CN114088257B - 一种mems压阻式压力传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种MEMS压阻式压力传感器及其制备方法，在敏感薄膜的上表面和下表面分别制备两个压敏电阻，且在敏感薄膜厚度方向上两组压敏电阻完全重合，并且同一表面的两个压敏电阻分别正对敏感薄膜一组相对边缘的中心位置；敏感薄膜下表面的两个压敏电阻的两端分别通过金属引线与结构上表面的电极层电连接，金属引线上设有绝缘层；四个压敏电阻之间采用惠斯通电桥方式连接。本发明中两组压敏电阻沿敏感薄膜厚度方向垂直分布，且两组压敏电阻在水平方向上均沿同一方向排布，结构具有高度的对称性，解决了压阻排布的不对称性导致传感器输出精度降低的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystem，微机电系统)压阻式压力传感器及其制备方法。
背景技术
压力传感器可以将压力信号转化为电信号从而便于测量，它在工业控制、航空航天、汽车电子等领域应用广泛。基于MEMS技术制造的压力传感器具有体积小、精度高、易集成等优点。MEMS压力传感器包括压阻式压力传感器、电容式压力传感器和压电式压力传感器等，其中压阻式压力传感器具有良好的线性度和可靠性，因此成为了最为常见的一种压力传感器。典型的压阻式压力传感器是在敏感薄膜边缘通过扩散或离子注入的方式制作四个压敏电阻，四个压敏电阻经过合理的排布和互联构成惠斯通电桥。当有外力作用使薄膜发生形变时，压敏电阻的阻值在应力作用下发生改变，经过惠斯通电桥转化为相应的电信号输出。
目前，传统的MEMS压阻式压力传感器的四个压敏电阻通常位于敏感薄膜的同一平面内，同时为了实现灵敏度最大化，压敏电阻通常位于敏感薄膜边界的中心位置。在通过扩散或离子注入制备压敏电阻的过程中，压敏电阻往往是沿相同的晶向注入，同时形成四个形状相同的矩形电阻条，这就导致有一对电阻条是沿着平行于薄膜边界的方向排布，而另一对电阻条则是沿着垂直于薄膜边界排布，从而压敏电阻的排布相对于薄膜边界呈现不对称的特点。这种不对称性容易导致各个压敏电阻性质(如阻值、温漂系数)存在差异，从而影响到传感器的输出精度。此外，由于压敏电阻排列的不对称性，在环境压力作用下，导致相邻压阻的阻值变化分别由横向压阻系数和纵向压阻系数主导；另一方面，横向与纵向压阻系数在实际中很难一致，这造成了惠斯通电桥相邻压阻的阻值变化产生差异，因此，也会影响传感器的输出精度。再者，压敏电阻排布的不对称性也易导致电极引线布线的不对称，从而影响敏感薄膜的应力分布与压敏电阻阻值及其变化量，进一步恶化传感器的输出精度。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术，提出一种MEMS压阻式压力传感器及其制备方法，解决压阻排布的不对称性导致传感器输出精度降低的问题。
技术方案：一种MEMS压阻式压力传感器，包括第一衬底，第一衬底下方设有第二衬底，所述第二衬底上表面中央设有空腔，所述空腔上方正对的所述第一衬底部分形成敏感薄膜；在所述第一衬底下表面设置两个第一压敏电阻，两个第一压敏电阻分别正对所述空腔的一组相对边缘的中心位置；在所述第一衬底的上表面设置两个第二压敏电阻，在沿所述敏感薄膜厚度方向上，两个第二压敏电阻分别同下表面的两个第一压敏电阻完全重合；所述第一衬底上表面设有电极层，两个第二压敏电阻的两端分别与对应的电极层电连接，两个第一压敏电阻的两端分别通过金属引线与对应的电极层电连接，所述金属引线上设有绝缘层；位于所述第一衬底上表面和下表面的四个压敏电阻之间采用惠斯通电桥方式连接。
进一步的，所述金属引线由位于所述第一衬底下方的引线层以及垂直穿过所述第一衬底的金属填充层连接构成。
进一步的，所述第一衬底的上表面还覆盖有一层绝缘层。
进一步的，所述引线层与第一衬底下表面之间的绝缘层的厚度和材料均与所述第一衬底上表面的绝缘层相同。
MEMS压阻式压力传感器制备方法，包括：
步骤1：选用N型硅片作为第一衬底；
步骤2：在第一衬底上表面左右两侧刻蚀形成对称的两组盲孔；
步骤3：通过热氧化在盲孔的内表面制备第一绝缘层，在第一衬底上表面制备第二绝缘层；
步骤4：在第二绝缘层上刻蚀出压敏电阻区和阳极键合区，并通过硼离子注入在位于中央的压敏电阻区完成两个第一压敏电阻的制备；
