CN112897450A - 一种mems绝压式压力传感器及其加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种MEMS绝压式压力传感器及其加工方法，该传感器包括玻璃盖板、硅感压膜和玻璃衬底；硅感压膜一面与玻璃衬底阳极键合，形成两个连通的真空参考腔，另一面与玻璃盖板阳极键合，形成两个独立的开放式气体感压结构，两个连通的真空参考腔与两个独立的开放式气体感压结构上下对应，并与硅感压膜构成串联互感双电容结构，硅感压膜上加工有引线电极，用于引出气压检测信号。外部气压通过开放式气体感压结构施加在硅感压膜上，与真空参考腔形成压差使硅感压膜变形，继而改变了硅感压膜与玻璃衬底之间电容极板间距，使电容值发生变化而反应外界气压大小；基于上述传感器的加工工艺步骤少，合格率极高，产品长期稳定性好，便于大规模批量生产。

Description

一种MEMS绝压式压力传感器及其加工方法
技术领域
本发明属于MEMS微机械加工制造领域，特别涉及一种MEMS绝压式压力传感器及其加工方法。
背景技术
有别于传统机械式压力传感器，微电子机械系统(Micro-Electro-MechanicalSystem，简写为MEMS)压力传感器由于其具有体积小、重量轻、功耗低及可集成等优势，广泛用于航空航天领域、真空仪器仪表设备、工业现场控制与检测、陆基和海洋气象、健康监测和智慧医疗等领域。如何实现低成本小体积封装和可靠的电引出技术是决定MEMS压力传感器稳定性和商用化的关键因素。
与其他原理的MEMS压力传感器相比，MEMS电容式压力传感器有很多优点如结构简单、成品率高、输出阻抗高、动态性能好等，其敏感机理是：平行板电容器的极板在受压力时产生形变，两极板间隙发生变化，引起电容值变化。该类传感器敏感芯片的难点在于真空参考腔的密封和电极引线的引出。目前主流的MEMS电容式压力传感器真空参考腔的封装方式主要有：晶圆级直接键合技术(如硅-硅直接键合、硅-玻璃阳极键合)、过渡层辅助键合技术(如金属热压键合、有机物BCB键合、玻璃浆料键合)等。电极引出方式主要有：薄金属电极引线图形直接穿过键合层、采用TSV技术制备电极等。
然而，MEMS电容式压力传感器真空参考腔的封装方式中，硅-硅直接键合需经800℃以上的高温退火，金属热压键合需用昂贵的TSV工艺完成电极制备，BCB和玻璃浆料键合虽有利于穿越键合区的电极气密，但传感器工作温度受限、真空参考腔的真空度欠佳；电极引出方式中，穿越键合层的金属电极引线容易导致漏气不利于传感器的长期稳定性，而TSV电极制备技术较为昂贵，商业化程度欠佳，同时长期稳定性有待考证。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服常规技术中的至少一种不足，提供基于电容串联原理的MEMS绝压式压力传感器，基于该压力传感器结构，相应的加工工艺步骤少，工艺简单，使得合格率极高，成本低廉，便于大规模批量生产。
本发明提供的技术方案如下：
第一方面，一种MEMS绝压式压力传感器，包括玻璃盖板、硅感压膜和玻璃衬底；所述硅感压膜的一面与玻璃衬底阳极键合，并形成两个连通的真空参考腔，硅感压膜的另一面与玻璃盖板阳极键合，并形成两个独立的开放式气体感压结构，两个连通的真空参考腔与两个独立的开放式气体感压结构上下对应，两个连通的真空参考腔与硅感压膜构成串联互感双电容结构，硅感压膜上加工有引线电极，用于引出气压检测信号。
第二方面，一种MEMS绝压式压力传感器的加工方法，包括如下步骤：
