CN113252232A - 一种压力传感器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种压力传感器及其制备方法，包括玻璃底座和位于玻璃底座上的硅应变膜片，玻璃底座的一面设有凹陷空腔，硅应变膜片包括位于正面的绝缘介质层和绝缘介质层覆盖的硅衬底；硅应变膜片的正面朝向空腔处设有十字梁结构的梁膜结构，梁膜结构的各个端部设有一组压敏电阻、一组重掺杂接触区和一对金属引线，压敏电阻和重掺杂接触区串接，两端由金属引线从重掺杂接触区引出，金属引线和重掺杂接触区在硅应变膜片的正面形成欧姆接触，且各压敏电阻之间形成惠斯通电桥；所述梁膜结构包括设于所述十字梁上的多个凹槽结构，以用于调节压力传感器的性能，适应不同的量程；线性度更高，结构更加稳定，且适用于不同量程。

Description

一种压力传感器及其制备方法
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种压力传感器及其制备方法。
背景技术
MEMS压阻式压力传感器是基于单晶硅压阻效应将外界压力变化转变为相应的电信号，通过四个等值电阻组成惠斯通电桥实现对外界压力的测量。MEMS压阻式压力传感器主要应用于工业控制、汽车电子、消费电子、医疗电子和航空航天等相关领域。MEMS压阻式压力传感器采用MEMS技术进行设计和工艺开发，其内部由采用硅晶圆得到的硅膜片作为力敏元件、通过掺杂、刻蚀等MEMS工艺制作的四对等值电阻和低阻值的互连线、蒸发沉积的金属引线等多种材料集成的多功能层所组成。
MEMS压阻式压力传感器，为了追求高灵敏度的性能要求，使得压力传感器芯片的应变膜片设计的越来越薄，而较薄的应变膜片会导致较大的膜挠度，使得膜片最大位移值超过一般设计标准(梁膜厚度五分之一原则)，从而导致传感器线性度降低；而梁膜结构压力传感器虽然具有优异的线性度，但结构稳定性不好，塑性和柔韧性相对较差，不适用于承受振动和冲击载荷大的工况。
发明内容
本发明的目的在于提供一种压力传感器及其制备方法，其可克服上述线性度差、结构不稳定、塑性和柔韧性较差以及不适用于承受振动和冲击载荷大的工况等问题。
为实现上述目的，本发明的解决方案为：
一种压力传感器，包括玻璃底座和位于所述玻璃底座上的硅应变膜片，该玻璃底座的一面设有凹陷空腔，该硅应变膜片包括位于正面的绝缘介质层和绝缘介质层覆盖的硅衬底；
所述硅应变膜片的正面朝向所述空腔处设有十字梁结构的梁膜结构，所述梁膜结构的各个端部设有一组压敏电阻、一组重掺杂接触区和一对金属引线，压敏电阻和重掺杂接触区串接，两端由金属引线从重掺杂接触区引出，所述金属引线和所述重掺杂接触区在所述硅应变膜片的正面形成欧姆接触，且各压敏电阻之间形成惠斯通电桥；
还包括设于所述十字梁上的多个凹槽结构，以用于调节压力传感器的性能，适应不同的量程。
进一步地，所述凹槽结构等间距或非等间距设于所述十字梁上。
进一步地，所述梁膜结构与边缘膜区域连接的所述凹槽结构的形状为直条形或线性渐变形状。
进一步地，各组所述压敏电阻包括多个压敏电阻条数。
进一步地，凹槽结构包括矩形槽、梯形槽、三角形槽、菱形槽、圆形槽。
一种如上述任一项所述的压力传感器的制备方法，包括如下步骤：
1)在硅衬底正面制作相互连接的压敏电阻和重掺杂接触区，得到硅应变膜片(2)；
2)在硅应变膜片的正面制作引线孔和金属引线；
3)在硅应变膜片的正面通过光刻定义梁膜结构的十字梁结构的形状，再刻蚀制作十字梁结构；
4)在十字梁上层光刻刻蚀制作凹槽结构；
5)背腔刻蚀SOI晶圆/硅晶圆，直至预设厚度停止；
6)将步骤5)得到的带有十字梁结构的硅应变膜片与带有空腔或不带有空腔的玻璃进行阳极键合；
7)划片，制成压力传感器。
