CN115790921B - 一种mems高温压力传感器芯片及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种MEMS高温压力传感器芯片及其设计方法，芯片包括Si基衬底、SiC膜层、压力测试单元以及应力测试单元；SiC膜层沉积在所述Si基衬底表面，Si基衬底背面设置有背腔，背腔顶部为压力敏感膜片；压力测试单元以及应力测试单元均集成在所述SiC膜层上，压力测试单元和应力测试单元均外接处理器。本发明衬底采用Si材料，可兼容当前稳定的Si刻蚀技术，工艺稳定性高、刻蚀时间短、不易损耗设备、成本低；设计的应力测试单元可以针对压力测试单元的每一个电阻进行校正，避免因各电阻应力不同而出现的输出不准确问题，同时避免因各电阻非线性变化导致的校正不准确问题，实现提高压力传感器精度的目的。

Description

一种MEMS高温压力传感器芯片及其设计方法

技术领域

本发明属于高温压力传感器技术领域，具体设计一种基于SiC材料的MEMS高温压力传感器芯片及其设计方法。

背景技术

随着信息化时代的发展，人们需要不同类型的MEMS压力传感器用来感知外部信息，特别是针对石油工业高温油井、化工反应塔、航空发动机腔体等高温环境，我们需要使用耐高温压力传感器进行压力测量。根据工作原理不同，MEMS压力传感器可分为压阻式、电容式、光纤式等不同类型，压阻式压力传感器是目前市场应用最广泛的传感器，具有结构简单、成本低廉的优点。

目前，压阻式压力传感器芯片以Si基材料为主，其制成工艺成熟、稳定，制成效率高，但是作为第二代半导体材料，半导体Si禁带宽度较窄（1.12eV），无法应用于高温环境，常用环境温度低于250℃，而SiC作为第三代半导体材料，具有多种晶型结构，常见的有两类：α-SiC和β-SiC，其中β-SiC以立方晶系的3C-SiC为主，而α-SiC可分为2H、4H、6H型。由于SiC材料的本质属性，其具有禁带宽（3C-SiC为2.3eV）、导热性好、化学稳定性好的优点，是制作高温压力传感器的理想材料，具有广泛的应用前景。由于Si与SiC热膨胀系数差别较大，由此引入的变形问题导致测量精度下降，为了避免高温压力传感器精度的降低，目前人们针对高温压力传感器芯片的设计，通常采用全SiC材料，但是，由于SiC半导体材料晶体结构稳定，在芯片制备过程中，会出现刻蚀速率低，易损坏设备，成本高的问题。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的MEMS高温压力传感器芯片及其设计方法解决了传统的高温压力传感器存在的SiC刻蚀速率低、成本高、易损坏设备以及传感器精度低的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种MEMS高温压力传感器芯片，包括Si基衬底、SiC膜层、压力测试单元以及应力测试单元；

所述SiC膜层沉积在所述Si基衬底表面，所述Si基衬底背面设置有背腔，所述背腔顶部为压力敏感膜片；

所述压力测试单元以及应力测试单元均集成在所述SiC膜层上，所述压力测试单元和应力测试单元均外接处理器。

进一步地，所述SiC膜层的膜层厚度为300nm~3um，并作为压力传感器芯片器件层。

进一步地，所述压力测试单元包括通过金属连接线连接的电阻条R1~R4，所述应力测试单元包括依次通过金属连接线连接的电阻条R5~R8，且每个电阻条的两侧均设置有金属焊盘。

