CN114235232B - 一种mems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压力传感器及其制备方法，包括体硅层、衬底、埋氧层、顶硅层、压敏电阻、应力膜、欧姆接触、金属引线、绝缘介质层、小空腔、大空腔、内惠斯通电桥、外惠斯通电桥；顶硅层内部设有小空腔，体硅层内设有大空腔，压敏电阻位于两个空腔的四边中点的正上方，于顶硅层内。通过设置两套压敏电阻组成的两个位于不同厚度应力膜上的惠斯通电桥，分别测量不同量程范围的压力，在一定程度解决了低量程压力传感器在高压环境时失去线性度，以及高量程压力传感器在低压环境时灵敏度较低的问题，使压力传感器在具有大量程的同时兼顾低压环境的灵敏度；同时由于两个空腔在空间上上下堆叠，节约了芯片面积，提高了集成度。
Description
技术领域
本发明属于微电子机械系统(MEMS)传感器设计领域，涉及一种MEMS压力传感器，以及采用MEMS加工方法实现压力传感器制造的方法。
背景技术
MEMS(Micro Electro Mechanical System)即微电子机械系统，是一种新兴的跨学科高新技术领域。其内部结构一般在微米或者纳米量级，是一个独立智能系统。基于MEMS技术制造的压阻式压力传感器具有体积小、易于集成、可靠性高且易于将信号转化成电信号等优点，目前已广泛应用于工业控制、生物医疗、环境监测、航空航天等领域。其工作原理为在硅片上形成的薄膜通过离子注入或者扩散等方式制作的压敏电阻组成惠斯通电桥，在外界压力作用下应变膜发生形变从而使得膜上的压敏电阻发生形变，压敏电阻发生形变后其电阻值会发生变化，从而通过惠斯通电桥将电阻值的变化转化成输出电压变化。通常将压敏电阻放置在应变膜应力最集中的区域，从而提高整个压力传感器的灵敏度。
压力传感器的主要性能指标是灵敏度和线性度，但是二者之间存在矛盾。在测量中，为了提高MEMS压阻式压力传感器的灵敏度，相应的应变膜就会设计的更薄。但越薄的应变膜在受到外界压力时产生的挠度就越大，在外界压力超过一定阈值时，会导致线性度丢失，故不能兼顾低压工作情况下和高压工作情况下压力的测量。目前这类压力传感器可通过形成应力集中区域来提高灵敏度，通过局部刚化的方法来提高线性度，但此方法依旧不能保证在较大的测量范围内拥有良好的线性度；虽然也可以通过设置两种不同厚度应变膜的方式来制作两个压力传感器应对较大压力范围的压力测量，但此方法会增加芯片面积，不利于集成度的提高和成本的降低。
发明内容
技术问题：本发明的目标在于针对上述问题，提出了一种新的MEMS压力传感器及其制备方法，通过在同一传感器上制造两种不同厚度的应变膜使得保证高线性度时，能够具有较大的压力测量范围，并通过利用MEMS技术制备出该传感器结构使得两种膜在空间上形成上下堆叠，减少芯片的面积、提高了集成度。
技术方案：一种MEMS压力传感器，包括硅片、压敏电阻、应变膜、重掺杂区、绝缘介质层、金属引线；所述硅片含有两种空腔，其中位于下方位置，体积偏大的空腔是构成在外界压力较高情况下的应变膜的空腔，此空腔较大与之对应的应变膜较厚；在大空腔对应的应变膜内制作一个小空腔，此空腔较小与之对应的应变膜较薄，是外界压力较低情况下的应变膜和与之对应的空腔；压敏电阻在所述空腔的正上方与对应的应变膜上，共有八个压敏电阻，其中四个在较薄的应变膜内，另外四个在较厚的应变膜内，每四个压敏电阻构成一个惠斯通电桥，共构成两个惠斯通电桥分别对应工作在外界压力较低情况和外界压力较高的情况；所述的压敏电阻都有对应的重掺杂区与之进行串接，并用金属导线由重掺杂区从绝缘介质层设置的接触孔引出。
进一步地，硅片为N型(100)晶面的单晶硅片或者SOI(silicon on insulator)硅片。
进一步地，所述的绝缘介质层的材料可以是二氧化硅、低应力氮化硅或者有机绝缘材料等。
