CN116358744A - 一种压力传感器的加工方法及压力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种压力传感器的加工方法及压力传感器。该压力传感器的加工方法包括如下步骤：S1、在上层的下表面上制作第一凹槽并在第一凹槽内预留凸台；S2、在中间层内部制作谐振器结构；S3、使中间层的上表面与上层的下表面对准键合，使谐振器结构的自由端与上层的凸台键合；S4、在下层的上表面上制作第二凹槽；S5、在真空条件下，将下层的上表面和中间层的下表面对准键合以形成密封腔，下层与中间层之间的键合部位绝缘连接；S6、在上层的上表面上制作压力敏感膜；S7、分别在上层、中间层和下层上制作电极。该加工方法能够解决真空封装和引线互联的问题，提升封装可靠性，提升产品性能，降低工艺成本。

Description

一种压力传感器的加工方法及压力传感器

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种压力传感器的加工方法及压力传感器。

背景技术

压力传感器目前越来越小型化，从而对压力传感器封装技术越来越有挑战。硅谐振压力传感器是精度最高的一类MEMS压力传感器，也是工艺复杂度最高的一类传感器，其核心问题是如何实现对谐振器的真空封装。通常，阳极键合和硅-硅键合是两种应力最小的键合方式，目前高精度产品主要采用这两种真空封装方法。真空封装过程中的核心问题是，如何解决真空封装与引线互联的矛盾问题。

现有的无引线通孔的压力传感器，除了设置驱动谐振器周期性运动的驱动电压之外，还需额外在压力敏感膜和谐振器之间增加一个基准电压，当压力敏感膜受到待测压力时，会导致压力敏感膜和谐振器之间静电力和电容发生变化，从而导致谐振器的谐振频率发生变化，通过上述谐振频率的变化计算待测压力大小，因而导致测量的压力中包含了基准电压自身变化时的误差因素，从而降低待测压力的测量精度。

因此，亟待需要一种无引线通孔的真空封装压力传感器的加工方法以解决上述问题。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种压力传感器的加工方法，能够解决真空封装和引线互联的问题，提升封装可靠性，提升产品性能，降低工艺成本。

本发明的另一个目的在于提供一种压力传感器，可采用上述压力传感器的加工方法制成，该压力传感器封装可靠性更高，产品性能更好，成本更低。

为实现上述目的，提供以下技术方案：

第一方面，提供了一种压力传感器的加工方法，所述压力传感器包括上层、中间层和下层，所述上层、所述中间层和所述下层均为半导体；所述压力传感器的加工方法包括如下步骤：

S1、在所述上层的下表面上制作第一凹槽并在所述第一凹槽内预留凸台；

S2、在所述中间层内部制作谐振器结构；

S3、使所述中间层的上表面与所述上层的下表面对准键合，使所述谐振器结构的自由端与所述上层的所述凸台键合，所述中间层与所述上层之间的键合部位绝缘连接；

S4、在所述下层的上表面上制作第二凹槽；

S5、在真空条件下，将所述下层的上表面和所述中间层的下表面对准键合以形成密封腔，所述下层与所述中间层之间的键合部位绝缘连接；

S6、在所述上层的上表面上制作压力敏感膜；

S7、在所述上层上制作上电极；在所述中间层上制作中间电极；在所述下层上制作下电极。

作为所述的压力传感器的加工方法的可选方案，在步骤S1之前，对所述上层的下表面进行氧化处理；或

在步骤S1之后步骤S3之前，对所述上层的下表面进行氧化处理；或

在步骤S3中，对所述中间层与所述上层之间的键合部位进行氧化处理。

作为所述的压力传感器的加工方法的可选方案，在步骤S3之后步骤S4之前，对所述下层的上表面进行氧化处理；或

在步骤S4之后步骤S5之前，对所述下层的上表面进行氧化处理；或

在步骤S5中，对所述中间层与所述下层之间的键合部位进行氧化处理。

作为所述的压力传感器的加工方法的可选方案，所述上层的外轮廓、所述中间层的外轮廓和所述下层的外轮廓相同，在步骤S7之前，还包括：切除所述上层的一部分以露出所述中间层的部分上表面，切除所述中间层的一部分以露出所述下层的部分上表面。

作为所述的压力传感器的加工方法的可选方案，在步骤S7中，在所述上层的上表面制作所述上电极；在所述中间层的上表面制作所述中间电极；在所述下层的上表面制作所述下电极。

