CN116026501A - 压力传感器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及MEMS压力传感器及其制作方法技术领域。在单晶硅或者绝缘体上硅衬底的背面设有结构相同平行排布的第一腔体和第二腔体；四个压敏电阻为轻掺压敏电阻，构成惠斯通电桥，压敏电阻形制和阻值相同；第一压敏电阻和第二压敏电阻串联形成第一串联电路，位于第一腔体之上，第一压敏电阻位于第一腔体中心，第二压敏电阻位于第一腔体一侧；第三压敏电阻和第四压敏电阻串联形成第二串联电路，位于第二腔体之上，第三压敏电阻位于第二腔体中心，第四压敏电阻位于与第一腔体同一侧的第二腔体一侧；第二压敏电阻距第一压敏电阻的距离与第四压敏电阻距第三压敏电阻的距离保持一致。该传感器机械稳定性提高，线性度好和精度提高。
Description
技术领域
本发明涉及MEMS压力传感器及其制作方法技术领域。
背景技术
MEMS压力传感器在航空发动机、火箭腔体、油井和新能源汽车等都有着广泛的应用。新能源车热泵需要14MPa的压力传感器，氢能源汽车的多级压力容器，最高压力达到60MPa，柴油发动机高压共轨压力传感器需要200MPa的量程。常规的硅MEMS压力传感器应用在高压场景下，受限于自身的单个硅杯形成单腔结构，机械可靠性和精度降低。硅悬膜是感受外界压力载荷的主要机械部件，常用的3种膜片形状有圆形、方形和矩形。当压力过大时，易造成悬膜塑性变形，甚至破裂。若增加悬膜厚度，导致压阻条在悬膜上应力分布不均匀，而降低线性度和精度。
发明内容
本公开所要解决的一个技术问题是：解决高压压力传感器机械稳定性差的问题。
为解决上述技术问题，本申请实施例提供压力传感器，包括：衬底和四个压敏电阻，所述衬底为单晶硅晶向晶圆，或者为绝缘体上硅晶向晶圆，或者衬底为在单晶硅衬底上覆盖一层1～3μm的SiO2绝缘层后，沉积厚度为1～5μm的多晶硅，所述衬底的电阻率为1～20Ω·cm,晶向为(100)，所述四个压敏电阻构成惠斯通电桥，在所述衬底的背面设有结构相同且平行排布的第一腔体和第二腔体；四个压敏电阻为轻掺压敏电阻，分别为第一压敏电阻、第二压敏电阻、第三压敏电阻和第四压敏电阻，四个压敏电阻形制和阻值相同；第一压敏电阻和第二压敏电阻串联形成第一串联电路，第一串联电路位于第一腔体之上，其中第一压敏电阻位于第一腔体中心，第二压敏电阻位于第一腔体一侧；第三压敏电阻和第四压敏电阻串联形成第二串联电路，第二串联电路位于第二腔体之上，其中第三压敏电阻位于第二腔体中心，第四压敏电阻位于与第一腔体同一侧的第二腔体一侧；第二压敏电阻距第一压敏电阻的距离与第四压敏电阻距第三压敏电阻的距离保持一致。
在一些实施例中，所述压力传感器的应用压力范围为5～200MPa，第一腔体和第二腔体相对于相应的刻蚀面呈倒棱台型。
在一些实施例中，每个压敏电阻可以分为N个平行排布小单元结构，N≥2，小单元结构之间串联形成电连接，小单元结构是指形成压阻最小的结构单元，尺寸为1～20μm。
在一些实施例中，所述四个压敏电阻及小单元结构通过重掺杂或者金属引线的方式实现电连接。
在一些实施例中，还包括绝缘层，绝缘层包括二氧化硅或/和氮化硅，覆盖衬底上的轻掺压敏电阻和重掺杂，开孔露出部分重掺杂端口。
在一些实施例中，当衬底为N型，重掺杂为P型掺杂，轻掺压敏电阻为P型掺杂；当衬底为P型，重掺杂为N型掺杂，轻掺压敏电阻为N型掺杂。
在一些实施例中，还包括焊盘，压敏电阻四个端口通过金属引线或重掺杂与焊盘相连，作为压敏电阻电气信号的引入和输出，第一串联电路和第二串联电路并联，其中一端用于连接电源电压，为高电势输入端口，另一端用于接地，第一压敏电阻和第二压敏电阻中间的节点与第三压敏电阻和第四压敏电阻中间的节点为两个电势差输出端口。
