CN115452238A - 一种多量程单片集成的压力mems芯片及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明包括衬底与衬底上方安装的压阻式传感单元、电容式传感单元和金属PAD，压阻式传感单元、电容式传感单元均通过金属PAD实现与外界互连，该制造方法为在衬底上方键合压阻敏感膜，并在压阻敏感膜上方形成下极板与敏感电阻，在下极板的上方设置上极板，并使其两者间具有电容真空腔体，将敏感电阻与金属PAD互连，上、下极板通过引线电极与金属PAD互连，本申请所提出的一种多量程单片集成的压力MEMS芯片，将压阻传感单元和电容式传感单元集成组合设计，使其本芯片结合了压阻式压力MEMS和电容式压力MEMS各自测量压力优势，实现多个量程的高精度压力测量，与现有技术相比，本申请的技术集成高、精度高、可满足多量程复合需求。

Description

一种多量程单片集成的压力MEMS芯片及其制造方法
技术领域
本发明涉及MEMS压力传感器技术领域，具体为一种多量程单片集成的压力MEMS芯片及其制造方法。
背景技术
现有的MEMS压力传感器芯片在保证精度的情况下只能做到单一量程，如果使用两颗传感器来实现多量程，无论是对于产品空间还是产品成本都会造成不同程度的影响；
现有的智能穿戴及智能终端类产品，为了实现大气压海拔测量和水深监测，会放置两颗不同量程的压力传感器产品，对于追求小型化多功能的智能产品来说，占用了太多的空间，因此需要一种多量程单片集成的压力MEMS芯片。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多量程单片集成的压力MEMS芯片及其制造方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种多量程单片集成的压力MEMS芯片，包括衬底与衬底上方安装的压阻式传感单元、电容式传感单元和金属PAD；
所述压阻式传感单元通过内部电阻受到介质压力时的阻值变化来感应外界压力信号；
所述压阻式传感单元通过金属PAD实现与外界互联；
所述电容式传感单元通过内部电容器作为传感元件，通过感应电容器内电容变化量来感应外界压力信号；
所述电容式传感单元通过导电介质和金属PAD实现与外界互连；
所述金属PAD为上方带有引脚的焊盘，所述金属PAD通过自身上方的引脚与外部电路连通。
优选的，所述压阻式传感单元包括压阻敏感膜、敏感电阻与欧姆接触窗口；
所述衬底的上方设有凹腔，衬底的上方设有压阻敏感膜，所述压阻敏感膜与衬底上方的凹腔之间形成能够使压阻敏感膜向下形变的压阻真空腔；
所述压阻敏感膜上设置有敏感电阻，所述金属PAD与敏感电阻之间设有低阻值的欧姆接触窗口，所述金属PAD与敏感电阻通过欧姆接触窗口互向连接。
优选的，所述电容式传感单元包括上极板、下极板、电容真空腔、释放孔与绝缘隔离层；
所述下极板安装在压阻敏感膜上方的中央部分，所述上极板设置在下极板的上方，上极板与下极板之间非有效电容区域覆盖有绝缘隔离层，所述上极板与下极板之间存在电容真空腔，所述上极板的上方开设有释放孔，电容真空腔可通过释放孔与外界连通；
绝缘隔离层为SiO2层。
优选的，所述导电介质为引线电极，引线电极将金属PAD与上极板、下极板互连。
优选的，所述压阻式传感单元、电容式传感单元上设置有覆盖所述压阻式传感单元、电容式传感单元和所述金属PAD的保护层，所述保护层为SiO2层。
一种多量程单片集成的压力MEMS芯片制造方法：
S1，在衬底的上面通过刻蚀工艺形成压阻真空腔；
S2，在衬底上方通过硅-硅键合工艺并对键合的硅膜片进行减薄处理，使其在衬底的上方形成压阻敏感膜；
S3，通过离子注入和离子扩散工艺使其在压阻敏感膜的上方中央处形成下极板以及位于下极板四周的敏感电阻；
S4，通过化学气相沉积工艺在下极板的上方形成绝缘隔离层，绝缘隔离层位于下极板上方的一部分作为电容真空腔体的牺牲层；
S5，通过化学气相沉积工艺在绝缘隔离层的上方形成上极板，并通过刻蚀工艺在上极板上形成释放孔；
S6，通过湿法腐蚀工艺向释放孔内注入腐蚀溶液，使其将S4中所提出的牺牲层腐蚀掉，实现释放电容真空腔体；
S7，通过化学气相沉积工艺回填释放孔，实现电容结构；
S8，通过刻蚀工艺在敏感电阻上形成低阻值的欧姆接触窗口；
S9，通过溅射工艺在上极板与下极板上形成引线电极；
S10，在S1-S9完成后所得到的装配体上方安装金属PAD焊盘，金属PAD焊盘通过欧姆接触窗口与敏感电阻、敏感电阻互连，金属PAD焊盘通过引线电极与上极板、下极板互连；