作为所述的压力传感器的加工方法的可选方案，所述第二凹槽的槽侧壁形成的外轮廓与所述第一凹槽的槽侧壁形成的外轮廓相同。

作为所述的压力传感器的加工方法的可选方案，在步骤S5中，在所述中间层和所述下层之间插入垫片，然后将所述中间层和所述下层送入键合机的真空室，取出所述垫片，通过加压和升温将所述中间层和所述下层对准键合为一体，以形成所述密封腔。

作为所述的压力传感器的加工方法的可选方案，在步骤S7中，利用电子束蒸发沉积技术形成用作电极的铝金属薄膜。

第二方面，提供了一种压力传感器，所述压力传感器包括上层、中间层和下层，所述上层、所述中间层和所述下层均为半导体；

所述上层的下表面上开设有第一凹槽，所述第一凹槽内凸设有凸台；

所述中间层包括框型部和悬臂部，所述悬臂部的一端连接于所述框型部的内部以形成谐振器结构；所述框型部的上表面与所述上层的下表面绝缘键合，所述悬臂部的自由端与所述凸台绝缘键合；

所述下层的上表面上开设有第二凹槽，所述框型部的下表面与所述下层的上表面绝缘键合，以形成密封腔；

所述上层上设置有上电极；所述中间层上设置有中间电极；所述下层上设置有下电极。

作为所述的压力传感器的可选方案，所述凸台的下表面与所述上层的下表面位于同一水平面上。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明提供的压力传感器的加工方法，包括如下步骤：S1、在上层的下表面上制作第一凹槽并在第一凹槽内预留凸台；S2、在中间层内部制作谐振器结构；S3、使中间层的上表面与上层的下表面对准键合，使谐振器结构的自由端与上层的凸台键合，中间层与上层之间的键合部位绝缘连接；S4、在下层的上表面上制作第二凹槽；S5、在真空条件下，将下层的上表面和中间层的下表面对准键合以形成密封腔，下层与中间层之间的键合部位绝缘连接；S6、在上层的上表面上制作压力敏感膜；S7、在上层上制作上电极；在中间层上制作中间电极；在下层上制作下电极。该加工方法能够解决真空封装和引线互联的问题，提升封装可靠性，提升产品性能，降低工艺成本。

本发明提供的压力传感器，可采用上述压力传感器的加工方法制成，该压力传感器封装可靠性更高，产品性能更好，成本更低。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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，还可以根据本发明实施例的内容和这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的压力传感器的分解示意图；

图2为本发明实施例提供的压力传感器的侧剖图。

附图标记：

100、氧化层；

1、上层；11、第一凹槽；12、凸台；13、第三凹槽；

2、中间层；21、框型部；22、悬臂部；

3、下层；31、第二凹槽；

4、上电极；

5、中间电极；

6、下电极。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，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发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“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；可以是机械连接，也可以是电连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

如图1-图2所示，本实施例提供了一种压力传感器，压力传感器包括上层1、中间层2和下层3，上层1、中间层2和下层3均为半导体。

可选地，上层1上表面上成型有压力敏感膜，上层1的下表面上开设有第一凹槽11，第一凹槽11内凸设有凸台12；中间层2包括框型部21和悬臂部22，悬臂部22的一端连接于框型部21的内部以形成谐振器结构；框型部21的上表面与上层1的下表面绝缘键合，悬臂部22的自由端与凸台12绝缘键合；下层3的上表面上开设有第二凹槽31，框型部21的下表面与下层3的上表面绝缘键合，以形成密封腔；上层1上设置有上电极4；中间层2上设置有中间电极5；下层3上设置有下电极6。

该压力传感器由半导体制成，避免异质材料的膨胀系数差异，可显著改善其温度特性。另外，采用半导体作为导电材料，可直接在压力传感器的各层上直接成型电极结构，实现结构与电极的一体化设计，无需开孔、金属填充等复杂工艺过程，可实现可靠简单的工艺流程。在芯片尺寸上，无需大面积的密封边框设计，芯片可实现小型化。

