CN114112127A

CN114112127A - 一种压阻式压力传感器及其制备方法

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Publication number: CN114112127A
Application number: CN202111660955.6A
Authority: CN
Inventors: 许克宇; 武斌; 申涛
Original assignee: Shenzhen Meisi Xianrui Electronic Co ltd
Current assignee: Shenzhen Meisi Xianrui Electronic Co ltd
Priority date: 2021-12-30
Filing date: 2021-12-30
Publication date: 2022-03-01

Abstract

本发明公开了一种压阻式压力传感器及其制备方法，包括硅应变膜片、压敏电阻条、重掺杂接触区、电极孔、金属引线和玻璃底座，所述硅应变膜片为硅晶圆经过正面刻蚀和背面刻蚀后减薄在正面和背面形成蜂巢结构的硅片，所述压敏电阻条包括四组，分别位于硅应变膜片顶层四边中部，所述金属引线和重掺杂接触区通过电极孔在硅应变膜片的正面形成欧姆接触，所述玻璃底座用于键合硅应变膜片。本发明中蜂巢结构在保证压力传感器灵敏度的同时又能提高传感器线性度，蜂巢结构在可以改善平膜结构强度不足的问题，同时在抵抗振动冲击方面都有着优越性能，通过调节凹槽的形状、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。

Description

一种压阻式压力传感器及其制备方法

技术领域

本发明属于MEMS压力传感器技术领域，具体涉及一种压阻式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，而较薄的应变膜片虽然提供了大应力提升了传感器的灵敏度，但是带来了相应的问题，例如强度不足、抗冲击振动差、较大的膜挠度，甚至会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；现有技术方案以平膜结构压力传感器为主，虽然性能优良，但存在结构强度不足、抵抗振动较差的问题，不适用于承受振动和冲击载荷大的工况。

现有技术缺点：

1、平膜结构灵敏度高，但线性度差；

2、结构强度不足、抵抗振动较差的问题，不适用于承受振动和冲击载荷大的工况。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种压阻式压力传感器及其制备方法。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

本发明实施例一提供一种压阻式压力传感器，包括硅应变膜片、压敏电阻条、重掺杂接触区、电极孔、金属引线和玻璃底座，所述硅应变膜片为硅晶圆经过正面刻蚀和背面刻蚀后减薄在正面和背面形成蜂巢结构的硅片，所述压敏电阻条包括四组，分别位于硅应变膜片顶层四边中部，所述金属引线和重掺杂接触区通过电极孔在硅应变膜片的正面形成欧姆接触，所述玻璃底座用于键合硅应变膜片。

本发明优选地，所述硅应变膜片为N型<100>晶面(Silicon-On-Insulator)硅晶圆。

本发明优选地，所述蜂巢结构包括正面凹槽和背面凹槽，所述正面凹槽包括多个，均匀排列设置于硅应变膜片的正面，所述背面凹槽包括多个，均匀排列设置于硅应变膜片的背面。

本发明优选地，所述正面凹槽和背面凹槽为正三角形、正四边形、正五边形、正六边形、正多边形、圆型或梯形中的一种。

本发明优选地，多个所述正面凹槽和多个背面凹槽为等或非等间距位于硅应变膜片上。

本发明优选地，每组所述压敏电阻条对称分布于硅膜结构顶层一侧中部，每组所述压敏电阻条至少包括一个压敏电阻。

本发明实施例二提供一种上述压阻式压力传感器的制作方法，该制备方法包括以下步骤：

S1：在硅应变膜片正面制作相互连接的压敏电阻条和重掺杂接触区；

S2：在硅应变膜片正面制作引线孔和金属引线；

S3：在硅应变膜片的正面光刻刻蚀正面凹槽；

S4：在硅应变膜片的背面光刻刻蚀与正面凹槽相应的背面凹槽；

S5：减薄背面凹槽至合适尺寸；

S6：将步骤S5得到的带有蜂巢结构的硅应变膜片与带孔或带空腔的玻璃底座键合后划片，制成压力传感器。

本发明优选地，根据步骤S1，通过离子注入制作压敏电阻条和重掺杂接触区。

本发明优选地，根据步骤S2，所述金属引线为铝、金或铬、钛合金材料制作而成。

与现有技术相比，本发明通过设置蜂巢结构，在保证压力传感器灵敏度的同时又能提高传感器线性度，蜂巢结构在可以改善平膜结构强度不足的问题，同时在抵抗振动冲击方面都有着优越性能，计风格灵活，通过调节凹槽的形状、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。