在一些实施例中，还包括钝化层，钝化层包括二氧化硅或/和氮化硅，覆盖金属引线和金属电极，露出焊盘部分。
在一些实施例中，还包括玻璃键合层，为压力传感器形成真空绝压腔体，玻璃键合层位于衬底上部或衬底下部，若位于衬底上部，玻璃为预制腔体而构成绝压腔，第一压敏电阻、第二压敏电阻、第三压敏电阻和第四压敏电阻为背面感压；若位于衬底下部，玻璃与双腔构成真空绝压腔体，第一压敏电阻、第二压敏电阻、第三压敏电阻和第四压敏电阻为正面感压。
为解决上述技术问题，本申请实施例还提供压力传感器制作方法，其特征在于：所述工艺步骤包括：
步骤1：对单晶硅或者绝缘体上硅衬底或者衬底为在单晶硅衬底上覆盖一层SiO2绝缘层后，沉积一定厚度的多晶硅采用丙酮和/或异丙醇超声清洗，然后用去离子水冲洗，甩干机甩干衬底表面水；
步骤2：使用氧化炉系统进行硅热氧化工艺，氧化温度1000～1200℃，生成厚度为5～30nmSiO2薄膜层；
步骤3：旋涂光刻胶，光刻显影形成四个压敏电阻图形，每个压敏电阻图形为N个平行排布小单元结构，N≥2，带胶注入硼离子，注入剂量为1E14～5E14cm-2，能量为60～100KeV，完成注入后去胶；若衬底为单晶硅衬底上覆盖一层SiO2绝缘层后，沉积一定厚度的多晶硅，还可以采用热扩散方式制备四个压敏电阻；
步骤4：旋涂光刻胶，光刻显影形成重掺杂电连接区域图形，带胶注入硼离子，注入剂量为8E15～2E16cm-2，能量为80～120KeV，完成注入后去胶，重掺杂串联第一压敏电阻和第二压敏电阻形成第一串联电路，重掺杂串联第三压敏电阻和第四压敏电阻形成第二串联电路，重掺杂并联第一串联电路和第二串联电路，形成完整的惠斯通电桥电路；若衬底为单晶硅衬底上覆盖一层SiO2绝缘层后，沉积一定厚度的多晶硅，还可以采用热扩散方式制备重掺杂区域电连接图形，即惠斯通电桥电连接；
步骤5：高温退火激活注入硼离子，使用炉管或者快速退火炉，退火温度950～1100℃；
步骤6：绝缘层SiO2或/和SiNx沉积，厚度200～1000nm，旋涂光刻胶，光刻显影图形化，刻蚀形成重掺杂区域开孔，去胶；
步骤7：在绝缘层薄膜上采用磁控溅射或者蒸镀厚度为500～1200nm金属电极，涂胶光刻显影，刻蚀出引线和焊盘，去胶；或剥离(Lift-off)工艺制备金属引线和焊盘；
步骤8：退火合金化，使用炉管或者快速退火炉，退火温度400～450°C；
步骤9：钝化层SiO2或/和SiNx沉积，厚度200～1000nm，旋涂光刻胶，光刻显影图形化，刻蚀形成焊盘区域开孔，去胶；
步骤10：背面减薄抛光衬底至一定厚度，为300～400μm；
步骤11：背面沉积硬掩膜SiO2或SiNx沉积，厚度400～1000nm，旋涂光刻胶，光刻显影图形化，刻蚀形成双腔区域硬掩膜，双腔区域以第一压敏电阻和第三压敏电阻中心对称排布，使得第一压敏电阻和第三压敏电阻位于双腔的中心位置，第二压敏电阻和第四压敏电阻位于双腔的同一侧，且第二压敏电阻和第四压敏电阻分别距离第一压敏电阻和第三压敏电阻的距离保持一致，去胶；
步骤12：正面抗氢氧化钾或四甲基氢氧化铵胶保护旋涂；
步骤13：采用氢氧化钾或四甲基氢氧化铵溶液腐蚀背部双腔至一定深度，深度为30～80μm；
步骤14：去除背面硬掩膜和去除正面保护胶；
步骤15：玻璃与衬底减薄背面进行阳极键合，为第一压敏电阻、第二压敏电阻、第三压敏电阻和第四压敏电阻形成真空绝压腔体，玻璃键合层位于衬底上部或衬底下部，若玻璃键合层位于衬底上部，玻璃成为预制腔体而形成绝压腔，第一压敏电阻、第二压敏电阻、第三压敏电阻和第四压敏电阻为背面感压；若玻璃键合层位于衬底下部，玻璃与双腔形成真空绝压腔体，第一压敏电阻、第二压敏电阻、第三压敏电阻和第四压敏电阻为正面感压。
