CN113776592B - 一种气体与压力复合传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气体与压力复合传感器及其制备方法，此传感器包括基片和键合片，所述基片的正面设有P型掺杂区，所述基片正面的预定区域淀积有气敏电阻、测温电阻和加热电阻，所述基片的背面制备有应变腔体，所述应变腔体的位置与基片正面的预定区域相对应，且应变腔体正对预定区域处设置有应变薄膜；所述基片的背面与键合片键合，形成真空应变腔体。本发明具有集成度高、体积小、测量精度高等优点。

Description

一种气体与压力复合传感器及其制备方法

技术领域

本发明主要涉及传感器制备技术领域，具体涉及一种气体与压力复合传感器及其制备方法。

背景技术

随着智能制造的发展，氢作为一种重要的绿色新能源，被用到越来越多的领域，特别是近年氢能源汽车快速发展，对氢气泄露的检测提出更高的要求，需要快速准确低成本的检测出氢气泄露情况。另在变压器中，随着变压油的不断使用，油中氢含量将不断增加，当增加到一定程度后将可能发生火灾和爆炸危险，故需实时准确检测油中氢含量。无论氢能源汽车还是变压器等，都对氢传感器的精度和寿命有着较高的要求。同时在气体浓度检测过程中，环境压力对气体浓度的检测具有直接的影响，相同浓度，在不同压力下测量结果将不同，故为了获得更加准确的气体浓度，需要实时检测环境压力。

对气体浓度的检测业界当前主要采用电化学方式，电化学具有测量精度较高，成本较低的优势，但电化学测量属于消耗性测量，测量次数有限，传感器寿命较短，主要用于测量精度要求不高的中低端领域。在高端领域，主要采用电阻型氢气传感器，当前产品主要被美国H2 SCAN公司垄断，产品价格高昂，当前产品已经从第一代更新到第五代，第一代产品单只售价过万，第五代产品更是单只超过三万，在普通氢能源汽车上难以推广应用。该传感器工作原理为利用Pd合金对氢的敏感性，该合金在不同氢浓度下，其电阻将发生改变，通过对电阻的测量获得氢浓度，但由于合金电阻受温度影响大，故实际通过电加热将气敏电阻所在区域加热到特定温度并在不同环境温度下保持氢敏电阻区域温度恒定，从而避免环境温度变化对测量结果的影响。气敏电阻和加热丝设置在硅基片上，硅做为热的良导体，通过电热丝将硅芯片加热到80℃等某一特定温度下，并在不同测量环境中保持该温度恒定。由于实际测量环境温度从-40℃到+60℃不等，当环境温度较低时，芯片需要较大的功率来维持芯片温度的恒定。H2SCAN公司通过优化控制电路，提升控温精度，加大芯片功率来保证芯片温度恒定，从而保证测量精度，该方式成本较高，产品功耗较大，故导致实际产品价格高昂，在很多领域难以推广应用。

国产仿制H2SCAN型的氢气传感器目前已有部分产品面世，但测量精度和可靠性与国外产品有较大差距，主要在低温环境下，由于芯片散热较大，控温困难，导致测量精度低，同时通过电路补偿等方式提升控温精度，带来的成本增加明显。

另外，国产高精度压力传感芯片通过在传感器芯体中封装一个温敏电阻，通过测量芯体所处环境温度，结合压敏芯片不同温度下的特性漂移情况，对压敏芯片进行补偿，该方案需要额外的电路芯片进行计算补偿以获得低的温漂性能，同时由于测温芯片和压敏芯片通过封装集成，存在物理间隔，在温度变化较大的环境中存在温度差异，将导致温度传感器测量结果非压敏芯片实际温度结果，导致压力测量结果存在差异。同时通过封装集成方式需要占用较大的体积，难以实现小型化。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的问题，本发明提供一种集成度高、体积小、气体浓度与压力测量精准的气体与压力复合传感器及其制备方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种气体与压力复合传感器，包括基片和键合片，所述基片的正面设有P型掺杂区，所述基片正面的预定区域淀积有气敏电阻、测温电阻和加热电阻，所述基片的背面制备有应变腔体，所述应变腔体的位置与基片正面的预定区域相对应，且应变腔体正对预定区域处设置有应变薄膜；所述基片的背面与键合片键合，形成真空应变腔体。