进一步地，步骤1)中通过离子注入的方法制作压敏电阻和重掺杂接触区；
步骤2)中采用蒸发或溅射等工艺淀积金属层，刻蚀得到金属引线，退火合金化，形成欧姆接触；
步骤3)中采用正面光刻定义十字梁形状，并采用浅层刻蚀的方式获得十字梁结构，厚度为d1；
步骤4)中采用光刻刻蚀的凹槽结构，深度为d2；
步骤5)中采用正反套刻深硅刻蚀背腔，直到遇到埋氧层为止。
进一步地，步骤2)中还包括采用LPCVD工艺获得S iO2层或S iN层，光刻刻蚀得到电极孔。
进一步地，步骤1)中通过注入B+离子，退火得到压敏电阻和重掺杂接触区。
进一步地，所述十字梁厚度d1等于或大于所述凹槽结构的深度d2。
采用上述技术方案后，通过凹槽结构使得线性度提高，且整体结构更加稳定，塑性和柔韧性更好，适用于承受振动和冲击载荷大的工况；并通过不同数目的凹槽结构，各凹槽结构之间不同的间距，可以调节传感器的性能，使其适用于不同的量程。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1提供的一种压力传感器的结构示意图；
图2为本发明实施例1提供的一种压力传感器的局部剖视图；
图3为本发明实施例1提供的一种压力传感器的俯视图；
图4A-4I为本发明实施例2中压力传感器的制备流程图，其中：
图4A为备片、标记对准工艺示意图；
图4B为压敏电阻制作示意图；
图4C为重掺杂接触区域制作示意图；
图4D为电极孔制作示意图；
图4E为金属引线制作示意图；
图4F为梁膜结构制作示意图；
图4G为凹槽结构制作示意图；
图4H为背腔刻蚀制作示意图；
图4I为硅玻键合制作示意图；
图5A-5C为多种结构形式的硅应变膜片正面示意图；
图6A-6C为多种结构形式的凹槽结构的正面示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1：
如图1所示，一种压力传感器，采用MEMS技术进行设计和工艺开发的一种MEMS压阻式压力传感器，包括玻璃底座1和位于所述玻璃底座1上的硅应变膜片2，所述硅应变膜片2为SOI晶圆/硅晶圆经过正面刻蚀和背腔腐蚀工艺形成的具有正面梁膜、背腔结构的硅膜；
如图1或图2所示，该玻璃底座1的一面设有凹陷空腔，该硅应变膜片2包括位于正面的绝缘介质层和绝缘介质层覆盖的硅衬底，其中硅衬底为N型<100>晶面SOI(Silicon-On-Insulator)硅片或N型硅晶圆，且该硅应变膜片2与带有凹陷空腔的玻璃底座1采用阳极键合的方法，可以对硅片的非键合面进行减薄，由于空腔制作于玻璃底座1上，其减薄的厚度不受空腔的影响，能够减小芯片的厚度等尺寸，降低芯片的成本；且由于采用了硅玻璃阳极键合的工艺，玻璃对硅应变膜片2起到了应力缓冲的作用，提高了传感器在后续封装和测试中的稳定性，具有广阔的应用前景。
如图1所示，所述硅应变膜片2的正面朝向所述空腔处设有十字梁结构的梁膜结构3，且所述梁膜结构3设置在硅应变膜片2的中心处，抑制了硅应变膜片2的大变形，同时使压力传感器具有高线性度；
如图1或图3所示，具体地，所述梁膜结构3具有四个端部，且各个端部均设有一组压敏电阻4、一组重掺杂接触区5和一对金属引线6，各端部的所述压敏电阻4和所述重掺杂接触区5串接，两端由金属引线6从重掺杂接触区5引出，所述金属引线6和所述重掺杂接触区5在所述硅应变膜片2的正面形成欧姆接触，各所述压敏电阻4之间形成惠斯通电桥；所述梁膜结构3还包括设于所述十字梁上的多个凹槽结构7，以用于调节压力传感器的性能，适应不同的量程。
具体地，该金属引线6可采用Al、Cr/Au、Ti/Au等材料，在本实施例中，采用Cr/Au作为金属引线，防止阳极键合产生的氧气对金属引线氧化材质制作金属引线。