通过上述技术方案，本发明提出双腔式压力传感器及制作方法，双腔结构将四个压敏电阻分成2个区域，即第一腔体上的第一串联电路和第二腔体上的第二串联电路，2个串联电路形成惠斯通电桥，其中位于双腔中心的第一压敏电阻和第三压敏电阻受到外界压力载荷后，同步增大或减小，位于双腔边缘的第二压敏电阻和第四压敏电阻受到外界压力载荷后，相反变化，同步减小或增大。由于双腔结构应变比同样尺寸的单腔结构受外界影响更明显，因此可以显著提高芯片的结构的稳定性，同时提高芯片输出精度和线性。附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提出的压力传感器的原理示意图；
图2是本发明提出的压力传感器的平面结构图；
图3是本发明提出的压力传感器的剖面示意图；
图4是本发明提出的另一种实施案例的压力传感器的剖面示意图；
图5是本发明提出的压力传感器制作方法步骤1流程示意图；
图6是本发明提出的压力传感器制作方法步骤2流程示意图；
图7是本发明提出的压力传感器制作方法步骤3流程示意图；
图8是本发明提出的压力传感器制作方法步骤4流程示意图；
图9是本发明提出的压力传感器制作方法步骤6流程示意图；
图10是本发明提出的压力传感器制作方法步骤7流程示意图；
图11是本发明提出的压力传感器制作方法步骤9流程示意图；
图12是本发明提出的压力传感器制作方法步骤10流程示意图；
图13是本发明提出的压力传感器制作方法步骤13流程示意图；
图14是本发明提出的压力传感器制作方法步骤15流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本申请的原理，但不能用来限制本申请的范围，本申请可以以许多不同的形式实现，不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。
本申请提供这些实施例是为了使本申请透彻且完整，并且向本领域技术人员充分表达本申请的范围。应注意到：除非另外具体说明，这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、材料的组分、数字表达式和数值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。
需要说明的是，在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是大于或等于两个；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置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申请的限制。当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
此外，本申请中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的部分。“垂直”并不是严格意义上的垂直，而是在误差允许范围之内。“平行”并不是严格意义上的平行，而是在误差允许范围之内。“包括”或者“包含”等类似的词语意指在该词前的要素涵盖在该词后列举的要素，并不排除也涵盖其他要素的可能。