进一步地，所述的金属引线的材料可以是铝或者铬合金等材料，可以优先选用铬/金作为金属材料，防止阳极键合产生的氧气对金属引线氧化。
一种MEMS压力传感器的制备方法，其步骤包括：
1)准备一个SOI片，所述SOI片由体硅层、埋氧层和顶硅层构成；
2)在SOI片正面进行各向异性干法刻蚀，刻出一道道浅槽，再进行各向同性干法刻蚀，使浅槽下方形成一个连通的腔；
3)采用外延封腔工艺，在SOI片上进行单晶硅外延，利用外延的硅材料将浅槽封住，形成一个接近真空的密封腔；
4)在SOI片的正面通过CMP工艺进行平整化处理，并制作相互连接的压敏电阻和重掺杂区；
5)在SOI片上表面用APCVD、PECVD或者LPCVD等方法沉积一层氧化层及氮化层来构成绝缘介质层；
6)在SOI片的正面的氧化层和氮化层制作引线孔和金属引线；
7)在SOI片正面用APCVD、PECVD或者LPCVD等方法沉积一层氧化层及氮化层来构成保护层，并通过CMP工艺对其进行平整化处理；再进行光刻并图形化，露出金属焊盘；
8)在SOI片背面通过干法刻蚀或者湿法腐蚀制作空腔；
9)将SOI片背面与硅片、玻璃或陶瓷等衬底键合。
有益效果：
本发明的MEMS压力传感器具有线性度好、量程大的优点，采用在不同外界压力情况下使用不同厚度的应变膜测量的方法，兼顾了工作在低压情况和高压情况下传感器的线性度，其中传感器工作在外界高压的情况下，由于较厚的应变膜实现了高精度的测量，同时传感器工作在外界低压的情况下，由于较薄的应变膜具有了良好的灵敏度。
此外，由于小空腔制作在大空腔对应的应变膜内部，在空间上两个空腔为上下关系，没有增加芯片的面积，节约了芯片成本；本发明将测量低压和测量高压的传感器集成在一个芯片中，减少了芯片的数量，降低了在同时需要兼顾高压和低压环境下进行压力检测的成本，并提高了集成度。
附图说明
图1为本发明的MEMS压力传感器的压敏电阻排列俯视示意图；
图2为本发明的MEMS压力传感器沿图1中A-A’方向的剖面图；
图3为本发明的MEMS压力传感器的制备步骤1对应的结构示意图；
图4为本发明的MEMS压力传感器的制备步骤2对应的结构示意图；
图5为本发明的MEMS压力传感器的制备步骤3对应的结构示意图；
图6为本发明的MEMS压力传感器的制备步骤4对应的结构示意图；
图7为本发明的MEMS压力传感器的制备步骤5对应的结构示意图；
图8为本发明的MEMS压力传感器的制备步骤6对应的结构示意图；
图9为本发明的MEMS压力传感器的制备步骤7对应的结构示意图；
图中包括：体硅层1、衬底2、埋氧层3、顶硅层4、压敏电阻5、欧姆接触6、金属引线7、绝缘介质层8、小空腔9、大空腔10、薄应变膜11、厚应变膜12、内惠斯通电桥13、外惠斯通电桥14。
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1、图2所示，一种MEMS压力传感器，包括体硅层1、衬底2、埋氧层3、顶硅层4、压敏电阻5、欧姆接触6、金属引线7、绝缘介质层8、小空腔9、大空腔10、薄应变膜11、厚应变膜12、内惠斯通电桥13、外惠斯通电桥14。体硅层1位于衬底2的上表面，埋氧层3位于体硅层1的上表面，顶硅层4位于埋氧层3的上表面，压敏电阻5位于顶硅层4内部，每个压敏电阻5单独设置有欧姆接触6并由金属引线7引出，其中四个压敏电阻5构成内惠斯通电桥13，另外四个压敏电阻5构成外惠斯通电桥14，绝缘介质层8位于顶硅层4的上表面，顶硅层4内部设有小空腔9，体硅层1内设有大空腔10，小空腔9正上方的顶硅层4和绝缘介质层8共同形成为薄应变膜11，大空腔10正上方的埋氧层3与顶硅层4和绝缘介质层8共同形成厚应变膜12。