如图1所示，进一步地，所述凹槽结构7等间距或非等间距设于所述十字梁的各个梁上，且梁膜结构3的十字梁与边缘膜区域，所述凹槽结构7形状为直条形或线性渐变形状；在本实施例中凹槽结构7采用直条形，使得整体更加稳定，在保证灵敏度的同时，提高了传感器的线性度；
具体地，凹槽结构7的深度比梁膜结构3的十字梁的厚度更低，采用凹槽结构7能够在保证压力传感器灵敏度的同时，又能提高传感器线性度，且避免破片的风险；且凹槽结构7在承受弯曲力矩、压力负荷、偏心负荷都有着优越性能；通过调节凹槽结构7的数目、间距和深度，不仅可以调节传感器的性能，同时适用于不同的量程。
如图1或图3所示，进一步地，各组所述压敏电阻4包括多个压敏电阻4条数，具体地，该包括四组压敏电阻4对称分布在十字梁的端部，且每组压敏电阻4不局限于压敏电阻4的条数目，一般为2-4个，本实施例中采用4个。
进一步地，所述凹槽结构7包括矩形槽、梯形槽、三角形槽、菱形槽、圆形槽，具体地，在本实施例中采用矩形槽，且等间距设置在十字梁的梁上，且为直条形，结构更加稳定，且塑性和柔韧性更好，适用于不同的量程；参见图6A，凹槽结构7采用矩形凹槽，且各凹槽结构7之间交错排列，结构更加稳定；参见图6B，凹槽结构7采用圆形槽，各凹槽结构7之间等距排列，整体的塑性和柔韧性更好；图6C为三角形槽，各凹槽结构7之间等距排列，整体更加稳定。
如图5A所示，本方案中的梁膜结构3的端部还可采用方形凸台结构，能提高整体灵敏度和线性度；如图5B所示，该方案中的梁膜结构3的中心部位更宽，稳定性更好；如图5C所示，该方案中的梁膜结构3的端部采用圆弧结构，是整体更加稳定，适用于不同的量程。
实施例2：
本实施例公开了一种压力传感器的制备方法，在由背腔腐蚀工艺制作的方形膜片的边线中点位置制作多组压敏电阻4，每组压敏电阻4的个数是任意的，在本实施例为4个；硅应变膜片2的正面浅层刻蚀出十字梁结构，压敏电阻4位于十字梁结构上，且位于十字梁结构的边缘，压敏电阻4处于应力集中区域。具体而言，该方法的步骤包括：
1)备片，标记层刻蚀：对N型<100>晶面SOI(Silicon-On-Insulator)硅片零层对准刻蚀标记，硅片表面热氧
Figure BDA0003112894480000061
二氧化硅，如图4A所示；
2)光刻压敏电阻4：在SOI硅片器件层区域光刻压敏电阻4图案，离子注入B+，退火得到压敏电阻4，如图4B所示；
3)光刻重掺杂接触区5：在SOI硅片器件层区域光刻重掺接触区图案，离子注入B+，退火得到重掺杂接触区5，如图4C所示；
4)开电极孔9：采用LPCVD工艺获得SiO2层或SiN层，光刻刻蚀得到电极孔9，如图4D所示；
5)制作金属引线6，欧姆连接：采用蒸发或溅射等工艺淀积金属层，刻蚀得到金属引线6，退火合金化，形成欧姆接触，如图4E所示；
6)十字梁膜结构制作：正面光刻定义十字梁形状，采用浅层刻蚀的方式获得梁膜结构3的十字梁结构，厚度为d1，如图4F所示；
7)凹槽结构7制作：在十字梁上浅层刻蚀的基础上，进一步光刻刻蚀获得凹槽结构7，深度为d2，获得完整的凹槽-十字梁结构梁膜硅应变膜片2，凹槽结构7的深度为d2，采用凹槽结构7能在保证压力传感器灵敏度的同时，也能提高传感器的线性度，且凹槽结构7在承受弯曲力矩、压力负荷、偏心负荷都有着优越的性能；而且通过调节凹槽结构7的数目、间距和深度，不仅可以调节传感器的性能，同时还适用于不同的量程，且凹槽结构7的深度d2小于梁膜结构3的十字梁的厚度d1；采用此种方式，能够保证压力传感器的灵敏度，同时也能提高传感器的线性度，且梁膜结构3的十字梁的厚度d1大于凹槽结构7的深度d2，避免破片的风险，如图4G所示；
8)背腔8刻蚀：正反套刻深硅刻蚀背腔，直到遇到埋氧层为止，如图4H所示；