本实施例提供的压力传感器的压力检测原理为：悬臂式谐振器(悬臂部22形成的谐振器结构呈悬臂式)与上层1的第一凹槽11构成驱动电容，悬臂式谐振器(悬臂部22形成的谐振器结构呈悬臂式)与下层3构成检测电容。通过给上电极4施加周期信号，使得悬臂式谐振器结构周期运动，从而改变其与下层3上第二凹槽31槽底面之间的间距，从而改变检测电容。通过检测检测电容变化，拾取谐振器结构的振动频率。当压力作用于压力传感器的压力敏感膜后，使其形变，从而引起悬臂式谐振器结构刚度变化，进而引起其频率变化，通过检测电极频率信号的变化，来表征压力的大小。

通过压力敏感膜和谐振器结构连接，使得待测压力直接通过物理接触的方式将压力敏感膜受到的压力传递至谐振器结构，谐振器结构的振动频率因此而发生变化，以用于待测压力测量，而无需引入基准电压，提高了压力测量的精度。

优选地，在上层1的上表面上开设第三凹槽13，第三凹槽13可作为压力敏感膜成型基础。

优选地，凸台12的下表面与上层1的下表面位于同一水平面上，从而使悬臂部22在未受到作用力时处于水平状态。

可选地，上层1、中间层2和下层3均为硅片。

针对本实施例提供的压力传感器进行仿真计算，谐振器结构频率与作用压力为线性变化关系，其灵敏度为15.8HZ/kPa。

本实施例提供了一种压力传感器的加工方法，压力传感器的加工方法包括如下步骤：

S1、在上层1的下表面上制作第一凹槽11并在第一凹槽11内预留凸台12；

S2、在中间层2内部制作谐振器结构；

S3、使中间层2的上表面与上层1的下表面对准键合，使谐振器结构的自由端与上层1的凸台12键合，中间层2与上层1之间的键合部位绝缘连接；

S4、在下层3的上表面上制作第二凹槽31；

S5、在真空条件下，将下层3的上表面和中间层2的下表面对准键合以形成密封腔，下层3与中间层2之间的键合部位绝缘连接；

S6、在上层1的上表面上制作压力敏感膜；

S7、在上层1上制作上电极4；在中间层2上制作中间电极5；在下层3上制作下电极6。

优选地，上层1的外轮廓、中间层2的外轮廓和下层3的外轮廓相同，在此情况下，为了成型上电极4、中间电极5和下电极6，在步骤S7之前，还包括：切除上层1的一部分以露出中间层2的部分上表面，切除中间层2的一部分以露出下层3的部分上表面。

可选地，在步骤S7中，在上层1的上表面制作上电极4；在中间层2的上表面制作中间电极5；在下层3的上表面制作下电极6。

优选地，第二凹槽31的槽侧壁形成的外轮廓与第一凹槽11的槽侧壁形成的外轮廓相同。

可选地，在本实施例中，第一凹槽11和第二凹槽31均四边形凹槽，第二凹槽31的长度与第一凹槽11的长度相同，第二凹槽31的宽度与第一凹槽11的宽度相同。

示例性地，第二凹槽31的深度为3μm。

优选地，在步骤S1之前，对上层1的下表面进行氧化处理，形成氧化层100，以保证上层1与中间层2的键合部位绝缘连接。在其他实施例中，还可以是在步骤S1之后步骤S3之前，对上层1的下表面进行氧化处理，形成氧化层100。在其他实施例中，还可以是在步骤S3中，对中间层2与上层1之间的键合部位进行氧化处理。

优选地，在步骤S3之后步骤S4之前，对下层3的上表面进行氧化处理，形成氧化层100，以保证下层3与中间层2的键合部位绝缘连接。在其他实施例中，在步骤S4之后步骤S5之前，对下层3的上表面进行氧化处理，形成氧化层100。在其他实施例中，在步骤S5中，对中间层2与下层3之间的键合部位进行氧化处理。

在一个实施例中，在步骤S1中：利用光刻、深硅刻蚀工艺，在上层1的表面上制作凸台12；利用热氧化技术在上层1表面生长氧化硅绝缘层，作为氧化层100，利用光刻和氧化硅干法刻蚀对其进行图形化。

在一个实施例中，在步骤S2中：利用光刻、深硅刻蚀工艺，在中间层2上制作谐振器结构。

在一个实施例中，在步骤S3中：将上层1和中间层2清洗后，利用键合机，对上层1和中间层2进行对准贴合，放入键合机内进行键合形成一体。

在一个实施例中，在步骤S4中：利用光刻、深硅刻蚀工艺，在下层3上刻蚀3um深度第二凹槽31，提供压力敏感膜变形区域；利用热氧化技术，在下层3表面生长氧化硅绝缘层，作为氧化层100，利用光刻和氧化层100硅刻蚀对其进行图形化。

