CN113899489A - 一种mems压力传感器及其制备方法 - Google Patents

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李维平
兰之康
张宇旸
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Abstract

本发明提出一种MEMS压力传感器及其制备方法，包括：衬底，所述衬底包括第一表面及与所述第一表面相对的第二表面；第一压力敏感膜，间隔设置在所述衬底的第一表面上；真空腔，介于所述第一压力敏感膜与所述衬底的第一表面之间；凹槽，设置在所述衬底的第二表面上；第二压力敏感膜，介于所述衬底的第一表面与所述凹槽的底部之间；第一电极，设置在所述第一压力敏感膜的表面；第二电极，设置在所述凹槽的表面。解决现有MEMS压力传感器的电极引出及其引起的可靠性问题并提高传感器的灵敏度。

Description

一种MEMS压力传感器及其制备方法
技术领域
本发明涉及微电子机械系统（ MEMS）技术领域，具体涉及一种MEMS压力传感器及其制备方法。
背景技术
压力传感器主要用于环境压力的测量，已有多年的发展历史，它在国防、军事、工业、农业及医疗等领域应用广泛，是当前使用最为普遍的一类传感器。作为压力传感器的一个重要分支，MEMS电容式压力传感器具有温漂小以及易于集成等优点，因此，备受人们青睐。现有MEMS电容式压力传感器通常由固定电极、可动电极和腔体构成，固定电极置于腔体中。在外界压力作用下，可动极板发生弯曲，导致可动极板与固定极板的间距发生变化，从而引起电容值发生变化。现有的MEMS电容式传感器通常采用单纯的体工艺或表面工艺进行加工。对于现有的MEMS电容式传感器，其固定电极通常被封闭在腔体内，需要使用打孔、填充、磨抛等多个步骤才能实现固定电极的电极引出，其制备工艺复杂且可靠性差。此外，现有的MEMS电容式压力传感器的灵敏度也需进一步提高，以满足更多场合的应用需求。
发明内容
发明目的：针对以上问题，本发明提出一种MEMS压力传感器及其制备方法，以解决现有MEMS压力传感器的电极引出及其引起的可靠性问题并提高传感器的灵敏度。
本发明提出的MEMS压力传感器的技术方案如下：
一种MEMS压力传感器，包括：
衬底，所述衬底包括第一表面及与所述第一表面相对的第二表面；
第一压力敏感膜，间隔设置在所述衬底的第一表面上；
真空腔，介于所述第一压力敏感膜与所述衬底的第一表面之间；
凹槽，设置在所述衬底的第二表面上；
第二压力敏感膜，介于所述衬底的第一表面与所述凹槽的底部之间；
第一电极，设置在所述第一压力敏感膜的表面；
第二电极，设置在所述凹槽的表面。
进一步地，所述第一压力敏感膜及所述第二压力敏感膜的压力敏感区域对应于所述真空腔区域。
进一步地，所述第一压力敏感膜及所述第二压力敏感膜的厚度为3-20μm。
进一步地，所述真空腔的高度在0.5-5μm。
进一步地，还包括绝缘层，所述绝缘层介于所述第二电极与所述凹槽之间。
本发明还提出一种MEMS压力传感器的制备方法，包括以下步骤：
选择衬底；
在所述衬底的第一表面沉积牺牲层；
在所述牺牲层表面制备第一压力敏感膜；
腐蚀所述第一压力敏感膜的压力敏感区域下方的牺牲层；
在所述第一压力敏感膜上表面制备第一电极；
在所述第一压力敏感膜的压力敏感区域下方形成真空腔；
刻蚀所述衬底的与所述第一表面相对的第二表面，形成凹槽；
所述凹槽的底部设置为第二压力敏感膜；
在所述凹槽的表面制备第二电极。
进一步地，所述第一压力敏感膜及所述第二压力敏感膜的压力敏感区域对应于所述真空腔区域。
进一步地，还包括在所述凹槽的表面制备绝缘层，所述绝缘层介于所述第二电极与所述凹槽之间。
进一步地，所述第一压力敏感膜及所述第二压力敏感膜的厚度为3-20μm。
进一步地，所述真空腔的高度在0.5-5μm。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明的MEMS压力传感器的两个电极均位于衬底外表面，不存在现有MEMS压力传感器由于其固定电极密封在腔体内导致的电极引出困难及其引起的可靠性问题，因此，本发明的传感器制备工艺简单、成本低且可靠性高。
2、现有MEMS电容式压力传感器只有一个可动电极，相比之下，本发明的传感器具有两个可动电极，在外界压力作用下两个电极均可发生变形，因此，同样的压力作用下电极间的间距及电容值变化量更大，因此，本发明的传感器具有更高的灵敏度。
3、本发明的MEMS压力传感器可采用MEMS加工工艺进行高精度、高一致性、大批量、低成本制备。
附图说明
图1所示为本发明一实施例的MEMS压力传感器的剖面结构示意图；
图2-图8为本发明一实施例的MEMS压力传感器的制备工艺流程示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。以下各个实施例的划分是为了描述方便，不应对本发明的具体实现方式构成任何限定，各个实施例在不矛盾的前提下可以相互结合相互引用。
实施例1
本实施例提供了一种MEMS压力传感器，如图1所示，包括：
衬底2；该衬底2可以是半导体领域常见衬底，例如为单晶硅或者玻璃，厚度为200-2000μm。
衬底2包括第一表面及与第一表面相对的第二表面。
第一压力敏感膜1，间隔设置在所述衬底2的第一表面上；本实施例的间隔设置例如是通过支撑层9刻蚀之后而形成第一压力敏感膜1与衬底2的间隔空间。
