CN115824468A - 一种基于soi的小量程高灵敏度压力传感器芯片及制备方法 - Google Patents

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韩龙
邓惠文
王林
连树仁
马赛
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Abstract

本发明公开了一种基于SOI的小量程高灵敏度压力传感器芯片,通过理论仿真计算确定了传感器芯片的主要结构尺寸，并对传感器芯片的精度及抗过载能力进行了仿真优化，其在100kpa压力下具有高灵敏度、高精度、高抗过载能力、宽温区使用范围、抗恶略环境等优点。

Description

一种基于SOI的小量程高灵敏度压力传感器芯片及制备方法
技术领域
本发明涉及传感器领域，具体涉及一种基于SOI的小量程高灵敏度压力传感器芯片。
背景技术
随着国防工业的飞速发展及武器装备水准的提高，各系统对测试的精度及可靠性也有了更高的要求，与之配套的高精度、高可靠性测量的传感器需求十分迫切。目前MEMS芯片设计、制造、生产技术已较为成熟，压阻式压力传感器具有高精度、高稳定性、宽温区使用、小型化等特点，已被广泛用于航空、航天等多个领域。传统的压阻式压力传感器通常为PN结隔离，这种传感器使用温度较低，不能满足航空、航天等高温环境下的测试要求，而基于SOI的压阻式压力传感器通过氧化层作为介质隔离层，具有宽温度使用、高稳定性的特点。
压力传感器芯片感压膜的结构直接决定了传感器芯片的输出特性，常见的SOI压阻式压力传感器其感压膜主要有平膜结构和岛膜结构。平膜结构具有结构简单便于工艺实现的优点，但是使用该结构实现高灵敏度输出则非线性较差；与平膜结构相比，岛膜具有高灵敏度、高过载能力的优点，主要适用于低量程、高灵敏度的压力芯片。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种基于SOI的小量程高灵敏度压力传感器芯片及制备方法。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于SOI的小量程高灵敏度压力传感器芯片，包括SOI硅片、感压膜片、背岛、压敏电阻条、硼硅玻璃，所述SOI硅片正面刻蚀有压敏电阻条，SOI硅片背面中心刻蚀具有背岛结构的感压膜片，所述硼硅玻璃与SOI硅片背面硅-玻璃键合形成真空腔。
进一步的，所述SOI硅片背面具有岛膜结构，正面具有四个对称的压敏电阻条。
进一步的，所述感压膜片长度宽度均为860μm，厚度为10μm，所述背岛的长度为560μm，宽度为280μm。
进一步的，芯片长度和宽度均为1250μm，厚度为500μm，其中硼硅玻璃厚度为400μm，SOI硅片的厚度为100μm。
一种SOI的小量程高灵敏度压力传感器芯片的制备方法，包括如下步骤
1)选择N型SOI硅片进行加工，清洗后将硅片置于高温扩散管炉中对顶层硅进行固态浓硼扩散，在SOI硅片正面形成方阻为(5.5±0.5)Ω/Sq的P型重掺杂区域，用于制备P型压敏电阻条；
2)使用低压化学气象沉积工艺在SOI硅片正面沉积一层厚度为200±20nm的SiO2氧化层作为光刻淹膜层；
3)利用干法刻蚀在SOI硅片正面刻蚀四条对称的压敏电阻条及引线图形；
4)利用低压化学气象沉积工艺在SOI硅片正面沉积一层厚度为(200±20)nm的SiO2氧化层和厚度为(200±20)nm的Si3N4作为保护层，使用干法刻蚀的方法刻蚀将多余的Si3N4及SiO2去除；
