CN112729629A - 一种mems硅应变片及其加工方法 - Google Patents

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陈君杰
丁维培
何江涛
邬若军
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    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/20—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress
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    • G01L1/225—Measuring circuits therefor
    • G01L1/2262—Measuring circuits therefor involving simple electrical bridges
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    • B81B3/0018—Structures acting upon the moving or flexible element for transforming energy into mechanical movement or vice versa, i.e. actuators, sensors, generators
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B81C1/00015—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate for manufacturing microsystems
    • B81C1/00134—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate for manufacturing microsystems comprising flexible or deformable structures

Abstract

本发明涉及传感器领域，尤指一种MEMS硅应变片及其加工方法。本技术方案通过用化学机械抛光工艺生产的硅片片厚度仅有10‑50um，能很好的解决在制作柔性压力传感器时存在的芯片底层硅片过厚导致的传感器芯片的灵敏度不足的问题；而且在硅片表面设置有氮化硅保护层可以有效地保护硅片上的P型压阻条。

Description

一种MEMS硅应变片及其加工方法
技术领域
本发明涉及传感器领域，尤指一种MEMS硅应变片及其加工方法。
背景技术
目前，传感器技术是机器人技术持续发展的重要推手，随着机器人技术的发展，面对越来越多的特殊信号和特殊环境，对各种传感提出更高的要求，同时希望传感器还能够具有柔韧、延展、可自由弯曲甚至折叠、便于携带、可穿戴等特点。随着柔性基质材料的发展，满足上述各类趋势特点的柔性传感器在此基础上应运而生。而传统的MEMS硅应变片芯片厚度为400-500um左右，在受到压力时，柔性材料的轻微形变无法传递到MEMS硅应变片。所以，传统的MEMS硅应变片无法在柔性电路中使用的问题。
现需要一种新型的压力传感器，能够解决上述问题。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种MEMS硅应变片及其加工方法，本申请生产的硅片片厚度仅有10-50um，能很好的解决在制作柔性压力传感器时存在的芯片底层硅片过厚导致的传感器芯片的灵敏度不足的问题；而且在硅片表面设置有氮化硅保护层可以有效地保护硅片上的P型电阻。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种MEMS硅应变片，其特征在于：包括氮化硅保护层、硅片；所述上层氮化硅保护层设置于硅片的上方；其中硅片刻蚀有四个P型压阻条，且四个P型压阻条组成了一个惠斯通电桥；而且上层氮化硅保护层的厚度为20～50nm，所述下层硅片厚度为10～50um。
进一步，所述硅片上压焊有金属焊盘，该金属焊盘延伸至氮化硅保护层外。
进一步，所述金属焊盘为铝材质或金材质。
进一步，所述硅片为N型硅片。
为实现上述目的，本发明还提供一种MEMS硅应变片的加工方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1，将硅片切磨并实现双面抛光，在硅片的上表面光刻及刻蚀制作四个P型电阻，使四个P型电阻连接组成惠斯通电桥；
S2：采用化学气相沉积法在硅片的表面生成一层20～50nm氮化硅保护层；
S3：采用化学机械抛光工艺将硅片进行打磨，并将硅片厚度腐蚀、打磨到10～50um。
进一步，所述步骤S1的具体步骤为：将硅片切磨并实现双面抛光，然后将抛光后的硅片放置在离子注入机工作台，通过离子注入机台产生电子束将电离的可控制数量的杂质离子经静电场加速引入到硅片面，构成四个阻值系统的P型电阻，且四个P型电阻连接组成惠斯通电桥。
进一步，所述步骤S2的具体步骤为：
步骤S201：将经过S1处理后的硅片放置在制程反应室，并将硅片加热至500～600℃的温度；
步骤S202：然后将含硅气体流入该制程反应室，其中该含硅气体为1，3，4，5，7，8-六甲基四硅氮烷；
步骤S203：再将氨气流入该制程反应室，其中该氨气是以氨气对含硅气体的比率为在50∶1至100∶1的范围内来供应的；
步骤S204：最后使得氮化硅保护层沉积在该硅片上，且氮化硅保护层的厚度为20～50nm。。