本发明还公开了一种如上所述的气体与压力复合传感器的制备方法，包括步骤：

在基片上进行P型掺杂，形成P型掺杂区；

在基片正面的预定区域淀积气敏电阻、测温电阻和加热电阻，并淀积互联线和焊盘；

在基片背面进行刻蚀以形成应变腔体，所述应变腔体的位置与基片正面的预定区域相对应；

将基片的背面与键合片在真空环境下进行阳极键合，形成真空应变腔体，得到最终的气体与压力复合芯片。

作为上述技术方案的进一步改进：

在基片上进行P型掺杂，形成P型掺杂区的具体过程为：

在N(100)双抛体硅片表面氧化生长注入缓冲保护层；

在缓冲保护层表面进行匀胶光刻显影制备第一阻挡层，暴露出特定区域，采用离子注入方式对特定区域进行P型掺杂，形成P型掺杂区。

在硅片背面进行刻蚀以形成应变腔体的具体过程为：在上述步骤之后，进行以下步骤：

去除第一阻挡层和缓冲保护层；

在硅片双面生长二氧化硅层和氮化硅层；

硅片背面光刻，利用光刻胶做阻挡，采用离子束刻蚀去除开窗位置的氮化硅层和二氧化硅层；

去除光刻胶，采用质量浓度30％～60％的KOH、NaOH或TDMA溶液在温度40℃～80℃下，对开窗硅进行各项异性刻蚀，形成应变腔体和应变薄膜，然后采用湿法腐蚀去除氮化硅层和二氧化硅层。

在硅片正面的预定区域淀积气敏电阻、测温电阻和加热电阻，并淀积互联线和焊盘的具体过程为：在上述步骤之后，进行以下步骤：

CVD工艺淀积二氧化硅绝缘介质层、加热电阻和测温电阻，其中加热电阻和测温电阻先采用光刻显影，将需要淀积金属区域的光刻胶去除，然后采用离子束镀膜淀积金属，再通过丙酮剥离工艺去除光刻胶和光刻胶上的金属，获得最终的加热电阻和测温电阻；

采用剥离工艺淀积气敏电阻，采用ALD或热沉积工艺淀积气敏保护介质层；

采用离子束刻蚀工艺去除引线孔区域的保护介质层，淀积互联线和焊盘。

在硅片上进行P型掺杂，形成P型掺杂区的具体步骤为：

1)在P(100)双抛SOI片表面氧化生长注入缓冲保护层；

2)在硅片正面的缓冲保护层进行离子注入掺杂与退火，形成P型掺杂区。

在硅片正面的预定区域淀积气敏电阻、测温电阻和加热电阻，并淀积互联线和焊盘的具体过程为：在步骤2)之后，进行以下步骤：

3a)表面进行匀胶光刻显影制备压阻刻蚀第二阻挡层，暴露出除压敏电阻、互连线和焊盘以外的区域，采用离子束刻蚀去除未被光刻胶覆盖区域的顶层硅层，直到SOI片中间BOX层；

4a)清洗去除光刻胶，漂洗去除缓冲保护层，CVD工艺淀积加热电阻和测温电阻，其中加热电阻和测温电阻先采用光刻显影，将需要淀积金属区域的光刻胶去除，然后采用离子束镀膜淀积加热电阻和测温电阻，再去除光刻胶和光刻胶上的金属，获得最终的加热电阻和测温电阻；