步骤1，对玻璃晶圆双面溅射金属薄膜层和涂覆光刻胶，作为抗干法刻蚀或湿法腐蚀的掩模层，利用光刻及金属腐蚀在玻璃晶圆上完成引压通孔和电极通孔掩膜图形化，并使用湿法腐蚀完成引压通孔和电极通孔的制备；
步骤2，将经过湿法清洗和干法活化后的玻璃盖板与硅感压膜进行阳极键合，其中玻璃盖板的键合面为引压通孔锥形孔孔径较小的一面，硅感压膜晶圆则任选一面；
步骤3，利用光刻图形化结合干法刻蚀，将与玻璃盖板键合后的硅感压膜的未键合面刻蚀出分立的硅电极板；
步骤4，对玻璃晶圆溅射金属薄膜层和涂覆光刻胶，作为抗干法刻蚀或湿法腐蚀的掩模层，经曝光显影并对掩膜层金属腐蚀图形化后，使用湿法腐蚀或干法刻蚀玻璃衬底得到两个相等大小的坑槽，坑槽直径与引压通孔锥形孔小径相同，均小于硅电极板；经涂覆光刻胶、曝光、显影、溅射吸气剂金属、lift-off工艺在所述各个坑槽的底面完成电极膜的制备；
步骤5，经湿法清洗、干法活化的硅感压膜的硅面与玻璃衬底加工了硅电极板的一面阳极键合，然后在惰性气氛下高温退火激活电极膜获得真空参考腔；
步骤6，在玻璃盖板非键合的一面涂覆光刻胶、曝光、显影后采用等离子溅射方法沉积金属材料，而后通过lift-off工艺去除光刻胶及其上的多余金属，在电极通孔中留下引线电极，经退火后与硅感压膜形成欧姆接触。
根据本发明提供的一种MEMS绝压式压力传感器及其加工方法，具有以下有益效果：
(1)本发明提供的MEMS绝压式压力传感器采用玻璃-硅-玻璃三层阳极键合方式，相较于现有技术中硅-硅-硅键合工艺形成真空腔的技术(例如Vaisala公司相关电容压力传感器产品)，无需高温退火，对设备要求较低，无需复杂的标准清洗及活化工艺，大大简化了工艺流程，经济效益高；
(2)本发明提供的MEMS绝压式压力传感器中，采用超低电阻率(<0.001Ω·cm)的单晶硅晶圆作为器件层，与玻璃晶圆键合后通过减薄、物理化学抛光后，器件层可极其精确地控制厚度薄至0.5μm±0.1μm或厚至2000μm±0.3μm，可对应检测1kPa至50MPa范围的气压，解决了单晶硅片离子注入深度有限导致检测气压受限的问题；
(3)本发明提供的MEMS绝压式压力传感器中，硅感压膜刻蚀得到独立的两个N型硅电极板，结合阳极键合工艺与玻璃衬底的电极膜组成串联互感双电容，且通过独立于感压区的引线电极的设计，避免了电极引线穿越键合区可能造成的真空失效或长期微漏气的情况，确保传感器的长期稳定性和良好的环境适应性；
(4)本发明提供的MEMS绝压式压力传感器中，感压膜双面均与玻璃盖板和玻璃衬底通过阳极键合连接，感压部分的阳极键合区大小相同，实现了应力匹配，确保传感器在不同温度下的感压膜受力平衡，具有稳定可靠、热失配小的优点；
(5)本发明提供的MEMS绝压式压力传感器中，玻璃衬底通过精确控制腐蚀坑槽深度获得硅电极板的微间隙，并且通过不同的硅感压膜厚度与坑槽深度匹配可获得不同的电容极板间距变化量从而获得不同的灵敏度；
(6)本发明提供的MEMS绝压式压力传感器中，玻璃衬底坑槽底面上制备吸气剂型的电极膜，高温激活后可吸收真空参考腔键合残留气体，获得很高真空度(优于0.1Pa)，且真空长期维持能力优异；
(7)本发明提供的MEMS绝压式压力传感器中，加工步骤少，合格率极高，长期稳定性好，成本低廉，并可开发出各种不同量程范围(微压、常压、超高压)的电容式压力传感器，易于微纳加工实现，成品芯片体积可缩小至6mm×4mm×0.7mm，能够集成在PCB板上作为气压测量单元。
附图说明
图1为本发明提供的MEMS绝压式压力传感器的三维立体结构解剖示意图；