5)利用溅射工艺在SOI硅片正面溅射厚度为500nm的Cr-Au金属层，通过光刻工艺制备金属导线及焊盘，形成欧姆接触；
6)利用KOH湿法腐蚀的方法在SOI硅片背面刻蚀形成长度宽度均为860μm、厚度为10μm的感压膜及长度为560μm、宽度为280μm、高度为90μm的背岛；
7)利用湿法腐蚀在硼硅玻璃表面形成长度、宽度为1000μm真空腔腔体；
8)利用阳极键合工艺，将SOI硅片背面与硼硅玻璃进行硅-玻璃键合，形成真空腔。
本发明具有以下有益效果：
对传感器芯片的精度及抗过载能力进行了仿真优化，使用岛膜结构有效降低了感压膜的中心应变，优化了传感器的线性度，使其在具有高灵敏度、高精度、高抗过载能的优点；选用重掺杂的方式加工，减小了芯片的灵敏度温漂，提高了芯片的温漂特性，使其具有宽温区使用范围的优点。
附图说明
图1为本发明芯片背岛结构示意图，其中a为俯视图，b为立体图。
图2为本发明芯片整体结构示意图，其中a为透视图，b为侧视图。
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。
一种基于SOI的小量程高灵敏度压力传感器芯片，如图1(a)和图1(b)所示：包括SOI硅片1、感压膜片2、背岛3、压敏电阻条4、硼硅玻璃5，所述SOI硅片1正面刻蚀有压敏电阻条4，SOI硅片1背面中心刻蚀具有背岛3结构的感压膜片2，所述硼硅玻璃5与SOI硅片1背面硅-玻璃键合形成真空腔6。
所述SOI硅片选择(100)晶面作为基准面，所述感压膜位于SOI硅片背面正中心，其长度、宽度均为860μm，厚度为10μm；所述背岛位于感压膜正中心，其长度为560μm，宽度为280μm，高度为90μm。
本发明使用SOI材料进行加工，与传统扩散硅压力芯片采用PN结隔离相比，采用SiO2氧化层绝缘隔离避免高温下产生漏电流，可以实现芯片在高温条件下稳定输出。
所述两对压敏电阻条位于SOI硅片正面，感压膜两边的中心位置，背岛窄边的两侧沿SOI硅片的晶向排列，两组压敏电阻条大小相等位置对称并串联形成惠斯通电桥。本发明的感压膜使用岛膜结构，与传统的平膜结构相比，岛膜结构可以提高感压膜重点横、纵应力差值，可以兼备高灵敏度及线性度的优点。
本发明使用重掺杂的方法加工了压敏电阻条，与传统压力传感器相比，较高的掺杂浓度提高了压力芯片的温度特性，减小了芯片的灵敏度温漂，使芯片能够在较宽的温度区间使用。
本发明提出一种基于SOI的小量程高灵敏度压力传感器芯片的制备方法：
1)选择N型SOI硅片进行加工，清洗后将硅片置于高温扩散管炉中对顶层硅进行固态浓硼扩散，在SOI硅片正面形成方阻为5.5±0.5Ω/Sq的P型重掺杂区域，用于制备P型压敏电阻条；
2)使用低压化学气象沉积工艺在SOI硅片正面沉积一层厚度为200±20nm的SiO2氧化层作为光刻淹膜层；
本发明在器件层上沉积SiO2薄膜，有效的提升了芯片的耐腐蚀性能；沉积的Si3N4薄膜用于平衡芯片内部应力，有效的改善了芯片的零位平衡。
3)利用干法刻蚀在SOI硅片正面刻蚀四条对称的压敏电阻条及引线图形；
4)利用低压化学气象沉积工艺在SOI硅片正面沉积一层厚度为200±20nm的SiO2氧化层和厚度为200±20nm的Si3N4作为保护层，使用干法刻蚀的方法刻蚀将多余的Si3N4及SiO2去除；
5)利用溅射工艺在SOI硅片正面溅射厚度为500nm的Cr-Au金属层，通过光刻工艺制备金属导线及焊盘，形成欧姆接触；本发明使用Cr-Au金属层作为芯片的欧姆接触材料，与传统的电极相比有效的提升了芯片的使用温度范围及稳定性。