5a)依次淀积气敏电阻和保护介质层；

6a)采用离子束刻蚀工艺去除引线孔区域的保护介质层，淀积互联线和焊盘。

在硅片背面进行刻蚀以形成应变腔体的具体过程为：在步骤6)之后，进行以下步骤：

7a)硅片背面淀积光刻胶光刻形成刻蚀窗口，采用离子束深硅刻蚀工艺刻蚀形成应变腔体。

在硅片背面进行刻蚀以形成应变腔体的具体过程为：在步骤2)之后，进行以下步骤：

3b)漂洗去除注入缓冲保护层；

4b)在硅片双面生长二氧化硅层和氮化硅层；

5b)硅片背面光刻，利用光刻胶做阻挡，采用离子束刻蚀去除开窗位置的氮化硅层和二氧化硅层；

6b)去除光刻胶，采用质量浓度30％～60％的KOH溶液，在30℃～80℃下对开窗硅进行各项异性刻蚀，形成应变腔体。

在硅片正面的预定区域淀积气敏电阻、测温电阻和加热电阻，并淀积互联线和焊盘的具体过程为：在步骤6b)之后，进行以下步骤：

7b)硅片正面进行匀胶光刻显影制备压阻刻蚀第三阻挡层，暴露出除压敏电阻、互连线和焊盘以外的区域，采用离子束刻蚀去除暴露区域刻蚀二氧化硅层和氮化硅层；

8b)去除光刻胶，继续用腐蚀液进行各项异性湿法腐蚀，去除干净正面顶层硅，背面应变腔体刻蚀深度达到目标深度时停止，湿法去除氮化硅层和二氧化硅层；

9b)淀积加热电阻和测温电阻，其中加热电阻和测温电阻先采用光刻显影，将需要淀积金属区域的光刻胶去除，然后采用离子束镀膜淀积加热电阻和测温电阻，再去除光刻胶和光刻胶上的金属，获得最终的加热电阻和测温电阻；

10b)依次淀积气敏电阻和保护介质层；

11b)采用离子束刻蚀工艺去除引线孔区域的保护介质层，淀积互联线和焊盘。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明的气压复合结构，将气体浓度检测和压力检测功能进行集成，将气体芯片的气敏电阻、加热电阻和测温电阻设置到应变薄膜中间空白区域，在原一个压敏芯片的面积上同时实现气体浓度的检测和压力的测量，节约空间，缩小芯片占用面积，从而可有效节约生产成本；其次，通过将气敏电阻、加热电阻和测温电阻设置在压敏芯片的应变薄膜中间区域，利用真空应变腔体真空良好的隔热性能，有效减小现有气体传感芯片存在的因硅片导热性好而导致散热大，控温困难的难题；其中加热和控温是气体传感器最主要的功率消耗，该结构可有效减小传感器的功耗；再次，加热电阻、测温电阻和气敏电阻均处于应变薄膜上，处于相同环境中，可实现温度和压力互补偿结构的原位测量，保证测量精度，避免二者不处于同一场下导致的测量误差，二者相互补偿使得测量精度更高；最后，通过加热电阻和测温电阻实现应变薄膜的恒温环境，从而避免压力传感器温漂带来的压力测量误差，保证压敏芯片在不需要额外补偿处理的情况下可直接输出基本不受环境温度影响的高精度压力测量结果。

本发明采用质量浓度30％～60％的KOH、NaOH或TDMA溶液在40℃～80℃下对开窗硅进行各项异性刻蚀，形成应变腔体8和应变薄膜9，由于KOH、NaOH或TDMA腐蚀速率≤2um/min，可通过腐蚀时间的控制来精确控制腐蚀深度，从而获得准确的应变薄膜厚度，保证压力传感器的量程和测量精度。

本发明的应变腔体采用干法深硅刻蚀形成，侧壁相对湿法54.度左右夹角近似呈90度夹角，避免了夹角产生斜面占用芯片版图面积，可使得芯片整体尺寸更小，特别是当硅片厚度较大时，采用干法带来的面积节省更加明显。

本发明的硅片正面压阻采用KOH、NaOH、TDMA等湿法各向异性腐蚀形成，相对干法刻蚀侧壁形貌更平整，利用硅和二氧化硅高选择比(选择比大于100)，正面压阻刻蚀时自动停止在SOI片BOX层上，不会损伤BOX层，使得后续淀积金属层时拥有良好的表面介质质量，从而保证产品更好的性能。

附图说明

图1为本发明实施例一中传感器制备工艺流程图。

图2为本发明实施例一中传感器截面结构示意图。

图3为现有技术中的氢气传感器截面图。

图4为现有技术中的氢气传感器俯视图。

图5为本发明实施例二中气体压力传感器制备工艺流程图。

图6为本发明实施例三中气体压力传感器制备工艺流程图。

图例说明：1、硅片；2、缓冲保护层；3、第一阻挡层；4、P型掺杂区；5、二氧化硅层；6、氮化硅层；7、光刻胶层；8、应变腔体；9、应变薄膜；10、绝缘介质层；11、加热电阻；12、测温电阻；13、气敏电阻；14、保护介质层；15、孔；16、焊盘；17、键合片；18、SOI片；19、BOX层；20、第二阻拦层；21、第三阻挡层。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

如图2所示，本实施例的气体与压力复合传感器，包括基片(如硅片1)和键合片17(如键合玻璃片)，硅片1的正面设有P型掺杂区4，硅片1正面的预定区域淀积有气敏电阻13、测温电阻12和加热电阻11，硅片1的背面制备有应变腔体8，应变腔体8的位置与硅片1正面的预定区域相对应，且应变腔体8正对预定区域处设置有应变薄膜9；硅片1的背面与键合片17键合，形成真空应变腔体8。