还需要说明的是，在本申请的描述中，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，可视具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。当描述到特定器件位于第一器件和第二器件之间时，在该特定器件与第一器件或第二器件之间可以存在居间器件，也可以不存在居间器件。
本申请使用的所有术语与本申请所属领域的普通技术人员理解的含义相同，除非另外特别定义。还应当理解，在诸如通用字典中定义的术语应当被解释为具有与它们在相关技术的上下文中的含义相一致的含义，而不应用理想化或极度形式化的意义来解释，除非这里明确地这样定义。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
实施例1
如图1至图3所示，压力传感器，本发明第一方面提供一种压力传感器100，应用压力范围为5～200MPa，包括：衬底101和四个压敏电阻，衬底为N型，衬底101为(100)晶向单晶硅晶圆，或者(100)晶向绝缘体上硅晶圆(SOI)，或者衬底为在单晶硅衬底上覆盖一层SiO2绝缘层后，沉积一定厚度的多晶硅，在衬底的背面设有结构相同平行排布的第一腔体115和第二腔体116；第一腔体115和第二腔体116相对于相应的刻蚀面呈倒棱台型。其横截面呈矩形。四个压敏电阻为轻掺压敏电阻，分别为第一压敏电阻111、第二压敏电阻112、第三压敏电阻113和第四压敏电阻114，第一压敏电阻111、第二压敏电阻112、第三压阻电阻113和第四压敏电阻114构成惠斯通电桥，四个压敏电阻形制(形制是形状和款式的意思，在压力传感器领域是专用名词)和阻值相同；第一压敏电阻111和第二压敏电阻112串联形成第一串联电路，第一串联电路位于第一腔体115之上，其中第一压敏电阻111位于第一腔体115中心，第二压敏电阻112位于第一腔体一侧；可以是右边缘或左边缘，第三压敏电阻113和第四压敏电阻114串联形成第二串联电路，第二串联电路位于第二腔体116之上，其中第三压敏电阻113位于第二腔体116中心，第四压敏电阻114位于与第一腔体115同一侧的第二腔体116一侧；即当第二压敏电阻112位于第一腔体115的左边缘时，第四压敏电阻114也位于第二腔体116的左边缘，即当第二压敏电阻112位于第一腔体115的右边缘时，第四压敏电阻114也位于第二腔体116的右边缘。位于双腔边缘的第二压敏电阻112和第四压敏电阻114，位于同左或同右，且分别距离第一压敏电阻111和第三压敏电阻113即中心压敏电阻的距离保持完全一致。
图2是本发明提出的压力传感器的平面结构图，该压力传感器100包括：四个P型轻掺压敏电阻，第一压敏电阻111、第二压敏电阻112、第三压阻电阻113和第四压敏电阻114构成惠斯通电桥，第一压敏电阻111和第二压敏电阻112串联形成第一串联电路，第一串联电路位于第一腔体115之上，其中第一压敏电阻111位于第一腔体中心，第二压敏电阻112位于第一腔体右边缘。第三压敏电阻113和第四压敏电阻114串联形成第二串联电路，第二串联电路位于第二腔体116之上，其中第三压敏电阻113位于第一腔体115中心，第四压敏电阻114位于第二腔体116右边缘。位于双腔边缘的第二压敏电阻112和第四压敏电阻114，距离中心压敏电阻的距离保持完全一致。第一串联电路和第二串联电路并联，其中一端连接电源电压，另一端接地。第一压敏电阻111和第二压敏电阻112中间的节点和第三压敏电阻113和第四压敏电阻114中间的节点是电势差输出端口。