步骤5：通过磁控溅射在盲孔内的第一绝缘层上制备Ti和Cu分别作为阻挡层和种子层，并通过电镀Cu填充盲孔形成金属填充层；
步骤6：通过光刻和磁控溅射第二绝缘层上分别制备连接第一压敏电阻的Cr和Au作为引线层；
步骤7：通过光刻和等离子体增强化学气相沉积在引线层的外表面制氮化硅作为第三绝缘层；
步骤8：在第二衬底的中央刻蚀形成深度凹槽；
步骤9：通过阳极键合的方式，将第二衬底与倒置的第一衬底紧密贴合，形成空腔；
步骤10：通过化学机械抛光工艺将倒置的第一衬底减薄至露出4个金属填充层中的金属；
步骤11：通过硼离子注入，在倒置后的第一衬底上表面制备两个第二压敏电阻；
步骤12：通过等离子体增强化学气相沉积在倒置后的第一衬底上表面制备第四绝缘层；
步骤13：通过光刻在第四绝缘层上形成接触孔，并通过磁控溅射在第四绝缘层上制备Cr和Au作为电极层，完成所述MEMS压阻式压力传感器的制备。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1.本发明的一种MEMS压阻式压力传感器中的压敏电阻均沿同一方向排布，具有高度对称性。这种高度对称性使得各压敏电阻的性质(如阻值、温漂系数)一致，因此，有助于提升传感器的输出精度。此外，在环境压力作用下，各压敏电阻的阻值变化均有相同方向的压阻系数主导，因此，压敏电阻的阻值变化相同，这亦有助于改善传感器的输出精度。
2.本发明的一种MEMS压阻式压力传感器利用金属填充层实现了位于敏感薄膜下方的压敏电阻的电极引出，有利于简化压敏电阻之间的电气连接。此外，四个压敏电阻的电极引线也具有高度对称性，这可消除传统传感器电极引线不对称影响敏感薄膜的应力分布与压敏电阻阻值及其变化量的问题，进一步改善传感器的输出精度。
3.传统的MEMS压阻式压力传感器的压敏电阻布置在同一平面，这导致传感器面积增大，相比之下，本发明的一种MEMS压阻式压力传感器中的压敏电阻采用垂直的方式进行布置，这缩小了传感器的面积，提高了传感器的集成度，降低了传感器的成本。
4.本发明采用MEMS技术制备，传感器具有尺寸小、精度高、一致性好、易于批量制造以及成本低的优点。
附图说明
图1为本发明的MEMS压阻式压力传感器位于敏感薄膜上表面的压敏电阻排列示意图；
图2为本发明的MEMS压阻式压力传感器位于敏感薄膜下表面的压敏电阻排列示意图；
图3为本发明的MEMS压阻式压力传感器的压敏电阻的惠斯通电桥连接示意图；
图4为本发明的MEMS压阻式压力传感器沿图1中A-A’方向的剖面图；
图5为本发明的MEMS压阻式压力传感器制备步骤1得到的结构剖面示意图；
图6为本发明的MEMS压阻式压力传感器制备步骤2得到的结构剖面示意图；
图7为本发明的MEMS压阻式压力传感器制备步骤3得到的结构剖面示意图；
图8为本发明的MEMS压阻式压力传感器制备步骤4得到的结构剖面示意图；
图9为本发明的MEMS压阻式压力传感器制备步骤5得到的结构剖面示意图；
图10为本发明的MEMS压阻式压力传感器制备步骤6得到的结构剖面示意图；
图11为本发明的MEMS压阻式压力传感器制备步骤7得到的结构剖面示意图；
图12为本发明的MEMS压阻式压力传感器制备步骤8得到的结构剖面示意图；
图13为本发明的MEMS压阻式压力传感器制备步骤9得到的结构剖面示意图；
图14为本发明的MEMS压阻式压力传感器制备步骤10得到的结构剖面示意图；
图15为本发明的MEMS压阻式压力传感器制备步骤11得到的结构剖面示意图；
图16为本发明的MEMS压阻式压力传感器制备步骤12得到的结构剖面示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
如图4所示，一种MEMS压阻式压力传感器，包括第一衬底1，第一衬底1下方设有第二衬底8，第二衬底8上表面中央设有空腔9，空腔9上方正对的第一衬底1部分形成敏感薄膜10。在第一衬底1下表面设置两个第一压敏电阻4，两个第一压敏电阻4分别正对空腔9的一组相对边缘的中心位置，如图2所示，两个第一压敏电阻4分别为电阻R1’和R2’；在第一衬底1的上表面设置两个第二压敏电阻11，如图1所示，两个第二压敏电阻11分别为电阻R1和R2；在沿敏感薄膜10厚度方向上，两个第二压敏电阻11分别同下表面的两个第一压敏电阻4完全重合。第一衬底1上表面设有电极层13，两个第二压敏电阻11的两端分别与对应的电极层13电连接，两个第一压敏电阻4的两端分别通过金属引线与对应的电极层13电连接，金属引线上设有绝缘层。位于第一衬底1上表面和下表面的四个压敏电阻之间采用惠斯通电桥方式连接，如图3所示。