本发明的气压复合结构，将气体浓度检测和压力检测功能进行集成，将气体芯片的气敏电阻13、加热电阻11和测温电阻12设置到应变薄膜9中间空白区域，在原一个压敏芯片的面积上同时实现气体浓度的检测和压力的测量，节约空间，缩小芯片占用面积，从而可有效节约生产成本；

其次，通过将气敏电阻13、加热电阻11和测温电阻12设置在压敏芯片的应变薄膜9中间区域，利用真空应变腔体8真空良好的隔热性能，有效减小现有气体传感芯片存在的因硅片1导热性好而导致散热大，控温困难的难题；其中加热和控温是气体传感器最主要的功率消耗，该结构可有效减小传感器的功耗；

再次，加热电阻11、测温电阻12和气敏电阻13均处于应变薄膜9上，处于相同环境中，可实现温度和压力互补偿结构的原位测量，保证测量精度，避免二者不处于同一场下导致的测量误差，二者相互补偿使得测量精度更高；

最后，通过加热电阻11和测温电阻12实现应变薄膜9的恒温环境，从而避免压力传感器温漂带来的压力测量误差，保证压敏芯片在不需要额外补偿处理的情况下可直接输出基本不受环境温度影响的高精度压力测量结果。

在一具体实施例中，上述气敏电阻13用于检测氢气浓度，当然，也可以根据具体需要采用检测其它气体的电阻型气体传感器。

本发明还公开了一种如上所述的气体与压力复合传感器的制备方法，包括步骤：

在基片(如硅片1)上进行P型掺杂，形成P型掺杂区；

在硅片1正面的预定区域淀积气敏电阻13、测温电阻12和加热电阻11，并淀积互联线和焊盘16；

在硅片1背面进行刻蚀以形成应变腔体8，应变腔体8的位置与硅片1正面的预定区域相对应；

将硅片1的背面与键合片17在真空环境下进行阳极键合，形成真空应变腔体8，得到最终的气体与压力复合芯片。

在一具体实施例中，可以先进行气敏电阻13、测温电阻12和加热电阻11的制备，再进行应变腔体8的制备；或者先进行应变腔体8的制备，再进行气敏电阻13、测温电阻12和加热电阻11的制备。

在一具体实施例中，在硅片1背面制备应变腔体8可利用光刻胶或其他掩膜做阻挡层，再采用深硅刻蚀方式形成类似矩形的应变腔体8；或者利用氮化硅和二氧化硅复合介质层做阻挡层，利用各项异性湿法腐蚀形成应变腔体8。

在一具体实施例中，加热电阻11和测温电阻12均采用离子束溅射、蒸发、CVD等方式制备的温度敏感金属，其中加热和测温金属可一次光刻镀膜形成的相同厚度的温度敏感金属或分开光刻镀膜形成的不同厚度的金属。

下面结合三个实施例对本发明的方法做进一步的详细说明：

实施例一：

本实施例的气压复合传感器(简称，即气体与压力复合传感器)的制备方法，其制备工艺流程图如图1所示，包括以下步骤：

(1)在N(100)双抛体硅片1表面氧化生长注入缓冲保护层2，如图1中的(a)所示，具体为：通过热氧化的方式在硅片表面生长二氧化硅薄膜，厚度为50～500A；当然，也可以采用干法氧化、湿法氧化或CVD方式来制备二氧化硅薄膜；

(2)在步骤(1)中得到的缓冲保护层2表面进行匀胶光刻显影制备第一注入第一阻挡层3，暴露出压敏电阻、互连线和焊盘16等区域，采用离子注入方式对顶层压敏电阻、互连线和焊盘16等区域进行P型掺杂，形成P型掺杂区4，如图1中的(b)所示；其中P型重掺杂区4中掺杂浓度均值为3×10¹⁸cm^-3～2×10²⁰cm^-3；N型衬底掺杂浓度低于1×10¹⁸cm^-3。当然，P型掺杂可包含一次注入掺杂在所有掺杂区域形成相同掺杂浓度，或者多次光刻多次注入掺杂，在不同区域形成不同的掺杂浓度；

(3)去除第一阻挡层3(光刻胶)和缓冲保护层2(二氧化硅薄膜)，如图1中的(c)所示，具体为：先采用丙酮去除光刻胶，再采用质量浓度小于5％的HF溶液进行漂洗，去除二氧化硅薄膜；