6)利用KOH湿法腐蚀的方法在SOI硅片背面刻蚀形成长度宽度均为860μm、厚度为10μm的感压膜及长度为560μm、宽度为280μm、高度为90μm的背岛；
7)利用湿法腐蚀在硼硅玻璃表面形成长度、宽度为1000μm真空腔腔体；
8)利用阳极键合工艺，将SOI硅片背面与硼硅玻璃进行硅-玻璃键合，形成真空腔。
制成的完整器件如图2(a)和图2(b)所示。
本发明提出了一种基于SOI的小量程高灵敏度压力传感器芯片及制备方法，可以实现恶劣环境下的高精度小压力测量，并且具有如下优点：
本发明提出的芯片使用SOI硅片作为材料，避免了芯片在高温环境下漏电流的产生，提高了芯片的使用温度范围，使其具有宽温区使用的特点；
通过MEMS仿真设计软件对芯片输出进行了仿真模拟，作为芯片优化了芯片各部分结构尺寸，并且感压膜使用了岛膜结构，使芯片的具有高灵敏度及高抗过载能力
本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种基于SOI的小量程高灵敏度压力传感器芯片，其特征在于：包括SOI硅片(1)、感压膜片(2)、背岛(3)、压敏电阻条(4)、硼硅玻璃(5)，所述SOI硅片(1)正面刻蚀有压敏电阻条(4)，SOI硅片(1)背面中心刻蚀具有背岛(3)结构的感压膜片(2)，所述硼硅玻璃(5)与SOI硅片(1)背面硅-玻璃键合形成真空腔(6)。
2.根据权利要求1所述的基于SOI的小量程高灵敏度压力传感器芯片，其特征在于：所述SOI硅片(1)背面具有岛膜结构，正面具有四个对称的压敏电阻条(4)。
3.根据权利要求1所述的基于SOI的小量程高灵敏度压力传感器芯片，其特征在于：所述感压膜片(2)长度宽度均为860μm，厚度为10μm，所述背岛(3)的长度为560μm，宽度为280μm。
4.根据权利要求1所述的基于SOI的小量程高灵敏度压力传感器芯片，其特征在于：芯片长度和宽度均为1250μm，厚度为500μm，其中硼硅玻璃厚度为400μm，SOI硅片的厚度为100μm。
5.一种权利要求1-4任一项所述SOI的小量程高灵敏度压力传感器芯片的制备方法，其特征在于：其制备工艺包括如下步骤：
1)选择N型SOI硅片进行加工，清洗后将硅片置于高温扩散管炉中对顶层硅进行固态浓硼扩散，在SOI硅片正面形成方阻为5.5±0.5Ω/Sq的P型重掺杂区域，用于制备P型压敏电阻条；
2)使用低压化学气象沉积工艺在SOI硅片正面沉积一层厚度为200±20nm的SiO2氧化层作为光刻淹膜层；
3)利用干法刻蚀在SOI硅片正面刻蚀四条对称的压敏电阻条及引线图形；
4)利用低压化学气象沉积工艺在SOI硅片正面沉积一层厚度为200±20nm的SiO2氧化层和厚度为200±20nm的Si3N4作为保护层，使用干法刻蚀的方法刻蚀将多余的Si3N4及SiO2去除；
5)利用溅射工艺在SOI硅片正面溅射厚度为500nm的Cr-Au金属层，通过光刻工艺制备金属导线及焊盘，形成欧姆接触；
6)利用KOH湿法腐蚀的方法在SOI硅片背面刻蚀形成长度宽度均为860μm、厚度为10μm的感压膜及长度为560μm、宽度为280μm、高度为90μm的背岛；
7)利用湿法腐蚀在硼硅玻璃表面形成长度、宽度为1000μm真空腔腔体；
8)利用阳极键合工艺，将SOI硅片背面与硼硅玻璃进行硅-玻璃键合，形成真空腔。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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