第一串联电路和第二串联电路并联，其中一端1194连接输入高电势端口，另一端1193接地，第一压敏电阻和第二压敏电阻中间的节点1191与第三压敏电阻和第四压敏电阻中间的节点1192是两电势差输出端口。惠斯通电桥原理是四个端口，2个端口是电源电压输入端口1194、1193，2个是电压输出端口1192、1191。第一压敏电阻111至第四压敏电阻114形成双腔惠斯通电桥，当外界压力变化时，第一压敏电阻111和第三压敏电阻113同步增大，反之第二压敏电阻112和第四压敏电阻114同步减小，形成精确稳定的电压输出，从而提高精度和线性度。还包括绝缘层，绝缘层采用二氧化硅或/和氮化硅，覆盖衬底上的轻掺压敏电阻和重掺杂，开孔露出部分重掺杂端口。还包括焊盘104，采用金属铝或铝铜合金，压敏电阻四个端口通过金属引线或重掺杂与焊盘相连，作为压敏电阻电气信号的引入和输出，第一串联电路和第二串联电路并联，其中一端连接电源电压，为高电势输入端口1194，另一端接地1193，第一压敏电阻和第二压敏电阻中间的节点1191与第三压敏电阻和第四压敏电阻中间的节点1192为两个电势差输出端口。引线117，引线采用金属或重掺杂形成电连接，使四个压敏电阻构成完整的惠斯通电桥结构。焊盘是104，包含4个焊盘分布在芯片四个角，采用金属薄膜，作用是与外部形成电气连接。还包括钝化层105，采用二氧化硅或氮化硅，覆盖金属引线和金属电极，露出焊盘104部分。钝化层105起到保护金属引线和金属电极作用。还包括玻璃键合层，为压力传感器形成真空绝压腔体，玻璃键合层位于衬底上部或衬底下部，若位于衬底上部，玻璃为预制腔体而构成绝压腔，第一压敏电阻、第二压敏电阻、第三压敏电阻和第四压敏电阻为背面感压；若位于衬底下部，玻璃与双腔构成真空绝压腔体，第一压敏电阻、第二压敏电阻、第三压敏电阻和第四压敏电阻为正面感压。
在一些实施例中，四个压敏电阻及小单元结构通过重掺杂或者金属薄膜引线的方式实现电连接；当采用重掺杂电连接时，重掺杂位于压敏电阻同一层，轻掺压敏电阻和重掺杂为P型掺杂，掺杂剂量和能量高于压敏电阻掺杂，重掺杂一端与轻掺压敏电阻重合，另一端与金属薄膜引线形成欧姆接触。可以实现压敏电阻的电连接，且结构紧凑。
在一些实施例中，每个压敏电阻可以分为N个平行排布小单元结构，N≥2，小单元结构之间串联形成电连接，小单元结构是指形成压阻最小的结构单元，尺寸为1～20μm。通过轻掺压敏电阻实现压敏电阻的结构，提高压敏电阻的灵敏度。
在一些实施例中，当衬底为P型，重掺杂为N型掺杂，轻掺压敏电阻为N型掺杂。其实现原理与当衬底为N型，重掺杂为P型掺杂，轻掺压敏电阻为P型掺杂相同，都能实现相同的效果。
实施例2
压力传感器制作方法，工艺步骤包括：
步骤1：对N型晶向单晶硅或SOI衬底或者衬底为在单晶硅衬底上覆盖一层1～3μmSiO2绝缘层后，沉积厚度为1～5μm的多晶硅，采用丙酮和/或异丙醇超声清洗，然后用去离子水冲洗，甩干机甩干衬底表面水；图5示；
步骤2：使用氧化炉系统进行硅热氧化工艺，氧化温度1000～1200℃，生成厚度为5～30nmSiO2薄膜层121，图6示；
步骤3：旋涂光刻胶，光刻显影形成压敏电阻图形即第一压敏电阻111,第二压敏电阻112,第三压敏电阻113,第四压敏电阻114，每个压敏电阻图形为N个横向平行排布小单元结构，N≥2，带胶注入硼离子，注入剂量为1E14～5E14cm-2，能量为60～100KeV，完成注入后去胶，图7示；若衬底为单晶硅衬底上覆盖一层SiO2绝缘层后，沉积一定厚度的多晶硅，还可以采用热扩散方式制备四个压敏电阻；