(4)热氧化方式在硅片1双面生长二氧化硅层5，厚度为50A～1000A，LPCVD方式生长氮化硅层6，厚度为500A～5000A，如图1中的(d)所示；

(5)硅片1背面光刻，利用光刻胶层7或其它掩膜做阻挡，采用离子束刻蚀去除开窗位置的氮化硅层6和二氧化硅层5，如图1中的(e)所示；

(6)去除光刻胶，采用质量浓度30％～60％的KOH、NaOH或TDMA溶液40℃～80℃下对开窗硅进行各项异性刻蚀，形成应变腔体8和应变薄膜9，然后采用湿法腐蚀去除氮化硅层6和二氧化硅层5，如图1中的(f)所示；

(7)CVD工艺淀积二氧化硅绝缘介质层10、加热电阻11和测温电阻12，可首先采用光刻显影，将需要淀积金属区域的光刻胶去除，然后采用离子束镀膜淀积金属，再通过丙酮剥离工艺去除光刻胶和光刻胶上的金属，获得最终的加热电阻11和测温电阻12，如图1中的(g)所示；

(8)采用剥离工艺淀积气敏电阻13和采用ALD或热沉积工艺淀积气敏保护介质层14，截面如图1中的(h)所示，俯视图如图1中的(i)所示；其中气敏保护介质层14主要为二氧化硅、氮化硅、氧化铝等复合介质层，其目的在允许特性气体原子穿过该保护膜到达敏感电阻，阻断氧气、水等其他气体穿过保护膜；

(9)采用离子束刻蚀工艺去除引线孔15的绝缘介质层，淀积互联线、焊盘16，俯视图如图1中的(j)所示；

(10)将图形硅片1和键合片17在真空环境下阳极键合，形成最终气压复合芯片，如图2所示。

(11)划片封装，配置电路网络，形成最终气压复合传感器。其中配置电路网络包括加热电路和测温电路，压力和气体浓度测量补偿电路等。

本发明的制备方法制得的气体与压力复合传感器，如图2所示，该传感器应变真空腔体侧面与底部的夹角为54°左右，应变薄膜9表面呈镜面平整，由于KOH、NaOH或TDMA腐蚀速率≤2um/min，可通过腐蚀时间的控制来精确控制腐蚀深度，从而获得准确的应变薄膜9厚度，保证压力传感器的量程和测量精度。由于应变腔体8为在真空环境下将图形硅片1和键合片17键合形成，应变腔体8内部为高真空状态，气体传感器工作过程中加热时，热量不能通过应变腔体8向下传导，从而明显降低热传导耗散的热量，使得传感器控温更容易。

为了进一步理解上述结构，现公开了现有技术中的普通的氢气传感器的结构，如图3和4所示，现有整个氢气传感器的加热电阻11、测温电阻12、气敏电阻13均放置在硅片1上，由于硅片1为热的良导体，容易导致真个硅片1表面均处于高温状态，整体散热面增加，受环境影响增大，加热功耗增加，从而导致产品控温难度增大，功耗增加，限制其使用环境。

实施例二：

本实施例的气体与压力复合传感器的制备方法，其制备工艺流程如图5所示，包括以下步骤：

1)在P(100)双抛SOI片18表面氧化生长注入缓冲保护层2，如图5中的(a)所示，具体为：通过热氧化的方式在SOI片18表面生长二氧化硅薄膜，厚度为50A～500A；

2)在步骤1)中生长了注入缓冲保护层2的SOI片18正面进行离子注入掺杂与退火，形成P型掺杂区4，如图5中的(b)所示，P型掺杂区4退火后掺杂浓度为3×10¹⁸cm^-3～3×10²⁰cm^-3；P型衬底掺杂浓度低于2×10¹⁸cm^-3；

3)表面进行匀胶光刻显影制备压阻刻蚀第二阻挡层20，暴露出除压敏电阻、互连线、焊盘16以外的区域，采用离子束刻蚀去除未被光刻胶覆盖区域的顶层硅层，直到SOI片18中间BOX层19，如图5中的(c)所示；

4)丙酮清洗去除光刻胶，利用质量浓度小于5％的HF漂洗去除缓冲保护层2，CVD工艺淀积加热电阻11和测温电阻12，首先采用光刻显影，将需要淀积金属区域的光刻胶去除，然后采用离子束镀膜淀积加热金属和测温金属，再通过丙酮剥离工艺去除光刻胶和光刻胶上的金属，获得最终的加热电阻11和测温电阻12，如图5中的(d)所示；