图2为本发明采用的玻璃盖板结构示意图；
图3为本发明采用的硅感压膜结构示意图；
图4为本发明采用的玻璃衬底结构示意图；
图5为本发明等效电容电路原理示意图；
图6为本发明加工玻璃盖板步骤示意图；
图7为本发明玻璃盖板与硅感压膜阳极键合步骤示意图；
图8为本发明硅感压膜刻蚀步骤示意图；
图9为本发明加工玻璃衬底步骤示意图；
图10为本发明玻璃衬底与硅感压膜阳极键合步骤示意图；
图11为本发明溅射引线电极步骤示意图。
附图标号说明
100-玻璃盖板，101-引压通孔，102-电极通孔；200-硅感压膜，201-硅电极板，202-引线电极；300-玻璃衬底，301-坑槽，302-电极膜。
具体实施方式
下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
根据本发明的第一方面，如图1所示，提供了一种MEMS绝压式压力传感器，包括玻璃盖板100、硅感压膜200和玻璃衬底300；所述硅感压膜200的一面与玻璃衬底300阳极键合，并形成两个连通的真空参考腔，硅感压膜200的另一面与玻璃盖板100阳极键合，并形成两个独立的开放式气体感压结构，两个连通的真空参考腔与两个独立的开放式气体感压结构上下对应，两个连通的真空参考腔与硅感压膜200构成串联互感双电容结构，硅感压膜200上加工有引线电极202，用于引出气压检测信号。外部气压通过开放式气体感压结构施加在硅感压膜200上，与真空参考腔形成压差使硅感压膜200变形，继而改变了硅感压膜200与玻璃衬底300之间电容极板间距，使电容值发生变化而反应外界气压大小。
本发明中，MEMS绝压式压力传感器为玻璃-硅-玻璃三层阳极键合方式，相较于现有技术中硅-硅-硅键合工艺形成真空腔的技术(例如Vaisala公司相关电容压力传感器产品)，无需高温退火，对设备要求较低，无需复杂的标准清洗及活化工艺，大大简化了工艺流程，经济效益高。而串联互感双电容结构的设计，使得只需在硅感压膜上与感压区连通的接触面上制备引线电极，即可实现电容—气压检测信号的引出，避免了电极引线穿越键合区可能造成的真空失效或长期微漏气的情况，确保传感器的长期稳定性和良好的环境适应性。
在一种优选的实施方式中，所述玻璃盖板100上加工有两个引压通孔101和两个分别与引压通孔101靠近的电极通孔102，引压通孔101用于硅感压膜200与玻璃盖板100阳极键合后与硅感压膜200形成两个独立的开放式气体感压结构，电极通孔102用于在硅感压膜200上形成引线电极202，使电极引线自传感器上部引出。作为示例，图2给出了本发明的玻璃盖板100结构示意图。采用BF33玻璃晶圆双面溅射金属薄膜层和涂覆光刻胶，作为抗干法刻蚀或湿法腐蚀的掩模层，利用光刻及金属腐蚀在玻璃盖板100上完成引压通孔101和电极通孔102的掩膜图形化，并使用HF湿法腐蚀完成引压通孔101和电极通孔102制备。
进一步地，所述两个引压通孔101靠近硅感压膜200侧的孔形为圆形，且孔径相同。开放式气体感压结构边缘的阳极键合区大小相同，实现了应力匹配，确保传感器在不同温度下的感压膜受力平衡，具有稳定可靠、热失配小的优点。
在一种优选的实施方式中，所述硅感压膜200的基体材料为晶圆级N型超低电阻率(＜0.001Ω·cm)单晶硅，与玻璃盖板100进行阳极键合，其中玻璃盖板100的键合面为引压通孔101锥形孔孔径较小的一面HF湿法腐蚀即形成锥形孔，硅感压膜200晶圆则任选一面，而后利用光刻图形化结合ICP干法刻蚀，将与玻璃盖板100键合后的硅感压膜200的未键合面刻蚀出分立的硅电极板201。在玻璃盖板100非键合的一面上涂覆的光刻胶、曝光、显影后采用等离子溅射方法沉积金属材料，而后通过lift-off工艺(金属剥离工艺)去除光刻胶及其上的多余金属，在电极通孔102中留下引线电极202，经退火后与硅感压膜200形成欧姆接触。