步骤4：旋涂光刻胶，光刻显影形成重掺杂电连接区域图形103，带胶注入硼离子，注入剂量为8E15～2E16cm-2，能量为80～120KeV，完成注入后去胶，图8示；重掺杂串联第一压敏电阻111和第二压敏电阻112形成第一串联电路，重掺杂串联第三压敏电阻113和第四压敏电阻114形成第二串联电路，重掺杂并联第一串联电路和第二串联电路，形成完整的惠斯通电桥电路；若衬底为在单晶硅衬底上覆盖一层SiO2绝缘层后，沉积一定厚度的多晶硅，还可以采用热扩散方式制备重掺杂区域电连接图形；
步骤5：高温退火激活注入B离子(硼离子)，使用炉管或者快速退火炉，退火温度950～1100℃；
步骤6：绝缘层102SiO2或/和SiNx沉积，厚度200～1000nm，图9示，旋涂光刻胶，光刻显影图形化，刻蚀形成重掺杂区域103开孔，去胶；步骤7：在绝缘层薄膜上采用磁控溅射或者蒸镀厚度为500～1200nm金属电极，电极材料可选择Au/Al/Cu/AlCu/Au等金属导电材料，涂胶光刻显影，刻蚀出引线和焊盘104，去胶，图10示；或采用剥离(Lift-off)工艺制备金属引线和焊盘；
步骤8：退火合金化，使用炉管或者快速退火炉，退火温度400～450℃；
步骤9：钝化层105SiO2或SiNx沉积，厚度200～1000nm，旋涂光刻胶，光刻显影图形化，刻蚀形成焊盘区域开孔，去胶，图11示；
步骤10：背面减薄抛光衬底至一定厚度，一般为300～400μm，图12示；
步骤11：背面沉积硬掩膜SiO2或SiNx沉积，厚度400～1000nm，旋涂光刻胶，光刻显影图形化，刻蚀形成双腔区域硬掩膜，双腔区域以第一压敏电阻111和第三压敏电阻113中心对称排布，使得第一压敏电阻111和第三压敏电阻113位于双腔的中心位置，第二压敏电阻112和第四压敏电阻114位于双腔的同一侧，且第二压敏电阻112和第四压敏电阻114分别距离第一压敏电阻111和第三压敏电阻113的距离保持完全一致，去胶；
步骤12：正面抗氢氧化钾(KOH)或抗四甲基氢氧化铵(TMAH)胶保护旋涂；
步骤13：采用氢氧化钾或四甲基氢氧化铵溶液腐蚀背部双腔115，116至一定深度，深度为30～80μm；图13示；
步骤14：去除背面硬掩膜和去除正面保护胶；
步骤15：玻璃与单晶硅或SOI衬底或者衬底为在单晶硅衬底上覆盖一层SiO2绝缘层后，沉积一定厚度的多晶硅减薄背面进行阳极键合，为第一压敏电阻、第二压敏电阻、第三压敏电阻和第四压敏电阻形成真空绝压腔体，玻璃键合层106位于衬底上部或衬底下部，若玻璃键合层106位于衬底上部，玻璃成为预制腔体而形成绝压腔，第一压敏电阻、第二压敏电阻、第三压敏电阻和第四压敏电阻为背面感压；图4示；若玻璃键合层106位于衬底下部，玻璃与双腔形成真空绝压腔体，第一压敏电阻、第二压敏电阻、第三压敏电阻和第四压敏电阻为正面感压，图14示。
图3是本发明实施例的双腔式高压压力传感器的剖面示意图，结构包括具有双腔115,116的单晶硅101、四个压敏电阻111,112,113,114、重掺电连接103、绝缘层102、金属引线及焊盘104、钝化层105，玻璃键合层106。重掺电连接103位于压敏电阻同一层，为P型掺杂，掺杂剂量和能量高于压敏电阻掺杂，重掺杂区域103一端与轻掺压敏电阻111重合，另一端与金属引线104形成欧姆接触。绝缘层102覆盖衬底上的压阻掺杂111和重掺杂103，开孔露出部分重掺端口形成欧姆接触电连接。钝化层105覆盖金属引线，保护金属电极，露出焊盘部分。玻璃键合层106，为高压压力芯片形成真空绝压腔体，玻璃键合层106位于衬底衬底下部，玻璃与双腔形成真空压缘，芯片为正面感压。
