限元计算结果确定，这样的结构能够集中应力产生较好的应力集中效果从而提升惠斯通电桥的输出电压，提高了传感器的灵敏度。
L形的应力集中槽的作用是将应力集中在两个相邻的L形应力集中槽之间的位置，使得应力得到集中。本发明中使得应力得到集中的结构主要是：L形应力集中槽，背腔的支撑梁和凸块，还有应力调节槽形成的阵列结构。应力的集中过程为：背腔的支撑梁和凸块使得应力集中在两者间的空隙中，即限制了应力的纵向分布情况；L形应力集中槽结构使得应力再一次得到集中在两L形应力集中槽两两之间的位置，即限制了应力横向分布情况。通过以上两个结构使得应力得到充分的集中。阵列应力集中槽结构又进一步调节了应力的分布情况，进一步得到集中。
进一步的，支撑梁的横杆和竖杆、第一凸块、第二凸块、第三凸块和第四凸块的宽度相同，宽度保持一致，提高应力集中效果。
上述芯片结构制备方法，便于加工、成本低，有利于实现批量化生产。制得的传感器芯片的结构合理，能够抗高过载，同时又具备可靠性好、线性度好、精度高、动态响应好等特点。
附图说明
图1为本发明传感器芯片的正面轴测示意图；
图2为图1中A位置放大图；
图3为图1中B位置放大图；
图4为本发明传感器芯片正面示意图；
图5为本发明传感器芯片背腔轴测示意图；
图6为本发明传感器芯片的带孔防过载玻璃轴测示意图；
图7a为制备工艺中所使用的SOI片结构示意图；
图7b为压敏电阻条制作示意图；
图7c为欧姆接触区域制作示意图；
图7d为金属引线制作示意图；
图7e为正面应力调节槽和应力集中槽刻蚀示意图；
图7f为背腔刻蚀示意图；
图7g为防过载玻璃片键合示意图；
图8为本发明传感器芯片在无加载状态时图4中B-B截面处的剖视示意图；
图9为本发明传感器芯片在正常工作状态时图4中B-B截面处的剖视示意图；
图10为本发明在压力作用下应力分布示意图；
图11为本发明传感器芯片在过载状态时，图4中B-B截面处的剖视示意图。
附图中：1、基底，2、应力膜，3-1、第一应力集中槽，3-2、第二应力集中槽，3-3、第三应力集中槽，3-4、第四应力集中槽，4、支撑梁，4-1、竖杆，4-2、横杆，5-1、第一凸块，5-2、第二凸块，5-3、第三凸块，5-4、第四凸块，6-1、第一压敏电阻条，6-2、第二压敏电阻条，6-3、第三压敏电阻条，6-4、第四压敏电阻条，7、金属引线，8、焊盘，9、防过载玻璃，10、阵列，11、防过载玻璃的顶面，12、凹槽，14、上层单晶硅，15、二氧化硅埋层，16、下层单晶硅，17、二氧化硅层，18、欧姆接触区，19、背腔槽，20、应力调节槽。
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1，一种微压传感器芯片，包括基底1、应力膜2、第一压敏电阻条6-1、第二压敏电阻条6-2、第三压敏电阻条6-3、第四压敏电阻条6-4、金属引线7、支撑梁4、第一凸块5-1、第二凸块5-2、第三凸块5-3、第四凸块5-4以及防过载玻璃9。
参照图1和图4，基底1中央设置有正四边形的应力膜2，应力膜2上具有十六个均匀分布的正方形的应力调节槽20，十六个正方形的应力调节槽20形成阵列10。阵列10的中心和应力膜2的中心重合，应力调节槽20的行距和列距相等，十六个正方形的应力调节槽20的分布位置是根据有限元计算结果确定的，这样的结构能够集中应力产生较好的应力集中效果从而提升惠斯通电桥的输出电压，提高了传感器的灵敏度。