9)打孔玻璃键合、划片：将正反套刻深硅刻蚀背腔得到的硅应变膜片2与打孔的玻璃底座1阳极键合，划片得到压力传感器，能够减小芯片的厚度，并且不存在芯片尺寸增大的问题，且将空腔制作在玻璃底座1上，不受硅片晶向的限制，如图4I所示。
芯片制作完成后进行划片，通过此步骤将整个硅片形成大量单个的压力传感器芯片，每个硅片根据设计的大小可以得到不同数量的压力传感器芯片。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种压力传感器，其特征在于，包括玻璃底座(1)和位于所述玻璃底座(1)上的硅应变膜片(2)，该玻璃底座(1)的一面设有凹陷空腔，该硅应变膜片(2)包括位于正面的绝缘介质层和绝缘介质层覆盖的硅衬底；
所述硅应变膜片(2)的正面朝向所述空腔处设有十字梁结构的梁膜结构(3)，所述梁膜结构(3)的各个端部设有一组压敏电阻(4)、一组重掺杂接触区(5)和一对金属引线(6)，压敏电阻(4)和重掺杂接触区(5)串接，两端由金属引线(6)从重掺杂接触区(5)引出，所述金属引线(6)和所述重掺杂接触区(5)在所述硅应变膜片(2)的正面形成欧姆接触，且各压敏电阻(4)之间形成惠斯通电桥；
还包括设于所述十字梁上的多个凹槽结构(7)，以用于调节压力传感器的性能，适应不同的量程。
2.根据权利要求1所述的一种压力传感器，其特征在于，所述凹槽结构(7)等间距或非等间距设于所述十字梁上。
3.根据权利要求2所述的一种压力传感器，其特征在于，所述梁膜结构(3)与边缘膜区域连接的所述凹槽结构(7)的形状为直条形或线性渐变形状。
4.根据权利要求3所述的一种压力传感器，其特征在于，各组所述压敏电阻(4)包括多个压敏电阻(4)条数。
5.根据权利要求4所述的一种压力传感器，其特征在于，凹槽结构(7)包括矩形槽、梯形槽、三角形槽、菱形槽、圆形槽。
6.一种如权利要求1-5任一项所述的压力传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)在硅衬底正面制作相互连接的压敏电阻(4)和重掺杂接触区(5)，得到硅应变膜片(2)；
2)在硅应变膜片(2)的正面制作引线孔和金属引线(6)；
3)在硅应变膜片(2)的正面通过光刻定义梁膜结构(3)的十字梁结构的形状，再刻蚀制作十字梁结构；
4)在十字梁上层光刻刻蚀制作凹槽结构(7)；
5)背腔刻蚀SOI晶圆/硅晶圆，直至预设厚度停止；
6)将步骤5)得到的带有十字梁结构的硅应变膜片(2)与带有空腔或不带有空腔的玻璃进行阳极键合；
7)划片，制成压力传感器。
7.根据权利要求6所述的一种压力传感器的制备方法，其特征在于，步骤1)中通过离子注入的方法制作压敏电阻(4)和重掺杂接触区(5)；
步骤2)中采用蒸发或溅射等工艺淀积金属层，刻蚀得到金属引线，退火合金化，形成欧姆接触；
步骤3)中采用正面光刻定义十字梁形状，并采用浅层刻蚀的方式获得十字梁结构，厚度为d1；
步骤4)中采用光刻刻蚀的凹槽结构(7)，深度为d2；
步骤5)中采用正反套刻深硅刻蚀背腔(8)，直到遇到埋氧层为止。
8.根据权利要求7所述的一种压力传感器的制备方法，其特征在于，步骤2)中还包括采用LPCVD工艺获得SiO2层或SiN层，光刻刻蚀得到电极孔(9)。
9.根据权利要求8所述的一种压力传感器的制备方法，其特征在于，步骤1)中通过注入B+离子，退火得到压敏电阻(4)和重掺杂接触区(5)。
10.根据权利要求9所述的一种压力传感器的制备方法，其特征在于，所述十字梁的厚度d1等于或大于所述凹槽结构(7)的深度d2。
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