在一种优选的实施方式中，所述玻璃衬底300的中心区域加工有两个坑槽301，硅感压膜200与玻璃盖板100、玻璃衬底300阳极键合后坑槽301与引压通孔101靠近硅感压膜200侧的孔形一致，且位于硅电极板201的区域内，并与硅电极板201形成真空参考腔；坑槽301中间有长条形沟槽连通，整体形似哑铃，两个坑槽301的底面溅射小于坑槽301底面积的电极膜302。作为示例，图4给出了本发明的玻璃衬底300结构示意图。采用BF33玻璃晶圆溅射金属薄膜层和涂覆光刻胶，作为抗干法刻蚀或湿法腐蚀的掩模层，经曝光显影并对掩膜层金属腐蚀图形化后，使用HF湿法腐蚀或ICP干法刻蚀玻璃晶圆得到两个相等大小的坑槽301，坑槽301直径与引压通孔101锥形孔小径相同，均比硅电极板201小一圈；经涂覆光刻胶、曝光、显影、溅射Ti或Zr、lift-off工艺在各个坑槽301的底面完成兼具吸气剂功能的电极膜302的制备。经湿法清洗、RIE干法清洗活化的硅感压膜200的硅面与玻璃衬底300腐蚀了图形的一面通过阳极键合在一起，然后在氮气气氛保护下高温退火激活电极膜302获得参考腔的高真空环境。
进一步地，所述坑槽301的深度为5μm～100μm，且两个坑槽301的深度相同。
进一步地，所述电极膜302的材料为吸气剂金属(如Ti或Zr)，键合退火后可保证真空参考腔的长期真空度。
进一步地，所述坑槽301中间的长条形沟槽的宽度不大于20μm。
本发明中MEMS绝压式压力传感器，外部气压通过引压通孔101施加在硅感压膜200上，与坑槽301和硅电极板201组成的真空参考腔形成压差使硅感压膜200感压区变形，继而改变了电容极板间距使电容值发生变化而反应外界气压大小，通过电极通孔102将引线焊接在引线电极202上实现信号引出。所述引压通孔对应的硅感压膜区域，通过电容极板间的互感构成双电容串联形式，具体原理参考图5。
在本发明中，对硅感压膜200的厚度、引压通孔101靠近硅感压膜200侧的孔径与测压量程之间进行了匹配设计。具体地，所述硅感压膜200的厚度为0.5±0.1μm至2000±0.3μm，引压通孔101靠近硅感压膜200侧的孔径为0.5～5mm，传感器的测压量程为1Kpa～50Mpa。例如，硅感压膜200的厚度32um、两个引压通孔101靠近硅感压膜200侧的孔径为3mm时，传感器的测压量程为0-1MPa。
在本发明中，对坑槽301的深度、电极膜302的厚度控制与传感器电容的本征值大小进行了匹配设计。具体地，所述坑槽301的深度为5μm～100μm，电极膜302的厚度为100nm-1μm，传感器电容的本征值大小为1pF～15pF。例如电极板间距为5μm、电极膜302的厚度为0.5μm时，传感器电容的本征值约4pF。
根据本发明的第二方面，提供了一种MEMS绝压式压力传感器的加工方法，包括如下步骤：
步骤1：如图6所示，玻璃盖板100采用BF33玻璃晶圆，对BF33玻璃晶圆双面溅射金属薄膜层和涂覆光刻胶，作为抗干法刻蚀或湿法腐蚀的掩模层，利用光刻及金属腐蚀在玻璃晶圆上完成引压通孔101和电极通孔102掩膜图形化，并使用HF湿法腐蚀完成引压通孔101和电极通孔102的制备；