附图说明

图1是本发明实施例1提供的一种压阻式压力传感器的结构示意图；

图2是本发明实施例1提供的一种压阻式压力传感器的剖视结构示意图；

图3是本发明实施例1提供的一种压阻式压力传感器的主视结构示意图；

图4是本发明实施例2所述的备片减薄制作示意图；

图5是本发明实施例2所述的压敏电阻制作示意图；

图6是本发明实施例2所述的重掺接触区制作示意图；

图7为本发明实施例2所述的电极孔制作示意图；

图8为本发明实施例2所述的金属引线制作示意图；

图9为本发明实施例2所述的正面凹槽结构制作示意图；

图10为本发明实施例2所述的背面凹槽制作示意图；

图11为本发明实施例2所述的压力敏感薄膜制作图；

图12为本发明实施例2所述的背腔键合示意图；

图13为本发明实施例所述的绝压传感器的结构示意图。

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。

在本发明的描述中，需要明确的是，术语“垂直”、“横向”、“纵向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“水平”等指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅仅是为了便于描述本发明，而不是意味着所指的装置或元件必须具有特有的方位或位置，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例一：

如图1-5所示，本发明实施例一提供一种压阻式压力传感器，包括硅应变膜片1、压敏电阻条2、重掺杂接触区3、电极孔4、金属引线5和玻璃底座8，所述硅应变膜片1为硅晶圆经过正面刻蚀和背面刻蚀后减薄在正面和背面形成蜂巢结构的硅片，所述压敏电阻条2包括四组，分别位于硅应变膜片1顶层四边中部，所述金属引线5和重掺杂接触区3通过电极孔4在硅应变膜片1的正面形成欧姆接触，所述玻璃底座用于键合硅应变膜片1。

如图1-5所示，所述硅应变膜片1为N型<100>晶面(Silicon-On-Insulator)硅晶圆。

进一步地，所述蜂巢结构包括正面凹槽和背面凹槽，所述正面凹槽包括多个，均匀排列设置于硅应变膜片1的正面，所述背面凹槽包括多个，均匀排列设置于硅应变膜片1的背面。

进一步地，所述正面凹槽和背面凹槽为正三角形、正四边形、正五边形、正六边形、正多边形、圆型或梯形中的一种。

进一步地，多个所述正面凹槽和多个背面凹槽为等或非等间距位于硅应变膜片1上。

进一步地，每组所述压敏电阻条对称分布于硅膜结构顶层一侧中部，每组所述压敏电阻条至少包括一个压敏电阻。

实施例二：

一种MEMS压阻式压力传感器的制备方法，其步骤包括：

S1：在硅应变膜片1正面制作相互连接的压敏电阻条和重掺杂接触区；

S2：在硅应变膜片正面制作引线孔和金属引线；

S3：在硅应变膜片的正面光刻刻蚀正面凹槽；

S5：减薄背面凹槽至合适尺寸；

进一步地，根据步骤S1，通过离子注入制作压敏电阻条和重掺杂接触区。

进一步地，根据步骤S2，所述金属引线为铝、铬、金或钛材料制作而成。

各部件制作方法一如下：

a)备片减薄：硅应变膜片1表面清洗，采用研磨抛光的方式，减薄至合适的厚度，如图4所示；

b)光刻压敏电阻：在硅应变膜片1顶层区域光刻设计好的压敏电阻图案，采用离子注入技术，在晶圆表面轻掺B+，退火得到压敏电阻，如图5所示；

c)光刻重掺接触区3：在硅应变膜片1顶层区域光刻重掺接触区图案，采用离子注入技术，在晶圆表面重掺B+，退火得到重掺杂接触区，如图6所示；

d)开电极孔4：采用PECVD或LPCVD工艺沉积一定厚度的SiO2层或SiN层，充当介质层的作用，用来保护掺杂部分，光刻电极孔4图案，采用ICP或者RIE刻蚀的方式得到电极孔4，方便后面压敏电阻与金属引线相连，如图7所示；