应力膜2的四个边缘内侧依次分布有L形的第一应力集中槽3-1、第二应力集中槽3-2、第三应力集中槽3-3和第四应力集中槽3-4，且相邻的L形应力集中槽之间不连通，具有间隔；第一压敏电阻条6-1、第二压敏电阻条6-2、第三压敏电阻条6-3和第四压敏电阻条6-4均匀分布在相邻两条应力集中槽之间的间隔区域，四个压敏电阻条分别布置在相邻两条应力集中槽的端部之间。具体的，第一压敏电阻条6-1设置在第一应力集中槽3-1和第二应力集中槽3-2之间的间隙中，第二压敏电阻条6-2设置在第二应力集中槽3-2和第三应力集中槽3-3之间的间隙中，第三压敏电阻条6-3设置在第三应力集中槽3-3和第四应力集中槽3-4之间的间隙中，第四压敏电阻条6-4设置在第四应力集中槽3-4和第一应力集中槽3-1之间的间隙中。且第一压敏电阻条6-1、第二压敏电阻条6-2、第三压敏电阻条6-3、第四压敏电阻条6-4的有效长度与压阻系数最大的上层单晶硅14的晶向相同。焊盘8布置在基底1上表面，金属引线7将相邻的两个压敏电阻条连接，组成一个半开惠斯通全桥结构，并将电桥的输出端与焊盘8连接。基底1背面与防过载玻璃9键合在一起。
阵列10中的应力调节槽深度为应力膜2厚度的20％～80％。第一应力集中槽至第四应力集中槽的深度相同，深度为应力膜2厚度的20％～80％。
参照图5，基底1背部开设有正方形的背腔槽19，背腔槽19中设置有支撑梁4，支撑梁4为十字形，支撑梁4包括相互垂直的横杆4-2和竖杆4-1。支撑梁4与应力膜2的下表面相连，背腔槽19的四个侧壁内侧中部分别连接有第一凸块5-1、第二凸块5-2、第三凸块5-3和第四凸块5-4，第一凸块5-1、第二凸块5-2、第三凸块5-3和第四凸块5-4上端与基底1和应力膜2的下表面相连。支撑梁4的横杆4-2、第一凸块5-1和第三凸块5-3的对称轴共线，支撑梁4的竖杆4-1、第二凸块5-2、以及第四凸块5-4的对称轴共线，支撑梁4的横杆4-2和竖杆4-1的宽度与第一凸块5-1、第二凸块5-2、第三凸块5-3以及第四凸块5-4的宽度相同，但与第一凸块5-1、第二凸块5-2、第三凸块5-3以及第四凸块5-4不相连，支撑梁4的四个端部分别与第一凸块5-1、第二凸块5-2、第三凸块5-3以及第四凸块5-4之间留有间隙。且支撑梁4的四个端部和第一凸块5-1、第二凸块5-2、第三凸块5-3以及第四凸块5-4之间的间隙分别位于第一压敏电阻条6-1、第二压敏电阻条6-2、第三压敏电阻条6-3和第四压敏电阻条6-4的正下方。
支撑梁4与第一凸块5-1、第二凸块5-2、第三凸块5-3以及第四凸块5-4之间的间隙构成了应力再集中结构。
如图6所示，防过载玻璃9上开设有凹槽12；防过载玻璃9尺寸与基底1的尺寸一致，凹槽12的深度以及尺寸的设计保证传感器在正常工作情况下，支撑梁4与防过载玻璃9的顶面11和凹槽12底面之间相互之间不发生干涉；而且在过载状态下，凹槽12的底面可以将支撑梁4进行限位。
参照图2和图3，第一压敏电阻条6-1、第三压敏电阻条6-3为四折电阻条结构；压敏电阻条第二压敏电阻条6-2、第四压敏电阻条6-4、为单根电阻条结构。第一压敏电阻条6-1、第二压敏电阻条6-2、第三压敏电阻条6-3和第四压敏电阻条6-4的初始总电阻相同，并且有效长度方向与压阻系数最大的晶向方向相同。
参照图7所示，一种微压传感器芯片的制备方法，包括以下步骤：