具体的，第一衬底1的材料为单晶硅，厚度为10-50μm。第二衬底8的材料为单晶硅或玻璃，优选为BF33型玻璃片，厚度为200-1000μm。空腔9的深度为1-50μm。压敏电阻分别正对空腔的一组相对边缘的中心位置，这样做的目的是将压敏电阻设置在敏感薄膜10的应力最大处，从而尽可能提高压力传感器的灵敏度。
金属引线由位于第一衬底1下方的引线层6以及垂直穿过第一衬底1的金属填充层5连接构成。引线层6的材料为金属，优选为Al、Ti、Au、Cu、Pt的一种，厚度为100-500nm。金属填充层5相对于第一压敏电阻4对称设置在敏感薄膜10的两侧，材料为Cu、Ti、Ni、Cr、Au、W的一种，为了便于通过电镀进行孔填充优选Cu；金属填充层5的高度与敏感薄膜10相同；结合当前深槽刻蚀和孔填充工艺的能力，金属填充层5的宽度设置为2-10μm。
引线层6与金属填充层5实现电气互联，作用是实现第一压敏电阻4的电极引出。在引线层6的上表面与第一衬底1之间设置有第二绝缘层3，在引线层6的下表面包裹有第三绝缘层7，第二绝缘层3和第三绝缘层7的材料为二氧化硅或氮化硅，厚度为50-200nm。第三绝缘层7的作用是实现引线层6与第二衬底8之间的电气隔离。金属填充层5的外侧包裹有第一绝缘层2，其材料为二氧化硅或氮化硅，厚度为50-200nm。第一绝缘层2的作用是实现金属填充层5与第一衬底1之间的电气隔离。
第一衬底1的上表面还覆盖有一层第四绝缘层12，其材料为二氧化硅或氮化硅，厚度为100-500nm。第四绝缘层12的作用是实现电极层13与第一衬底1之间的电气隔离，同时也作为第二压敏电阻11的钝化层，用于保护第二压敏电阻11，提高传感器的稳定性。电极层13优选为Al、Ti、Au、Cu或Pt，厚度为100-500nm，用于实现压敏电阻11的电极引出。优选第二绝缘层3的厚度和材料与第四绝缘层12相同，这样可以起到应力补偿的作用，以提高传感器的机械强度和可靠性。
本发明的MEMS压阻式压力传感器的工作原理如下：
敏感薄膜10在外界压力作用下发生形变，而敏感薄膜10上下表面的应力方向相反，由于上下表面的压敏电阻排列完全对称，因此对应所有压敏电阻的起主导作用的压阻系数也完全相同，从而根据压阻效应，两对第一压敏电阻4和第二压敏电阻11分别产生大小相等且符号相反的阻值变化，四个电阻通过互联构成惠斯通电桥，将压力信号转换为电信号，外界压力越大，压敏电阻的阻值变化量越大，对应电桥的输出也越大。此外，沿敏感薄膜10厚度方向垂直排布的压敏电阻相对于平面排布具有更好的对称性，在压力作用下各个电阻的阻值及其变化具有更高的一致性，可以有效减小传感器的非线性误差，因此具有更高的输出精度。
一种制备上述MEMS压力传感器的方法，包括如下步骤：
步骤1：选用300μm厚的N型(100)硅片作为第一衬底1，如图5所示。
步骤2：通过光刻和DRIE(DeepReactiveIonEtching，深反应离子刻蚀)在第一衬底1上表面左右两侧形成宽5μm，深40μm的两组共四个盲孔，如图6所示。
步骤3：通过热氧化在盲孔的内表面制备一层厚度为200nm的二氧化硅作为第一绝缘层2，在第一衬底1上表面制备一层厚度为200nm的二氧化硅作为第二绝缘层3，如图7所示。
步骤4：通过光刻和RIE(ReactiveIonEtching，反应离子刻蚀)在第二绝缘层3上刻蚀出压敏电阻区和阳极键合区，并通过硼离子注入在位于中央的压敏电阻区完成两个第一压敏电阻4的制备，如图8所示。
步骤5：通过磁控溅射在盲孔内的第一绝缘层2上制备20nmTi和100nmCu分别作为阻挡层和种子层，并通过电镀Cu填充盲孔形成金属填充层5，再通过CMP(ChemicalMechanicalPolishing，化学机械抛光)工艺去除多余的Cu，提高第一衬底1上表面的平整度，如图9所示。
步骤6：通过光刻和磁控溅射在第二绝缘层3上分别制备连接第一压敏电阻4的厚度为20nm的Cr和180nm的Au作为引线层6，如图10所示。