图4是本发明另一实施例的双腔式高压压力传感器的剖面示意图，结构包括具有双腔115,116的单晶硅101、四个压敏电阻111,112,113,114、重掺电连接103、绝缘层102、金属引线及焊盘104、钝化层105，预制腔体107的玻璃键合层106。玻璃键合层106，为高压压力芯片形成真空绝压腔体，玻璃键合层106位于衬底上部，玻璃需形成预制腔体107而形成绝压腔，芯片为背面感压。
依照本发明的实施例如上文所述,，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节,也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然,根据以上描述,可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例,是为了更好地解释本发明的原理和实际应用,从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
Claims (10)
1.压力传感器，包括：衬底和四个压敏电阻，所述衬底为单晶硅晶向晶圆，或者为绝缘体上硅晶向晶圆，或者衬底为在单晶硅衬底上覆盖一层1～3μm的SiO2绝缘层后，沉积厚度为1～5μm的多晶硅，所述衬底的电阻率为1～20Ω·cm,晶向为(100)，所述四个压敏电阻构成惠斯通电桥，其特征在于：在所述衬底的背面设有结构相同且平行排布的第一腔体和第二腔体；四个压敏电阻为轻掺压敏电阻，分别为第一压敏电阻、第二压敏电阻、第三压敏电阻和第四压敏电阻，四个压敏电阻形制和阻值相同；第一压敏电阻和第二压敏电阻串联形成第一串联电路，第一串联电路位于第一腔体之上，其中第一压敏电阻位于第一腔体中心，第二压敏电阻位于第一腔体一侧；第三压敏电阻和第四压敏电阻串联形成第二串联电路，第二串联电路位于第二腔体之上，其中第三压敏电阻位于第二腔体中心，第四压敏电阻位于与第一腔体同一侧的第二腔体一侧；第二压敏电阻距第一压敏电阻的距离与第四压敏电阻距第三压敏电阻的距离保持一致。
2.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于：所述压力传感器的应用压力范围为5～200MPa，第一腔体和第二腔体相对于相应的刻蚀面呈倒棱台型。
3.根据权利要求1或2所述的压力传感器，其特征在于：每个压敏电阻可以分为N个平行排布小单元结构，N≥2，小单元结构之间串联形成电连接，小单元结构是指形成压阻最小的结构单元，尺寸为1～20μm。
4.根据权利要求3所述的压力传感器，其特征在于：所述四个压敏电阻及小单元结构通过重掺杂或者金属引线的方式实现电连接。
5.根据权利要求4所述的压力传感器，其特征在于：还包括绝缘层，所述绝缘层包括二氧化硅或/和氮化硅，覆盖衬底上的轻掺压敏电阻和重掺杂，开孔露出部分重掺杂端口。
6.根据权利要求5所述的压力传感器，其特征在于：当衬底为N型，重掺杂为P型掺杂，轻掺压敏电阻为P型掺杂；当衬底为P型，重掺杂为N型掺杂，轻掺压敏电阻为N型掺杂。
7.根据权利要求6所述的压力传感器，其特征在于：还包括焊盘，压敏电阻四个端口通过金属引线或重掺杂与焊盘相连，作为压敏电阻电气信号的引入和输出，第一串联电路和第二串联电路并联，其中一端用于连接电源电压，为高电势输入端口，另一端用于接地，第一压敏电阻和第二压敏电阻中间的节点与第三压敏电阻和第四压敏电阻中间的节点为两个电势差输出端口。
8.根据权利要求7所述的压力传感器，其特征在于：还包括钝化层，所述钝化层包括二氧化硅或/和氮化硅，覆盖金属引线和金属电极，露出焊盘部分。