进一步地，所述电阻条R5~R8的尺寸及布置方向分别与电阻条R1~R4保持一致。

进一步地，所述传感器芯片量程与所述压力敏感膜片厚度相关，通过刻蚀形成不同深度的背腔获得不同厚度的压力敏感膜片，进而得到不同的传感器芯片量程。

进一步地，所述压力测试单元基于压力敏感膜片的变形引起电阻条的变化测量输出压力信号，所述应力测试单元基于SiC膜层所受应力大小测量输出应力信号。

进一步地，所述压力测试单元和应力测试单元均与传感器芯片封装引脚连接，并外接至处理器；

所述应力测试单元对所述压力测试单元中的每个电阻条压力进行校正，或对压力测试单元的整体压力进行校正，获得输出压力信号。

进一步地，所述Si基衬底底部与玻璃键合。

一种MEMS高温压力传感器芯片的设计方法，其包括以下步骤：

S1、选取n型（110）晶向SOI晶圆作为Si基衬底；

S2、使用化学气相沉积法在Si基衬底表面形成SiC膜层；

S3、采用标准MEMS工艺，在SiC膜层上制作电阻条及连接电路，形成压力测试单元和应力测试单元；

S4、在Si基衬底背面刻蚀形成背腔，得到压力敏感膜片；

S5、采用阳极键合技术将Si基衬底与玻璃键合，得到完整MEMS高温压力传感器芯片。

进一步地，所述Si基衬底的厚度为300um~500um，所述SiC膜层的膜层厚度为300nm~3um。

本发明的有益效果为：

本发明结合了Si和SiC的技术优点，实现了两大有益效果：

（1）本发明在芯片中设计的应力测试电路，提高了高温压力传感器精度，在Si基衬底表面制备SiC膜层，由于SiC具有化学稳定性好、耐高温的特性，将SiC膜层作为器件层，在SiC基器件层设计压敏电阻条形成压力传感器，可应用于高温环境。过去，Si基的SiC高温压力传感器直接采用压敏电路进行压力测量，由于Si基衬底与SiC膜层热膨胀系数不一致，Si基衬底与SiC膜层的应力引入会导致压力传感器出现精度降低的问题；本发明技术在芯片四周设计应力测试单元，该应力测试单元可以针对压力测试单元的每一个电阻进行校正，避免因各电阻应力不同而出现的输出不准确问题，同时避免因各电阻非线性变化导致的校正不准确问题，由该电路测量得到的应力输出，可以实现提高压力传感器精度的目的。

（2）现有的高温压力传感器通常采用全SiC材料作为衬底，由于SiC材料的高稳定性，导致SiC材料刻蚀时间长，易损坏设备，本发明衬底采用Si材料，可兼容当前稳定的Si刻蚀技术，工艺稳定性高、刻蚀时间短、不易损耗设备、成本低。

附图说明

图1为本发明提供的MEMS高温压力传感器芯片设计示意图。

图2为本发明提供的MEMS高温压力传感器芯片剖面图。

图3为本发明提供的校正电路示意图。

图4为本发明提供的MEMS高温压力传感器芯片示意图。

图5为本发明提供的MEMS高温压力传感器芯片设计方法流程图。

其中：11、压力测试单元；12、应力测试单元；13、金属焊盘；14、SiC膜层；22、Si基衬底；23、背腔；24、压力敏感膜片；32、处理器；33、应力测试电路；34、压力测试电路；41、玻璃。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

实施例1：

本发明实施例提供了一种MEMS高温压力传感器芯片，如图1~图2所示，包括Si基衬底22、SiC膜层14、压力测试单元11以及应力测试单元12；

其中，SiC膜层14沉积在Si基衬底22表面，Si基衬底22背面设置有背腔23，背腔23顶部为压力敏感膜片24；压力测试单元11以及应力测试单元12均集成在SiC膜层14上，压力测试单元11和应力测试单元12均外接处理器32。

本发明提供的上述压力传感器芯片主要针对目前高温压力传感器的两个不足：第一、目前行业内通常采用全SiC衬底制备高温压力传感器，但是由于SiC材料化学稳定性好，导致SiC芯片制备过程中，出现芯片背腔23部分导致刻蚀时间长，易损坏设备，成本高昂的问题，本发明实施例采用的Si材料作为衬底，使用目前行业内稳定且常用的Si刻蚀技术，能有效避免SiC的刻蚀问题。第二、对于以Si基材料为衬底，SiC膜层14为器件层的高温压力传感器，由于SiC材料与Si基材料热膨胀系数不一致，由此引入的应力会使压力传感器精度急剧降低，本发明实施例采用应力测试单元12的设计，通过应力的测量对压力测量单元各电阻进行校正，提高压力传感器输出精度。