5)采用剥离工艺淀积气敏电阻13和采用ALD或热沉积工艺淀积气敏保护介质层14(截面图如图5中(e)所示，俯视图如图5中的(f)所示)；

6)采用离子束刻蚀工艺去除引线孔15区域保护介质层14，淀积互联线和金属焊盘16，俯视图如图5中(g)所示；

7)SOI片18背面淀积光刻胶22光刻形成刻蚀窗口，采用离子束深硅刻蚀工艺刻蚀形成应变腔体8，截面如图5中(h)所示；

8)将SOI片18和键合片17在真空环境下阳极键合，形成最终气压复合芯片，截面如图5中(i)所示。

本实施例中的应变腔体8采用干法深硅刻蚀形成，侧壁相对湿法50度左右夹角近似呈90度夹角，避免了夹角产生斜面占用芯片版图面积，可使得芯片整体尺寸更小，特别是当SOI片18厚度较大时，采用干法带来的面积节省更加明显。

实施例三：

本实施例的气体与压力复合传感器，如图6所示，其制备工艺为在P型SOI片18上，首先氧化形成注入缓冲保护层2，进行离子注入退火，然后利用质量浓度小于5％的HF溶液漂洗去除注入缓冲保护层2；再氧化形成二氧化硅层5，CVD生长氮化硅层6，光刻刻蚀氮化硅层6和二氧化硅层5，KOH或TDMA湿法深硅刻蚀，当深硅刻蚀到一定深度后进行正面压敏电阻和电阻互联线区域光刻刻蚀去除该区域氮化硅层6和二氧化硅层5，再采用湿法腐蚀进行正面刻蚀代替离子束刻蚀，背面应变腔体8同步继续腐蚀，通过控制腐蚀时间，使得正面顶层硅被刻蚀干净时背面应变腔体8刻蚀刚好到位，然后制备正面加热电阻11、测温电阻12、气敏电阻13和保护介质层14等，具体步骤如下：

S01、在P(100)双抛SOI片18表面通过热氧化方式生长50A～500A二氧化硅注入缓冲保护层2，然后进行注入退火，形成P型掺杂区4，如图5的(a)所示；

S02、质量浓度小于5％的HF漂洗去除注入缓冲氧化层的二氧化硅，如图5的(b)所示；

S03、热氧化方式在SOI片18双面生长二氧化硅层5，厚度为100～1000A，CVD方式生长氮化硅层6，厚度为500A～5000A；

S04、SOI片18背面光刻，利用光刻胶层7做阻挡，采用离子束刻蚀去除开窗位置的氮化硅层6和二氧化硅层5；

S05、去除光刻胶，采用质量浓度30％～60％的KOH溶液30℃～80℃下对开窗硅进行各项异性刻蚀，形成应变腔体8，应变腔体8深度距最终目标深度相差3～15um；

S06、SOI片18正面进行匀胶光刻显影制备第三阻挡层22，暴露出除压敏电阻、互连线和焊盘16以外的区域，采用离子束刻蚀去除暴露区域刻蚀阻挡层二氧化硅层5和氮化硅层6；

S07、去除光刻胶，继续用KOH等腐蚀液进行各项异性湿法腐蚀，去除干净正面顶层硅，背面应变腔体8刻蚀深度达到目标深度时停止，湿法去除刻蚀阻挡层二氧化硅层5和氮化硅层6；

S08、然后同实施例二的方式进行正面加热电阻11、测温电阻12、气敏电阻13，专一性保护介质层14淀积，正面金属下接触孔开孔14，金属互联线和焊盘16制备；再在真空环境下和键合玻璃片进行阳极键合，最终产品截面图如图6中(h)所示。

本实施例中的SOI片18正面压阻采用KOH、NaOH、TDMA等湿法各向异性腐蚀形成，相对干法刻蚀侧壁形貌更平整，利用硅和二氧化硅高选择比(选择比大于100)，正面压阻刻蚀时自动停止在SOI片18的BOX层19上，不会损伤BOX层19，使得后续淀积金属层时拥有良好的表面介质质量，从而保证产品更好的性能。