9.根据权利要求8所述的压力传感器，其特征在于：还包括玻璃键合层，为压力传感器形成真空绝压腔体，玻璃键合层位于衬底上部或衬底下部，若位于衬底上部，玻璃为预制腔体而构成绝缘压腔，第一压敏电阻、第二压敏电阻、第三压敏电阻和第四压敏电阻为背面感压；若位于衬底下部，玻璃与双腔构成真空绝压腔体，第一压敏电阻、第二压敏电阻、第三压敏电阻和第四压敏电阻为正面感压。
10.压力传感器制作方法，其特征在于：所述工艺步骤包括：
步骤1：对单晶硅或者绝缘体上硅衬底或者衬底为在单晶硅衬底上覆盖一层SiO2绝缘层后，沉积一定厚度的多晶硅采用丙酮和/或异丙醇超声清洗，然后用去离子水冲洗，甩干机甩干衬底表面水；
步骤2：使用氧化炉系统进行硅热氧化工艺，氧化温度1000～1200℃，生成厚度为5～30nm SiO2薄膜层；
步骤3：旋涂光刻胶，光刻显影形成四个压敏电阻图形，每个压敏电阻图形为N个平行排布小单元结构，N≥2，带胶注入硼离子，注入剂量为1E14～5E14cm-2，能量为60～100KeV，完成注入后去胶；若衬底为单晶硅衬底上覆盖一层SiO2绝缘层后，沉积一定厚度的多晶硅，还可以采用热扩散方式制备四个压敏电阻；
步骤4：旋涂光刻胶，光刻显影形成重掺杂电连接区域图形，带胶注入硼离子，注入剂量为8E15～2E16cm-2，能量为80～120KeV，完成注入后去胶，重掺杂串联第一压敏电阻和第二压敏电阻形成第一串联电路，重掺杂串联第三压敏电阻和第四压敏电阻形成第二串联电路，重掺杂并联第一串联电路和第二串联电路，形成完整的惠斯通电桥电路；
若衬底为单晶硅衬底上覆盖一层SiO2绝缘层后，沉积一定厚度的多晶硅，还可以采用热扩散方式制备重掺杂区域电连接图形，即惠斯通电桥电连接；
步骤5：高温退火激活注入硼离子，使用炉管或者快速退火炉，退火温度950～1100℃；
步骤6：绝缘层SiO2或/和SiNx沉积，厚度200～1000nm，旋涂光刻胶，光刻显影图形化，刻蚀形成重掺杂区域开孔，去胶；
步骤7：在绝缘层薄膜上采用磁控溅射或者蒸镀厚度为500～1200nm金属电极，涂胶光刻显影，刻蚀出引线和焊盘，去胶；或剥离(Lift-off)工艺制备金属引线和焊盘；
步骤8：退火合金化，使用炉管或者快速退火炉，退火温度400～450°C；
步骤9：钝化层SiO2或/和SiNx沉积，厚度200～1000nm，旋涂光刻胶，光刻显影图形化，刻蚀形成焊盘区域开孔，去胶；
步骤10：背面减薄抛光衬底至一定厚度，为300～400μm；
步骤11：背面沉积硬掩膜SiO2或SiNx沉积，厚度400～1000nm，旋涂光刻胶，光刻显影图形化，刻蚀形成双腔区域硬掩膜，双腔区域以第一压敏电阻和第三压敏电阻中心对称排布，使得第一压敏电阻和第三压敏电阻位于双腔的中心位置，第二压敏电阻和第四压敏电阻位于双腔的同一侧，且第二压敏电阻和第四压敏电阻分别距离第一压敏电阻和第三压敏电阻的距离保持一致，去胶；
步骤12：正面抗氢氧化钾或四甲基氢氧化铵胶保护旋涂；
步骤13：采用氢氧化钾或四甲基氢氧化铵溶液腐蚀背部双腔至一定深度，深度为30～80μm；
步骤14：去除背面硬掩膜和去除正面保护胶；
步骤15：玻璃与衬底减薄背面进行阳极键合，为第一压敏电阻、第二压敏电阻、第三压敏电阻和第四压敏电阻形成真空绝压腔体，玻璃键合层位于衬底上部或衬底下部，若玻璃键合层位于衬底上部，玻璃成为预制腔体而形成绝压腔，第一压敏电阻、第二压敏电阻、第三压敏电阻和第四压敏电阻为背面感压；若玻璃键合层位于衬底下部，玻璃与双腔形成真空绝压腔体，第一压敏电阻、第二压敏电阻、第三压敏电阻和第四压敏电阻为正面感压。
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