在一个实施例中，在步骤S5中，在中间层2和下层3之间插入垫片，然后将中间层2和下层3送入键合机的真空室，取出垫片，通过加压和升温将中间层2和下层3对准键合为一体，以形成密封腔。具体地，在步骤S5中：对中间层2和下层3清洗后，利用键合机对两层硅片进行对准，插入垫片后，将两层硅片传入键合机真空腔室。在高真空条件下，将垫片移除，使得两个硅片贴合，通过加压和升温将两层硅片键合形成一体。

在一个实施例中，在步骤S6中：利用光刻技术，将上述三层键合硅片的上表面进行图形化，利用深硅刻蚀技术，形成压力敏感膜。

在一个实施例中，在步骤S7中，利用电子束蒸发沉积技术形成用作电极的铝金属薄膜。在步骤S7中：为使压力传感器的焊盘区域露出，利用划片额外的对上层1进行切割，使遮挡中间层2电极的区域的上层1剥离；利用划片机再对中间层2进行切割，使遮挡下层3电极区域的中间层2剥离，分别露出下层3和中间层2焊盘区域。

在一个实施例中，所述步骤S8中，制作三层电极窗口的硬掩膜，并将硬掩膜贴合于芯片表面，利用电子束蒸发将在电极区域沉积一层铝金属薄膜，用于引线连接。

以下以一个具体实例对上述压力传感器制作的实施例进行进一步说明：

步骤1)以P型双抛单晶硅为上层1，其电阻率为0.0005Ω.cm～0.001Ω.cm，厚度为300μm，以厚光刻胶为掩膜干法刻蚀硅，制作作为阳极键合用锚定区的凸台12，凸台12高度为3μm。

步骤2)采用热氧化技术，将上层1表面双面氧化，厚度0.5μm。通过3D喷胶设备进行喷胶涂敷，光刻形成电极窗口，利用HF腐蚀使氧化层100去除，以便与中间层2键合时保证该区域无法键合。

步骤3)以P型双抛单晶硅为中间层2，其电阻率为0.0005Ω.cm～0.001Ω.cm，厚度为15μm，以厚光刻胶为掩膜干法刻蚀硅，制作形成谐振器结构。

步骤4)以P型双抛单晶硅为下层3，其电阻率为0.0005Ω.cm～0.001Ω.cm，厚度为300μm，以厚光刻胶为掩膜干法刻蚀硅，制作压力膜图形凹槽，深度3μm，形成检测电极并提供谐振器结构振动空间。

步骤5)利用热氧技术对下层3进行双面氧化，厚度0.5μm，形成氧化硅绝缘层，作为氧化层100。利用3D喷胶设备喷胶涂敷，光刻形成电极窗口，并利用HF酸腐蚀氧化层100，避免该区域与中间层2键合。

步骤6)利用RCA1洗液和RCA2洗液，对三层硅进行清洗。并利用RIE对键合面进行活化处理。

步骤7)利用键合机将上层1和中间层2对准贴合，放入键合腔室。升温至450℃，加压键合1小时，键合后阶梯降温至100℃以下。

步骤8)将键合片取出清洗，包括RCA洗液和RIE等离子体活化。键合片与下层3对准后，插入垫片，并装入键合机卡盘，传入键合腔室。

步骤9)在真空条件下(小于0.01mbar)，去除垫片，使得两个片子接触，并加压升温至450℃，完成三层键合。

步骤10)将键合片上层1表面旋涂光刻胶，光刻形成压力敏感膜区域，利用干法刻蚀，形成深度200μm的第三凹槽13，也就是压力敏感膜。

步骤11)使用划片机将芯片整体切割为长方形，并将上层1与中间层2未键合区域切除，中间层2与下层3未键合区域切除，使得中间层电极区域和下层电极区域露出。

步骤12)将三层硅电极区域对应的硬掩膜贴于芯片表面，利用电子束蒸发，将Al膜沉积于电极区域，用于引线连接。一般，铝膜厚度为1μm以上。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所说的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种压力传感器的加工方法，其特征在于，所述压力传感器包括上层(1)、中间层(2)和下层(3)，所述上层(1)、所述中间层(2)和所述下层(3)均为半导体；所述压力传感器的加工方法包括如下步骤：