1)参照图7a，使用HF溶液清洗SOI硅片，SOI硅片为N型(100)晶面；所述SOI硅片从上到下分为三层，自上至下依次是：上层单晶硅14、二氧化硅埋层15和下层单晶硅16；
2)参照图7b，对SOI硅片进行高温氧化，在上层单晶硅14正面形成二氧化硅层17，然后用P-压敏电阻版，在二氧化硅层17上光刻出四个压敏电阻区域，去除压敏区域内的二氧化硅层17，裸露出上层单晶硅14，对上层单晶硅14顶部的压敏电阻区域注入硼离子，获得第一压敏电阻条6-1、第二压敏电阻条6-2、第三压敏电阻条6-3和第四压敏电阻条6-4。
3)参照图7c，利用P+欧姆接触版，去除部分的二氧化硅层17后，在上层单晶硅14表面光刻进行硼离子重掺杂，获得低阻的P型重掺杂硅作为欧姆接触区18，保证第一压敏电阻条6-1、第二压敏电阻条6-2、第三压敏电阻条6-3和第四压敏电阻条6-4的欧姆连接；
4)参照图7d，在欧姆接触区18，利用金属引线版，光刻出金属引线的形状，溅射金属层或者其他复合结构金属层，形成传感器芯片的金属引线7和焊盘8；
5)参照图7e，利用浅槽结构版，对上层单晶硅14正面进行光刻；将上层单晶硅14正面干法刻蚀去除相应深度的硅，形成阵列10和第一应力集中槽3-1、第二应力集中槽3-2、第三应力集中槽3-3、第四应力集中槽3-4；
6)参照图7f，利用背腔刻蚀版，对下层单晶硅16背面进行光刻，以二氧化硅埋层15作为刻蚀停止层，干法刻蚀去除背腔的单晶硅材料，形成具有背腔槽19的基底1背腔槽19的底面即为应力膜2；
7)参照图7g，将基底1背面与防过载玻璃9的顶面11键合，得到微压传感器芯片。
本发明工作原理如下：
图8为在无加载状态时，本发明的截面结构关系示意图。参照图9，传感器在微压P1作用下，应力膜2开始向下凹，第一应力集中槽3-1、第二应力集中槽3-2、第三应力集中槽3-3和第四应力集中槽3-4中，每两条相邻的应力集中槽之间的区域诱导应力进行集中，从而增大了第一压敏电阻条6-1、第二压敏电阻条6-2、第三压敏电阻条6-3和第四压敏电阻条6-4的应力变化量，有利于提高传感器的灵敏度。由图10所示，与相同尺寸的平膜相比，该芯片的应力更加集中，图10中距离是指测量点与1号位置的距离。同时支撑梁4与第一凸块5-1、第二凸块5-2、第三凸块5-3、第四凸块5-4增大了整体结构的刚度，改善了传感器的线性度，并有利于提高传感器的动态响应特性。
参照图11，当传感器过载时，支撑梁4已压在防过载玻璃9上，起到了限位保护的作用，防止应力膜因挠度过大而破坏。
本发明的一种微压传感器芯片，相对于传统的C型平膜和E型岛膜结构，由于支撑梁与第一凸块5-1、第二凸块5-2、第三凸块5-3、第四凸块5-4提高了应力膜2的整体刚度，第一应力集中槽3-1、第二应力集中槽3-2、第三应力集中槽3-3和第四应力集中槽3-4中，每两条相邻的应力集中槽之间的区域以及阵列10诱导应力进行二次集中。因此，该结构具有线性度好、动态频响特性好、灵敏度高和防过载能力强等特点。
本发明的主要技术指标如下：
1、测量范围：0～500Pa；
2、测量精度：优于1％FS；
3、灵敏度：≥10mV/V；
4、工作温度：-50℃～120℃
5、一阶固有频率:≥10kHz；
6、过载能力：100kPa；
7、芯片外形：5mm×5mm。
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 (8)