e)制作金属引线5：采用蒸发或溅射等工艺淀积金属层，金属材料可以为铝、金或铬、钛合金中的一种，光刻设计好的金属引线图案，采用干法刻蚀或者湿法刻蚀技术得到金属引线5，然后退火合金化，与压敏电阻形成欧姆接触，如图8所示；

f)正面凹槽6制作：正面光刻定义凹槽结构形状，采用浅层刻蚀的方式获得凹槽结构，刻蚀的方式可以采用湿法刻蚀或干法刻蚀，工艺的选择与凹槽结构的形状相关，刻蚀深度为d1，小于压敏薄膜的厚度，如图9所示；

g)背面凹槽7制作：翻转硅应变膜片1，利用正面特氟龙保护夹具保护顶层部分结构，进行背面凹槽7结构制作，光刻刻蚀获得背面凹槽7，刻蚀深度为d2，如图10所示；

h)压力敏感薄膜9制作：减薄背面凹槽7至合适尺寸，具体厚度与压力传感器量程使用范围有关，最后得到完整的凹槽结构硅应变膜片，如图11所示；

i)背腔10键合：将硅应变膜片与打孔玻璃阳极键合，划片得到差压传感器，如图12所示。

各部件制作方法二如下：

a)备片减薄：硅应变膜片1表面清洗，采用研磨抛光的方式，减薄至合适的厚度；

b)光刻压敏电阻：在硅应变膜片1顶层区域光刻设计好的压敏电阻图案，采用离子注入技术，在晶圆表面轻掺B+，退火得到压敏电阻；

c)光刻重掺接触区：在硅应变膜片1顶层区域光刻重掺接触区图案，采用离子注入技术，在晶圆表面重掺B+，退火得到重掺杂接触区3；

d)开电极孔：采用PECVD或LPCVD工艺沉积一定厚度的SiO2层或SiN层，充当介质层的作用，用来保护掺杂部分，光刻电极孔图案，采用ICP或者RIE刻蚀的方式得到电极孔4，方便后面压敏电阻与金属引线5相连；

e)制作金属引线：采用蒸发或溅射等工艺淀积金属层，金属材料可以为铝、铬、金或钛中的一种，光刻设计好的金属引线图案，采用干法刻蚀或者湿法刻蚀技术得到金属引线5，然后退火合金化，与压敏电阻形成欧姆接触；

f)正面凹槽结构制作：正面光刻定义凹槽结构形状，采用浅层刻蚀的方式获得凹槽结构，刻蚀的方式可以采用湿法刻蚀或干法刻蚀，工艺的选择与凹槽结构的形状相关，刻蚀深度为d1，小于压敏薄膜的厚度；

g)压力敏感薄膜减薄9：减薄背面硅衬底至合适尺寸，具体厚度与压力传感器量程使用范围有关；

h)背面凹槽结构制作：翻转硅应变膜片1，利用正面特氟龙保护夹具保护顶层部分结构，进行背面凹槽结构制作，光刻刻蚀获得背面凹槽结构，刻蚀深度为d2，最后得到完整的凹槽-凹槽结构硅应变膜片；