本发明的实施例中，若无特别说明，所采用的工艺为常规工艺，所采用的设备为常规设备，且所得数据均是三次以上试验的平均值。

本发明的气体与压力复合传感器芯片结构，加热电阻11、测温电阻12和气敏电阻13充分利用压力传感器的应变薄膜9中间的空白区域，利用真空应变腔体8良好的隔热性能，使得热量智能通过薄的应变薄膜9四周向外扩散，或通过上表面与测量环境进扩散，而测量环境通常为气体或变压油等热导率较差的介质，同时该接触面积小，因此从上表面散热量小。由于应变薄膜9较薄，通过应变薄膜9向四周耗散热传导通道小，散热也较小，故可通过较小的加热功率在较低的环境温度下保持气敏电阻13的恒温环境，使得气敏芯片控温难度降低，可有效减小传感器的制备成本。

本发明的应变薄膜9受加热丝加热处于恒温环境中，故应变薄膜9也处于相对恒定的温度环境中，避免测量环境温度变化导致的温度漂移，从而获得更高的环境压力测量结果。

本发明的压力与气体浓度为同一个位置的测量结果，可实现更好的相互补偿校正，获得更高的气体浓度测量精度。

本发明将压敏芯片和气敏芯片单芯片集成，只占用一个压敏芯片的面积，不再额外需要气敏芯片的面积，相对封装集成具有更小的体积和更轻的质量，可应用到更多的小体积和轻质量等特殊环境中。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种气体与压力复合传感器，其特征在于，包括基片和键合片（17），所述基片的正面设有P型掺杂区（4），所述基片正面的预定区域淀积有气敏电阻（13）、测温电阻（12）和加热电阻（11），所述基片的背面制备有应变腔体（8），所述应变腔体（8）的位置与基片正面的预定区域相对应，且应变腔体（8）正对预定区域处设置有应变薄膜（9）；所述基片的背面与键合片（17）键合，形成真空应变腔体（8）。

2.一种如权利要求1所述的气体与压力复合传感器的制备方法，其特征在于，包括步骤：

在基片上进行P型掺杂，形成P型掺杂区（4）；

在基片正面的预定区域淀积气敏电阻（13）、测温电阻（12）和加热电阻（11），并淀积互联线和焊盘（16）；

在基片背面进行刻蚀以形成应变腔体（8），所述应变腔体（8）的位置与基片正面的预定区域相对应；

将基片的背面与键合片（17）在真空环境下进行阳极键合，形成真空应变腔体（8），得到最终的气体与压力复合芯片。

3.根据权利要求2所述的气体与压力复合传感器的制备方法，其特征在于，在基片上进行P型掺杂，形成P型掺杂区（4）的具体过程为：

（1）在N型双抛体硅片（1）表面氧化生长注入缓冲保护层（2）；

（2）在缓冲保护层（2）表面进行匀胶光刻显影制备第一阻挡层（3），暴露出特定区域，采用离子注入方式对特定区域进行P型掺杂，形成P型掺杂区（4）。

4.根据权利要求3所述的气体与压力复合传感器的制备方法，其特征在于，在硅片（1）背面进行刻蚀以形成应变腔体（8）的具体过程为：在步骤（2）之后，进行以下步骤：

（3）去除第一阻挡层（3）和缓冲保护层（2）；

（4）在硅片（1）双面生长二氧化硅层（5）和氮化硅层（6）；

（5）硅片（1）背面光刻，利用光刻胶做阻挡，采用离子束刻蚀去除开窗位置的氮化硅层（6）和二氧化硅层（5）；

（6）去除光刻胶，采用质量浓度30%～60%的KOH、NaOH或TDMA溶液在温度40℃～80℃下，对开窗硅进行各项异性刻蚀，形成应变腔体（8）和应变薄膜（9），然后采用湿法腐蚀去除氮化硅层（6）和二氧化硅层（5）。

5.根据权利要求4所述的气体与压力复合传感器的制备方法，其特征在于，在硅片（1）正面的预定区域淀积气敏电阻（13）、测温电阻（12）和加热电阻（11），并淀积互联线和焊盘（16）的具体过程为：在步骤（6）之后，进行以下步骤：

（7）CVD工艺淀积二氧化硅绝缘介质层（10）、加热电阻（11）和测温电阻（12），其中加热电阻（11）和测温电阻（12）先采用光刻显影，将需要淀积金属区域的光刻胶去除，然后采用离子束镀膜淀积金属，再通过丙酮剥离工艺去除光刻胶和光刻胶上的金属，获得最终的加热电阻（11）和测温电阻（12）；