1.一种微压传感器芯片，其特征在于，包括基底(1)，所述基底(1)中部设置有应力膜(2)，所述应力膜(2)的边缘内侧开设有依次沿着应力膜(2)设置的多个的应力集中槽，相邻的两个应力集中槽之间具有间隙，所述间隙中设置有压敏电阻条，金属引线(7)将两个相邻的压敏电阻条连接，组成一个半开惠斯通全桥结构，并将开惠斯通全桥的输出端与焊盘(8)连接；所述基底(1)背面与防过载玻璃(9)键合，所述基底(1)背面开设有背腔槽(19)，背腔槽(19)中设置有支撑梁(4)，背腔槽(19)的侧壁设置有多个凸块，所述每个凸块和支撑梁(4)的一个端部相对设置，凸块和支撑梁(4)的端部之间具有间隙。
2.根据权利要求1所述的一种微压传感器芯片，其特征在于，所述支撑梁(4)为十字形，所述支撑梁(4)包括相互垂直的横杆(4-2)和竖杆(4-1)。
3.根据权利要求2所述的一种微压传感器芯片，其特征在于，所述支撑梁(4)的横杆(4-2)和竖杆(4-1)以及所有凸块的宽度相同。
4.根据权利要求1所述的一种微压传感器芯片，其特征在于，所述应力膜(2)上分布有阵列(10)，所述阵列(10)由N*N个应力调节槽20组成，2≤N≤5。
5.根据权利要求4所述的一种微压传感器芯片，其特征在于，所述N＝4。
6.根据权利要求4所述的一种微压传感器芯片，其特征在于，所述防过载玻璃(9)上开设有凹槽(12)；传感器在正常工作状态下，支撑梁(4)与防过载玻璃(9)的顶面，以及支撑梁(4)与凹槽(12)之间均不发生干涉；在过载状态下，凹槽12的底面对支撑梁(4)进行限位。
7.根据权利要求1所述的一种微压传感器芯片，其特征在于，所述应力集中槽共有四个，相邻的应力集中槽之间的压敏电阻条共有四个，两两相对设置；其中，两个相对设置的压敏电阻条为四折电阻条结构；另外两个压敏电阻条为单根电阻条结构。
8.一种权利要求1所述的微压传感器芯片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、将SOI硅片清洗，所述SOI硅片分为三层，自上至下依次位：上层单晶硅(14)、二氧化硅埋层(15)和下层单晶硅(16)；
步骤2、在上层单晶硅(14)正面形成二氧化硅层(17)，然后用P-压敏电阻版在二氧化硅层(17)上光刻出压敏电阻区域，去除压敏区域内的二氧化硅层(17)，裸露出上层单晶硅(14)，对上层单晶硅(14)顶部的压敏电阻区域注入硼离子，获得压敏电阻条；
步骤3、用P+欧姆接触版去除欧姆接触区部分的二氧化硅层(17)后，在上层单晶硅(14)表面光刻进行硼离子重掺杂，获得低阻的P型重掺杂硅作为欧姆接触区(18)，使所有压敏电阻条欧姆连接；
步骤4、在欧姆接触区(18)利用金属引线版光刻出金属引线(7)的形状，溅射金属层，形成传感器芯片的金属引线(7)和焊盘(8)；
步骤5、利用浅槽结构版对上层单晶硅(14)正面进行光刻，形成阵列(10)和应力集中槽，；
步骤6、利用背腔刻蚀版对下层单晶硅(16)背面进行光刻，以二氧化硅埋层(15)作为刻蚀停止层，干法刻蚀去除背腔的单晶硅材料，形成应力膜(2)和基底(1)；
步骤7、将基底(1)背面与防过载玻璃(9)的顶面(11)键合，得到微压传感器芯片。
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