其中支撑层9，可以是单独设置的一层，也可以是和第一压力敏感膜1一体形成。
第一压力敏感膜1的材料与支撑层9可以相同，例如都是多晶硅。
腐蚀孔10，设置在第一压力敏感膜1上，并在厚度方向上贯穿第一压力敏感膜1。
真空腔3，设置于第一压力敏感膜1和衬底2的第一表面之间；真空腔3例如是通过第一压力敏感膜1上的腐蚀孔10腐蚀去除其下方的牺牲层11再封闭腐蚀孔10而形成。
凹槽8，设置在衬底2的第二表面上；凹槽8例如是通过体工艺、光刻和腐蚀衬底2的第二表面直至预定深度而形成。
第二压力敏感膜5，介于衬底的第一表面与所述凹槽的底部之间；即第二压力敏感膜5是刻蚀衬底2形成凹槽8之后的凹槽底部衬底2残留的部分。
第一电极4，设置在所述第一压力敏感膜的表面，第一电极4例如在真空环境下，通过磁控溅射在第一压力敏感膜1的上表面溅射一层3μm厚的Al形成，同时该Al层还可以密封第一压力敏感膜1上的牺牲层腐蚀孔10；
第二电极7，设置在所述凹槽的表面；第二电极7可以采用与第一电极4相同的工艺制备而成。
进一步地，如果衬底为单晶硅，为了第二电极7与衬底2之间的电隔离，还包括设置在衬底2的第二表面的绝缘层6，绝缘层6覆盖凹槽8，绝缘层6的材料为二氧化硅或氮化硅的至少一种；厚度为100-1000nm。
进一步地，第一压力敏感膜1设置在衬底2的第一表面中央区域，第一压力敏感膜1的压力敏感区域及所述第二压力敏感膜的压力敏感区域对应于所述真空腔区域。
进一步地，第一压力敏感膜1采用表面工艺制备而成，而第二压力敏感膜5则是体工艺蚀刻衬底2所形成，第一压力敏感膜1及第二压力敏感膜5的厚度为3-20μm；真空腔3的高度在0.5-5μm。这样，既保证了压力敏感膜具有良好的机械强度，又确保了第一电极4与第二电极7之间的间距足够小，这样做有利于提高MEMS压力传感器的电容值与灵敏度。
进一步地，所述第一电极4与第二电极7的材料为金属，优选为Al、Ti、Au、Cu、Pt的至少一种，厚度为50-500nm。
本发明所提出的MEMS压力传感器的工作原理如下：
第一电极4与第二电极7构成MEMS压力传感器的两个电极，两个电极均为可动电极，即在外界压力作用下，第一电极4与第二电极7均可发生弯曲。具体而言，在外界压力作用下，第一压力敏感膜1向下弯曲，并带动第一电极4也向下弯曲，同时第二压力敏感膜5向上弯曲，并带动第二电极7也向上弯曲，这导致两个电极之间的间距发生变化，进而引起电容值发生变化，外界压力越大，第一压力敏感膜1与第二压力敏感膜5的弯曲程度越大，相应的电容值也越大，从而将压力信号转化为电信号，实现压力的测量。
实施例2
参见图2-图8，本实施例提出一种实施例1所提出的MEMS压力传感器的制备方法，其中，以支撑层与第一压力敏感膜1一体形成为例。包括以下步骤：
选择衬底2；选用比如500μm厚的N型(100)硅片作为衬底2；
在所述衬底的第一表面沉积牺牲层；如图2所示，首先采用表面工艺，通过PECVD（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition 化学气相沉积）和光刻在硅片正面制备约3μm厚的SiO2牺牲层。
在所述牺牲层表面制备第一压力敏感膜；如图3所示，通过LPCVD（Low PressureChemical Vapor Deposition低压化学气相沉积）在硅片正面制备约3μm厚的多晶硅形成支撑层9。
腐蚀所述第一压力敏感膜的压力敏感区域下方的牺牲层；如图4所示，通过光刻和RIE（Reactive Ion Etching 反应离子刻蚀）刻蚀硅片正面的多晶硅形成腐蚀孔10，再通过腐蚀牺牲层，得到3μm厚的多晶硅第一压力敏感膜1。
在所述第一压力敏感膜1上表面制备第一电极；
在所述第一压力敏感膜1的压力敏感区域下方形成真空腔；如图5所示，在真空环境下，通过磁控溅射在第一压力敏感膜1的上表面溅射一层约3μm厚的Al作为第一电极4，同时密封第一压力敏感膜1上的牺牲层腐蚀孔10，得到真空腔3。
刻蚀所述衬底的与所述第一表面相对的第二表面，形成凹槽；如图6所示，采用体工艺，通过光刻和KOH湿法腐蚀硅片背面，得到凹槽8。其中，凹槽的底部区域与衬底的第一表面之间的衬底薄膜作为第二压力敏感膜5。
如图7所示，为了对衬底2进行电隔离，通过PECVD在衬底2的下表面沉积一层约500nm厚的SiO2作为绝缘层6。
在所述凹槽的表面制备第二电极。如图8所示，通过磁控溅射在绝缘层6的下表面制备100nm厚的Al，形成第二电极7,并完成器件的制备。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明的MEMS压力传感器的两个电极均位于衬底外表面，不存在现有MEMS压力传感器由于其固定电极密封在腔体内导致的电极引出困难及其引起的可靠性问题，因此，本发明的传感器制备工艺简单、成本低且可靠性高。
2、现有MEMS电容式压力传感器只有一个可动电极，相比之下，本发明的传感器具有两个可动电极，在外界压力作用下两个电极均可发生变形，因此，同样的压力作用下电极间的间距及电容值变化量更大，因此，本发明的传感器具有更高的灵敏度。
3、本发明的MEMS压力传感器可采用MEMS加工工艺进行高精度、高一致性、大批量、低成本制备。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (10)