在本发明实施例中，SiC膜层14的膜层厚度为300nm~3um，并作为压力传感器芯片器件层；具体地，本实施例中的SiC膜层14为P型SiC膜层，Si基衬底22采用n型SOI衬底。

在本发明实施例中，压力测试单元11包括通过金属连接线连接的电阻条R1~R4，应力测试单元12包括依次通过金属连接线连接的电阻条R5~R8，且每个电阻条的两侧均设置有金属焊盘13。

在本发明实施例中，电阻条R5~R8的尺寸及布置方向分别与电阻条R1~R4保持一致；本实施例中提供的一种应力测试单元12和压力测试单元11中的电阻条、金属焊盘13及金属连接线的连接方式示例如图1所示，其中的R1~R8仅作为示意图展示，不作为对实际尺寸、形状及布置方向的限制。需要说明的是，在布置应力测试单元12的电阻条时，应避免其位于压力敏感膜片24的正上方。

在本发明实施例中，所述传感器芯片量程与所述压力敏感膜片24厚度相关，通过刻蚀形成不同深度的背腔23获得不同厚度的压力敏感膜片，进而得到不同的传感器芯片量程；具体地，Si基衬底22通过Si材料刻蚀剂在底部形成背腔23，Si材料刻蚀剂可以是常用的KOH溶液，背腔23顶部为压力敏感膜片24，可根据芯片量程不同，刻蚀形成不同深度的背腔23，从而获得不同厚度的压力敏感膜片24。

在本发明实施例中，压力测试单元11和应力测试单元12通过微纳加工方法制备集成在SiC膜层14上；其中，压力测试单元11基于压力敏感膜片24的变形引起电阻条的变化测量输出压力信号，应力测试单元12基于SiC膜层14所受应力大小测量输出应力信号。本实施例中压力测试单元11和应力测试单元12均与传感器芯片封装引脚连接，并外接至处理器32；具体地，如图3所示，本实施例中压力测试单元11与应力测试单元12通过引线键合等方式与芯片封装部分引脚进行连接，针脚通过压力测试电路34和应力测试电路33连接至处理器32，基于如图3所示的校正电路，本实施例中应力测试单元12对压力测试单元11中的每个电阻条压力进行校正，或对压力测试单元11的整体压力进行校正，获得输出压力信号。

在本发明实施例中，如图4所示，将Si基衬底22底部与玻璃41键合形成完整的MEMS高温压力传感器芯片。

基于上述传感器芯片结构，本实施例中的MEMS高温压力传感器的工作过程为：通过处理器32A/B接口输入电压，外界气压作用于压力敏感膜片24，压力敏感膜片24感压后变形，使压力测试单元11电阻R1~R4发生形变，产生压力信号输出；同时，在高温环境下，由于Si基衬底22与SiC膜层14热膨胀系数不一致出现应力变形，使应力测试单元12电阻R5~R8发生形变，产生应力信号输出。压力信号与应力信号分别通过压力测试电路34和应力测试电路33同时接入处理器32，经过校正处理后，由C/D接口输出压力信号。