步骤2：如图7所示，将经过浓硫酸湿法清洗和RIE干法活化后的晶圆级玻璃盖板100与晶圆级N型超低电阻率(＜0.001Ω·cm)双面抛光单晶硅感压膜200进行阳极键合，其中玻璃盖板100的键合面为引压通孔101锥形孔孔径较小的一面，硅感压膜200晶圆则任选一面；
步骤3：如图8所示，利用光刻图形化结合ICP干法刻蚀，将与玻璃盖板100键合后的硅感压膜200的未键合面刻蚀出分立的硅电极板201(为完整表示各层关系，截面图例以图3虚线A-A所示的剖切线展开)；
步骤4：如图9所示，玻璃衬底300采用BF33玻璃晶圆，对BF33玻璃晶圆溅射金属薄膜层和涂覆光刻胶，作为抗干法刻蚀或湿法腐蚀的掩模层，经曝光显影并对掩膜层金属腐蚀图形化后，使用HF湿法腐蚀或ICP干法刻蚀玻璃衬底300得到两个相等大小的坑槽301，坑槽301直径与引压通孔101锥形孔小径相同，均小于硅电极板201；经涂覆光刻胶、曝光、显影、溅射吸气剂金属、lift-off工艺在所述各个坑槽301的底面完成兼具吸气剂功能的电极膜302的制备；
步骤5：如图10所示，经浓硫酸湿法清洗、RIE干法活化的硅感压膜200的硅面与玻璃衬底300加工了硅电极板201的一面阳极键合，然后在惰性气氛下高温退火激活电极膜302获得真空参考腔；
步骤6：如图11所示，在玻璃盖板100非键合的一面涂覆光刻胶、曝光、显影后采用等离子溅射方法沉积金属材料，而后通过lift-off工艺去除光刻胶及其上的多余金属，在电极通孔102中留下引线电极202，经退火后与硅感压膜200形成欧姆接触(为完整表示各层关系，截面图例以图3虚线A-A所示的剖切线展开)。
在本发明中，步骤2中，玻璃盖板100与硅感压膜200阳极键合后，采用化学机械研磨对硅感压膜200的晶圆减薄至所需厚度；采用化学机械抛光对硅感压膜200的晶圆抛光至粗糙度Rq≤10nm。
在本发明中，步骤6中，制备的传感器成品的体积可达6mm×4mm×0.7mm。
以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种MEMS绝压式压力传感器，其特征在于，包括玻璃盖板(100)、硅感压膜(200)和玻璃衬底(300)；所述硅感压膜(200)的一面与玻璃衬底(300)阳极键合，并形成两个连通的真空参考腔，硅感压膜(200)的另一面与玻璃盖板(100)阳极键合，并形成两个独立的开放式气体感压结构，两个连通的真空参考腔与两个独立的开放式气体感压结构上下对应，两个连通的真空参考腔与硅感压膜(200)构成串联互感双电容结构，硅感压膜(200)上加工有引线电极(202)，用于引出气压检测信号。
2.根据权利要求1所述的MEMS绝压式压力传感器，其特征在于，所述玻璃盖板(100)上加工有两个引压通孔(101)和两个分别与引压通孔(101)靠近的电极通孔(102)，引压通孔(101)用于硅感压膜(200)与玻璃盖板(100)阳极键合后与硅感压膜(200)形成两个独立的开放式气体感压结构，电极通孔(102)用于在硅感压膜(200)上形成引线电极(202)，使电极引线自传感器上部引出。
3.根据权利要求2所述的MEMS绝压式压力传感器，其特征在于，所述两个引压通孔(101)靠近硅感压膜(200)侧的孔形为圆形，且孔径相同。
4.根据权利要求2所述的MEMS绝压式压力传感器，其特征在于，所述硅感压膜(200)的基体材料为晶圆级N型单晶硅，电阻率＜0.001Ω·cm。