S11，在S1-S10完成后所得到的装配体上方安装保护层，以形成所述的多量程单片集成的压力MEMS芯片。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本申请所提出的一种多量程单片集成的压力MEMS芯片，将压阻传感单元和电容式传感单元集成组合设计，使其本芯片结合了压阻式压力MEMS和电容式压力MEMS各自测量压力优势，实现多个量程的高精度压力测量，与现有技术相比，本申请的技术集成高、精度高、可满足多量程复合需求。
附图说明
图1为本发明剖面结构示意图。
图中：1衬底、100压阻式传感单元、2压阻敏感膜、3敏感电阻、4保护层、5绝缘隔离层、6金属PAD、7下极板、8上极板、9引线电极、10欧姆接触窗口、11压阻真空腔、12电容真空腔体、13释放孔。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本发明提供一种技术方案：一种多量程单片集成的压力MEMS芯片，包括衬底1与衬底1上方安装的压阻式传感单元100、电容式传感单元200和金属PAD 6；
压阻式传感单元100通过内部电阻受到介质压力时的阻值变化来感应外界压力信号；
压阻式传感单元100通过金属PAD 6实现与外界互联；
电容式传感单元200通过内部电容器作为传感元件，通过感应电容器内电容变化量来感应外界压力信号；
电容式传感单元200通过导电介质和金属PAD 6实现与外界互连；
金属PAD 6为上方带有引脚的焊盘，金属PAD 6的引脚与外部电路连通，以此将压阻式传感单元100、电容式传感单元200与外部电路连通，从而将压阻式传感单元100中敏感电阻3的阻值变化与电容式传感单元200中电容量的变化传递给外部与本芯片连接的电路。
具体而言，压阻式传感单元100包括压阻敏感膜2、敏感电阻3与欧姆接触窗口10；
衬底1的上方设有凹腔，该凹腔通过S1步骤中，刻蚀出来的，其衬底1为硅基板，先通过光刻将光刻胶进行光刻曝光处理，然后通过其它方式实现腐蚀处理掉所需除去的部分，完成后就得到了凹腔，衬底1的上方设有压阻敏感膜2，压阻敏感膜2与衬底1上方的凹腔之间形成能够使压阻敏感膜2向下形变的压阻真空腔11；压阻敏感膜2是通过硅-硅键合的方式安装在衬底1上的；
压阻敏感膜2上设置有敏感电阻3，金属PAD 6与敏感电阻3之间设有低阻值的欧姆接触窗口10，金属PAD 6与敏感电阻3通过欧姆接触窗口10互向连接，敏感电阻3共有四个，因其本文附图为本芯片的剖视图，因此只能够看到两个敏感电阻3，四个敏感电阻3均匀分布在本芯片的外圈，其内圈用于安装电容式传感单元200。
具体而言，电容式传感单元200包括上极板8、下极板7、电容真空腔12、释放孔13与绝缘隔离层5；
下极板7安装在压阻敏感膜2上方的中央部分，上极板8设置在下极板7的上方，上极板8与下极板7之间非有效电容区域覆盖有绝缘隔离层5，上极板8与下极板7之间存在电容真空腔12，上极板8的上方开设有释放孔13，电容真空腔12可通过释放孔13与外界连通；
绝缘隔离层5为SiO2层。
具体而言，导电介质为引线电极9，引线电极9将金属PAD 6与上极板8、下极板7互连。
具体而言，压阻式传感单元100、电容式传感单元200上设置有覆盖压阻式传感单元100、电容式传感单元200和金属PAD 6的保护层4，保护层4为SiO2层；
保护层4并没有对压阻式传感单元100、电容式传感单元200和金属PAD 6进行全覆盖，而是在金属PAD 6与上极板的上方均设置了通槽，使其方便金属PAD 6的引脚与外部电路进行连接。
一种多量程单片集成的压力MEMS芯片制造方法，包括以下步骤：
S1，在衬底1的上面通过刻蚀工艺压形成阻真空腔11；
刻蚀即为光刻腐蚀，通过光刻在衬底1上刻出需要腐蚀的位置，然后通过其它方式实现腐蚀处理掉所需除去的部分；
S2，在衬底1上方通过硅-硅键合工艺并对键合的硅膜片进行减薄处理，使其在衬底1的上方形成压阻敏感膜2；
S3，通过离子注入和离子扩散工艺使其在压阻敏感膜2的上方中央处形成下极板7以及位于下极板7四周的敏感电阻3；
S4，通过化学气相沉积工艺在下极板7的上方形成绝缘隔离层5，绝缘隔离层5位于下极板7上方的一部分作为电容真空腔体12的牺牲层；
S5，通过化学气相沉积工艺在绝缘隔离层5的上方形成上极板8，并通过刻蚀工艺在上极板8上形成释放孔13；
S6，通过湿法腐蚀工艺向释放孔13内注入腐蚀溶液，使其将S4中所提出的牺牲层腐蚀掉，实现释放电容真空腔体12；
S7，通过化学气相沉积工艺回填释放孔13，实现电容结构；
S8，通过刻蚀工艺在敏感电阻3上形成低阻值的欧姆接触窗口10；
S9，通过溅射工艺在上极板8与下极板7上形成引线电极9；