实施例2：

本发明实施例是对实施例1中的压力传感器芯片的进一步扩展，提供了该芯片的设计方法，如图5所示，包括以下步骤：

S1、选取n型（110）晶向SOI晶圆作为Si基衬底22；

S2、使用化学气相沉积法在Si基衬底22表面形成SiC膜层14；

S3、采用标准MEMS工艺，在SiC膜层14上制作电阻条及连接电路，形成压力测试单元11和应力测试单元12；

S4、在Si基衬底22背面刻蚀形成背腔23，得到压力敏感膜片24；

S5、采用阳极键合技术将Si基衬底22与玻璃41键合，得到完整MEMS高温压力传感器芯片。

本发明实施例中的Si基衬底22的厚度为300um~500um，SiC膜层的膜层厚度为300nm~3um。

在本发明实施例的步骤S3中，在形成压力测试单元11和应力测试单元12时，根据电阻条R1~R8的压阻系数设计，计算掺杂浓度，比如对于3C-SiC，（110）晶向压阻系数设计为30，需求的掺杂浓度为5

10¹⁸（cm^-3），然后通过轻度掺杂得到需求的方阻，通过重度掺杂及金属溅射等方式获得连接电路，通过刻蚀工艺形成电阻条R1~R8，进而形成完整的压力测试单元11和应力测试单元12。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“厚度”、“上”、“下”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“径向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明的技术特征的数量。因此，限定由“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或隐含地包括一个或者更多个该特征。

Claims (6)

1.一种MEMS高温压力传感器芯片，其特征在于，包括Si基衬底（22）、SiC膜层（14）、压力测试单元（11）以及应力测试单元（12）；

所述SiC膜层（14）沉积在所述Si基衬底（22）表面，所述Si基衬底（22）背面设置有背腔（23），所述背腔（23）顶部为压力敏感膜片（24）；

所述压力测试单元（11）以及应力测试单元（12）均集成在所述SiC膜层（14）上，所述压力测试单元（11）和应力测试单元（12）均外接处理器（32）；

所述压力测试单元（11）包括通过金属连接线连接的电阻条R1~R4，所述应力测试单元（12）包括依次通过金属连接线连接的电阻条R5~R8，且每个电阻条的两侧均设置有金属焊盘（13）；

所述电阻条R5~R8的尺寸及布置方向分别与电阻条R1~R4保持一致；

所述压力测试单元（11）基于压力敏感膜片（24）的变形引起电阻条的变化测量输出压力信号，所述应力测试单元（12）基于SiC膜层（14）所受应力大小测量输出应力信号；

所述压力测试单元（11）和应力测试单元（12）均与传感器芯片封装引脚连接，并外接至处理器（32）；

所述应力测试单元（12）对所述压力测试单元（11）中的每个电阻条压力进行校正，或对压力测试单元（11）的整体压力进行校正，获得输出压力信号。

2.根据权利要求1所述的MEMS高温压力传感器芯片，其特征在于，所述SiC膜层（14）的膜层厚度为300nm~3um，并作为压力传感器芯片器件层。

3.根据权利要求1所述的MEMS高温压力传感器芯片，其特征在于，所述传感器芯片量程与所述压力敏感膜片（24）厚度相关，通过刻蚀形成不同深度的背腔（23）获得不同厚度的压力敏感膜片，进而得到不同的传感器芯片量程。

4.根据权利要求1所述的MEMS高温压力传感器芯片，其特征在于，所述Si基衬底（22）底部与玻璃（41）键合。

5.一种基于权利要求1~4任一权利要求所述的MEMS高温压力传感器芯片的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、选取n型（110）晶向SOI晶圆作为Si基衬底（22）；

S2、使用化学气相沉积法在Si基衬底（22）表面形成SiC膜层（14）；

S3、采用标准MEMS工艺，在SiC膜层（14）上制作电阻条及连接电路，形成压力测试单元（11）和应力测试单元（12）；

S4、在Si基衬底（22）背面刻蚀形成背腔（23），得到压力敏感膜片（24）；

S5、采用阳极键合技术将Si基衬底（22）与玻璃（41）键合，得到完整MEMS高温压力传感器芯片。

6.根据权利要求5所述的设计方法，其特征在于，所述Si基衬底（22）的厚度为300um~500um，所述SiC膜层（14）的膜层厚度为300nm~3um。

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