八个压敏电阻5位于顶硅层4内部紧贴上表面，并分别设置在小空腔9和大空腔10四边的中点的正上方位置。每个压敏电阻5单独设置有欧姆接触6。具体的欧姆接触6位于压敏电阻5的一端，金属引线7位于欧姆接触6的上表面；压敏电阻5的上表面被绝缘介质层8覆盖，顶硅层4除金属引线7区域的其余区域也被绝缘介质层8覆盖，金属引线7与顶硅层4之间的空隙由绝缘介质层8覆盖，金属引线7上表面由绝缘介质层8覆盖，仅部分焊盘区域暴露于空气。在小空腔9上方的四个压敏电阻5和在大空腔10上方的四个压敏电阻5分别采用惠斯通电桥方式连接，进而构成两个惠斯通电桥。具体为位于小空腔9正上方的四个压敏电阻5组成一个内惠斯通电桥13，另外位于大空腔10正上方的四个压敏电阻5组成另外一个外惠斯通电桥14。
本发明的MEMS压力传感器的工作原理如下：
当外界压力较低时，外惠斯通电桥14的输出小于一个阈值，判断外界压力处于低压状态，接收处于薄应变膜11上的内惠斯通电桥13的数据，由于薄应变膜11的厚度较薄，此时传感器的灵敏度较高，提高了压力测量的精度；当外界压力较高时，外惠斯通电桥14输出大于一个阈值，判断外界压力处于高压状态，此时内惠斯通电桥13数据准确度降低，接收处于厚应变膜12上的外惠斯通电桥14的数据，厚应变膜12的厚度较厚，能测量更大的压力范围。
一种制备上述MEMS压力传感器的方法，包括如下步骤：
步骤1：准备N型(100)SOI片，埋氧层3厚度为1-50μm，体硅层1厚度为100-600μm，顶硅层4厚度为1-50μm；再对SOI片的顶硅层4采用各向异性干法刻蚀，刻蚀至埋氧层3停止；再对SOI片顶硅层4采用各向同性干法刻蚀，形成小空腔9，如图3所示；
步骤2：采用外延封腔工艺，在顶硅层4上进行单晶硅外延，利用外延的硅材料将浅槽封住，在下面形成一个接近真空的密封小空腔9，如图4所示；
步骤3：通过对SOI片的顶硅层4进行光刻和离子注入，依次形成压敏电阻5和欧姆接触6，如图5所示；
步骤4：通过LPCVD或其他技术在SOI片顶硅层4表面沉积一层厚度为0.01-1μm的氧化硅和一层厚度为0.03-3μm的氮化硅，初步形成绝缘介质层8，如图6所示；
步骤5：对绝缘介质层8进行光刻并图形化，在欧姆接触6上方形成接触孔；再在SOI上表面溅射0.1-4μm金属铬/金，再进行光刻和图形化，形成金属引线7，如图7所示；
步骤6：通过LPCVD技术在SOI片上表面沉积一层厚度为0.01-1μm的氧化硅和一层厚度为0.03-3μm的氮化硅，完全形成绝缘介质层8，并通过CMP工艺对其进行平整化处理；再进行光刻并图形化，露出焊盘，如图8所示；
步骤7：对SOI片的体硅层1下表面进行湿法刻蚀至埋氧层3，形成开放腔体，如图9所示；
步骤8：准备一块厚度为200-2000μm的玻璃作为衬底2，通过阳极键合使衬底2和SOI片底部紧密贴合，从而形成大空腔10，完成该MEMS压力传感器的制备，如图2所示。
区分是否为该结构的标准如下：
本发明的一种MEMS压力传感器及其制备方法，通过设置大小两个空腔及其对应的薄厚两种应变膜，小空腔9和与之对应的薄应变膜11以及大空腔10和与之对应的厚应变膜12，在小空腔9正上方设置四个压敏电阻5采用惠斯通电桥方式连接构成内惠斯通电桥13，在大空腔10正上方设置四个压敏电阻5采用惠斯通电桥方式连接构成外惠斯通电桥14，从而在不同外界压力情况下使用不同厚度应变膜测量压力，兼顾了工作在低压情况和高压情况下传感器的线性度；并且小空腔9设置在厚应变膜12内，两个大小腔体在空间上上下堆叠，从而减小了芯片面积，提高了集成度；满足以上条件的结构即视为本发明的一种MEMS压力传感器及其制备方法。
Claims (3)