（8）采用剥离工艺淀积气敏电阻（13），采用ALD或热沉积工艺淀积气敏保护介质层（14）；

（9）采用离子束刻蚀工艺去除引线孔（15）区域的保护介质层（14），淀积互联线和焊盘（16）。

6.根据权利要求2所述的气体与压力复合传感器的制备方法，其特征在于，在硅片（1）上进行P型掺杂，形成P型掺杂区（4）的具体步骤为：

1）在P型双抛SOI片（18）表面氧化生长注入缓冲保护层（2）；

2）在硅片（1）正面生长缓冲保护层（2）然后进行离子注入掺杂与退火，形成P型掺杂区（4）。

7.根据权利要求6所述的气体与压力复合传感器的制备方法，其特征在于，在硅片（1）正面的预定区域淀积气敏电阻（13）、测温电阻（12）和加热电阻（11），并淀积互联线和焊盘（16）的具体过程为：在步骤2）之后，进行以下步骤：

3a）表面进行匀胶光刻显影制备压阻刻蚀第二阻挡层，暴露出除压敏电阻、互连线和焊盘（16）以外的区域，采用离子束刻蚀去除未被光刻胶覆盖区域的顶层硅层，直到SOI片（18）中间BOX层（19）；

4a）清洗去除光刻胶，漂洗去除缓冲保护层（2），CVD工艺淀积加热电阻（11）和测温电阻（12），其中加热电阻（11）和测温电阻（12）先采用光刻显影，将需要淀积金属区域的光刻胶去除，然后采用离子束镀膜淀积加热电阻（11）和测温电阻（12），再去除光刻胶和光刻胶上的金属，获得最终的加热电阻（11）和测温电阻（12）；

5a）依次淀积气敏电阻（13）和保护介质层（14）；

6a）采用离子束刻蚀工艺去除引线孔（15）区域的保护介质层（14），淀积互联线和焊盘（16）。

8.根据权利要求7所述的气体与压力复合传感器的制备方法，其特征在于，在硅片（1）背面进行刻蚀以形成应变腔体（8）的具体过程为：在步骤6）之后，进行以下步骤：

7a）硅片（1）背面淀积光刻胶光刻形成刻蚀窗口，采用离子束深硅刻蚀工艺刻蚀形成应变腔体（8）。

9.根据权利要求2所述的气体与压力复合传感器的制备方法，其特征在于，在硅片（1）背面进行刻蚀以形成应变腔体（8）的具体过程为：在步骤2）之后，进行以下步骤:

3b）漂洗去除注入缓冲保护层（2）；

4b）在硅片（1）双面生长二氧化硅层（5）和氮化硅层（6）；

5b）硅片（1）背面光刻，利用光刻胶做阻挡，采用离子束刻蚀去除开窗位置的氮化硅层（6）和二氧化硅层（5）；

6b）去除光刻胶，采用质量浓度30%～60%的KOH溶液，在30℃～80℃下对开窗硅进行各项异性刻蚀，形成应变腔体（8）。

10.根据权利要求9所述的气体与压力复合传感器的制备方法，其特征在于，在硅片（1）正面的预定区域淀积气敏电阻（13）、测温电阻（12）和加热电阻（11），并淀积互联线和焊盘（16）的具体过程为：在步骤6b）之后，进行以下步骤：

7b）硅片（1）正面进行匀胶光刻显影制备压阻刻蚀第三阻挡层（21），暴露出除压敏电阻、互连线和焊盘（16）以外的区域，采用离子束刻蚀去除暴露区域刻蚀二氧化硅层（5）和氮化硅层（6）；

8b）去除光刻胶，继续用腐蚀液进行各项异性湿法腐蚀，去除干净正面顶层硅，背面应变腔体（8）刻蚀深度达到目标深度时停止，湿法去除氮化硅层（6）和二氧化硅层（5）；

9b）淀积加热电阻（11）和测温电阻（12），其中加热电阻（11）和测温电阻（12）先采用光刻显影，将需要淀积金属区域的光刻胶去除，然后采用离子束镀膜淀积加热电阻（11）和测温电阻（12），再去除光刻胶和光刻胶上的金属，获得最终的加热电阻（11）和测温电阻（12）；

10b）依次淀积气敏电阻（13）和保护介质层（14）；

11b）采用离子束刻蚀工艺去除引线孔（15）区域的保护介质层（14），淀积互联线和焊盘（16）。