5.根据权利要求4所述的MEMS绝压式压力传感器，其特征在于，所述硅感压膜(200)与玻璃盖板(100)的键合面的背面上刻蚀两处分立的硅电极板(201)，硅感压膜(200)与玻璃盖板(100)阳极键合后硅电极板(201)的覆盖范围包括引压通孔(101)和电极通孔(102)对应区域，两个电极通孔(102)底面包围的硅电极板(201)上分别加工有引线电极(202)。
6.根据权利要求5所述的MEMS绝压式压力传感器，其特征在于，所述玻璃衬底(300)的中心区域加工有两个坑槽(301)，硅感压膜(200)与玻璃盖板(100)、玻璃衬底(300)阳极键合后坑槽(301)与引压通孔(101)靠近硅感压膜(200)侧的孔形一致，且位于硅电极板(201)的区域内，并与硅电极板(201)形成真空参考腔；坑槽(301)中间有长条形沟槽连通，整体形似哑铃，两个坑槽(301)的底面溅射小于坑槽(301)底面积的电极膜(302)。
7.根据权利要求6所述的MEMS绝压式压力传感器，其特征在于，所述坑槽(301)的深度为5μm～100μm，且两个坑槽(301)的深度相同；和/或
所述电极膜(302)的材料为吸气剂金属。
8.根据权利要求2至7之一所述的MEMS绝压式压力传感器，其特征在于，所述硅感压膜(200)的厚度为0.5±0.1μm至2000±0.3μm，引压通孔(101)靠近硅感压膜(200)侧的孔径为0.5～5mm，传感器的测压量程为1kpa～50Mpa。
9.根据权利要求6或7所述的MEMS绝压式压力传感器，其特征在于，所述坑槽(301)的深度为5μm～100μm，电极膜(302)的厚度为100nm-1μm，传感器电容的本征值大小为1pF～15pF。
10.一种MEMS绝压式压力传感器的加工方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，对玻璃晶圆双面溅射金属薄膜层和涂覆光刻胶，作为抗干法刻蚀或湿法腐蚀的掩模层，利用光刻及金属腐蚀在玻璃晶圆上完成引压通孔(101)和电极通孔(102)掩膜图形化，并使用湿法腐蚀完成引压通孔(101)和电极通孔(102)的制备；
步骤2，将经过湿法清洗和干法活化后的玻璃盖板(100)与硅感压膜(200)进行阳极键合，其中玻璃盖板(100)的键合面为引压通孔(101)锥形孔孔径较小的一面，硅感压膜(200)晶圆则任选一面；
步骤3，利用光刻图形化结合干法刻蚀，将与玻璃盖板(100)键合后的硅感压膜(200)的未键合面刻蚀出分立的硅电极板(201)；
步骤4，对玻璃晶圆溅射金属薄膜层和涂覆光刻胶，作为抗干法刻蚀或湿法腐蚀的掩模层，经曝光显影并对掩膜层金属腐蚀图形化后，使用湿法腐蚀或干法刻蚀玻璃衬底(300)得到两个相等大小的坑槽(301)，坑槽(301)直径与引压通孔(101)锥形孔小径相同，均小于硅电极板(201)；经涂覆光刻胶、曝光、显影、溅射吸气剂金属、lift-off工艺在所述各个坑槽(301)的底面完成电极膜(302)的制备；
步骤5，经湿法清洗、干法活化的硅感压膜(200)的硅面与玻璃衬底(300)加工了硅电极板(201)的一面阳极键合，然后在惰性气氛下高温退火激活电极膜(302)获得真空参考腔；
步骤6，在玻璃盖板(100)非键合的一面涂覆光刻胶、曝光、显影后采用等离子溅射方法沉积金属材料，而后通过lift-off工艺去除光刻胶及其上的多余金属，在电极通孔(102)中留下引线电极(202)，经退火后与硅感压膜(200)形成欧姆接触。
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