S1、在所述上层(1)的下表面上制作第一凹槽(11)并在所述第一凹槽(11)内预留凸台(12)；

S2、在所述中间层(2)内部制作谐振器结构；

S3、使所述中间层(2)的上表面与所述上层(1)的下表面对准键合，使所述谐振器结构的自由端与所述上层(1)的所述凸台(12)键合，所述中间层(2)与所述上层(1)之间的键合部位绝缘连接；

S4、在所述下层(3)的上表面上制作第二凹槽(31)；

S5、在真空条件下，将所述下层(3)的上表面和所述中间层(2)的下表面对准键合以形成密封腔，所述下层(3)与所述中间层(2)之间的键合部位绝缘连接；

S6、在所述上层(1)的上表面上制作压力敏感膜；

S7、在所述上层(1)上制作上电极(4)；在所述中间层(2)上制作中间电极(5)；在所述下层(3)上制作下电极(6)。

2.根据权利要求1所述的压力传感器的加工方法，其特征在于，在步骤S1之前，对所述上层(1)的下表面进行氧化处理；或

在步骤S1之后步骤S3之前，对所述上层(1)的下表面进行氧化处理；或

在步骤S3中，对所述中间层(2)与所述上层(1)之间的键合部位进行氧化处理。

3.根据权利要求1所述的压力传感器的加工方法，其特征在于，在步骤S3之后步骤S4之前，对所述下层(3)的上表面进行氧化处理；或

在步骤S4之后步骤S5之前，对所述下层(3)的上表面进行氧化处理；或

在步骤S5中，对所述中间层(2)与所述下层(3)之间的键合部位进行氧化处理。

4.根据权利要求1所述的压力传感器的加工方法，其特征在于，所述上层(1)的外轮廓、所述中间层(2)的外轮廓和所述下层(3)的外轮廓相同，在步骤S7之前，还包括：切除所述上层(1)的一部分以露出所述中间层(2)的部分上表面，切除所述中间层(2)的一部分以露出所述下层(3)的部分上表面。

5.根据权利要求4所述的压力传感器的加工方法，其特征在于，在步骤S7中，在所述上层(1)的上表面制作所述上电极(4)；在所述中间层(2)的上表面制作所述中间电极(5)；在所述下层(3)的上表面制作所述下电极(6)。

6.根据权利要求1所述的压力传感器的加工方法，其特征在于，所述第二凹槽(31)的槽侧壁形成的外轮廓与所述第一凹槽(11)的槽侧壁形成的外轮廓相同。

7.根据权利要求1所述的压力传感器的加工方法，其特征在于，在步骤S5中，在所述中间层(2)和所述下层(3)之间插入垫片，然后将所述中间层(2)和所述下层(3)送入键合机的真空室，取出所述垫片，通过加压和升温将所述中间层(2)和所述下层(3)对准键合为一体，以形成所述密封腔。

8.根据权利要求1所述的压力传感器的加工方法，其特征在于，在步骤S7中，利用电子束蒸发沉积技术形成用作电极的铝金属薄膜。

9.一种压力传感器，其特征在于，所述压力传感器包括上层(1)、中间层(2)和下层(3)，所述上层(1)、所述中间层(2)和所述下层(3)均为半导体；

所述上层(1)的下表面上开设有第一凹槽(11)，所述第一凹槽(11)内凸设有凸台(12)；

所述中间层(2)包括框型部(21)和悬臂部(22)，所述悬臂部(22)的一端连接于所述框型部(21)的内部以形成谐振器结构；所述框型部(21)的上表面与所述上层(1)的下表面绝缘键合，所述悬臂部(22)的自由端与所述凸台(12)绝缘键合；

所述下层(3)的上表面上开设有第二凹槽(31)，所述框型部(21)的下表面与所述下层(3)的上表面绝缘键合，以形成密封腔；

所述上层(1)上设置有上电极(4)；所述中间层(2)上设置有中间电极(5)；所述下层(3)上设置有下电极(6)。

10.根据权利要求9所述的压力传感器，其特征在于，所述凸台(12)的下表面与所述上层(1)的下表面位于同一水平面上。

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