1.一种MEMS压力传感器，其特征在于，包括：
衬底，所述衬底包括第一表面及与所述第一表面相对的第二表面；
第一压力敏感膜，间隔设置在所述衬底的第一表面上；
真空腔，介于所述第一压力敏感膜与所述衬底的第一表面之间；
凹槽，设置在所述衬底的第二表面上；
第二压力敏感膜，介于所述衬底的第一表面与所述凹槽的底部之间；
第一电极，设置在所述第一压力敏感膜的表面；
第二电极，设置在所述凹槽的表面。
2.根据权利要求1所述的MEMS压力传感器，其特征在于，所述第一压力敏感膜及所述第二压力敏感膜的压力敏感区域对应于所述真空腔区域。
3.根据权利要求1所述的MEMS压力传感器，其特征在于，所述第一压力敏感膜及所述第二压力敏感膜的厚度为3-20μm。
4.根据权利要求1所述的MEMS压力传感器，其特征在于，所述真空腔的高度在0.5-5μm。
5.根据权利要求1所述的MEMS压力传感器，其特征在于，还包括绝缘层，所述绝缘层介于所述第二电极与所述凹槽之间。
6.一种MEMS压力传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
选择衬底；
在所述衬底的第一表面沉积牺牲层；
在所述牺牲层表面制备第一压力敏感膜；
腐蚀所述第一压力敏感膜的压力敏感区域下方的牺牲层；
在所述第一压力敏感膜上表面制备第一电极；
在所述第一压力敏感膜的压力敏感区域下方形成真空腔；
刻蚀所述衬底的与所述第一表面相对的第二表面，形成凹槽；
所述凹槽的底部设置为第二压力敏感膜；
在所述凹槽的表面制备第二电极。
7.根据权利要求6所述的一种MEMS压力传感器的制备方法，其特征在于，所述第一压力敏感膜及所述第二压力敏感膜的压力敏感区域对应于所述真空腔区域。
8.根据权利要求6所述的一种MEMS压力传感器的制备方法，其特征在于，还包括在所述凹槽的表面制备绝缘层，所述绝缘层介于所述第二电极与所述凹槽之间。
9.根据权利要求6所述的一种MEMS压力传感器的制备方法，其特征在于，所述第一压力敏感膜及所述第二压力敏感膜的厚度为3-20μm。
10.根据权利要求6所述的一种MEMS压力传感器的制备方法，其特征在于，所述真空腔的高度在0.5-5μm。
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