1.一种MEMS压力传感器，其特征在于，包括体硅层（1）、衬底（2）、埋氧层（3）、顶硅层（4）、压敏电阻（5）、欧姆接触（6）、金属引线（7）、绝缘介质层（8）、小空腔（9）、大空腔（10）、薄应变膜（11）、厚应变膜（12）、内惠斯通电桥（13）、外惠斯通电桥（14）；所述体硅层（1）位于衬底（2）的上表面，所述埋氧层（3）位于所述体硅层（1）的上表面，在所述顶硅层（4）内部设置有共八个压敏电阻（5），每个所述压敏电阻（5）单独设置有欧姆接触（6），并由金属引线（7）引出，其中四个压敏电阻（5）构成内惠斯通电桥（13），另外四个压敏电阻（5）构成外惠斯通电桥（14），所述顶硅层（4）位于所述埋氧层（3）的上表面，所述绝缘介质层（8）位于所述顶硅层（4）的上表面，所述顶硅层（4）内部设有所述小空腔（9），所述体硅层（1）内设有所述大空腔（10），所述小空腔（9）正上方的顶硅层（4）部分和所述绝缘介质层（8）共同形成为所述薄应变膜（11），所述大空腔（10）正上方的埋氧层（3）部分与所述顶硅层（4）和所述绝缘介质层（8）共同形成所述厚应变膜（12）；
当外界压力低时，外惠斯通电桥（14）的输出小于一个阈值，判断外界压力处于低压状态，接收处于薄应变膜（11）上的内惠斯通电桥（13）的数据；当外界压力高时，外惠斯通电桥（14）输出大于一个阈值，判断外界压力处于高压状态，此时内惠斯通电桥（13）数据准确度降低，接收处于厚应变膜（12）上的外惠斯通电桥（14）的数据；
所述MEMS压力传感器的制备方法包括如下步骤：
步骤1：准备SOI片，所述SOI片由体硅层（1）、埋氧层（3）和顶硅层（4）组成；
步骤2：在SOI片的顶硅层（4）进行各向异性干法刻蚀，刻出一道道浅槽，再进行各向同性干法刻蚀，使浅槽下方形成一个连通的小空腔（9）；
步骤3：采用外延封腔工艺，在SOI片的顶硅层（4）进行单晶硅外延，利用外延的硅材料将浅槽封住，形成一个接近真空的密封腔；
步骤4：在SOI片的顶硅层（4）进行平整化处理，并制作相互连接的压敏电阻（5）和欧姆接触（6）；
步骤5：在SOI片的顶硅层（4）表面用APCVD、PECVD或者LPCVD方法沉积一层氧化层及氮化层来构成绝缘介质层（8），初步形成绝缘介质层（8）；
步骤6：在SOI片的正面的氧化层和氮化层制作引线孔和金属引线（7）；
步骤7：在SOI片正面用APCVD、PECVD或者LPCVD方法沉积一层氧化层及氮化层来构成绝缘介质层（8），完全形成绝缘介质层（8），所述绝缘介质层8的材料为二氧化硅或氮化硅，厚度为1-20，并通过CMP工艺对其进行平整化处理，再进行光刻并图形化，露出金属焊盘；
步骤8：对体硅层（1）的下表面进行湿法刻蚀至埋氧层（3），形成开放腔体；
步骤9：准备一片衬底（2），所述衬底（2）的材料为单晶硅或玻璃，厚度为200-2000，通过阳极键合将SOI片底部与衬底（2）贴合，形成大空腔（10），完成所述MEMS压力传感器的制备。
2.根据权利要求1所述的MEMS压力传感器，其特征在于，所述压力传感器的八个压敏电阻（5），其中四个所述压敏电阻（5）设置在所述小空腔（9）四边的中点正上方位置，另外四个所述压敏电阻（5）设置在所述大空腔（10）四边的中点正上方位置；四个位于所述小空腔（9）四边的中点正上方位置的所述压敏电阻（5）采用惠斯通电桥方式连接，构成内惠斯通电桥（13），而四个位于所述大空腔（10）四边的中点正上方位置的所述压敏电阻（5）也采用惠斯通电桥方式连接，构成外惠斯通电桥（14）。
3.根据权利要求1所述的MEMS压力传感器，其特征在于，所述小空腔（9）设置在所述大空腔（10）的正上方，位于厚应变膜（12）的内部，所述小空腔（9）小于所述大空腔（10），其中所述小空腔（9）由外延封腔工艺在所述顶硅层（4）制备形成，所述大空腔（10）由对所述体硅层（1）背部光刻或刻蚀形成开放空腔再与所述衬底（2）阳极键合制备形成。
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