本发明的有益效果在于：本技术方案通过用化学机械抛光工艺生产的硅片片厚度仅有10-50um，能很好的解决在制作柔性压力传感器时存在的芯片底层硅片过厚导致的传感器芯片的灵敏度不足的问题；而且在硅片表面设置有氮化硅保护层可以有效地保护硅片上的P型压阻条。
附图说明
图1是传统的MEME硅应变片结构图。
图2是本申请MEME硅应变片结构图。
附图标号说明：硅片基板101、压阻条1021、应力杯夹角103、焊盘104、硅片201、P型压阻条202、氮化硅保护层204、金属焊盘205。
具体实施方式
请参阅图1为传统的MEMS硅应变片芯片；其中传统的MEMS硅应变片芯片包括硅片基板101、压阻条1021、压阻条1021、应力杯夹角103、焊盘104；其中传统的MEMS硅应变片芯片厚度为400-500um左右，在受到压力时，柔性材料的轻微形变无法传递到MEMS硅应变片。所以，传统的MEMS硅应变片无法在柔性电路中使用的问题。
故为了解决传统的MEMS硅应变片无法在柔性电路中使用的问题；请参阅图2，本发明关于一种MEMS硅应变片，包括氮化硅保护层204、硅片201；所述上层氮化硅保护层204设置于硅片201的上方；其中硅片201刻蚀有四个P型压阻条202，且四个P型压阻条202组成了一个惠斯通电桥；而且上层氮化硅保护层204的厚度为20～50nm，所述下层硅片201厚度为10～50um。
本技术方案通过用化学机械抛光工艺生产的硅片201片厚度仅有10-50um，能很好的解决在制作柔性压力传感器时存在的芯片底层硅片201过厚导致的传感器芯片的灵敏度不足的问题；而且在硅片201表面设置有氮化硅保护层204可以有效地保护硅片201上的P型电阻。
进一步，所述硅片201上压焊有金属焊盘205，该金属焊盘205延伸至氮化硅保护层204外。金属焊盘205可以方便压力传感器后续与其他设备的电性连接。
进一步，所述金属焊盘205为铝材质或金材质。铝材质或金材质均具有优秀的导电性。
进一步，所述硅片201为N型硅片201。
为实现上述目的，本发明还提供一种MEMS硅应变片的加工方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1，将硅片201切磨并实现双面抛光，在硅片201的上表面光刻及刻蚀制作四个P型电阻，使四个P型电阻连接组成惠斯通电桥；
S2：采用化学气相沉积法在硅片201的表面生成一层20～50nm氮化硅保护层204；
S3：采用化学机械抛光工艺将硅片201进行打磨，并将硅片201厚度腐蚀、打磨到10～50um。
进一步，所述步骤S1的具体步骤为：将硅片201切磨并实现双面抛光，然后将抛光后的硅片201放置在离子注入机工作台，通过离子注入机台产生电子束将电离的可控制数量的杂质离子经静电场加速引入到硅片201面，构成四个阻值系统的P型电阻，且四个P型电阻连接组成惠斯通电桥。
进一步，所述步骤S2的具体步骤为：
步骤S201：将经过S1处理后的硅片201放置在制程反应室，并将硅片201加热至500～600℃的温度；
步骤S202：然后将含硅气体流入该制程反应室，其中该含硅气体为1，3，4，5，7，8-六甲基四硅氮烷；
步骤S203：再将氨气流入该制程反应室，其中该氨气是以氨气对含硅气体的比率为在50∶1至100∶1的范围内来供应的；
步骤S204：最后使得氮化硅保护层204沉积在该硅片201上，且氮化硅保护层204的厚度为20～50nm。
以上实施方式仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种MEMS硅应变片，其特征在于：包括氮化硅保护层、硅片；所述上层氮化硅保护层设置于硅片的上方；其中硅片刻蚀有四个P型压阻条，且四个P型压阻条组成了一个惠斯通电桥；而且上层氮化硅保护层的厚度为20～50nm，所述下层硅片厚度为10～50um。
2.根据权利要求1所述的一种MEMS硅应变片，其特征在于，所述硅片上压焊有金属焊盘，该金属焊盘延伸至氮化硅保护层外。
3.根据权利要求2所述的一种MEMS硅应变片，其特征在于，所述金属焊盘为铝材质或金材质。
4.根据权利要求2所述的一种MEMS硅应变片，其特征在于，所述硅片为N型硅片。
5.一种如权利要求1所述的MEMS硅应变片的加工方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1，将硅片切磨并实现双面抛光，在硅片的上表面光刻及刻蚀制作四个P型电阻，使四个P型电阻连接组成惠斯通电桥；
S2：采用化学气相沉积法在硅片的表面生成一层20～50nm氮化硅保护层；
S3：采用化学机械抛光工艺将硅片进行打磨，并将硅片厚度腐蚀、打磨到10～50um。
6.根据权利要求5所述的一种MEMS硅应变片的加工方法，其特征在于，所述步骤S1的具体步骤为：将硅片切磨并实现双面抛光，然后将抛光后的硅片放置在离子注入机工作台，通过离子注入机台产生电子束将电离的可控制数量的杂质离子经静电场加速引入到硅片面，构成四个阻值系统的P型电阻，且四个P型电阻连接组成惠斯通电桥。
7.根据权利要求5所述的一种MEMS硅应变片的加工方法，其特征在于，所述步骤S2的具体步骤为：
步骤S201：将经过S1处理后的硅片放置在制程反应室，并将硅片加热至300～600℃的温度；
步骤S202：然后将含硅气体流入该制程反应室，其中该含硅气体为1，3，4，5，7，8-六甲基四硅氮烷；
步骤S203：再将氨气流入该制程反应室，其中该氨气是以氨气对含硅气体的比率为在50∶1至100∶1的范围内来供应的；
步骤S204：最后使得氮化硅保护层沉积在该硅片上，且氮化硅保护层的厚度为20～50nm。
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