步骤7：通过光刻和PECVD(PlasmaEnhancedChemicalVaporDeposition，等离子体增强化学气相沉积)在引线层6的外表面制备厚度为200nm的氮化硅作为第三绝缘层7，如图11所示。
步骤8：选用500μm厚的BF33型玻璃片作为第二衬底8，通过光刻和RIE在第二衬底8的中央形成深度为50μm的凹槽，如图12所示。
步骤9：通过阳极键合的方式，将第二衬底8与倒置的第一衬底1紧密贴合，形成空腔9，如图13所示。
步骤10：通过CMP工艺将倒置的第一衬底1减薄至40μm，露出4个金属填充层5中的金属，如图14所示。
步骤11：通过硼离子注入，在倒置后的第一衬底1上表面制备两个第二压敏电阻11，如图15所示。
步骤12：通过PECVD在倒置后的第一衬底1上表面制备厚度为200nm的二氧化硅作为第四绝缘层12，如图16所示。
步骤13：通过光刻在第四绝缘层12上形成接触孔，并通过磁控溅射在第四绝缘层12上制备厚度为20nm的Cr和180nm的Au作为电极层13，完成所述MEMS压阻式压力传感器的制备，如图4所示。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，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的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种MEMS压阻式压力传感器制备方法，其特征在于，
所述MEMS压阻式压力传感器包括第一衬底（1），第一衬底（1）下方设有第二衬底（8），所述第二衬底（8）上表面中央设有空腔（9），所述空腔（9）上方正对的所述第一衬底（1）部分形成敏感薄膜（10）；在所述第一衬底（1）下表面设置两个第一压敏电阻（4），两个第一压敏电阻（4）分别正对所述空腔（9）的一组相对边缘的中心位置；在所述第一衬底（1）的上表面设置两个第二压敏电阻（11），在沿所述敏感薄膜（10）厚度方向上，两个第二压敏电阻（11）分别同下表面的两个第一压敏电阻（4）完全重合；所述第一衬底（1）上表面设有电极层（13），两个第二压敏电阻（11）的两端分别与对应的电极层（13）电连接，两个第一压敏电阻（4）的两端分别通过金属引线与对应的电极层（13）电连接，所述金属引线上设有绝缘层；位于所述第一衬底（1）上表面和下表面的四个压敏电阻之间采用惠斯通电桥方式连接；
所述方法包括：
步骤1：选用N型（100）硅片作为第一衬底（1）；
步骤2：在第一衬底（1）上表面左右两侧刻蚀形成对称的两组盲孔；
步骤3：通过热氧化在盲孔的内表面制备第一绝缘层（2），在第一衬底（1）上表面制备第二绝缘层（3）；
步骤4：在第二绝缘层（3）上刻蚀出压敏电阻区和阳极键合区，并通过硼离子注入在位于中央的压敏电阻区完成两个第一压敏电阻（4）的制备；
步骤5：通过磁控溅射在盲孔内的第一绝缘层（2）上制备Ti和Cu分别作为阻挡层和种子层，并通过电镀Cu填充盲孔形成金属填充层（5）；
步骤6：通过光刻和磁控溅射第二绝缘层（3）上分别制备连接第一压敏电阻（4）的Cr和Au作为引线层（6）；
步骤7：通过光刻和等离子体增强化学气相沉积在引线层（6）的外表面制氮化硅作为第三绝缘层（7）；
步骤8：在第二衬底（8）的中央刻蚀形成深度凹槽；
步骤9：通过阳极键合的方式，将第二衬底（8）与倒置的第一衬底（1）紧密贴合，形成空腔（9）；
步骤10：通过化学机械抛光工艺将倒置的第一衬底（1）减薄至露出4个金属填充层（5）中的金属；
步骤11：通过硼离子注入，在倒置后的第一衬底（1）上表面制备两个第二压敏电阻（11）；
步骤12：通过等离子体增强化学气相沉积在倒置后的第一衬底（1）上表面制备第四绝缘层（12）；
步骤13：通过光刻在第四绝缘层（12）上形成接触孔，并通过磁控溅射在第四绝缘层（12）上制备Cr和Au作为电极层（13），完成所述MEMS压阻式压力传感器的制备。
2.根据权利要求1所述的MEMS压阻式压力传感器制备方法，其特征在于，所述引线层（6）与第一衬底（1）下表面之间的绝缘层（3）的厚度和材料均与所述第一衬底（1）上表面的绝缘层（12）相同。
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