S10，在S1-S9完成后所得到的装配体上方安装金属PAD 6焊盘，金属PAD 6焊盘通过欧姆接触窗口10与敏感电阻3互连，金属PAD 6焊盘通过引线电极9与上极板8、下极板7互连；
S11，在S1-S10完成后所得到的装配体上方安装保护层4，以形成的多量程单片集成的压力MEMS芯片。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (6)

1.一种多量程单片集成的压力MEMS芯片，包括衬底（1）与衬底（1）上方安装的压阻式传感单元（100）、电容式传感单元（200）和金属PAD（6）；
所述压阻式传感单元（100）通过内部电阻受到介质压力时的阻值变化来感应外界压力信号；
所述压阻式传感单元（100）通过金属PAD（6）实现与外界互联；
所述电容式传感单元（200）通过内部电容器作为传感元件，通过感应电容器内电容变化量来感应外界压力信号；
所述电容式传感单元（200）通过导电介质和金属PAD（6）实现与外界互连；
所述金属PAD（6）为上方带有引脚的焊盘，所述金属PAD（6）通过自身上方的引脚与外部电路连通。
2.根据权利要求1所述的一种多量程单片集成的压力MEMS芯片，其特征在于：所述压阻式传感单元（100）包括压阻敏感膜（2）、敏感电阻（3）与欧姆接触窗口（10）；
所述衬底（1）的上方设有凹腔，衬底（1）的上方设有压阻敏感膜（2），所述压阻敏感膜（2）与衬底（1）上方的凹腔之间形成能够使压阻敏感膜（2）向下形变的压阻真空腔（11）；
所述压阻敏感膜（2）上设置有敏感电阻（3），所述金属PAD（6）与敏感电阻（3）之间设有低阻值的欧姆接触窗口（10），所述金属PAD（6）与敏感电阻（3）通过欧姆接触窗口（10）互向连接。
3.根据权利要求1所述的一种多量程单片集成的压力MEMS芯片，其特征在于：所述电容式传感单元（200）包括上极板（8）、下极板（7）、电容真空腔（12）、释放孔（13）与绝缘隔离层（5）；
所述下极板（7）安装在压阻敏感膜（2）上方的中央部分，所述上极板（8）设置在下极板（7）的上方，上极板（8）与下极板（7）之间非有效电容区域覆盖有绝缘隔离层（5），所述上极板（8）与下极板（7）之间存在电容真空腔（12），所述上极板（8）的上方开设有释放孔（13），电容真空腔（12）可通过释放孔（13）与外界连通；
绝缘隔离层（5）为SiO2层。
4.根据权利要求1所述的一种多量程单片集成的压力MEMS芯片，其特征在于：所述导电介质为引线电极（9），引线电极（9）将金属PAD（6）与上极板（8）、下极板（7）互连。
5.根据权利要求1所述的一种多量程单片集成的压力MEMS芯片，其特征在于：所述压阻式传感单元（100）、电容式传感单元（200）上设置有覆盖所述压阻式传感单元（100）、电容式传感单元（200）和所述金属PAD（6）的保护层（4），所述保护层（4）为SiO2层。
6.一种多量程单片集成的压力MEMS芯片制造方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1，在衬底（1）的上面通过刻蚀工艺形成压阻真空腔（11）；
S2，在衬底（1）上方通过硅-硅键合工艺并对键合的硅膜片进行减薄处理，使其在衬底（1）的上方形成压阻敏感膜（2）；
S3，通过离子注入和离子扩散工艺使其在压阻敏感膜（2）的上方中央处形成下极板（7）以及位于下极板（7）四周的敏感电阻（3）；
S4，通过化学气相沉积工艺在下极板（7）的上方形成绝缘隔离层（5），绝缘隔离层（5）位于下极板（7）上方的一部分作为电容真空腔体（12）的牺牲层；
S5，通过化学气相沉积工艺在绝缘隔离层（5）的上方形成上极板（8），并通过刻蚀工艺在上极板（8）上形成释放孔（13）；
S6，通过湿法腐蚀工艺向释放孔（13）内注入腐蚀溶液，使其将S4中所提出的牺牲层腐蚀掉，实现释放电容真空腔体（12）；
S7，通过化学气相沉积工艺回填释放孔（13），实现电容结构；
S8，通过刻蚀工艺在敏感电阻（3）上形成低阻值的欧姆接触窗口（10）；
S9，通过溅射工艺在上极板（8）与下极板（7）上形成引线电极（9）；
S10，在S1-S9完成后所得到的装配体上方安装金属PAD（6）焊盘，金属PAD（6）焊盘通过欧姆接触窗口（10）与敏感电阻（3）互连，金属PAD（6）焊盘通过引线电极（9）与上极板（8）、下极板（7）互连；
S11，在S1-S10完成后所得到的装配体上方安装保护层（4），以形成所述的多量程单片集成的压力MEMS芯片。
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