i)背腔10键合：将硅应变膜片与打孔玻璃阳极键合，划片得到压力传感器，得到差压传感器。

绝压传感器制作方法如下：

b)光刻压敏电阻：在硅片顶层区域光刻设计好的压敏电阻图案，采用离子注入技术，在晶圆表面轻掺B+，退火得到压敏电阻；

c)光刻重掺接触区：在硅片顶层区域光刻重掺接触区图案，采用离子注入技术，在晶圆表面重掺B+，退火得到重掺杂接触区；

e)制作金属引线：采用蒸发或溅射等工艺淀积金属层，金属材料可以为铝、铬、金或钛中的一种，光刻设计好的金属引线图案，采用干法刻蚀或者湿法刻蚀技术得到金属引线，然后退火合金化，与压敏电阻形成欧姆接触；

g)背面凹槽结构制作：翻转硅晶圆，利用正面特氟龙保护夹具保护顶层部分结构，进行背面凹槽结构制作，光刻刻蚀获得背面凹槽结构，刻蚀深度为d2；

h)压力敏感薄膜9制作：减薄背面凹槽结构至合适尺寸，具体厚度与压力传感器量程使用范围有关，最后得到完整的凹槽-凹槽结构硅应变膜片；

i)空腔10制作：选择一块硅晶圆，光刻设计好的空腔图案，具体尺寸与前面制作的压力敏感薄膜尺寸相关，然后采用湿法刻蚀或干法刻蚀的方式刻蚀出带一定深度的小空腔。

j)背腔10键合：将硅应变膜片与带空腔结构的硅片键合，划片得到绝压传感器，如图13所示。

综上所述，本发明通过设置蜂巢结构，在保证压力传感器灵敏度的同时又能提高传感器线性度，蜂巢结构在可以改善平膜结构强度不足的问题，同时在抵抗振动冲击方面都有着优越性能，计风格灵活，通过调节凹槽的形状、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。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种压阻式压力传感器，其特征在于，包括硅应变膜片、压敏电阻条、重掺杂接触区、电极孔、金属引线和玻璃底座，所述硅应变膜片为硅晶圆经过正面刻蚀和背面刻蚀后减薄在正面和背面形成蜂巢结构的硅片，所述压敏电阻条包括四组，分别位于硅应变膜片顶层四边中部，所述金属引线和重掺杂接触区通过电极孔在硅应变膜片的正面形成欧姆接触，所述玻璃底座用于键合硅应变膜片。

2.根据权利要求1所述的一种压阻式压力传感器，其特征在于，所述硅应变膜片为N型<100>晶面(Silicon-On-Insulator)硅晶圆。

3.根据权利要求1或2所述的一种压阻式压力传感器，其特征在于，所述蜂巢结构包括正面凹槽和背面凹槽，所述正面凹槽包括多个，均匀排列设置于硅应变膜片的正面，所述背面凹槽包括多个，均匀排列设置于硅应变膜片的背面。

4.根据权利要求3所述的一种压阻式压力传感器，其特征在于，所述正面凹槽和背面凹槽为正三角形、正四边形、正五边形、正六边形、正多边形、圆型或梯形中的一种。

5.根据权利要求4所述的一种压阻式压力传感器，其特征在于，多个所述正面凹槽和多个背面凹槽为等或非等间距位于硅应变膜片上。

6.根据权利要求5所述的一种压阻式压力传感器，其特征在于，每组所述压敏电阻条对称分布于硅膜结构顶层一侧中部，每组所述压敏电阻条至少包括一个压敏电阻。

7.一种如权利要求1-6任意一项所述的压阻式压力传感器的制作方法，其特征在于，该制备方法包括以下步骤：

S2：在硅应变膜片正面制作引线孔和金属引线；

S3：在硅应变膜片的正面光刻刻蚀正面凹槽；

S5：减薄背面凹槽至合适尺寸；

8.根据权利要求7所述的一种压阻式压力传感器的制作方法，其特征在于，根据步骤S1，通过离子注入制作压敏电阻条和重掺杂接触区。

9.根据权利要求8所述的一种压阻式压力传感器的制作方法，其特征在于，根据步骤S2，所述金属引线为铝、金或铬、钛合金材料制作而成。